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)地震波中的旅行時間與速度的關(guān)系建立旅行時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間內(nèi)進(jìn)行?？紤]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

針對此次壓裂效果評價開展了微震監(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。

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