石壕煤礦水力壓裂影響區(qū)域探測技術(shù)應用

鄒立雙，張景鋼

(1.重慶能投渝新能源有限公司 逢春煤礦，重慶 401445；2.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

石壕煤礦地處云貴高原向四川盆地過渡帶的高山地區(qū)，煤層薄且構(gòu)造復雜，瓦斯含量高、壓力大、透氣性極差，因此抽采瓦斯需對煤層進行增透[1,2]。水力壓裂作為一種提高低透氣性儲層產(chǎn)量的技術(shù)已在瓦斯開發(fā)中得到廣泛應用[3-7]。壓裂使煤體內(nèi)形成大量的微裂隙和貫通裂隙，使煤層瓦斯快速的運移出來，其壓裂效果與煤體原生裂隙、受力狀況、強度等相關(guān)[8-10]，學者們普遍認為水力壓裂對硬煤效果較好，對軟煤的作用效果還沒有定論[11]。

微地震監(jiān)測是通過水力壓裂期間監(jiān)測區(qū)域內(nèi)發(fā)生的微地震事件，反映出水力壓裂裂縫的產(chǎn)生時間、位置、長度等參數(shù)，能夠有效幫助壓裂效果評價、壓裂工藝和壓裂參數(shù)優(yōu)化，是一種常規(guī)的、可靠的水力壓裂效果考察方法[12]。瞬變電磁技術(shù)是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射脈沖磁場探測介質(zhì)電阻率的一種方法，利用壓裂前后探測到的電阻率變化，可以間接得出水力壓裂影響區(qū)域[13]。本次利用YTZ3-3礦用本安型微地震監(jiān)測系統(tǒng)和YSC360型礦用多通道瞬變電磁儀對石壕煤礦北三區(qū)12#瓦斯巷M6煤層水力壓裂進行了探測，得到水力壓裂影響區(qū)域，為該礦水力壓裂鉆孔布置及壓裂工藝優(yōu)化提供了科學依據(jù)，同時為探測方式的選擇提供了支撐。

1 工程概況

石壕煤礦各可采煤層平均煤厚0.75～2.97 m，M6煤層、M7煤層部分可采，M8煤層全區(qū)可采，屬緩傾斜煤層，煤層平均傾角9°。12#瓦斯巷位于礦井北三區(qū)+380 m下山水平，東接+310總回風巷，巷道以西為礦井邊界，南、北面均無井巷形成，巷道全長1090 m，底板標高+155.8～328.1 m。

本次水力壓裂目標層為M6煤層，鉆孔終孔孔徑108 mm，設(shè)計水力壓裂鉆孔共10個，孔間距90～100 m，鉆孔穿過M6煤層頂板0.5 m，封孔至M6煤層底板處。本次針對9#、10#壓裂鉆孔影響范圍采用微地震監(jiān)測和瞬變電磁探測進行考察，9#～10#壓裂孔間距為100 m。

圖1 壓裂鉆孔布置剖面圖

2 微地震監(jiān)測

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)及測點布置

本次采用YTZ3-3礦用本安型微地震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由微地震監(jiān)測主機、GPS授時機、監(jiān)測子站、UPS電源、檢波器等組成。

本次共布置11個檢波器，均勻排列于9#壓裂孔兩側(cè)，間距10 m。檢波器通過波導桿與巖壁緊密結(jié)合，波導桿長1.4 m，考慮波導桿過短不能接收到信號的可能性，本次試驗結(jié)合工程實際將8號檢波器的波導桿延伸至M6煤層，全長60 m。微地震監(jiān)測試驗系統(tǒng)和檢波器空間布置剖面圖分別如圖2所示。

2.2 監(jiān)測結(jié)果

微地震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的地震事件如圖3所示。

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

微地震隨壓力變化：啟動增壓階段容易出現(xiàn)明顯的主震，9#孔壓裂至5.97 min時出現(xiàn)主震，其能量為145800 J，而此時注水壓力剛升到6.5 MPa；中間停泵后再次增壓時也同樣發(fā)生了主震，只是此時的能量只有1390 J，比初始階段要低一些；當二次停泵后第三次增壓時，雖壓力有所增大，但微地震強度已然沒有初次增壓時那么強。

通過對監(jiān)測到的微地震事件分布，將壓裂影響區(qū)域劃分為4個級別，所得結(jié)果如圖4所示?？梢奙6煤層的強烈影響區(qū)(Ⅰ)長軸超過130 m、短軸僅有50 m左右。

圖2 檢波器空間布置剖面圖

圖3 9#孔壓裂曲線及微地震時間分布

圖4 煤層內(nèi)地震事件分布及壓裂影響范圍

3 瞬變電磁探測

3.1 測點設(shè)計

利用瞬變電磁儀對壓裂前、后的煤層進行數(shù)據(jù)采集，確保壓裂前后采集點位置一致。采集點定在12#瓦斯巷9#～10#壓裂孔前后20 m范圍內(nèi)，測試長度共140 m，測點間距為10 m，共15個瞬變電磁測點，測點布置如圖5所示。

為實現(xiàn)立體探測煤層水的分布區(qū)域，每個測點扇形布置7個方向的測線，如圖6所示，從左45°到右45°，每2條測線間隔15°。

圖5 瞬變電磁測點縱向布置圖

圖6 瞬變電磁測點橫向布置圖

3.2 測試結(jié)果

壓裂前、后瞬變電磁測試得到的視阻率分別如圖7、圖8所示。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)瞬變電磁測試結(jié)果可知，在實施壓裂后，9#與10#壓裂孔之間煤層內(nèi)視電阻率明顯下降，低電阻率區(qū)域呈聯(lián)通趨勢。總體而言，視電阻率下降區(qū)域以壓裂孔為中心沿煤層走向長度達40 m，沿煤層傾向長度達63 m；其中測點10 m、50 m和120 m處視電阻率變化較大，分別達到3.5%、4.3%和4.8%。這是由于水力壓裂過程中注入水擴散，導致該區(qū)域煤巖體濕潤，煤層含水量增加，此區(qū)域為水力壓裂有效影響區(qū)。煤層含水量增加意味著煤層內(nèi)微裂隙及貫通裂隙增加，有助于提高瓦斯抽采效果。

4 結(jié)論

(1) 水力壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果表明，煤層壓裂過程中，微地震時間主要發(fā)生在起動增壓階段，M6煤層的強烈影響區(qū)長軸超過150 m、短軸僅有50 m左右。

(2) 瞬變電磁探測結(jié)果顯示，壓裂后在壓裂孔40 m范圍內(nèi)視電阻率明顯減小，其余區(qū)域無明顯變化。

(3) 結(jié)合微地震監(jiān)測和瞬變電磁探測的結(jié)果，可初步確定該礦水力壓裂影響的半徑約為80 m，為礦井進一步優(yōu)化水力壓裂設(shè)計提供依據(jù)。

圖7 壓裂前M6煤層瞬變電磁測試結(jié)果

圖8 壓裂后M6煤層瞬變電磁測試結(jié)果