微震监测煤层顶板压裂技术应用与研究???

马宁

摘 要：近年来，随着矿井开采深度的增加，以及新建和部分生产矿井向石炭二叠系煤层的转移，矿井冲击地压、顶板垮落、水和瓦斯突出问题越来越严重，制约了煤矿的安全高效开采。为了减少此类灾害的发生，在采煤前采用压裂方法破坏煤层顶板，使其在采煤后能够自然跨落。煤层顶板因为压裂形成的裂缝长度、宽度、延展方向及导流能力是影响压裂效果最重要和最直接的因素。通过对压裂裂缝进行监测，可以认识压裂裂缝扩展规律及空间分布形态，指导和优化压裂设计及井网部署。为了检测和监测煤层顶板压裂效果及弄清煤层顶板坚硬砂岩中压裂裂缝的几何参数及压裂波及范围，进行了同煤集团石炭纪3-5号煤层顶板压裂微震监测工程。

关键词：煤层顶板;压裂;裂缝;微震监测

0 引言

同煤集团煤田主要为侏罗系和石炭二叠系煤系地层，目前，上覆侏罗系煤层已全部开发利用，许多矿井已相继关闭，或在进行收尾生产。同煤集团正在把开采重点逐步转向石炭二叠系煤层。近年来，随着矿井开采深度的增加，以及新建和部分生产矿井向石炭二叠系煤层的转移，瓦斯突出问题越来越严重，一定程度上影响了煤矿的安全高效开采。同煤集团部分矿井综采放顶煤开采强度特别大，虽然煤层中瓦斯含量较低，但矿井瓦斯突出量却较大。为避免发生煤层顶板落顶的灾害和煤层自然发火的灾害设计使用压裂技术将顶板压裂，为了检测和监测煤层顶板压裂效果及弄清煤层顶板坚硬砂岩中压裂裂缝的几何参数及压裂波及范围，进行了同煤集团石炭纪3-5号煤层顶板压裂微震监测工程。本项目采用时移井间微震监测得到一系列成果资料，对压裂实施效果进行了定性分析，实践表明该方法技术可行。

1 项目总体方案

针对项目研究的需求，以同煤集团某煤矿为依托，开展同煤集团石炭纪3-5号煤层顶板压裂。通过对地面压裂技术的改进，结合该矿实际地质情况，布置一口高位压裂试验井，采用高压，酸化等技术手段改变岩石的力学性质，从而防止顶板突然大面积折断垮落的灾害发生[1-3]。

本次采用孔间微震监测技术，对压裂施工效果进行监测和检测，评价煤层顶板破裂程度。孔间微震监测技术基于层状介质理论，根据地震波中的旅行时间与速度的关系建立旅行时间与速度及传播距离的关系式，利用求解线性方程组求解速度与孔间地层的变化并给出相关层的纵横波速度值，是一种新的描述储层动态特征的工具，它的基础是强化采油过程中由于蒸汽、水或气的注入造成储层流体成分、温度、压力等发生变化，这些变化又引起储层弹性性质的变化，从而引起地震响应的变化。

本項目旨在用压裂方法将煤层顶板破坏，减少煤层顶板落顶等灾害，需要通过时移井间地震测井方法来检测由于压裂引起煤层顶板弹性性质的改变造成的地震响应的变化，来评价煤层顶板破裂程度。研究利用井间微震监测技术落实石炭纪3-5号煤层顶板小断层、小构造分布以及裂缝发育带高精度的分析与捡测。

2 微震监测施工方法

2.1 微震监测选井

（1）8101压裂井井深461.00m，基本参数见表1。

（2）本次压裂施工分为两个阶段，即第一段压裂和第二段压裂，压裂层位数据见表2。

（3）井间地震选井。

同煤集团某矿11H和13H井进行井间地震层析成像，两口井间距为80m。

11H和13H井基本数据见表3。

2.2 资料采集

2.2.1 施工仪器设备

本次采用JDB-30多级三分量检波器接收系统，该系统主要包括：

（1）主控单元（遥测模块、测深模块）;

（2）三分量地震采集一体化节（单元），目前最多可达12节，每节均带有推靠装置;

（3）加重单元。

2.2.2 压裂定性的监测方法

本次微震监测的目的层位主要为煤层顶部盖层，深度范围为100m以内。本次选用反射成像和层析成像的方法，由于施工条件所限。接收仪器从200～400m（井底），对应的72道检波器接收进行了正演模拟，通过对射线路径、覆盖次数、模拟记录的分析，认为目的层覆盖次数满足要求，且在井旁没有反射盲区，效果较好。

2.2.3 参数选定的依据

仪器下井后，采集井下背景。由于0.25毫秒的采样率，它的采样频率能够达到1000赫兹以上，分辨率比较高。1秒的记录长度，有利于知道所有的地震波记录。所以本次选择的采样率是0.25毫秒，记录长度是1秒。经过试验后，本次施工有效信号比较明显。

2.2.4 井间地震工作方法

在8101井三开完成，水平压裂之前，在11H和13H井从200～400m（井底）内均匀布设72道三分量检波器接收系统，采集天然源微动数据，进行基于背景噪声的S波成像技术研究。

在8101井水平压裂之后，布设微震采集设备，采集数据，进行数据处理与成像技术研究，作为水平压裂的背景噪声研究。与压裂前相同的地方布设三分量检波器接收系统，进行微震数据采集。（对于压裂微地震数据的采集，应在压裂中和压裂后一段时间内进行。考虑压裂完成后持续监测10天）。

3 微震资料综合分析与研究

3.1 波场变化分析

通过微震资料处理得到了压裂前后两次的微震反射纵波剖面，通过分析比对，并作差值。从差值剖面上可见压裂层段深度对应的位置，其间的地震波场有变化，综合两段压裂的影响范围，分析是由于压裂造成了地震波场的变化。

3.2 速度场变化分析

对比压裂前后得到的纵波速度层析成像结果，比较压裂段深度的速度场变化，可见压裂后靠近右侧13H井旁区域的速度值降低了100m/s，分析与第一段压裂完成影响范围是一致的，其井间速度场的变化是由于压裂造成的。

3.3 综合分析与评价

针对此次压裂效果评价开展了微震监测技术，通过井间微震资料处理后得到波场剖面，进行了多方面的分析：

（1）对压裂前后两次的反射纵波剖面作差，从差值剖面上可见波场的变化。综合两段压裂的影响范围，分析是由于压裂造成了波场的变化。

（2）对比压裂前后得到的纵波速度层析成像结果，可见压裂后靠近右侧13H井旁区域的速度值降低了100m/s，比较压裂段深度的速度场变化，分析井间速度场的变化是由于压裂造成的。

（3）通过多方法分析微震监测数据，各方面都反应出经压裂前后地层的速度场发生了明显变化，进而说明了压裂明显改变了压裂层段的岩石强度、地层构造，进而达到压裂目的。

3.4 裂縫分布范围

本次压裂的目标层位为K4砂岩和K5砂岩。K4砂岩为中、粗砂岩，厚度3.4m;K5砂岩为中、粗砂岩，局部为砂砾岩、砾岩，厚度3.93m。K4砂岩压裂完成后，裂缝分布范围为北西向，长约516.3m，最宽处约146.8m。K5砂岩压裂完成后，裂缝分布范围为北西向，长约665.1m，最宽处约216.1m[4-6]。

4 结论

（1）本项目共完成了压裂前后1对监测井的微震监测数据采集、处理解释工作，完成微震监测资料的综合解释，获得了纵波成像剖面成果、纵波速度成像剖面成果及差值剖面成果。

（2）通过比较压裂前后剖面，分析其差值剖面异常变化，综合压裂裂缝展布结果，微震波场、速度剖面及差值剖面上异常变化的位置与压裂影响范围吻合。

（3）本项目采用微震监测得到一系列成果资料，可对压裂实施效果进行定性分析，实践表明该方法技术可行。

参考文献

[1] 王树军，张坚平，陈钢，等.水力压裂裂缝监测技术[J].吐哈油气，2010，15（3）：270-273.

[2] 李楠，王恩元，GE Mao-chen.微震监测技术及其在煤矿的应用现状与展望[J].煤炭学报，2017，42（S1）：83-96.

[3] 原富珍，马克，庄端阳，等.基于微震监测的董家河煤矿底板突水通道孕育机制[J].煤炭学报，2019，44（6）：1846-1856.

[4] 单中趁.隧道岩溶空洞区施工塌方灾害微震监测技术研究[D].北京：北方工业大学，2019.

[5] 王悦，于水，王苏健.煤矿底板突水微震监测预警系统构建与分析[J].煤矿安全，2019，50（5）：190-193.

[6] 崔峰，杨彦斌，来兴平，等.基于微震监测关键层破断诱发冲击地压的物理相似材料模拟实验研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38（4）：803-814.