專利名稱：煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦井下煤層增透技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法。
背景技術(shù)：
井下鉆孔水力壓裂作為井下煤層增透的一項技術(shù)措施，具有增透范圍大、增透效果顯著，能夠較大幅度的提高煤層瓦斯的抽采效率的特點，因此，在目前得到了較為廣泛的應(yīng)用。但井下鉆孔水力壓裂受到壓裂對象(煤層、巖層)性質(zhì)及注入壓裂液量的制約，并不能無限制的溝通煤巖層中的已有的裂縫，并且，在高壓水的作用之下，壓裂范圍的邊界容易形成高壓異常帶，給采掘生產(chǎn)帶來安全隱患，因此，有必要對壓裂邊界的應(yīng)力集中帶范圍進行探測并消除其應(yīng)力集中范圍，使井下鉆孔水力壓裂能夠消其弊端，得到更好的推廣應(yīng)用。當(dāng)前我國井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界的確定只能通過在預(yù)計壓裂范圍內(nèi)，間隔壓裂孔不同間距施工效果檢驗孔，并考察效果檢驗孔的瓦斯自然流量、抽采流量、抽采濃度等參數(shù)對比確定是否相比壓裂前有所增大，如果增大則在壓裂范圍之內(nèi)，直到與壓裂孔間隔最遠的鉆孔出現(xiàn)了瓦斯流量、濃度相比未壓區(qū)域變化不大才能確定壓裂的有效范圍，進而確定壓裂的應(yīng)力集中邊界。煤層具有不均一性，除了水力壓裂作用影響之外，距離較遠的煤層其本身性質(zhì)就不一樣，這就造成了即使不實施水力壓裂，其也可能存在著瓦斯流量等參數(shù)變化較大的問題，另外，理論上講要在壓裂的不同方向分別施工不同間距的鉆孔，但由于井下的采掘巷道部署限制，往往在壓裂的很多方向都難以施工鉆孔，從而造成了壓裂有效范圍劃分不完整、劃分不科學(xué)，進而影響到了壓裂邊界應(yīng)力集中帶的劃分，為日后的安全生產(chǎn)埋下了隱患。同時，針對應(yīng)力集中邊界帶，給出相應(yīng)的應(yīng)力集中消除方法。目前在國內(nèi)外煤田地質(zhì)工作中應(yīng)用最多、效果較好的地面物探技術(shù)是地震和瞬變電磁法兩種。雖然地震法具有獲得的時間剖面對煤層底板形態(tài)描述較為直觀、對層位深度控制較為精確、對5米以上斷層與煤層陷落柱基本不會遺漏等優(yōu)點，但也存在難以分辨10 米以下煤層頂?shù)装寮懊簩咏Y(jié)構(gòu)的問題，對于煤層的含水性及裂隙的發(fā)育狀況，眼下更難以解決。瞬變電磁法，雖然也有勘測深度大、有效信號強、施工速度快、對低阻異常反應(yīng)清晰等優(yōu)點在煤礦得到較好應(yīng)用，在生產(chǎn)實踐中也確實得到煤礦生產(chǎn)的驗證；但是，由于這項技術(shù)目前是采用對數(shù)采樣技術(shù)，使(深部)目的層附近因采樣間隔過大(通常在幾十至上百米)而不能準(zhǔn)確描述目的層所處空間位置及地質(zhì)體變化信息。如果要在確定的煤、巖層內(nèi)探測其異常范圍，上述這兩種方法都難以實現(xiàn)這個目的。因此，只有CYT這種采樣間隔較小、深度定位相對準(zhǔn)確、對巖層屬性反應(yīng)敏感的技術(shù)才有可能。利用大地電磁場進行地質(zhì)勘測，最早由前蘇聯(lián)科學(xué)家提出，在20世紀(jì)50、60年代， 我國物探儀器研發(fā)技術(shù)人員進行了深入研究；80年代中期研制出了我國第一臺樣機—— CYT- I，通過20余年的試驗、生產(chǎn)應(yīng)用和技術(shù)改進，該技術(shù)目前儀器研發(fā)出了第五代產(chǎn)
4品，但受某些因素制約，在石油、地下水、地?zé)岬阮I(lǐng)域驗證效果較好的還是第四代產(chǎn)品—— CYT-IV。該技術(shù)設(shè)備在缺少準(zhǔn)確地質(zhì)資料的情況下解釋地下水方面，見水層位、出水量都與解釋結(jié)果基本吻合，而在有鉆孔數(shù)據(jù)標(biāo)定的情況下，解釋結(jié)果與鉆探資料的吻合程度更可達70%以上。CYT屬于大地電磁法類。它以天然交變電磁場為場源，根據(jù)交變電磁場在地層中傳播時的趨膚效應(yīng)作用，利用不同周期的電磁波具有不同的穿透能力的特性，在地面采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過一定的計算來反映電性垂向變化，以此推測地下巖層及其屬性變化狀況。高空輻射到地球的等離子流，以每秒8 14個脈沖的速率與地球磁層頂、磁層、 以及電離層相碰撞，在各不穩(wěn)定邊界激發(fā)產(chǎn)生出各種類型的等離子體波，包括傳播速度為 25 90公里/秒、頻率為10_4 IO6赫茲的低頻阿爾芬波和電磁波，這些低頻電磁波在每一深度都能得到反射回地面。地面是一個強反射面，低頻電磁波在地層中衰減較慢，從而建立了巖層與地面間的往復(fù)反射，形成了穩(wěn)定(多次)諧振電磁波(如

圖1所示)，成了 CYT等大地電磁類方法的場源。理論上講，來源于太空的電磁場，可視為垂直地球表面入射的平面波。假設(shè)大地介質(zhì)是由水平、均勻?qū)訝钗镔|(zhì)組成，同種介質(zhì)電性參數(shù)僅是深度的函數(shù)，即成為一維介質(zhì)模型 (如圖2所示)。在水平N層均勻介質(zhì)的界面產(chǎn)生的反輻射脈沖電磁場(EruHn)的頻率(f)與上覆巖層的電阻率(R)和巖層分界面埋深(h)有關(guān)。由于大地對電磁波的傳播具有低通“窗口” 特性。下伏巖層界面產(chǎn)生的相對低頻脈沖電磁場(En或Hn)在“窗口 ”內(nèi)傳播時幾乎無衰減。根據(jù)白瑞(Burrel)推出的低頻電磁波在均勻水平N層介質(zhì)中傳播中低頻窗口截至頻率fn計算公式
式中fn—頻率(赫茲)
K—常數(shù)，K= 9. 4X105 P —電阻率(歐姆·米)
h —深度(米)
由此知，截止頻率fn與h2成反比，既隨著h的增大，fn降低，即越深的地層界面脈沖電磁波反射頻率越低；此外，截止頻率fn與電阻率(P )成正比，即巖層電阻率越高，其對應(yīng)截止頻率(fn)也將越高。 假設(shè)地層深度h=2000米，電阻率增量dp =0. 1歐姆 米，由上式
反過來，若已知深度和頻率增量，也就可以算出電阻率增量。如果按不同的頻率測試獲得的電阻率與理論計算值間存在差異，預(yù)示著這個測試數(shù)據(jù)包含著一些巖層及其它信息。CYT采集地下巖層反射到地面隨微小頻率(深度)變化的電磁場能量，即
ΔΓ1Τ = (ClTarJ^ff)，可實現(xiàn)對地下不同深度巖層屬性的了解與分辨。這就全釋
了 CYT在地表按測試電磁場的含義。
眾所周知，一定頻率的波場具有一定的穿透能力，電磁波也如此高頻電磁場穿透能力弱，平均效應(yīng)涉及范圍也小；低頻電磁場穿透能量強，平均效應(yīng)涉及范圍也大，即穿透深度大。CYT利用的是頻率在0. 001 1000Hz長波部分，根據(jù)趨膚深度理論，深度與電阻率及頻率(周期)有如下關(guān)系
權(quán)利要求
1.煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，其特征在于包括以下步驟，⑴.選取井下壓裂區(qū)域在地面上所對應(yīng)的基準(zhǔn)點；⑵.對壓裂區(qū)域所在地面對應(yīng)范圍內(nèi)進行壓裂前CYT測點的布置及測試；⑶.對壓裂前CYT測點信息進行數(shù)據(jù)采集、整理、處理和分析；⑷.進行井下鉆孔水力壓裂作業(yè)；(5).對壓裂區(qū)域所在地面對應(yīng)范圍內(nèi)進行壓裂后CYT測點的布置及測試；(6).對壓裂后CYT測點信息進行數(shù)據(jù)采集、整理、處理和分析；(7).對比分析壓裂前后CYT測點數(shù)據(jù)信息的差異，確定壓裂范圍；(8).消除井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力集中帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，其特征在于所述步驟⑴的具體步驟為，通過查看礦井采掘工程平面圖，讀取井下壓裂鉆孔開孔位置及終孔位置的大地坐標(biāo)并記錄；根據(jù)壓裂鉆孔坐標(biāo)在地面尋找相應(yīng)的大地基準(zhǔn)點，如壓裂區(qū)域內(nèi)存在有大地基準(zhǔn)點，則通過存在的大地基準(zhǔn)點確定開孔點及終孔點的坐標(biāo)，如果壓裂區(qū)域內(nèi)沒有大地基準(zhǔn)點，可使用GPS或其它定位儀器從已有最近的大地基準(zhǔn)點向地面對應(yīng)壓裂區(qū)域引入相應(yīng)的大地基準(zhǔn)點并確定壓裂鉆孔在地面的開孔位置及終孔位置，并在地面樹立標(biāo)志記錄該點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，其特征在于所述步驟⑵的具體步驟為，根據(jù)鉆孔長度及預(yù)要求的壓裂邊界應(yīng)力帶范圍精度大小，確定壓裂鉆孔應(yīng)力范圍CYT測點的布置形式和布點范圍，布點要覆蓋整個鉆孔預(yù)計的壓裂范圍，并等間隔布點，布點形式為矩形或橢圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，其特征在于所述步驟⑶的具體步驟為，為各測點編號，并記錄每一個測點的大地基準(zhǔn)點，使用 CYT- IV型儀器進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集的深度根據(jù)壓裂鉆孔埋深進行確定，深度要大于壓裂層位埋深2(T30 m ；數(shù)據(jù)整理包括零位校正和增益調(diào)節(jié)兩項內(nèi)容；數(shù)據(jù)處理是通過一定的計算公式由計算機進行計算出與電阻率測井和電位測井相似的“類視電阻率”和“類自然電位”曲線；數(shù)據(jù)分析是建立在數(shù)據(jù)整理及處理基礎(chǔ)之上的，包括層位的標(biāo)定和異常的識別。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，其特征在于所述步驟(5)中CYT測點的布置及測試的方法和CYT測點的位置同壓裂前CYT測點的布置，即與步驟⑵相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，其特征在于所述步驟(6)的具體步驟為，為各測點編號并記錄每一個測點的大地基準(zhǔn)點，使用 CYT- IV型儀器進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集的深度根據(jù)壓裂鉆孔埋深進行確定，深度要大于壓裂層位埋深2(T30 m ；數(shù)據(jù)整理包括零位校正和增益調(diào)節(jié)兩項內(nèi)容；數(shù)據(jù)處理是通過一定的計算公式由計算機進行計算出與電阻率測井和電位測井相似的“類視電阻率”和“類自然電位”曲線；數(shù)據(jù)分析是建立在數(shù)據(jù)整理及處理基礎(chǔ)之上的，包括層位的標(biāo)定和異常的識別。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，其特征在于所述步驟(7)的具體步驟為，根據(jù)壓裂前后CYT- IV型儀器讀取信息的差異，確定水力壓裂范圍，如果壓裂異常點出現(xiàn)在兩個測試點之間，這時壓裂的應(yīng)力集中邊界難以確定，可以通過在壓裂后兩個測試點之間增加測試點的方法進行確定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，其特征在于所述步驟⑶的具體步驟為，在應(yīng)力邊界左右各20 m的地方施工孔底間距不大于5m的鉆孔，然后進行抽采，以消除應(yīng)力集中帶。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，其特征在于所述步驟⑶的具體步驟為，在確定壓裂半徑的基礎(chǔ)上，鄰近第一個壓裂孔施工第二個壓裂孔，使其壓裂半徑重疊不少于20 m進行消突。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤礦井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力邊界確定及消除方法，包括以下步驟選取井下壓裂區(qū)域在地面上所對應(yīng)的基準(zhǔn)點；對壓裂區(qū)域所在地面對應(yīng)范圍內(nèi)進行壓裂前CYT測點的布置及測試；對壓裂前測點信息進行數(shù)據(jù)采集、整理、處理和分析；進行井下鉆孔水力壓裂作業(yè)；對壓裂區(qū)域所在地面對應(yīng)范圍內(nèi)進行壓裂后測點的布置及測試；對壓裂后測點信息進行數(shù)據(jù)采集、整理、處理和分析；對比分析壓裂前后CYT測點數(shù)據(jù)信息的差異，確定壓裂范圍；消除井下鉆孔水力壓裂應(yīng)力集中帶。本發(fā)明能夠有效測試出壓裂有效范圍，能夠劃分出在壓裂實施過程中由于壓裂產(chǎn)生的應(yīng)力集中范圍，相比井下施工效果檢驗孔具有安全、高效、可信、工程量小的特點。
文檔編號E21B43/26GK102182437SQ201110097309
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者劉曉, 蘇現(xiàn)波, 馬耕 申請人:河南理工大學(xué)