微震監測煤層頂板壓裂技術應用與研究

(中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院,河北涿州 072750)

0 引言

同煤集團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利用，許多礦井已相繼關閉，或在進行收尾生產。同煤集團正在把開采重點逐步轉向石炭二疊系煤層。近年來，隨著礦井開采深度的增加，以及新建和部分生產礦井向石炭二疊系煤層的轉移，瓦斯突出問題越來越嚴重，一定程度上影響了煤礦的安全高效開采。同煤集團部分礦井綜采放頂煤開采強度特別大，雖然煤層中瓦斯含量較低，但礦井瓦斯突出量卻較大。為避免發生煤層頂板落頂的災害和煤層自然發火的災害設計使用壓裂技術將頂板壓裂，為了檢測和監測煤層頂板壓裂效果及弄清煤層頂板堅硬砂巖中壓裂裂縫的幾何參數及壓裂波及范圍，進行了同煤集團石炭紀3-5號煤層頂板壓裂微震監測工程。本項目采用時移井間微震監測得到一系列成果資料，對壓裂實施效果進行了定性分析，實踐表明該方法技術可行。

1 項目總體方案

針對項目研究的需求，以同煤集團某煤礦為依托，開展同煤集團石炭紀3-5號煤層頂板壓裂。通過對地面壓裂技術的改進，結合該礦實際地質情況，布置一口高位壓裂試驗井，采用高壓，酸化等技術手段改變巖石的力學性質，從而防止頂板突然大面積折斷垮落的災害發生[1-3]。

本次采用孔間微震監測技術，對壓裂施工效果進行監測和檢測，評價煤層頂板破裂程度。孔間微震監測技術基于層狀介質理論，根據地震波中的旅行時間與速度的關系建立旅行時間與速度及傳播距離的關系式，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層的縱橫波速度值，是一種新的描述儲層動態特征的工具，它的基礎是強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、壓力等發生變化，這些變化又引起儲層彈性性質的變化，從而引起地震響應的變化。

本項目旨在用壓裂方法將煤層頂板破壞，減少煤層頂板落頂等災害，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的改變造成的地震響應的變化，來評價煤層頂板破裂程度。研究利用井間微震監測技術落實石炭紀3-5號煤層頂板小斷層、小構造分布以及裂縫發育帶高精度的分析與撿測。

2 微震監測施工方法

2.1 微震監測選井

（1）8101壓裂井井深461.00m，基本參數見表1。

表1 8101壓裂井

（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，壓裂層位數據見表2。

表2 壓裂層位數據

（3）井間地震選井。

同煤集團某礦11H和13H井進行井間地震層析成像，兩口井間距為80m。

11H和13H井基本數據見表3。

表3 井間地震選井

2.2 資料采集

2.2.1 施工儀器設備

本次采用JDB-30多級三分量檢波器接收系統，該系統主要包括：

（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（單元），目前最多可達12節，每節均帶有推靠裝置；

（3）加重單元。

2.2.2 壓裂定性的監測方法

本次微震監測的目的層位主要為煤層頂部蓋層，深度范圍為100m以內。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），對應的72道檢波器接收進行了正演模擬，通過對射線路徑、覆蓋次數、模擬記錄的分析，認為目的層覆蓋次數滿足要求，且在井旁沒有反射盲區，效果較好。

2.2.3 參數選定的依據

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。經過試驗后，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）內均勻布設72道三分量檢波器接收系統，采集天然源微動數據，進行基于背景噪聲的S波成像技術研究。

在8101井水平壓裂之后，布設微震采集設備，采集數據，進行數據處理與成像技術研究，作為水平壓裂的背景噪聲研究。與壓裂前相同的地方布設三分量檢波器接收系統，進行微震數據采集。（對于壓裂微地震數據的采集，應在壓裂中和壓裂后一段時間內進行。考慮壓裂完成后持續監測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果，比較壓裂段深度的速度場變化，可見壓裂后靠近右側13H井旁區域的速度值降低了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測技術，通過井間微震資料處理后得到波場剖面，進行了多方面的分析：

（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果，可見壓裂后靠近右側13H井旁區域的速度值降低了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測數據，各方面都反應出經壓裂前后地層的速度場發生了明顯變化，進而說明了壓裂明顯改變了壓裂層段的巖石強度、地層構造，進而達到壓裂目的。

3.4 裂縫分布范圍

本次壓裂的目標層位為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 結論

（1）本項目共完成了壓裂前后1對監測井的微震監測數據采集、處理解釋工作，完成微震監測資料的綜合解釋，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）本項目采用微震監測得到一系列成果資料，可對壓裂實施效果進行定性分析，實踐表明該方法技術可行。