鹽井—礦煤層水力壓裂范圍監(jiān)測技術(shù)研究*

張翠蘭，郭臣業(yè)，許洋鋮，劉 濤，何 華

(1.重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶 南岸400060;2.中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 九龍坡400039;3.重慶天弘礦業(yè)有限公司鹽井一礦，重慶 合川401519;4.重慶市能源投資集團(tuán)有限公司，重慶 渝北401121)

0 引 言

水力壓裂是煤層氣井增產(chǎn)的一項重要措施，已成為煤層氣開發(fā)的重要手段［1］。近年來煤層氣勘探開發(fā)實踐證明，水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下低透氣性煤層增透，取得了良好的瓦斯抽采效果。水力壓裂范圍監(jiān)測是制約水力壓裂技術(shù)應(yīng)用及取得理想效果的關(guān)鍵因素之一［2］，獲取煤層水力壓裂范圍數(shù)據(jù)資料，是開展煤層水力壓裂效果綜合評價研究、進(jìn)行煤層氣開發(fā)模擬預(yù)測及分析產(chǎn)氣直接效果的基礎(chǔ)［3］，煤層壓裂在某些方面確實不同于常規(guī)地層的壓裂［4-5］。煤層井下模擬結(jié)果表明，壓裂影響區(qū)域位置分布比預(yù)料的更為復(fù)雜，可能出現(xiàn)水平影響區(qū)域與垂直影響區(qū)域構(gòu)成的復(fù)合影響區(qū)域［6］。因此，迫切需要對煤層水力壓裂范圍和水力壓裂影響區(qū)域分布情況進(jìn)行深入研究［7］。

為了評價水力壓裂效果，目前已經(jīng)發(fā)展了一系列的壓裂范圍診斷技術(shù)。國內(nèi)外廣泛采用井下微地震監(jiān)測、測斜儀監(jiān)測、直接近井筒監(jiān)測和分布式聲傳感監(jiān)測(DAS)等技術(shù)來了解和評價煤層水力壓裂壓裂范圍的特征［8］。然而，由于煤層中存在天然裂縫及其他非均質(zhì)各向異性特征，對應(yīng)力波傳播速度及能量頻率削減幅度有很大影響，監(jiān)測的信號因受到影響而變?nèi)?，因此不適合微地震監(jiān)測;測斜儀隨井距或深度的增加，分辨率變低，無法用于深井;直接近井筒壓裂監(jiān)測技術(shù)只作為補(bǔ)充技術(shù);分布式聲傳感裂縫監(jiān)測在2009 年首次用于現(xiàn)場壓裂監(jiān)測還處于起步階段。以上監(jiān)測方法雖然取得了一定的成效，但均存在有很大的局限性，從長遠(yuǎn)看，需要開發(fā)國產(chǎn)的技術(shù)裝備和軟件，以降低作業(yè)成本，達(dá)到推廣應(yīng)用的目的［9-14］。

文中根據(jù)瞬變電磁探測特點，在鹽井一礦K4煤層-150 m 二石門進(jìn)行水力壓裂范圍探測試驗。結(jié)合煤層石門探測工作區(qū)實際情況，全面優(yōu)化監(jiān)測方案，設(shè)計了合理可行的水力壓裂范圍監(jiān)測方案并對實施結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，探索形成了一套煤層水力壓裂范圍監(jiān)測新方法。

1 瞬變電磁法探測基本原理

瞬變電磁法(TEM:Transient Electromagnetic Method)是一種脈沖感應(yīng)類電法，屬于時間域電磁法。它通過不接地回線向勘探目標(biāo)發(fā)送一次磁場，測量一次場關(guān)斷后一段時間內(nèi)的二次磁場變化，通過二次磁場衰減變化的信號特征來解釋和反演勘探目標(biāo)區(qū)介質(zhì)結(jié)構(gòu)的性狀。瞬變電磁法的激勵場源主要有回線形式(或載流線圈)的磁源和接地電極形式的電流源2 種。

瞬變電磁對低阻體反映靈敏，在煤礦中尤其對水體、金屬管道等低阻體反映靈敏。由于壓裂過程中要往煤層中注水，在壓裂后未進(jìn)行放水工作的短時間內(nèi)，壓裂水應(yīng)該存儲在煤層有效壓裂區(qū)域，此時煤層與周圍巖石相比電阻率呈低阻狀態(tài)。使用瞬變電磁儀器天線中的接收回線，接收二次磁場衰減曲線，再將衰減曲線轉(zhuǎn)換為視電阻率，礦井瞬變電磁法視電阻率為全空間地層導(dǎo)電性的綜合反映，根據(jù)儀器時窗大小、頻率等參數(shù)，進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換得到視深度值，從而可以準(zhǔn)確定位含水煤層位置。

2 鹽井一礦K4煤層概況

天弘礦業(yè)公司鹽井一礦位于重慶市合川區(qū)鹽井鎮(zhèn)。K4煤層埋于大堡頂以南一帶山地，地面標(biāo)高470 ～520 m，煤層厚1.5 ～1.9 m，煤層傾角36°～39°;煤層中含一層夾矸，夾矸厚約0.1 m.

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料分析，該段無地質(zhì)構(gòu)造，煤(巖)層趨于穩(wěn)定。其頂?shù)装鍘r層巖性情況見表1.

表1 K4煤層頂?shù)装鍘r性情況一覽表Tab.1 Schedule of lithologic in seam roof and floor

鹽井一礦K4煤層屬高瓦斯煤層，為提高瓦斯抽采效率，K4煤層在開采過程中進(jìn)行了多次水力壓裂，壓裂效果參差不齊，壓裂效果情況尚不清楚。為了了解壓裂施工進(jìn)展情況、獲得壓裂范圍尺寸、評價壓裂效果、優(yōu)化壓裂設(shè)計，采用瞬變電磁法對本煤層水力壓裂范圍進(jìn)行監(jiān)測試驗。

3 壓裂范圍監(jiān)測現(xiàn)場實施

根據(jù)鹽井一礦K4煤層實際情況，優(yōu)選中煤科工集團(tuán)重慶研究院自行研制的本質(zhì)安全型YCS -40 瞬變電磁儀(如圖1)，該套系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)能夠滿足探測要求;設(shè)計扇形探測排布方式，覆蓋煤層水力壓裂煤層區(qū);綜合考慮了煤巖層特征、瞬變電磁探測盲區(qū)、壓裂管道對監(jiān)測的影響，全面優(yōu)化了監(jiān)測方案，設(shè)計了合理可行的監(jiān)測方案并予以實施。

圖1 本質(zhì)安全型YCS-40 瞬變電磁儀Fig.1 Intrinsically safe YCS-40 transient electromagnetic instrument

3.1 測點布置及施工方法

本次瞬變電磁法探測采用重疊回線裝置，發(fā)射線框采用多匝1 m×1 m 矩形回線。根據(jù)壓裂的經(jīng)驗，壓裂范圍應(yīng)沿著煤層圍繞壓裂孔分布，半徑約為20 ～30 m.為了探測出壓裂范圍，本次試驗在-150 m 二石門正前方，布置水平和垂直2 個方向各11 條測線和1 條測線。水平方向掃描左右各50°，每10°一個測點，每條測線共11 個測點;垂直方向相似，布置1 條測線，掃描上下各50°范圍，每10°一個測點，每條測線共11 個測點;探測布置示意圖如圖2 所示。

圖2 瞬變電磁法測點布置示意圖Fig.2 Schematic drawing of transient electromagnetic method test point arrangement

3.2 減小探測盲區(qū)設(shè)計

鹽井一礦-150 m 二石門距離煤層的距離較短(如圖3)，煤層距離石門表面瞬變電磁儀探測工作區(qū)最短距離為9.5 m 左右，如果使用普通天線，在2.5 A 電流發(fā)射下，受瞬變電磁探測發(fā)射機(jī)關(guān)斷時間和接收機(jī)動態(tài)范圍的影響，會產(chǎn)生30 m 左右盲區(qū)，丟失目標(biāo)體信息。為減小盲區(qū)，將天線進(jìn)行改進(jìn)，限制發(fā)射電流，試驗驗證發(fā)射頻率，經(jīng)實驗室及現(xiàn)場驗證，將發(fā)射天線減少為2 匝、接收天線減少為3 匝、發(fā)射機(jī)頻率設(shè)置為75 Hz，發(fā)射電流限制為2.5 A 的情況下，盲區(qū)控制在10 m 以下內(nèi)，滿足探測要求。

圖3 鹽井一礦-150 m 二石門剖面圖Fig.3 Second shimen of Yanjing first coal mine -150 m depth profile

圖4 壓裂后瞬變電磁探測視電阻率剖面圖Fig.4 Apparent resistivity profile of transient electromagnetic detection after fracturing

3.3 探測資料解釋

根據(jù)以上試驗方案，對鹽井一礦K4煤層-150 m 二石門水力壓裂壓裂范圍進(jìn)行了探測試驗，以水平向上0° ～50°為例，對測試結(jié)果進(jìn)行解釋分析，水平向上0° ～50°測線瞬變電磁探測視電阻率剖面圖如圖4 所示。圖中，藍(lán)色區(qū)域代表低阻體區(qū)，為可能存在壓裂水或是壓裂管道等干擾體區(qū)域;紅色區(qū)域代表高阻體區(qū)，為煤巖層或頂?shù)装鍏^(qū)等高阻體區(qū)域。

從圖4 中可以看出:①由于改進(jìn)了天線和發(fā)射電流，淺部盲區(qū)降至6 m 以下，有效探測范圍為6～30 m，有效探測區(qū)域覆蓋水力壓裂煤層區(qū);②由于采用了75 Hz 發(fā)射頻率，在目標(biāo)區(qū)域加密抽道，實現(xiàn)了對目標(biāo)區(qū)電阻率情況的充分反映;③能清楚的探測到壓裂管道和兩側(cè)的積水區(qū)，說明采用瞬變電磁方法對低阻體的區(qū)分非常有效;④根據(jù)壓裂管道的位置，剔除壓裂管道低阻區(qū)影響，可以判斷壓裂水主要分布在水平向上0° ～30°之間、水平向上50°附近，壓裂區(qū)域分布與管道位置分布對應(yīng)關(guān)系明顯。壓裂區(qū)域長度約為22 m，壓裂區(qū)域?qū)挾葹? ～12 m;⑤由于壓裂管道1 靠近頂板，壓裂區(qū)域的延伸受到限制，壓裂影響區(qū)域小于壓裂管道3 壓裂影響區(qū)域。

4 結(jié) 論

通過瞬變電磁法在鹽井一礦K4煤層-150 m二石門水力壓裂壓裂范圍探測試驗，得出如下結(jié)論

1)瞬變電磁法探測能夠利用水的低阻特性，探測出壓裂煤層的積水區(qū)，從而間接推斷壓裂范圍和水力壓裂區(qū)域分布情況。但是，由于目標(biāo)煤層較薄、壓裂水含量較小、井下干擾信號較多等原因，監(jiān)測范圍尚未達(dá)到完全定量化水平、監(jiān)測精度還有提升空間。

2)通過改進(jìn)了天線、發(fā)射電流和發(fā)射頻率，探測到K4煤層-150 m 二石門壓裂水主要分布在水平向上0° ～30°之間、水平向上50°附近，壓裂區(qū)域長度約為22 m，壓裂區(qū)域?qū)挾葹? ～12 m.所探測含水煤層范圍與壓裂管道位置及頂板位置分布對應(yīng)良好，與實際吻合，資料解釋結(jié)果可信。

3)瞬變電磁法測試條件要求較高，受金屬體的影響較大。在測量中應(yīng)該盡量減少金屬體的干擾，或者采用剔除干擾場的方式提取含水煤層二次場。

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