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第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract Hydraulic fracturing is an important technology for increasing permeability and productivity in the process of CBM development. The influence range of fracturing is directly related to the design and optimization of hydraulic fracturing scheme. As one of the key technologies, monitoring the sweep range of underground hydraulic fracturing in coal seam is a difficult technical problem to be solved urgently. In order to obtain the influence range of underground hydraulic fracturing in coal seam, according to the physical characteristics of coal seam and sur- rounding rock during fracturing, microseismic monitoring of fracturing influence range of three boreholes in a coal mine was carried out by using underground microseismic monitoring technology. The traditional borehole observa- tion was used to verify the monitoring results. The results show that the underground microseismic moni- toring technology can obtain the fracturing damage range, but the fracturing damage range delineated by micro- seismic monitoring is smaller than that by borehole observation . It is due to the soft coal seam and the large attenuation of seismic wave. The fractured surrounding rock or coal seam is seriously fractured, which is not con- ducive to the generation and expansion of fractures. So there fewer microseismic events are received. Keywords coal seam; underground hydraulic fracturing; microseismic monitoring technique 目前，开采保护层和预抽煤层瓦斯是我国煤矿 区域防突的两项重要措施，其中开采保护层以其最 有效、最经济的优点成为防突措施的首选[1]。但是， 对于开采无保护层和低渗透性的突出煤层，采取常 规抽采方式很难达到预期效果[2]。水力压裂技术不 但可以贯通延伸煤层裂隙，还可以增加煤层的透气 性，也可以有效地提高矿井开采的安全性；压裂后 的煤层裂缝形态和展布规律是评价水力压裂效果的 主要参数[3-5]，关系到井下煤层水力压裂方案的设计 和优化，影响煤层瓦斯的抽采效果，从而影响工作 ChaoXing 增刊 1 闫江平等 煤矿井下水力压裂范围微震监测技术及其影响因素 93 面回采时瓦斯的涌出以及矿井的安全。但是，水力 压裂影响范围与哪些因素有关目前尚未完全明确。 因此寻求一种全面、可靠的水力压裂效果评价方法 显得极为迫切。 目前，对于压裂效果评价方法众多，康红普[6]采 用空心包体应变计，对压裂前后钻孔附近煤层和工作 面前方煤层应力的变化进行了监测，通过分析监测数 据，间接获得压裂效果，但是由于应力变化量与煤层 破裂及其影响范围之间缺乏定量的关系，因此无法对 压裂影响范围进行准确的圈定；朱海波采用广义反透 射系数方法正演出微地震记录，反演出震源机制，得 到裂缝的方位和倾角等参数，但是很难从宏观上获取 裂缝的延伸长度[7]； 王玉海对压降曲线进行试井分析， 得到裂缝长度等压裂后的储层参数，对压裂效果进行 评价，该方法通过压裂参数评价压裂效果，适合对多 次压裂井的试井分析[8]；陈海潮等利用井下和地面台 阵相结合的微震监测技术对页岩气水平井的压裂破坏 范围进行监测[9]。 微地震监测相对于其他的监测方法具有精度高 性价比高等优点。微地震监测技术已经成为目前储 层压裂中评价压裂效果、 优化压裂施工中比较有效、 可靠性较高的一种压裂裂缝监测及储层集体空间描 述技术， 广泛应用于压裂裂缝监测和油藏动态监测。 煤层微地震响应具有地面信号弱，震级低，事件属 性复杂等特点，而煤层井下微地震监测技术具有事 件信号可靠、定位精度较高的优点[10]。 本文开展煤矿井下煤层水力压裂影响范围监测 研究，以确定水力压裂的影响范围及其影响因素， 并通过压裂孔两侧观测孔的水压对该方法确定的压 裂范围进行了检验。 1 微震监测技术 微震监测技术是以声发射学和地震学为基础，通 过观测分析水力压裂作业时产生的微小地震事件绘制 裂缝的空间图像，监测裂缝的发育过程，实时调整作 业参数，实现水力压裂效果最优化[11]。经过近十年的 商业化应用，微震监测技术已成为评价低渗透油气压 裂增产作业效果和降低勘探开发成本与风险的综合技 术[12]，也是保障页岩等致密储层高效开发、提高油气 井采收率和改善油气井产能的核心技术之一[13]。 压裂时，煤矿井下的煤层和围岩被压裂孔中的 压裂液挤压，当压裂液压力超过煤岩强度，煤岩遭 受破坏而形成裂缝。微地震事件就发生在裂隙的断 面上，煤层及其围岩的地应力呈各向异性分布，剪 切应力聚集在断面上，裂缝扩展，储藏能量的一部 分以弹性波的形式释放出来产生微小的震动，即微 震，微震事件的频率范围为 2001 500 Hz[14]。把传 感器部署在监测区域，监测区域发生的震动信号即 可被传感器获取。传感器内部的装置把这种物理量 转换为电压，采集仪将电压采集后传输到数据采集 与处理软件，处理软件把事件的初至、传感器的坐 标以及岩层波速代入方程组， 得到微震的发生时刻、 空间位置，并且在三维空间上进行显示[15]。 2 测区基本情况 本次压裂监测区为某煤矿三采区 1603 工作面， 工作面走向长 490 m，倾向长 384 m，地层为二叠系 龙潭组，含煤三层，地层厚 3840 m。主要煤层为 4 号，5 号和 6 号三层煤，4 号煤层至 5 号煤层之间的 间距为 18 m，5 号煤层至 6 号煤层之间的间距为 8 m，4 号、6 号煤层为该采区主采煤层，平均倾角为 40。在300 m 大巷掘进阶段遇有裂隙较多，根据 勘探和开拓系统揭露资料分析，F18 和 F19 两个大 型逆断层切割 1603 工作面。 6 号煤层为 1603 工作面的开采煤层，也是本次 压裂的目标煤层。如图 1 所示，300 m 南大巷、回 风巷和抽放巷全部为岩巷，其中回风巷距离 6 号煤 层 26.6 m，抽放巷距离 6 号煤层 16.47 m。 图 1 1603 工作面沿 1-1 石门的断面图 Fig.1 Cross-section of working face 1603 along crossdrift 1-1 6号煤层为高瓦斯突出煤层，瓦斯浓度高，压力大， 透气性差，透气性系数一般小于0.1 m2/MPa2d，较难抽 采。工作面形成后，为确保安全回采，在围岩巷道 中采用向上穿煤层钻孔瓦斯抽采，在采用水泥浆封 孔后，配合井下煤层水力压裂技术对煤层增透，以 提高钻孔瓦斯抽采率，降低煤与瓦斯突出危险性。 图 1 中红线为在抽放巷向上的穿煤层钻孔，根据瓦 斯抽采方案，在抽放巷按一定间距部署一排穿层孔 进行水力压裂和抽采瓦斯。 3 微震监测方案 煤矿井下压裂区空间有限，为保证检波器能够 对目标测区开展合理的观测，降低监测误差，应在 周围巷道里充分布置传感器，具体测点布置见图 2。 ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 2 微震测点布置图 Fig.2 Layout of microseismic monitoring points a. 为了提高破裂位置在水平方向的定位精度， 在回风巷南、抽放巷和 1-1 石门共布置 46 个测点， 间距为 20 m， 在南抽放巷北端与300 m 南大巷布置 5 个测点，间距为 40 m。 b. 为了提高破裂位置在垂直方向的定位精度， 在 三区回风上山和 1-1 石桥共布置 3 测点， 间距为 40 m。 c. 实际监测时， 在水平方向上监测长度为 240 m， 垂直方向上长度为 60 m。 4 监测结果及分析 4.1 微震监测系统速度标定 为了保证微震定位精度，在监测前需要获得地 震波在岩层中的传播速度。本次试验采用放标定炮 的方法获取地震波的传播速度，即把起爆位置当成 一个已知震源，进行反演分析，从而达到系统标定 目的。 反演分析得知地震波在该煤矿 1603 工作面围 岩的传播速度为 5.1 m/ms。 按照 5.1 m/ms 的平均震动波速计算，另外一个 标定炮的定位结果为9507.467,1625.886, 303.878， 实际放炮震源坐标为9514.527,1627.926, 305.198， 误差分别为∆X7.06 m，∆Y2.04 m，∆Z1.32 m，平 均误差为 3.473 m，能够满足监测需要。 4.2 微震监测结果 利用 YTZ-3 井下存储式地震仪， 分别对检 3 号、 水 6 号和检 8 号孔的水力压裂进行了监测，下面对 3 个压裂孔的微震监测情况分别进行说明。 a. 检 3 号孔的压裂情况 水压最大 11 MPa，压裂时长 75 min，压裂开始 20 min 后，在 1-1 石门中已揭露的煤层附近有较高 压力的水喷出，后继的水压一直维持在 11 MPa。 检 3 号孔压裂过程中，微震监测仪接收 3 个微震 事件。 b. 水 6 号孔的压裂与微震监测结果 水压最大 16 MPa，压裂时长 120 min，水 6 号 孔注浆管出水， 但不影响整个压裂工作的正常进行。 水 6 号孔压裂时，一共监测到 13 个微震事件。图 3 为水 6 号孔微震定位结果，图中红色圆点为水力压裂 微震事件定位点，绿色不规则图形为根据微震事件定 位点圈定的水力压裂破坏范围XY 平面投影图。 图 3 水 6 号孔微震监测结果 Fig.3 Microseismic monitoring results of No.6 hole c. 检 8 号孔的压裂情况与微震监测结果 水压最大 18 MPa，压裂时长 120 min，监测压 裂产生的微震事件共 39 个。 图 4 为检 8 号孔压裂微 震定位结果，图中红色圆点为水力压裂微震事件定 位点，绿色不规则图形为根据微震事件定位点圈定 的水力压裂范围XY 平面投影图。 图 4 检 8 号孔微震监测结果 Fig.4 Microseismic monitoring results of No.8 hole 4.3 打孔验证情况 为检验微震监测压裂破坏范围方法的可靠性， 在水力压裂孔周围专门布置了观测孔，观测孔也采 用水泥浆封孔，封孔工艺与压裂孔完全一样，通过 观测压裂孔两侧考察孔的水压变化情况来验证该方 法确定的压裂范围。 ChaoXing 增刊 1 闫江平等 煤矿井下水力压裂范围微震监测技术及其影响因素 95 a. 水 6 号孔压裂时观测孔的水压情况 图 5 是水 6 号孔压裂观测孔及其水压情况，在 水 6 号孔两边共布置了 5 个观测孔， 分别是水 4 号、 检 4 号、检 5 号、检 7 号和检 8 号孔，水 6 号压裂 孔距离水 4 号孔 89.3 m、距离检 8 号孔 37.4 m。水 6 号孔压裂结束后，检 7 号孔口水压表为 3 MPa， 周边出水；检 4 号孔口水压表为 2 MPa，周边出水； 而其他观测孔水压均为 0。从图 5 可以看出，检 7 号孔位于微震圈定的压裂破坏范围内，而检 4 号孔 的水压虽然为 2 MPa，但从压裂的压力大小和压裂 条件如煤层的硬度系数等分析看，水 6 号孔的压 裂半径不大可能达到 89.3 m，故检 4 号孔的水压不 可能由水 6 号孔压裂直接造成的，可能是已有的通 道或裂隙引起的。图 5 中红色线条圈定的区域为微 震监测结果圈定的压裂范围，蓝色线条圈定的区域 为通过观测孔水压圈定的压裂范围。从图 5 看出， 根据观测孔水压圈定的范围较大，这可能与工作面 的已有通道和裂隙造成孔中出水有关。 图 5 水 6 号孔压裂观测孔及其水压 Fig.5 Observation holes and water pressure of No.6 hole b. 检 8 号孔压裂时观测孔的水压情况 图 6 是检 8 号孔压裂观测孔及其水压情况，在 检 8 号孔周边布置了 2 个观测孔，分别是水 6 号和 检 7 号孔，检 7 号孔距离压裂孔 53.25 m，左边没有 布置观测孔。检 8 号孔压裂结束后，所在巷道侧帮 有多处地方出水，检 7 号孔有水流出，水 6 号孔水 压 0，但周边出水。从图 4 可以看出，微震圈定压 裂破坏范围主要位于检 8 号孔的左侧，而图 6 中出 水点也主要分布在检 8 孔左侧，水 6 号孔水压为 0。 图 6 中红色线条圈定的区域为微震监测结果圈定的 压裂范围，蓝色线条圈定的区域为通过观测孔水压 圈定的压裂范围，可见，根据观测孔和巷道侧帮出 水圈定的范围要比微震监测结果圈定的范围大很 多。这可能是由于水 6 号孔压裂时已经沟通了水 6 号孔和检 8 号孔之间的裂隙所导致的，从水 6 号孔 压裂时检 8 号孔中也有水可以得到验证。 图 6 检 8 号孔压裂观测孔及其水压 Fig.6 Observation holes and water pressure of No.8 hole 5 水力压裂影响范围的讨论 5.1 微震与压裂时长的关系 从图 7 中可以看出，由于检 3 号孔压裂时间 短，且微震数量太少，规律不明显；水 6 号孔压 裂时，半小时内微震数量呈现先增后减趋势，但 是趋势不显著；检 8 号孔压裂时，半小时内微震 数量呈现先减后增趋势；在半小时为时间窗的压 ChaoXing 96 煤田地质与勘探 第 47 卷 裂时间内，微震数量未出现明显减少趋势，随着压 裂时间的增加超过 2 h微震数量可能会随之增加。 图 7 3 个孔压裂微震数量折线图 Fig.7 Number of microseismic events during fracturing in three holes 从图 8 能量上分析可知， 随着压裂时间的增加， 还会产生新的微震事件。 因此，从微震数量和能量两个角度分析，压裂 时间的增加超过 2 h，有助于微震的发生。 图 8 水 6 号孔微震能量变化趋势 Fig.8 Variation trend of microseismic energy in No.6 hole 5.2 微震与压力大小的关系 图 9 是微震数量与压力的统计曲线。从图 9 可 以看出，随着压力的增加，微震数量明显增加。 图 9 微震数量与压力关系 Fig.9 Relationship between the number of microseismic events s and the pressure 微震数量和最大振动能量都与压力显著相关 随着压力的增加，微震数量和最大振动能量明显增 加图 10。因此，增加压力超过 18 MPa有助于发 生微震和加剧破裂。 图 10 微震振动能量与压力关系 Fig.10 Relationship between energy and pressure of micro- seismic vibration 检 3 号孔在 F18 断层附近，压裂区围岩或煤层 破碎严重，压裂时压裂液会顺着目标层的破碎缝隙 流动，导致压力无法增加，很难引起新的破裂，微 震不发育，而水 6 号和和检 8 号距离断层稍远，微 震较发育。 本次压裂煤层的硬度系数 f 仅为 0.3，属于极软 煤层，压裂时只会导致煤层的塑形变形，很难引起 破裂，微震也不发育。 6 结 论 a. 微震监测结果可以圈定井下水力压裂破坏 范围，但是圈定的范围比观测孔圈定的范围稍小。 这主要是因为煤层中原有的裂隙出水导致观测空间 圈定的范围较大，同时压力较小，煤层的硬度系数 f 仅为 0.3 左右，属于极软煤层，地震波衰减很大， 地震仪接收到的微震事件较少，而且压裂区围岩或 煤层破碎严重，也不利于裂隙发育，因此微震监测 到的破坏范围较小。 b. 压裂破坏范围与压裂时长、压力大小、压裂 区构造以及煤层硬度的关系密切，压裂时间加长， 压力增大均有利于裂缝的产生和扩展，增加煤层透 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