CN102182437B

CN102182437B - 煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法

Info

Publication number: CN102182437B
Application number: CN 201110097309
Authority: CN
Inventors: 刘晓; 苏现波; 马耕; 宋金星; 蔺海晓
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: CN102182437A

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，包括以下步骤：选取井下压裂区域在地面上所对应的基准点；对压裂区域所在地面对应范围内进行压裂前CYT测点的布置及测试；对压裂前测点信息进行数据采集、整理、处理和分析；进行井下钻孔水力压裂作业；对压裂区域所在地面对应范围内进行压裂后测点的布置及测试；对压裂后测点信息进行数据采集、整理、处理和分析；对比分析压裂前后CYT测点数据信息的差异，确定压裂范围；消除井下钻孔水力压裂应力集中带。本发明能够有效测试出压裂有效范围，能够划分出在压裂实施过程中由于压裂产生的应力集中范围，相比井下施工效果检验孔具有安全、高效、可信、工程量小的特点。

Description

煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法

技术领域

本发明属于煤矿井下煤层增透技术领域，尤其涉及一种煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法。

背景技术

井下钻孔水力压裂作为井下煤层增透的一项技术措施，具有增透范围大、增透效果显著，能够较大幅度的提高煤层瓦斯的抽采效率的特点，因此，在目前得到了较为广泛的应用。

但井下钻孔水力压裂受到压裂对象（煤层、岩层）性质及注入压裂液量的制约，并不能无限制的沟通煤岩层中的已有的裂缝，并且，在高压水的作用之下，压裂范围的边界容易形成高压异常带，给采掘生产带来安全隐患，因此，有必要对压裂边界的应力集中带范围进行探测并消除其应力集中范围，使井下钻孔水力压裂能够消其弊端，得到更好的推广应用。

当前我国井下钻孔水力压裂应力边界的确定只能通过在预计压裂范围内，间隔压裂孔不同间距施工效果检验孔，并考察效果检验孔的瓦斯自然流量、抽采流量、抽采浓度等参数对比确定是否相比压裂前有所增大，如果增大则在压裂范围之内，直到与压裂孔间隔最远的钻孔出现了瓦斯流量、浓度相比未压区域变化不大才能确定压裂的有效范围，进而确定压裂的应力集中边界。煤层具有不均一性，除了水力压裂作用影响之外，距离较远的煤层其本身性质就不一样，这就造成了即使不实施水力压裂，其也可能存在着瓦斯流量等参数变化较大的问题，另外，理论上讲要在压裂的不同方向分别施工不同间距的钻孔，但由于井下的采掘巷道部署限制，往往在压裂的很多方向都难以施工钻孔，从而造成了压裂有效范围划分不完整、划分不科学，进而影响到了压裂边界应力集中带的划分，为日后的安全生产埋下了隐患。同时，针对应力集中边界带，给出相应的应力集中消除方法。

目前在国内外煤田地质工作中应用最多、效果较好的地面物探技术是地震和瞬变电磁法两种。虽然地震法具有获得的时间剖面对煤层底板形态描述较为直观、对层位深度控制较为精确、对5米以上断层与煤层陷落柱基本不会遗漏等优点，但也存在难以分辨10米以下煤层顶底板及煤层结构的问题，对于煤层的含水性及裂隙的发育状况，眼下更难以解决。瞬变电磁法，虽然也有勘测深度大、有效信号强、施工速度快、对低阻异常反应清晰等优点在煤矿得到较好应用，在生产实践中也确实得到煤矿生产的验证；但是，由于这项技术目前是采用对数采样技术，使（深部）目的层附近因采样间隔过大（通常在几十至上百米）而不能准确描述目的层所处空间位置及地质体变化信息。如果要在确定的煤、岩层内探测其异常范围，上述这两种方法都难以实现这个目的。因此，只有CYT这种采样间隔较小、深度定位相对准确、对岩层属性反应敏感的技术才有可能。

利用大地电磁场进行地质勘测，最早由前苏联科学家提出，在20世纪50、60年代，我国物探仪器研发技术人员进行了深入研究；80年代中期研制出了我国第一台样机——CYT-Ⅰ，通过20余年的试验、生产应用和技术改进，该技术目前仪器研发出了第五代产品，但受某些因素制约，在石油、地下水、地热等领域验证效果较好的还是第四代产品——CYT-Ⅳ。该技术设备在缺少准确地质资料的情况下解释地下水方面，见水层位、出水量都与解释结果基本吻合，而在有钻孔数据标定的情况下，解释结果与钻探资料的吻合程度更可达70%以上。

CYT属于大地电磁法类。它以天然交变电磁场为场源，根据交变电磁场在地层中传播时的趋肤效应作用，利用不同周期的电磁波具有不同的穿透能力的特性，在地面采集数据，然后经过一定的计算来反映电性垂向变化，以此推测地下岩层及其属性变化状况。

高空辐射到地球的等离子流，以每秒8～14个脉冲的速率与地球磁层顶、磁层、以及电离层相碰撞，在各不稳定边界激发产生出各种类型的等离子体波，包括传播速度为25～90公里/秒、频率为10^-4～10⁶赫兹的低频阿尔芬波和电磁波，这些低频电磁波在每一深度都能得到反射回地面。地面是一个强反射面，低频电磁波在地层中衰减较慢，从而建立了岩层与地面间的往复反射，形成了稳定（多次）谐振电磁波（如图1所示），成了CYT等大地电磁类方法的场源。

理论上讲，来源于太空的电磁场，可视为垂直地球表面入射的平面波。假设大地介质是由水平、均匀层状物质组成，同种介质电性参数仅是深度的函数，即成为一维介质模型（如图2所示）。

在水平N层均匀介质的界面产生的反辐射脉冲电磁场（En、Hn）的频率（f）与上覆岩层的电阻率（R）和岩层分界面埋深（h）有关。由于大地对电磁波的传播具有低通“窗口”特性。下伏岩层界面产生的相对低频脉冲电磁场（En或Hn）在“窗口”内传播时几乎无衰减。

根据白瑞（Burrel）推出的低频电磁波在均匀水平N层介质中传播中低频窗口截至频率fn计算公式：

式中： fn-- 频率（赫兹）

K— 常数, K= 9.4×105

ρ— 电阻率（欧姆·米）

h— 深度（米）

由此知，截止频率fn与h²成反比，既随着h的增大，fn降低，即越深的地层界面脉冲电磁波反射频率越低；此外，截止频率fn与电阻率（ρ）成正比，即岩层电阻率越高，其对应截止频率（fn）也将越高。

假设地层深度h=2000米，电阻率增量dρ=0.1欧姆·米，由上式：

反过来，若已知深度和频率增量，也就可以算出电阻率增量。如果按不同的频率测试获得的电阻率与理论计算值间存在差异，预示着这个测试数据包含着一些岩层及其它信息。CYT采集地下岩层反射到地面随微小频率（深度）变化的电磁场能量，即：，可实现对地下不同深度岩层属性的了解与分辨。这就全释了CYT在地表按测试电磁场的含义。

众所周知，一定频率的波场具有一定的穿透能力，电磁波也如此：高频电磁场穿透能力弱，平均效应涉及范围也小；低频电磁场穿透能量强，平均效应涉及范围也大，即穿透深度大。CYT利用的是频率在0.001～1000Hz长波部分，根据趋肤深度理论，深度与电阻率及频率（周期）有如下关系：

式中：H--深度，千米；K—常数；R--电阻率，欧姆·米；

T--周期，秒；f—频率，赫兹。

这就是CYT等电磁法探测地下电性与深度关系的物理基础。

由于目前CYT技术的最小采样间隔为0.5米，最大探测深度为10000米，完全可以满足井下钻孔水力压裂应力边界集中带的测试工作需要。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种安全、高效、可信、工程量小的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，包括以下步骤，

⑴.选取井下压裂区域在地面上所对应的基准点；

⑵.对压裂区域所在地面对应范围内进行压裂前CYT测点的布置及测试；

⑶.对压裂前CYT测点信息进行数据采集、整理、处理和分析；

⑷.进行井下钻孔水力压裂作业；

⑸.对压裂区域所在地面对应范围内进行压裂后CYT测点的布置及测试；

⑹.对压裂后CYT测点信息进行数据采集、整理、处理和分析；

⑺.对比分析压裂前后CYT测点数据信息的差异，确定压裂范围；

⑻.消除井下钻孔水力压裂应力集中带。

所述步骤⑴的具体步骤为，通过查看矿井采掘工程平面图，读取井下压裂钻孔开孔位置及终孔位置的大地坐标并记录；根据压裂钻孔坐标在地面寻找相应的大地基准点，如压裂区域内存在有大地基准点，则通过存在的大地基准点确定开孔点及终孔点的坐标，如果压裂区域内没有大地基准点，可使用GPS或其它定位仪器从已有最近的大地基准点向地面对应压裂区域引入相应的大地基准点并确定压裂钻孔在地面的开孔位置及终孔位置，并在地面树立标志记录该点。

所述步骤⑵的具体步骤为，根据钻孔长度及预要求的压裂边界应力带范围精度大小，确定压裂钻孔应力范围CYT测点的布置形式和布点范围，布点要覆盖整个钻孔预计的压裂范围，并等间隔布点，布点形式为矩形或椭圆形。

所述步骤⑶的具体步骤为，为各测点编号，并记录每一个测点的大地基准点，使用CYT-Ⅳ型仪器进行数据采集，数据采集的深度根据压裂钻孔埋深进行确定，深度要大于压裂层位埋深20~30 m；数据整理包括零位校正和增益调节两项内容；数据处理是通过一定的计算公式由计算机进行计算出与电阻率测井和电位测井相似的“类视电阻率”和“类自然电位”曲线；数据分析是建立在数据整理及处理基础之上的，包括层位的标定和异常的识别。

所述步骤⑸中CYT测点的布置及测试的方法和CYT测点的位置同压裂前CYT测点的布置，即与步骤⑵相同。

所述步骤⑹的具体步骤为，为各测点编号并记录每一个测点的大地基准点，使用CYT-Ⅳ型仪器进行数据采集，数据采集的深度根据压裂钻孔埋深进行确定，深度要大于压裂层位埋深20~30 m；数据整理包括零位校正和增益调节两项内容；数据处理是通过一定的计算公式由计算机进行计算出与电阻率测井和电位测井相似的“类视电阻率”和“类自然电位”曲线；数据分析是建立在数据整理及处理基础之上的，包括层位的标定和异常的识别。

所述步骤⑺的具体步骤为，根据压裂前后CYT-Ⅳ型仪器读取信息的差异，确定水力压裂范围，如果压裂异常点出现在两个测试点之间，这时压裂的应力集中边界难以确定，可以通过在压裂后两个测试点之间增加测试点的方法进行确定。

所述步骤⑻的具体步骤为，在应力边界左右各20 m的地方施工孔底间距不大于5m的钻孔，然后进行抽采，以消除应力集中带。

所述步骤⑻的具体步骤为，在确定压裂半径的基础上，邻近第一个压裂孔施工第二个压裂孔，使其压裂半径重叠不少于20 m进行消突。

采用上述技术方案，本发明利用现有的先进技术，给出了煤矿井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯应力边界的确定方法，同时给出相对应的应力边界消除方法，不但能够有效测试出压裂有效范围，同时能够划分出在压裂实施过程中由于压裂产生的应力集中范围，并且相比井下施工效果检验孔具有安全、高效、可信、工程量小的特点。

附图说明

图1是多次电磁波的示意图；

图2是水平层状介质模型示意图；

图3是本发明当中钻孔开孔点及终孔点地面坐标确定的示意图；

图4是本发明当中CYT测点的布置及测试的示意图。

具体实施方式

本发明的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，包括以下步骤，

⑴.选取井下压裂区域在地面上所对应的基准点；

如图3所示，通过查看矿井采掘工程平面图，读取井下压裂钻孔开孔位置及终孔位置的大地坐标并记录；根据压裂钻孔坐标在地面寻找相应的大地基准点1，如压裂区域内存在有大地基准点1，则通过存在的大地基准点1确定开孔点2及终孔点3的坐标，如果压裂区域内没有大地基准点1，可使用GPS或其它定位仪器4从已有最近的大地基准点5向地面对应压裂区域引入相应的大地基准点并确定压裂钻孔在地面的开孔位置及终孔位置，并在地面树立标志记录该点。

如图4所示，根据钻孔长度（开孔点2和终孔点3之间的距离）及预要求的压裂边界应力带范围精度大小，确定压裂钻孔应力范围CYT测点6的布置形式和布点范围要覆盖整个钻孔预计的压裂范围，并等间隔布点，布点形式为矩形或椭圆形。图2中所示为矩形布点，其测点之间的距离L为10 m，可以测试压裂钻孔两侧各40 m的范围，当然，布点的多少可以根据初步注入水量及预计的压裂范围确定，也可以在压裂之后进行补测。

⑶.对压裂前CYT测点信息进行数据采集、整理、处理和分析；

为各测点编号，并记录每一个测点的大地基准点，使用CYT-Ⅳ型仪器进行数据采集，数据采集的深度根据压裂钻孔埋深进行确定，深度要大于压裂层位埋深20~30 m，以便更加有效的确定压裂范围及其应力边界；数据整理包括零位校正和增益调节两项内容，这是室内资料分析前的一项基本工作，主要是消减测试数据因太空电磁场时变漂移和场强变化而带来的影响，将测试数据调节到同一数轴附近，并将曲线幅度调节在一定范围内，以便于数据的对比；数据处理是通过一定的计算公式由计算机进行计算出与电阻率测井和电位测井相似的“类视电阻率”和“类自然电位”曲线，以帮助我们对测试数据的分析；数据分析是建立在数据整理及处理基础之上的，包括层位的标定和异常的识别。

⑷.进行井下钻孔水力压裂作业；水力压裂作业的具体步骤为现有技术，在此不再赘述。

该步骤中CYT测点的布置及测试的方法和CYT测点的位置同压裂前CYT测点的布置，即与步骤⑵相同。

⑹.对压裂后CYT测点信息进行数据采集、整理、处理和分析；

该步骤与步骤⑶相同，为各测点编号，并记录每一个测点的大地基准点，使用CYT-Ⅳ型仪器进行数据采集，数据采集的深度根据压裂钻孔埋深进行确定，深度要大于压裂层位埋深20~30 m，以便更加有效的确定压裂范围及其应力边界；数据整理包括零位校正和增益调节两项内容，这是室内资料分析前的一项基本工作，主要是消减测试数据因太空电磁场时变漂移和场强变化而带来的影响，将测试数据调节到同一数轴附近，并将曲线幅度调节在一定范围内，以便于数据的对比；数据处理是通过一定的计算公式由计算机进行计算出与电阻率测井和电位测井相似的“类视电阻率”和“类自然电位”曲线，以帮助我们对测试数据的分析；数据分析是建立在数据整理及处理基础之上的，包括层位的标定和异常的识别。

根据压裂前后CYT-Ⅳ型仪器读取信息的差异，确定水力压裂范围，如果压裂异常点出现在两个测试点之间，这时压裂的应力集中边界难以确定，可以通过在压裂后两个测试点之间增加测试点的方法进行确定。

⑻.消除井下钻孔水力压裂应力集中带。

尽管水力压裂工艺在煤层增透及提高瓦斯抽采效率方面具有较好的作用，但水力压裂之后，产生的应力带其危险程度不亚于未实施压裂之前，因此有必要对应力边界进行确定，同时对其进行消除。

水力压裂应力集中带确定之后，可采用以下两种方法进行消除：

①.在应力边界左右各20 m的地方施工孔底间距不大于5m的钻孔，然后进行抽采，以消除应力集中带。

②. 在确定压裂半径的基础上，邻近第一个压裂孔施工第二个压裂孔，使其压裂半径重叠不少于20 m进行消突。比如，根据CYT探测压裂半径为50 m，当第一个压裂钻孔施工完成之后，距第一个钻孔80 m处施工第二个压裂钻孔并进行压裂，这样，两个钻孔的重叠部分有20 m，可以有效的消除应力集中。

Claims

1.煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，其特征在于：包括以下步骤，

⑴.选取井下压裂区域在地面上所对应的基准点；

⑶.对压裂前CYT测点信息进行数据采集、整理、处理和分析；

⑷.进行井下钻孔水力压裂作业；

⑹.对压裂后CYT测点信息进行数据采集、整理、处理和分析；

⑻.消除井下钻孔水力压裂应力集中带。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，其特征在于：所述步骤⑴的具体步骤为，通过查看矿井采掘工程平面图，读取井下压裂钻孔开孔位置及终孔位置的大地坐标并记录；根据压裂钻孔坐标在地面寻找相应的大地基准点，如压裂区域内存在有大地基准点，则通过存在的大地基准点确定开孔点及终孔点的坐标，如果压裂区域内没有大地基准点，使用GPS从已有最近的大地基准点向地面对应压裂区域引入相应的大地基准点并确定压裂钻孔在地面的开孔位置及终孔位置，并在地面树立标志记录该点。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，其特征在于：所述步骤⑵的具体步骤为，根据钻孔长度及预要求的压裂边界应力带范围精度大小，确定压裂钻孔应力范围CYT测点的布置形式和布点范围，布点要覆盖整个钻孔预计的压裂范围，并等间隔布点，布点形式为矩形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，其特征在于：所述步骤⑶的具体步骤为，为各测点编号，并记录每一个测点的大地基准点，使用CYT-Ⅳ型仪器进行数据采集，数据采集的深度根据压裂钻孔埋深进行确定，深度要大于压裂层位埋深20~30 m；数据整理包括零位校正和增益调节两项内容；数据处理是通过一定的计算公式由计算机进行计算出与电阻率测井和电位测井相似的“类视电阻率”和“类自然电位”曲线；数据分析是建立在数据整理及处理基础之上的，包括层位的标定和异常的识别。

5.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，其特征在于：所述步骤⑸中CYT测点的布置及测试的方法同压裂前CYT测点的布置，即与步骤⑵相同。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，其特征在于：所述步骤⑹的具体步骤为，为各测点编号并记录每一个测点的大地基准点，使用CYT-Ⅳ型仪器进行数据采集，数据采集的深度根据压裂钻孔埋深进行确定，深度要大于压裂层位埋深20~30 m；数据整理包括零位校正和增益调节两项内容；数据处理是通过一定的计算公式由计算机进行计算出与电阻率测井和电位测井相似的“类视电阻率”和“类自然电位”曲线；数据分析是建立在数据整理及处理基础之上的，包括层位的标定和异常的识别。

7.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，其特征在于：所述步骤⑺的具体步骤为，根据压裂前后CYT-Ⅳ型仪器读取信息的差异，确定水力压裂范围，如果压裂异常点出现在两个测试点之间，这时压裂的应力集中边界难以确定，通过在压裂后两个测试点之间增加测试点的方法进行确定。

8.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，其特征在于：所述步骤⑻的具体步骤为，在应力边界左右各20 m的地方施工孔底间距不大于5m的钻孔，然后进行抽采，以消除应力集中带。

9.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法，其特征在于：所述步骤⑻的具体步骤为，在确定压裂半径的基础上，邻近第一个压裂孔施工第二个压裂孔，使其压裂半径重叠不少于20 m进行消突。