鹽井—礦煤層水力壓裂范圍監測技術研究*

張翠蘭，郭臣業，許洋鋮，劉 濤，何 華

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

0 引 言

水力壓裂是煤層氣井增產的一項重要措施，已成為煤層氣開發的重要手段［1］。近年來煤層氣勘探開發實踐證明，水力壓裂技術應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。水力壓裂范圍監測是制約水力壓裂技術應用及取得理想效果的關鍵因素之一［2］，獲取煤層水力壓裂范圍數據資料，是開展煤層水力壓裂效果綜合評價研究、進行煤層氣開發模擬預測及分析產氣直接效果的基礎［3］，煤層壓裂在某些方面確實不同于常規地層的壓裂［4-5］。煤層井下模擬結果表明，壓裂影響區域位置分布比預料的更為復雜，可能出現水平影響區域與垂直影響區域構成的復合影響區域［6］。因此，迫切需要對煤層水力壓裂范圍和水力壓裂影響區域分布情況進行深入研究［7］。

為了評價水力壓裂效果，目前已經發展了一系列的壓裂范圍診斷技術。國內外廣泛采用井下微地震監測、測斜儀監測、直接近井筒監測和分布式聲傳感監測(DAS)等技術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各向異性特征，對應力波傳播速度及能量頻率削減幅度有很大影響，監測的信號因受到影響而變弱，因此不適合微地震監測;測斜儀隨井距或深度的增加，分辨率變低，無法用于深井;直接近井筒壓裂監測技術只作為補充技術;分布式聲傳感裂縫監測在2009 年首次用于現場壓裂監測還處于起步階段。以上監測方法雖然取得了一定的成效，但均存在有很大的局限性，從長遠看，需要開發國產的技術裝備和軟件，以降低作業成本，達到推廣應用的目的［9-14］。

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

1 瞬變電磁法探測基本原理

瞬變電磁法(TEM:Transient Electromagnetic Method)是一種脈沖感應類電法，屬于時間域電磁法。它通過不接地回線向勘探目標發送一次磁場，測量一次場關斷后一段時間內的二次磁場變化，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區介質結構的性狀。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，在壓裂后未進行放水工作的短時間內，壓裂水應該存儲在煤層有效壓裂區域，此時煤層與周圍巖石相比電阻率呈低阻狀態。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，再將衰減曲線轉換為視電阻率，礦井瞬變電磁法視電阻率為全空間地層導電性的綜合反映，根據儀器時窗大小、頻率等參數，進行時深轉換得到視深度值，從而可以準確定位含水煤層位置。

2 鹽井一礦K4煤層概況

天弘礦業公司鹽井一礦位于重慶市合川區鹽井鎮。K4煤層埋于大堡頂以南一帶山地，地面標高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.

根據地質鉆孔資料分析，該段無地質構造，煤(巖)層趨于穩定。其頂底板巖層巖性情況見表1.

表1 K4煤層頂底板巖性情況一覽表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展情況、獲得壓裂范圍尺寸、評價壓裂效果、優化壓裂設計，采用瞬變電磁法對本煤層水力壓裂范圍進行監測試驗。

3 壓裂范圍監測現場實施

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

圖1 本質安全型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，發射線框采用多匝1 m×1 m 矩形回線。根據壓裂的經驗，壓裂范圍應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 減小探測盲區設計

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 電流發射下，受瞬變電磁探測發射機關斷時間和接收機動態范圍的影響，會產生30 m 左右盲區，丟失目標體信息。為減小盲區，將天線進行改進，限制發射電流，試驗驗證發射頻率，經實驗室及現場驗證，將發射天線減少為2 匝、接收天線減少為3 匝、發射機頻率設置為75 Hz，發射電流限制為2.5 A 的情況下，盲區控制在10 m 以下內，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行了探測試驗，以水平向上0° ～50°為例，對測試結果進行解釋分析，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，藍色區域代表低阻體區，為可能存在壓裂水或是壓裂管道等干擾體區域;紅色區域代表高阻體區，為煤巖層或頂底板區等高阻體區域。

從圖4 中可以看出:①由于改進了天線和發射電流，淺部盲區降至6 m 以下，有效探測范圍為6～30 m，有效探測區域覆蓋水力壓裂煤層區;②由于采用了75 Hz 發射頻率，在目標區域加密抽道，實現了對目標區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的積水區，說明采用瞬變電磁方法對低阻體的區分非常有效;④根據壓裂管道的位置，剔除壓裂管道低阻區影響，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，壓裂區域分布與管道位置分布對應關系明顯。壓裂區域長度約為22 m，壓裂區域寬度為5 ～12 m;⑤由于壓裂管道1 靠近頂板，壓裂區域的延伸受到限制，壓裂影響區域小于壓裂管道3 壓裂影響區域。

4 結 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，從而間接推斷壓裂范圍和水力壓裂區域分布情況。但是，由于目標煤層較薄、壓裂水含量較小、井下干擾信號較多等原因，監測范圍尚未達到完全定量化水平、監測精度還有提升空間。

2)通過改進了天線、發射電流和發射頻率，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，壓裂區域長度約為22 m，壓裂區域寬度為5 ～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良好，與實際吻合，資料解釋結果可信。

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。

References

［1］ 薛莉莉.煤層氣儲層壓裂數值模擬技術研究［D］.青島:中國石油大學，2009.XUE Li-li. Numerical simulation study on fracturing technique of coalbed Methane reservoir［D］. Qingdao:China University of Petroleum，2009.

［2］ 劉先靈.水力壓裂實時監測及解釋技術研究與應用［D］.南充:西南石油學院，2003.LIU Xian-ling. Research and application on hydraulic fracturing real-time monitoring and interpretation technology［D］. Nanchong:Southwest Petroleum Institute，2003.

［3］ 李玉魁，劉長延，尹清奎，等.煤層壓裂裂縫監測技術的現場試驗［J］.中國煤層氣，1998，15(1):30.LI Yu-kui，LIU Chang-yan，YIN Qing-kui，et al. The field test of coalbed fracturing fracture monitoring technology［J］.China Coalbed.1998，15(1):30.

［4］ Palmer I D，Metealfe R S，Yee D，et al.煤層甲烷儲層評價及生產技術［M］. 南京:中國礦業大學出版社，1996.Palmer I D，Metealfe R S，Yee D，et al.Coalbed methane reservoir evaluation and production technology［M］.Nanjing:China Mining University Press，1996.

［5］ 李全貴，翟 成，林柏泉，等.定向水力壓裂技術研究與應用［J］.西安科技大學學報，2011，31(6):736 -739.LI Quan-gui，ZHAI Cheng，LIN Bai-quan，et al. Research and application of directional hydraulic fracturing technology［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2011，31(6):736 -739.

［6］ 郭大立，紀祿軍，趙金洲，等.煤層壓裂裂縫三維延伸模擬及產量預測研究［J］.應用數學和力學，2001，22(4):337 -344.GUO Da-li，JI Lu-jun，ZHAO Jin-zhou，et al.3D Fracture propagation simulation and production prediction in coalbed［J］.Applied Mathematics and Mechanics，2001，22(4):337-344.

［7］ 祝 凱.診斷裂縫形態的壓裂壓力分析新技術研究［D］.成都:西南石油大學，2011.ZHU Kai. New technology research on fracturing pressure analysis of diagnosis of fracture morphology［D］.Chengdu:Southwest Petroleum University，2011.

［8］ 賈利春，陳 勉，金 衍.國外頁巖氣井水力壓裂裂縫監測技術進展［J］. 天然氣與石油，2012，30(1):44.JIA Li-chun，CHEN Mian，JIN Yan. Technical progress in overseas hydraulic fracture monitoring techniques for shale gas well［J］. Natural Gas and Oil，2012，30(1):44.

［9］ 張 平，趙金洲，郭大立，等.水力壓裂裂縫三維延伸數值模擬研究［J］.石油鉆采工藝，1997，19(3):53 -59.ZHANG Ping，ZHAO Jin-zhou，GUO Da-li，et al. Study on numerical simulation for 3D fracture propagation in hydraulic fracturing［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，1997，19(3):53 -59.

［10］ Les Bennett Jeol Le Calvez David R(Rich)Sarver Kavin Tanner，W S(Scott)，Birk George Waters，Julian Drew Gwe nola MIChaud Paolo Primiero，等.水力壓裂監測新方法［J］. 國外測井技術，2006，22(4):53 -65.Les Bennett Jeol Le Calvez David R(Rich)Sarver Kavin Tanner，W S(Scott)Birk GeorgeWaters，Julian Drew Gwe nola MIChaud Paolo Primiero，et al.The new method of monitoring cement fracturing［J］.World Well Logging Technology，2006，22(4):53 -65.

［11］單大為，劉繼生，呂秀梅，等.測試技術在水力壓裂設計及壓裂效果評價中的應用［J］.測井技術，2006，30(4):358 -360.SHAN Da-wei，LIU Ji-sheng，LV Xiu-mei，et al.Logging and testing technology application in hydraulic fracturing design and evaluation of hydraulic fracture treatment［J］. Well Logging Technology，2006，30(4):358 -360.

［12］張有獅. 煤礦井下水力壓裂技術研究進展及展望［J］.煤礦安全，2012，43(12):163 -165.ZHANG You-shi.Research progress and prospect of hydraulic fracturing technologies in coal mine underground［J］.Coal Mine Safety，2012，43(12):163 -165.

［13］姜秀雷，孟 杰，陳延可，等.水力壓裂影響范圍數值模擬研究［J］.煤礦安全，2013，44(2):3 -6.JIANG Xiu-lei，MENG Jie，CHEN Yan-ke，et al.Numerical simulation study on the scope of hydraulic fracturing effect［J］.Coal Mine Safety，2013，44(2):3 -6.

［14］馮建國，李云峰，張茂省.煤炭基地水污染研究理論體系探討［J］. 地球科學與環境學報，2010，32(3):272 -276.FENG Jian-guo，LI Yun-feng，ZHANG Mao-sheng.Theoretical system of coal base water pollution research［J］.Journal of Earth Sciences and Environment，2010，32(3):272 -276.