盐井—矿煤层水力压裂范围监测技术研究*

张翠兰，郭臣业，许洋铖，刘 涛，何 华

(1.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆 南岸400060;2.中国煤炭科工集团重庆研究院，重庆 九龙坡400039;3.重庆天弘矿业有限公司盐井一矿，重庆 合川401519;4.重庆市能源投资集团有限公司，重庆 渝北401121)

0 引 言

水力压裂是煤层气井增产的一项重要措施，已成为煤层气开发的重要手段［1］。近年来煤层气勘探开发实践证明，水力压裂技术应用于煤矿井下低透气性煤层增透，取得了良好的瓦斯抽采效果。水力压裂范围监测是制约水力压裂技术应用及取得理想效果的关键因素之一［2］，获取煤层水力压裂范围数据资料，是开展煤层水力压裂效果综合评价研究、进行煤层气开发模拟预测及分析产气直接效果的基础［3］，煤层压裂在某些方面确实不同于常规地层的压裂［4-5］。煤层井下模拟结果表明，压裂影响区域位置分布比预料的更为复杂，可能出现水平影响区域与垂直影响区域构成的复合影响区域［6］。因此，迫切需要对煤层水力压裂范围和水力压裂影响区域分布情况进行深入研究［7］。

为了评价水力压裂效果，目前已经发展了一系列的压裂范围诊断技术。国内外广泛采用井下微地震监测、测斜仪监测、直接近井筒监测和分布式声传感监测(DAS)等技术来了解和评价煤层水力压裂压裂范围的特征［8］。然而，由于煤层中存在天然裂缝及其他非均质各向异性特征，对应力波传播速度及能量频率削减幅度有很大影响，监测的信号因受到影响而变弱，因此不适合微地震监测;测斜仪随井距或深度的增加，分辨率变低，无法用于深井;直接近井筒压裂监测技术只作为补充技术;分布式声传感裂缝监测在2009 年首次用于现场压裂监测还处于起步阶段。以上监测方法虽然取得了一定的成效，但均存在有很大的局限性，从长远看，需要开发国产的技术装备和软件，以降低作业成本，达到推广应用的目的［9-14］。

文中根据瞬变电磁探测特点，在盐井一矿K4煤层-150 m 二石门进行水力压裂范围探测试验。结合煤层石门探测工作区实际情况，全面优化监测方案，设计了合理可行的水力压裂范围监测方案并对实施结果进行分析总结，探索形成了一套煤层水力压裂范围监测新方法。

1 瞬变电磁法探测基本原理

瞬变电磁法(TEM:Transient Electromagnetic Method)是一种脉冲感应类电法，属于时间域电磁法。它通过不接地回线向勘探目标发送一次磁场，测量一次场关断后一段时间内的二次磁场变化，通过二次磁场衰减变化的信号特征来解释和反演勘探目标区介质结构的性状。瞬变电磁法的激励场源主要有回线形式(或载流线圈)的磁源和接地电极形式的电流源2 种。

瞬变电磁对低阻体反映灵敏，在煤矿中尤其对水体、金属管道等低阻体反映灵敏。由于压裂过程中要往煤层中注水，在压裂后未进行放水工作的短时间内，压裂水应该存储在煤层有效压裂区域，此时煤层与周围岩石相比电阻率呈低阻状态。使用瞬变电磁仪器天线中的接收回线，接收二次磁场衰减曲线，再将衰减曲线转换为视电阻率，矿井瞬变电磁法视电阻率为全空间地层导电性的综合反映，根据仪器时窗大小、频率等参数，进行时深转换得到视深度值，从而可以准确定位含水煤层位置。

2 盐井一矿K4煤层概况

天弘矿业公司盐井一矿位于重庆市合川区盐井镇。K4煤层埋于大堡顶以南一带山地，地面标高470 ～520 m，煤层厚1.5 ～1.9 m，煤层倾角36°～39°;煤层中含一层夹矸，夹矸厚约0.1 m.

根据地质钻孔资料分析，该段无地质构造，煤(岩)层趋于稳定。其顶底板岩层岩性情况见表1.

表1 K4煤层顶底板岩性情况一览表Tab.1 Schedule of lithologic in seam roof and floor

盐井一矿K4煤层属高瓦斯煤层，为提高瓦斯抽采效率，K4煤层在开采过程中进行了多次水力压裂，压裂效果参差不齐，压裂效果情况尚不清楚。为了了解压裂施工进展情况、获得压裂范围尺寸、评价压裂效果、优化压裂设计，采用瞬变电磁法对本煤层水力压裂范围进行监测试验。

3 压裂范围监测现场实施

根据盐井一矿K4煤层实际情况，优选中煤科工集团重庆研究院自行研制的本质安全型YCS -40 瞬变电磁仪(如图1)，该套系统技术参数能够满足探测要求;设计扇形探测排布方式，覆盖煤层水力压裂煤层区;综合考虑了煤岩层特征、瞬变电磁探测盲区、压裂管道对监测的影响，全面优化了监测方案，设计了合理可行的监测方案并予以实施。

图1 本质安全型YCS-40 瞬变电磁仪Fig.1 Intrinsically safe YCS-40 transient electromagnetic instrument

3.1 测点布置及施工方法

本次瞬变电磁法探测采用重叠回线装置，发射线框采用多匝1 m×1 m 矩形回线。根据压裂的经验，压裂范围应沿着煤层围绕压裂孔分布，半径约为20 ～30 m.为了探测出压裂范围，本次试验在-150 m 二石门正前方，布置水平和垂直2 个方向各11 条测线和1 条测线。水平方向扫描左右各50°，每10°一个测点，每条测线共11 个测点;垂直方向相似，布置1 条测线，扫描上下各50°范围，每10°一个测点，每条测线共11 个测点;探测布置示意图如图2 所示。

图2 瞬变电磁法测点布置示意图Fig.2 Schematic drawing of transient electromagnetic method test point arrangement

3.2 减小探测盲区设计

盐井一矿-150 m 二石门距离煤层的距离较短(如图3)，煤层距离石门表面瞬变电磁仪探测工作区最短距离为9.5 m 左右，如果使用普通天线，在2.5 A 电流发射下，受瞬变电磁探测发射机关断时间和接收机动态范围的影响，会产生30 m 左右盲区，丢失目标体信息。为减小盲区，将天线进行改进，限制发射电流，试验验证发射频率，经实验室及现场验证，将发射天线减少为2 匝、接收天线减少为3 匝、发射机频率设置为75 Hz，发射电流限制为2.5 A 的情况下，盲区控制在10 m 以下内，满足探测要求。

图3 盐井一矿-150 m 二石门剖面图Fig.3 Second shimen of Yanjing first coal mine -150 m depth profile

图4 压裂后瞬变电磁探测视电阻率剖面图Fig.4 Apparent resistivity profile of transient electromagnetic detection after fracturing

3.3 探测资料解释

根据以上试验方案，对盐井一矿K4煤层-150 m 二石门水力压裂压裂范围进行了探测试验，以水平向上0° ～50°为例，对测试结果进行解释分析，水平向上0° ～50°测线瞬变电磁探测视电阻率剖面图如图4 所示。图中，蓝色区域代表低阻体区，为可能存在压裂水或是压裂管道等干扰体区域;红色区域代表高阻体区，为煤岩层或顶底板区等高阻体区域。

从图4 中可以看出:①由于改进了天线和发射电流，浅部盲区降至6 m 以下，有效探测范围为6～30 m，有效探测区域覆盖水力压裂煤层区;②由于采用了75 Hz 发射频率，在目标区域加密抽道，实现了对目标区电阻率情况的充分反映;③能清楚的探测到压裂管道和两侧的积水区，说明采用瞬变电磁方法对低阻体的区分非常有效;④根据压裂管道的位置，剔除压裂管道低阻区影响，可以判断压裂水主要分布在水平向上0° ～30°之间、水平向上50°附近，压裂区域分布与管道位置分布对应关系明显。压裂区域长度约为22 m，压裂区域宽度为5 ～12 m;⑤由于压裂管道1 靠近顶板，压裂区域的延伸受到限制，压裂影响区域小于压裂管道3 压裂影响区域。

4 结 论

通过瞬变电磁法在盐井一矿K4煤层-150 m二石门水力压裂压裂范围探测试验，得出如下结论

1)瞬变电磁法探测能够利用水的低阻特性，探测出压裂煤层的积水区，从而间接推断压裂范围和水力压裂区域分布情况。但是，由于目标煤层较薄、压裂水含量较小、井下干扰信号较多等原因，监测范围尚未达到完全定量化水平、监测精度还有提升空间。

2)通过改进了天线、发射电流和发射频率，探测到K4煤层-150 m 二石门压裂水主要分布在水平向上0° ～30°之间、水平向上50°附近，压裂区域长度约为22 m，压裂区域宽度为5 ～12 m.所探测含水煤层范围与压裂管道位置及顶板位置分布对应良好，与实际吻合，资料解释结果可信。

3)瞬变电磁法测试条件要求较高，受金属体的影响较大。在测量中应该尽量减少金属体的干扰，或者采用剔除干扰场的方式提取含水煤层二次场。

References

［1］ 薛莉莉.煤层气储层压裂数值模拟技术研究［D］.青岛:中国石油大学，2009.XUE Li-li. Numerical simulation study on fracturing technique of coalbed Methane reservoir［D］. Qingdao:China University of Petroleum，2009.

［2］ 刘先灵.水力压裂实时监测及解释技术研究与应用［D］.南充:西南石油学院，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，刘长延，尹清奎，等.煤层压裂裂缝监测技术的现场试验［J］.中国煤层气，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.煤层甲烷储层评价及生产技术［M］. 南京:中国矿业大学出版社，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］ 李全贵，翟 成，林柏泉，等.定向水力压裂技术研究与应用［J］.西安科技大学学报，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，纪禄军，赵金洲，等.煤层压裂裂缝三维延伸模拟及产量预测研究［J］.应用数学和力学，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 凯.诊断裂缝形态的压裂压力分析新技术研究［D］.成都:西南石油大学，2011.ZHU Kai. New technology research on fracturing pressure analysis of diagnosis of fracture morphology［D］.Chengdu:Southwest Petroleum University，2011.

［8］ 贾利春，陈 勉，金 衍.国外页岩气井水力压裂裂缝监测技术进展［J］. 天然气与石油，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］ 张 平，赵金洲，郭大立，等.水力压裂裂缝三维延伸数值模拟研究［J］.石油钻采工艺，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.水力压裂监测新方法［J］. 国外测井技术，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］单大为，刘继生，吕秀梅，等.测试技术在水力压裂设计及压裂效果评价中的应用［J］.测井技术，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］张有狮. 煤矿井下水力压裂技术研究进展及展望［J］.煤矿安全，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，陈延可，等.水力压裂影响范围数值模拟研究［J］.煤矿安全，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］冯建国，李云峰，张茂省.煤炭基地水污染研究理论体系探讨［J］. 地球科学与环境学报，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.