石壕煤礦水力壓裂影響區(qū)域探測(cè)技術(shù)應(yīng)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(xué)院 安全工程學(xué)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(fù)雜，瓦斯含量高、壓力大、透氣性極差，因此抽采瓦斯需對(duì)煤層進(jìn)行增透[1,2]。水力壓裂作為一種提高低透氣性儲(chǔ)層產(chǎn)量的技術(shù)已在瓦斯開發(fā)中得到廣泛應(yīng)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(yùn)移出來，其壓裂效果與煤體原生裂隙、受力狀況、強(qiáng)度等相關(guān)[8-10]，學(xué)者們普遍認(rèn)為水力壓裂對(duì)硬煤效果較好，對(duì)軟煤的作用效果還沒有定論[11]。

微地震監(jiān)測(cè)是通過水力壓裂期間監(jiān)測(cè)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(shí)間、位置、長(zhǎng)度等參數(shù)，能夠有效幫助壓裂效果評(píng)價(jià)、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(chǎng)探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法，利用壓裂前后探測(cè)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(cè)系統(tǒng)和YSC360型礦用多通道瞬變電磁儀對(duì)石壕煤礦北三區(qū)12#瓦斯巷M6煤層水力壓裂進(jìn)行了探測(cè)，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(xué)依據(jù)，同時(shí)為探測(cè)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(fēng)巷，巷道以西為礦井邊界，南、北面均無井巷形成，巷道全長(zhǎng)1090 m，底板標(biāo)高+155.8～328.1 m。

本次水力壓裂目標(biāo)層為M6煤層，鉆孔終孔孔徑108 mm，設(shè)計(jì)水力壓裂鉆孔共10個(gè)，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(duì)9#、10#壓裂鉆孔影響范圍采用微地震監(jiān)測(cè)和瞬變電磁探測(cè)進(jìn)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(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置

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

本次共布置11個(gè)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(dǎo)桿與巖壁緊密結(jié)合，波導(dǎo)桿長(zhǎng)1.4 m，考慮波導(dǎo)桿過短不能接收到信號(hào)的可能性，本次試驗(yàn)結(jié)合工程實(shí)際將8號(hào)檢波器的波導(dǎo)桿延伸至M6煤層，全長(zhǎng)60 m。微地震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)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(cè)結(jié)果

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

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

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

通過對(duì)監(jiān)測(cè)到的微地震事件分布，將壓裂影響區(qū)域劃分為4個(gè)級(jí)別，所得結(jié)果如圖4所示。可見M6煤層的強(qiáng)烈影響區(qū)(Ⅰ)長(zhǎng)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(shí)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(cè)

3.1 測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

利用瞬變電磁儀對(duì)壓裂前、后的煤層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，確保壓裂前后采集點(diǎn)位置一致。采集點(diǎn)定在12#瓦斯巷9#～10#壓裂孔前后20 m范圍內(nèi)，測(cè)試長(zhǎng)度共140 m，測(cè)點(diǎn)間距為10 m，共15個(gè)瞬變電磁測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

為實(shí)現(xiàn)立體探測(cè)煤層水的分布區(qū)域，每個(gè)測(cè)點(diǎn)扇形布置7個(gè)方向的測(cè)線，如圖6所示，從左45°到右45°，每2條測(cè)線間隔15°。

圖5 瞬變電磁測(cè)點(diǎn)縱向布置圖

圖6 瞬變電磁測(cè)點(diǎn)橫向布置圖

3.2 測(cè)試結(jié)果

壓裂前、后瞬變電磁測(cè)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(cè)試結(jié)果可知，在實(shí)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(shì)。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(zhǎng)度達(dá)40 m，沿煤層傾向長(zhǎng)度達(dá)63 m；其中測(cè)點(diǎn)10 m、50 m和120 m處視電阻率變化較大，分別達(dá)到3.5%、4.3%和4.8%。這是由于水力壓裂過程中注入水?dāng)U散，導(dǎo)致該區(qū)域煤巖體濕潤(rùn)，煤層含水量增加，此區(qū)域?yàn)樗毫延行в绊憛^(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(cè)結(jié)果表明，煤層壓裂過程中，微地震時(shí)間主要發(fā)生在起動(dòng)增壓階段，M6煤層的強(qiáng)烈影響區(qū)長(zhǎng)軸超過150 m、短軸僅有50 m左右。

(2) 瞬變電磁探測(cè)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(cè)和瞬變電磁探測(cè)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(jìn)一步優(yōu)化水力壓裂設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖7 壓裂前M6煤層瞬變電磁測(cè)試結(jié)果

圖8 壓裂后M6煤層瞬變電磁測(cè)試結(jié)果