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High-level rock formation hydraulic fracturing range detection

作者:admin 浏览:877 发表时间:2022-12-04

基于地震频率谐振的采煤面高位岩层水力压裂范围探测

张修峰谢华东薛爱民蔡先锋李阿涛张云宁

1.山东能源集团有限公司冲击地压防治研究中心, 山东 济南 250014

2.兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿, 山东 济宁市 273500

3.北京派特森科技股份有限公司, 北京 100085

4.河北工程大学 矿业与测绘工程学院, 河北 邯郸市 056038

5.兖矿能源集团股份有限公司济南煤炭科技研究院, 山东 济南 25011



摘要采煤工作面上覆高位坚硬岩层的预裂可减弱其储能条件进而控制矿震事件的能量为探测埋藏深度超过500m的采煤工作面高位岩层水力压裂裂隙的空间展布情况采用三分量地震频率谐振技术进行裂隙空间展布探测设计了条频率谐振检波器布置探测线在水力压裂作业前后分别进行探测对获取的探测器波形数据进行解译数据解译结果表明:(水力压裂裂隙空间展布呈类椭球体形其长轴与地层最大主应力方向基本一致;(水力压裂范围在水平方向上最大压裂半径可达50m 以 上垂直方向上压裂高度可达3050m;(水力压裂所形成的应力降低区域远大于裂纹扩展区域;(水力压裂裂纹扩展受岩层赋存变化影响较大研究表明三分量地震频率谐振技术能够有效探测深部岩层水力压裂裂隙间展布是一种适用的水力压裂范围探测技术手段。



关键词采煤工作面水力压裂高位岩层地震频率谐振裂隙探测

内容提纲



0  引言
1  地震频率谐振技术的原理和特点
2  采煤工作面高位岩层水力压裂的实施
3  水力压裂探测地震频率谐振数据分析
4  结论








0 引言



采煤工作面上覆坚硬厚岩层积蓄的能量突然释放时会引发矿震工作面近场大能量矿震产生的动载可能诱发冲击地压给煤矿安全生产带来严重的威胁为控制矿震能量的集中程度采用提前对坚硬覆岩进行预裂的方法破坏其完整性降低覆岩的储能能力探测高位水力压裂裂隙空间展布可以用于评价高位关键岩层水力压裂效果进而为研究水力压裂方式控制矿震提供基础岩层预裂技术有爆破预裂和水力致裂爆破预裂和水力致裂适用于距离采场较近的直接顶基本顶等坚硬岩层预裂赵社会等通过定向预裂爆破减弱或阻断采空区与上方下位关键岩层间的力学联系达到卸压预裂赵善坤通过深孔顶板预裂爆破和顶板定向水力致裂破坏顶板完整性实现了冲击地压防控的目的欧阳振华等通过对煤层水力致裂前后煤粉钻屑量微震事件和煤体电磁辐射进行对比发现水力压裂能够有效降低煤岩冲击倾向性和煤岩体的强度改变能量释放速度形式及支承压力的分布状态赵善坤等研究了预裂缝倾角对厚硬砂岩顶板水力压裂效果的影响并在巴彦高勒煤矿厚层砂岩顶板水力致裂中应用结果表明优化后的预裂缝能有效起到防冲作用刘文静等对特厚坚硬顶板实施水力压裂有效地控制了特厚煤层坚硬顶板产生的高应力集中和冲击地压问题李浩男针对坚硬顶板垮落困难的问题采用定向水力压裂弱化顶板的方式实现顶板分层垮落保证工作面回采安全张军磊等通过水力压裂切顶的方式改善留巷的应力状态降低了巷道维护的难度对于工作面直接顶基本顶煤层的水力压裂效果可采用钻孔窥探仪瞬变电磁法及微地震监测等方法探测周东平等提出基于瞬变电磁法的 煤矿井下煤层水力压裂有效范围监测的方法邹立双等在石壕煤矿开展了基于微地震监测和瞬变电磁探测技术的煤层水力压裂影响区域探测试验赵 睿 等采用钻孔瞬变电磁探测方法实现压裂效果的检测评价袁永榜等提出了一种基于多频同步电磁波层析成像技术的煤层水力压裂范围探测方法对于深埋工作面高位岩层的水力压裂范围的探测可采用微地震的方法但是该方法需要将传感器通过钻孔固定在基岩上表土层较厚时施工困难地震频率谐振技术施工简便只需将检波器埋入松软土地或放置在坚硬的地面上即可不需要打钻埋设探头地震频率谐振在探测深埋地层采空区覆岩移动特征上曾有应用针对深埋煤层高位岩层压裂范围探测手段有限的情况本文研究采用地震频率谐振技术探测工作高位岩层水力压裂范围



1 地震频率谐振技术的原理和特点



地震频率谐振技术属于被动源勘探其原理是利用地球脉动等被动振动源产生的震动波从地层深处传递到地表时所携带的地质信息来分析地下岩层震动的频率与岩层的固有频率一致时岩层将放大震动的幅度也就是产生了谐振现象地震频率谐振技术与混合源面波勘探联合作业和联合解释其所生成的高精度图像中不同的波阻抗比率值代表不同的地下地质体结构和属性该技术的特点主要有以下个方面
勘探深度大如采用0.05Hz检 波 器适当加长采集时间勘探深度可达到几千米
探测效率高该技术应用被动源地震方法及多次叠加技术无需长时间观测噪声信息大大减少了采集时间
探测精度高抗干扰能力强该技术具有很强的抗非地质噪音能力



2 采煤工作面高位岩层水力压裂的实施

2.1 工作面覆岩及矿震概况



东 滩 煤 矿 63 03 工 作 面 煤 层 底 板 标 高 为-581.9-715m平均为-650.3m地面平均标高+47.91m本工作面顶板150m 范围内共赋存个关键层自下而上第一层为下石盒子组底界砂岩层 煤层顶板5070m主要为中粗砂岩和细 砂 岩 互 层第 二 层 为 上 侏 罗 统 底 界 附 近10 m厚砂岩层煤层顶板70100 m主 要 为 中 砂岩和细砂岩第三层为上侏罗统下段上亚段砂岩厚度约17m 煤层顶板120140m主要为细砂岩和粉细砂岩东滩煤矿采区已回采了63046305两个工作面6304工作面回采期间共发生大能量震动事件3563 05工作面回采期间发生大能量震动事件556303工作面目前共监测到2.0以上震动事件微震震动事件发生位置与震动能量统计结果表明工作面附近震动主要以小能量震动事件为主且大部分微震事件发生在工作面采空区及采空区后方所有大能量事件均发生在工作面后方采空区内高位顶板对比第二第三关键层的岩性和厚度两关键层岩性相近第三关键层厚度更大因此第三关键层蓄能条件更好故认为引起工作面矿震的主要为第三关键层



2.2 水力压裂作业



压裂以清水作为压裂液根据经验公式计算的地层破裂压力为18.1027.26MPa压裂间距3050m钻孔中单段注水量不少于50m3
由于现场水力压裂设备原因号钻孔仅有效实施了前段的压裂作业其中第段压裂时破裂后水压低未形成有效压 裂),段总长度为62m其中段破裂压力为28MPa注水量为51m3段破裂压力为32MPa注水量仅9m3段压裂最大压力为32 MPa注 水 量 为51 m3段压裂时出现孔口反水封隔器损坏未继续实施剩余段的压裂



2.3 水力压裂裂隙范围地面探测



根据引起矿震的关键层分析结果选择在第三关键层开展水力压裂作业初始布置个压裂孔从工作面前方的联络巷开口钻进斜向上钻进至目标层位后施工平行煤层压裂孔号孔实钻轨迹如图所示



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为研究水力压裂范围的大小及裂隙空间展布情况压裂前后分别进行震动数据采集作业压裂前进行的是背景噪声探测为压裂后裂隙的展布情况分析提供对比背景根据号钻孔水平分布情况布置地面采集作业范围如图所示自北向南共布置条监测线测点间排距为20m×20m探测范围为100m×460m每个监测点埋设台三分量数字检波器如图所示号钻孔的水平投影基本位于 L3L4正中间



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3 水力压裂探测地震频率谐振数据分析

3.1 1号压裂孔目标层位岩性特征分析



号水力压裂钻孔的前个压裂段的水平层位基本位于-450-500m东滩煤矿地表平均标高约为43m目标层位深度在483543 m 的 范 围根据图所示的东滩煤矿地质钻孔6D2柱状图分析可知目标层位由侏罗纪上统的中砂岩和细砂岩组成由图可知埋深320.00578.34m范围内的岩层均为侏罗纪上统的砂岩层其颜色为红褐色俗称红层”。根据六采区其他工作面的开采实践,“红层对矿震的产生起着十分重要的作用因此将该层位的岩层选作水力压裂的目标层位是合理的尤其是厚度为56.07m 的中砂岩根据实验室试验该中砂岩的单轴抗压强度为23.0425.77 MPa其上下细砂岩层的单轴抗压强度分别为43.04MPa39.14MPa均具有较好的弹性能储存能力



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3.21号孔压裂前后目标层位特征分析



号孔只实施了前三段压裂作业其中段压裂压裂水压未达到预计分析认为该段压裂作业出现泄漏情况压裂失败根据三分量频率谐振成图如图所示结果表明号孔压裂前后的目标层段条测线上地球物理特征均有明显变化反映了地层压裂以后的空间特征变化




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L1L6各测线压裂前后目标层段地球物理变化特征如下
压裂段对应区域低波阻抗比例区域明显扩大压裂前后目标层段波阻抗比率成像对比图见图水力压裂作业前目标层位波阻抗率整体呈现层状而实施压裂作业后目标层对应压裂区段的波阻抗率出现一定程度的下降波阻抗率降低区域覆盖条测线并呈现个锥形区域表明裂纹扩展覆盖范围水平方向上垂直压裂孔轴向应至少100m也就是压裂半径50m 以上沿压裂孔走向宽以3050m为主与压裂分段长度基本相符号孔各测线压开范围统计结果见表



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波阻抗比率降低区域呈现椭球体压裂作业导致压裂区域的岩层完整性被破坏进而导致该区域岩层的固有频率和震动波传输速率改变如图所示波阻抗比率降低区域呈现一定程度的圆形或椭圆形),表明裂纹扩展路径以垂直压裂钻孔为主且以水平展布为主垂直方向上裂纹扩展高度以1020m 为主从而导致压裂裂纹空间展布呈现椭球体
波阻抗比率降低区域远大于压裂裂纹扩展范围如图所示因压裂作业形成的波阻抗比率降低区域呈现多层的椭圆形分析认为内层的类椭球体区域属于裂隙导水区裂纹扩展范围已覆盖该区域外层的类椭球壳属于因裂纹扩展导致应力降低而形成的低波阻抗区域该区域尚不能导水
裂纹扩展范围受地层覆层影响明显波阻抗比率降低区域整体上呈现椭圆球形但测线L4所在区域的波阻抗比率降低范围比更靠近压裂钻孔中心的测线L3所在区域的波阻抗比率降低范围更小如图所示分析认为是由于岩层赋存的不均一性导致的且岩层性质对裂纹扩展影响明显



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根据东滩煤矿地应力测试报告六采区的最大水平主应力为24.9627.12 MPa垂直应力17.3718.47MPa水平最小主应力为9.6910.56MPa最大水平主应力方向为148.93°150.00°根据水力压裂相关理论裂缝通常垂直于最小主应力方向延伸也就是沿着最大主应力方向即最大水平主应力方向本文所述压裂监测到的裂纹扩展方向与六采区最大水平主应力方向大致相同进而验证了频率谐振技术在深层地层探测方面的适用性



4 结论



因为水力压裂破坏了原有岩层的整体性对比水力压裂作业前后所得到的波阻抗比率图像目标岩层段波阻抗比值产生明显变化探测到的水力压裂裂纹扩展方向与最小主应力方向基本垂直表明三分量地震频率谐振技术探测深层地下水力压裂效果提供了一种简便有效的方法
水力压裂作业会导致目标岩层产生裂隙通过分析水力压裂后每条测线上波阻抗比率图像可以发现目标岩层水力压裂区域的波阻抗比率呈类同心椭圆形该椭圆的长轴与目标岩层的走向一致这与水力压裂形成的裂纹扩展规律相吻合形象地展示了层状岩层水力压裂裂纹扩展的特征
地震频率谐振技术中波阻抗比率变化与岩石应力状态岩石完整性等方面的实验室研究尚有待深入开展以便为频率谐振技术提供试验基础




原文来源:矿业研究与开发.2023月.第43卷 第    DOI:10.13827/j.cnki.kyyk.2023.02.011



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