微震監(jiān)測煤層頂板壓裂技術(shù)應(yīng)用與研究???

馬寧

摘 要：近年來，隨著礦井開采深度的增加，以及新建和部分生產(chǎn)礦井向石炭二疊系煤層的轉(zhuǎn)移，礦井沖擊地壓、頂板垮落、水和瓦斯突出問題越來越嚴(yán)重，制約了煤礦的安全高效開采。為了減少此類災(zāi)害的發(fā)生，在采煤前采用壓裂方法破壞煤層頂板，使其在采煤后能夠自然跨落。煤層頂板因?yàn)閴毫研纬傻牧芽p長度、寬度、延展方向及導(dǎo)流能力是影響壓裂效果最重要和最直接的因素。通過對壓裂裂縫進(jìn)行監(jiān)測，可以認(rèn)識壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及空間分布形態(tài)，指導(dǎo)和優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)及井網(wǎng)部署。為了檢測和監(jiān)測煤層頂板壓裂效果及弄清煤層頂板堅(jiān)硬砂巖中壓裂裂縫的幾何參數(shù)及壓裂波及范圍，進(jìn)行了同煤集團(tuán)石炭紀(jì)3-5號煤層頂板壓裂微震監(jiān)測工程。

關(guān)鍵詞：煤層頂板;壓裂;裂縫;微震監(jiān)測

0 引言

同煤集團(tuán)煤田主要為侏羅系和石炭二疊系煤系地層，目前，上覆侏羅系煤層已全部開發(fā)利用，許多礦井已相繼關(guān)閉，或在進(jìn)行收尾生產(chǎn)。同煤集團(tuán)正在把開采重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向石炭二疊系煤層。近年來，隨著礦井開采深度的增加，以及新建和部分生產(chǎn)礦井向石炭二疊系煤層的轉(zhuǎn)移，瓦斯突出問題越來越嚴(yán)重，一定程度上影響了煤礦的安全高效開采。同煤集團(tuán)部分礦井綜采放頂煤開采強(qiáng)度特別大，雖然煤層中瓦斯含量較低，但礦井瓦斯突出量卻較大。為避免發(fā)生煤層頂板落頂?shù)臑?zāi)害和煤層自然發(fā)火的災(zāi)害設(shè)計(jì)使用壓裂技術(shù)將頂板壓裂，為了檢測和監(jiān)測煤層頂板壓裂效果及弄清煤層頂板堅(jiān)硬砂巖中壓裂裂縫的幾何參數(shù)及壓裂波及范圍，進(jìn)行了同煤集團(tuán)石炭紀(jì)3-5號煤層頂板壓裂微震監(jiān)測工程。本項(xiàng)目采用時(shí)移井間微震監(jiān)測得到一系列成果資料，對壓裂實(shí)施效果進(jìn)行了定性分析，實(shí)踐表明該方法技術(shù)可行。

1 項(xiàng)目總體方案

針對項(xiàng)目研究的需求，以同煤集團(tuán)某煤礦為依托，開展同煤集團(tuán)石炭紀(jì)3-5號煤層頂板壓裂。通過對地面壓裂技術(shù)的改進(jìn)，結(jié)合該礦實(shí)際地質(zhì)情況，布置一口高位壓裂試驗(yàn)井，采用高壓，酸化等技術(shù)手段改變巖石的力學(xué)性質(zhì)，從而防止頂板突然大面積折斷垮落的災(zāi)害發(fā)生[1-3]。

本次采用孔間微震監(jiān)測技術(shù)，對壓裂施工效果進(jìn)行監(jiān)測和檢測，評價(jià)煤層頂板破裂程度?？组g微震監(jiān)測技術(shù)基于層狀介質(zhì)理論，根據(jù)地震波中的旅行時(shí)間與速度的關(guān)系建立旅行時(shí)間與速度及傳播距離的關(guān)系式，利用求解線性方程組求解速度與孔間地層的變化并給出相關(guān)層的縱橫波速度值，是一種新的描述儲層動態(tài)特征的工具，它的基礎(chǔ)是強(qiáng)化采油過程中由于蒸汽、水或氣的注入造成儲層流體成分、溫度、壓力等發(fā)生變化，這些變化又引起儲層彈性性質(zhì)的變化，從而引起地震響應(yīng)的變化。

本項(xiàng)目旨在用壓裂方法將煤層頂板破壞，減少煤層頂板落頂?shù)葹?zāi)害，需要通過時(shí)移井間地震測井方法來檢測由于壓裂引起煤層頂板彈性性質(zhì)的改變造成的地震響應(yīng)的變化，來評價(jià)煤層頂板破裂程度。研究利用井間微震監(jiān)測技術(shù)落實(shí)石炭紀(jì)3-5號煤層頂板小斷層、小構(gòu)造分布以及裂縫發(fā)育帶高精度的分析與撿測。

2 微震監(jiān)測施工方法

2.1 微震監(jiān)測選井

（1）8101壓裂井井深461.00m，基本參數(shù)見表1。

（2）本次壓裂施工分為兩個(gè)階段，即第一段壓裂和第二段壓裂，壓裂層位數(shù)據(jù)見表2。

（3）井間地震選井。

同煤集團(tuán)某礦11H和13H井進(jìn)行井間地震層析成像，兩口井間距為80m。

11H和13H井基本數(shù)據(jù)見表3。

2.2 資料采集

2.2.1 施工儀器設(shè)備

本次采用JDB-30多級三分量檢波器接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括：

（1）主控單元（遙測模塊、測深模塊）;

（2）三分量地震采集一體化節(jié)（單元），目前最多可達(dá)12節(jié)，每節(jié)均帶有推靠裝置;

（3）加重單元。

2.2.2 壓裂定性的監(jiān)測方法

本次微震監(jiān)測的目的層位主要為煤層頂部蓋層，深度范圍為100m以內(nèi)。本次選用反射成像和層析成像的方法，由于施工條件所限。接收儀器從200～400m（井底），對應(yīng)的72道檢波器接收進(jìn)行了正演模擬，通過對射線路徑、覆蓋次數(shù)、模擬記錄的分析，認(rèn)為目的層覆蓋次數(shù)滿足要求，且在井旁沒有反射盲區(qū)，效果較好。

2.2.3 參數(shù)選定的依據(jù)

儀器下井后，采集井下背景。由于0.25毫秒的采樣率，它的采樣頻率能夠達(dá)到1000赫茲以上，分辨率比較高。1秒的記錄長度，有利于知道所有的地震波記錄。所以本次選擇的采樣率是0.25毫秒，記錄長度是1秒。經(jīng)過試驗(yàn)后，本次施工有效信號比較明顯。

2.2.4 井間地震工作方法

在8101井三開完成，水平壓裂之前，在11H和13H井從200～400m（井底）內(nèi)均勻布設(shè)72道三分量檢波器接收系統(tǒng)，采集天然源微動數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于背景噪聲的S波成像技術(shù)研究。

在8101井水平壓裂之后，布設(shè)微震采集設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與成像技術(shù)研究，作為水平壓裂的背景噪聲研究。與壓裂前相同的地方布設(shè)三分量檢波器接收系統(tǒng)，進(jìn)行微震數(shù)據(jù)采集。（對于壓裂微地震數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)在壓裂中和壓裂后一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。考慮壓裂完成后持續(xù)監(jiān)測10天）。

3 微震資料綜合分析與研究

3.1 波場變化分析

通過微震資料處理得到了壓裂前后兩次的微震反射縱波剖面，通過分析比對，并作差值。從差值剖面上可見壓裂層段深度對應(yīng)的位置，其間的地震波場有變化，綜合兩段壓裂的影響范圍，分析是由于壓裂造成了地震波場的變化。

3.2 速度場變化分析

對比壓裂前后得到的縱波速度層析成像結(jié)果，比較壓裂段深度的速度場變化，可見壓裂后靠近右側(cè)13H井旁區(qū)域的速度值降低了100m/s，分析與第一段壓裂完成影響范圍是一致的，其井間速度場的變化是由于壓裂造成的。

3.3 綜合分析與評價(jià)

針對此次壓裂效果評價(jià)開展了微震監(jiān)測技術(shù)，通過井間微震資料處理后得到波場剖面，進(jìn)行了多方面的分析：

（1）對壓裂前后兩次的反射縱波剖面作差，從差值剖面上可見波場的變化。綜合兩段壓裂的影響范圍，分析是由于壓裂造成了波場的變化。

（2）對比壓裂前后得到的縱波速度層析成像結(jié)果，可見壓裂后靠近右側(cè)13H井旁區(qū)域的速度值降低了100m/s，比較壓裂段深度的速度場變化，分析井間速度場的變化是由于壓裂造成的。

（3）通過多方法分析微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，各方面都反應(yīng)出經(jīng)壓裂前后地層的速度場發(fā)生了明顯變化，進(jìn)而說明了壓裂明顯改變了壓裂層段的巖石強(qiáng)度、地層構(gòu)造，進(jìn)而達(dá)到壓裂目的。

3.4 裂縫分布范圍

本次壓裂的目標(biāo)層位為K4砂巖和K5砂巖。K4砂巖為中、粗砂巖，厚度3.4m;K5砂巖為中、粗砂巖，局部為砂礫巖、礫巖，厚度3.93m。K4砂巖壓裂完成后，裂縫分布范圍為北西向，長約516.3m，最寬處約146.8m。K5砂巖壓裂完成后，裂縫分布范圍為北西向，長約665.1m，最寬處約216.1m[4-6]。

4 結(jié)論

（1）本項(xiàng)目共完成了壓裂前后1對監(jiān)測井的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、處理解釋工作，完成微震監(jiān)測資料的綜合解釋，獲得了縱波成像剖面成果、縱波速度成像剖面成果及差值剖面成果。

（2）通過比較壓裂前后剖面，分析其差值剖面異常變化，綜合壓裂裂縫展布結(jié)果，微震波場、速度剖面及差值剖面上異常變化的位置與壓裂影響范圍吻合。

（3）本項(xiàng)目采用微震監(jiān)測得到一系列成果資料，可對壓裂實(shí)施效果進(jìn)行定性分析，實(shí)踐表明該方法技術(shù)可行。

參考文獻(xiàn)

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