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1、煤岩体水力压裂过程视电阻率响应实验1宋大钊 1,3，邱黎明 1，贾海珊 1，高萌 1，赵振涛 1，刘锰 1，李西林 2(1. 中国矿业大学 安全工程学院, 江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州 221116；3. 永城煤电集团有限责任公司 技术与信息中心，河南 永城 450016)摘要：为了探索水力压裂半径的有效考察手段，进行了小尺度煤岩体水力压裂过程视电阻率响应 实验。首先分析了水力压裂过程视电阻率响应原理，之后了建立水力压裂视电阻率响应实验系统， 在此基础上，研究了水力压裂过程煤岩体视电阻率的响应特征规律。研究表明，由于压力水的参 与以及煤岩体自身
2、结构的破坏能够引起内部电流场分布状态的改变，从而引起煤岩体视电阻率的 变化；水力压裂实验中，煤岩体视电阻率具有较好的响应，水力压裂影响区域煤岩体视电阻率会 出现显著变小的现象；视电阻率在空间上的分布不是均匀的，试样不同位置处的视电阻率在时间 上的演化也不是同步的，视电阻率的响应与煤岩体内部裂隙及压力水的分布及演化密切相关。研 究成果对探索视电阻率响应的水力压裂半径考察及效果评价的研究工作具有重要的理论意义。关键词：水力压裂；视电阻率；煤与瓦斯突出Experiments on the response of coal and rock apparent resistivity inthe Hyd
3、raulic fracturing processSong Da-zhao1,2, Qiu Li-ming, Jia Hai-shan, Gao Meng, Zhao Zhen-tao, Liu Meng, Li Xi-lin(1. Safety Engineering School, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221116;School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou, J
4、iangsu, 221116;2. Yongcheng Coal Group Co., Ltd., Technical Information Center Center, Yongcheng Henan, 450016)Abstract: In order to explore effective means of hydraulic fracturing radius study, small-scale hydraulic fracturing process coal and rock apparent resistivity response experiments are carr
5、ied out. Firstly, the apparent resistivity response of hydraulic fracturing process is analysed, then apparent resistivity response of hydraulic fracturing experimental system is established, based on which, characteristics of coal and rock apparent resistivity response of hydraulic fracturing is st
6、udied. It shows that, due to the pressure of the water involved in the destruction of rock and coal itself can cause changes in the internal structure of the current state of the field distribution, apparent resistivity in coal and rock is changed; good apparent resistivity response could be found i
7、n coal and rock hydraulic fracturing experiments, apparent resistivity of areas that coal and affected by rock hydraulic fracturing appears significantly smaller phenomenon; apparent resistivity distribution in space is not uniform, the apparent resistivity response of the sample at different positi
8、ons on the time evolution nor is synchronized, and Apparent resistivity response is closely related with the distribution and evolution of coal and rock internal fissures and pressure of the water. Research findings has important theoretical significance on exploring the apparent1*基金项目：国家自然科学基金资助项目(
9、51304205)；中国博士后科学基金面上资助项目(2013M541982),中国博士后科 学基金特别资助项目(2014T70678)。resistivity response method to check the hydraulic fracturing radius and evaluation.Key words: Hydraulic fracturing; apparent resistivity; Coal and gas outburst4nAU p =MNI AM1 1 + rrAN BN水力压裂技术在矿井瓦斯治理方面应用越来 越广泛。实践证明，水力压裂能够对煤岩体起到 良好的
10、卸压增透作用，大大提高瓦斯抽采效率， 从而达到较好的抽采及防突效果1-3。水力压裂技术应用过程中最关键的是压裂半 径的确定。当其确定合理时，井下现场能够在保 证煤层安全开采的前提下大大降低后期瓦斯抽采 施工工程量；而当其确定不合理时，煤岩体压裂 后可能出现压裂孔之间或单个压裂孔两侧应力分 布不均，在煤层中形成应力集中，甚至诱发瓦斯 动力的考察。而目前，水力压裂半径的考察仍停 留在非常传统的手段，如考察钻屑量、含水量等 传统指标及考察瓦斯抽采效果4-5。这些参数均是 对水力压裂潜在影响区域的“点评价”，即通过对 水力压裂潜在影响区域内取固定地点岩芯测试相 关参数进而对水力压裂是否影响到该点加以评
11、价 无法实现区内煤岩体结构演化的全面、时空连续 评价，从而一定程度上造成效果考察及后期瓦斯 抽采施工的盲目性，不仅影响煤矿安全生产，也 会导致施工成本的大幅提高。地电学技术已广泛应用于煤矿勘探领域 6-8。 其中，直流电阻率法是通过向被测区域煤岩体内 部供电，之后通过观测电极的电位或电位差信息 来反演煤岩体视电阻率变化，进而实现对煤层内 部构造的有效探测，即该方法是以煤岩体视电阻 率为媒介探测煤层地质异常区域9-11。而水力压裂 过程压力水随裂缝扩展进入煤岩体后会引起煤岩 体视电阻率的变化，由于压力水达到的区域某种 意义上可以认为是水力压裂能够影响到的区域， 那么，能否通过监测水力压裂过程煤岩
12、体视电阻 率变化来确定水力压裂半径？进而对压裂效果进 行有效评价？基于此，本文在实验室进行小尺度煤岩体水 力压裂过程视电阻率响应实验。首先分析水力压 裂过程视电阻率响应原理，之后建立水力压裂视 电阻率响应实验系统，在此基础上，研究水力压 裂过程煤岩体视电阻率的响应特征规律。 1 水力压裂煤岩体视电阻率响应原 理大地电阻率测量一般采用四极法，示意图如 图1所示【电法书】其中，A、B分别与供电电 源正负极相连，通过它们向介质供电，在介质中 及表面上产生稳定的电场分布；另外两个电极 M、 N 与测量电位差的仪表两端相连，通过它们测量 这两点间的电位差，并以此来确定介质的电阻率。图 1 四极法测试大地
13、电阻率示意图Fig. 1 Four-pole earth resistivity test schematic 如图1,不论A、B、M、N的相对位置如何, 都可以计算得到介质的电阻率值：1 丫1” AU（1）=K MN丿 IBM式中，P为介质电阻率，rAM为A、M点间 的距离，U 为M、N间的电位差，I为供电电 MN 流强度， K 为具有长度量纲的装置系数。当全空间内介质电性非均质时，按式（1）计 算的结果不再是某种介质的真电阻率，而三维空 间某一体积范围内典型变化的一种综合反映，称 为全空间视电阻率，则AUp = K MN（2）sI式中，P为M、N间介质的视电阻率。s仿照地面电阻率法的做法，
14、可以得到全空间 视电阻率的微分表达式：P = jjMN P（3）s j MN0式中，P 是M、N间介质的真电阻率；jMNMN为 M、 N 间的实际电流密度； j 为全空间内充满 0 均匀介质时的电流密度。可以看出，视电阻率是 介质内部电流场分布状态的外在表现。水力压裂过程中，高压水与外部应力的共同 作用导致煤岩体的进一步破坏，造成不同尺度裂 纹的失稳扩展。此时，压力水会充填到煤岩体的 裂缝之中。显然，煤岩体的视电阻率不仅与裂缝 的大小和结构（包括裂缝的截面积大小、弯曲程度及连通程度)有关，更重要的是，由于压力水压水表及水泵组成，数据采集系统由电极片、铜良好的导电性，视电阻率与裂缝中压力水的存在
15、质漆包线及WBD型网络并行电法仪组成。(a) 压裂前(a) before fractured(b)压裂后(b) after fractured图 2 压裂前后电阻率变化图Fig. 2 Change of apparent resistivity before and afterfractured图 3 实验系统图Fig. 3 Experimental system其中：1-试样；2-绝缘垫块；3-电极；4-密封胶；5-导水管；6-水压表；7-水泵；8-导线束；9-视电阻率采集仪；10-加载压机2.2 试样制备 由于大尺寸、规则煤样难以获取，本文根据 一般煤岩体的实际强度，将煤粉、石膏和水泥按 质量比3:1:1混合，浇筑成150x150x150 mm的试 样，并选定一侧面正中心位置利用手持电钻施工 孔深为100 mm的压裂孔。2.3 实验方案 实验过程利用加载系统对试样施加轴向应力 模拟煤矿现场煤岩体所处的垂直地应力，之后对 试样进行注水压裂，同时采集视电阻率信号，具 体步骤如下：图2 为煤层水力压裂裂缝扩展过程电阻率变化二a. 将导水管一侧插入压裂孔50 mm,之后利维简图。如图2所示，干燥煤岩体电阻率为P (假c 定水力压裂前煤岩体是相对干燥的)，压力水电阻率为P，湿润煤岩体电阻率为P ，其中， wmP P P。可以看出，由于压力水的参与以 cmw及煤岩体自
