一种基于地应力监测的穿层水力压裂范围考察方法

摘要

本发明公开了一种基于地应力监测的穿层水力压裂范围考察方法，属于煤矿井下水力压裂技术领域，针对煤矿穿层水力压裂范围难以评估、压裂效果仅依靠后期抽采单因素考察的不确定性等问题；其主要步骤为，选择相应的水力压裂钻孔，在其周围不同方位按照黄金分割比设置钻孔间距布置应力测试钻孔，进行压裂前、压裂过程、压裂后的应力大小监测，根据测试结果判断水力压裂影响范围；利用该方法考察对水力压裂影响范围，技术简单，工程量小，结果可靠，为进一步优化穿层水力压裂工艺提供技术基础。

权利要求

1.一种基于地应力监测的穿层水力压裂范围考察方法，包括在底板巷道实施穿层水力压裂钻孔并封孔，其特征在于，包括以下步骤：a.以压裂钻孔终孔位置为中心O点，沿底板巷(3)走向在煤层(4)顶板平面内O点一侧选定应力监测点A、B，OA长30米，OB长50米，沿与OA方向夹角为±120°的两个方向分别选定应力监测点C、D和E、F，OC＝OE＝30米，OD＝OF＝50米；

b.在底板巷(3)内压裂孔(1)孔口位置往A点一侧偏30米施工钻孔Ⅰ(21)，钻孔Ⅰ(21)终孔位置为A点；在底板巷(3)内压裂孔(1)孔口位置往B点一侧偏50米施工钻孔Ⅱ(22)，钻孔Ⅱ(22)终孔位置为B点；在底板巷(3)内压裂孔(1)孔口位置往C点一侧偏15米施工钻孔Ⅲ(23)和钻孔Ⅴ(25)，钻孔Ⅲ(23)终孔位置为C点，钻孔Ⅴ(25)终孔位置为E点；在底板巷(3)内压裂孔(1)孔口位置往D点一侧偏25米施工钻孔Ⅳ(24)和钻孔Ⅵ(26)，钻孔Ⅳ(24)终孔位置为D点，钻孔Ⅵ(26)终孔位置为F点；每个钻孔孔口至煤层(4)底板段孔径为75mm，进入煤层(4)后孔径为42mm；

c.利用安装杆将连接好油压管(5)的应力传感器(6)沿钻孔推送至各个应力监测点，后实施钻孔封孔，注浆封孔时注满整个钻孔，在孔口处油压管(5)外段连接应力记录仪(7)，利用手动油压泵往油压管内压入液压油，直至油压压力为4～4.5MPa时停止打压，完成应力传感器(6)安装；插入注浆管(8)和返浆管(9)，利用AB胶封堵孔口，实施注浆封孔，注浆时注满整个钻孔；

d.压裂前监测15天的应力变化，分析15天内应力变化规律，确定压裂前煤层内应力变化范围[σmin,σmax]，将该范围设定为应力稳定区间A；

e.实施水力压裂，同时进行应力监测，压裂完成后继续维持应力监测5天，采集压裂过程及压裂后的应力数据，分析其变化规律，确定压裂过程及压裂后的应力变化范围[σ1,σ2]，将该范围设定为压裂产生的应力扰动变化区间B；

f.根据步骤d和步骤e所得各个钻孔应力变化区间A、B，确定受影响的应力监测点；

若 则该应力监测点未受水力压裂影响；

若 则该应力监测点受水力压裂影响；

g.划定影响范围：根据步骤f所确定水力压裂影响点，分别找出步骤b3个不同径向上最远影响点，以直线连接这三个点所圈定的范围即为穿层水力压裂有效影响范围(10)。

说明书

一种基于地应力监测的穿层水力压裂范围考察方法

技术领域

[0001] 本发明属于煤矿井下水力压裂技术领域，具体涉及水力压裂影响范围考察方法。

背景技术

[0002] 我国煤储层多属低透气性煤层且富含瓦斯，增大煤层透气性有利于瓦斯逸出从而降低煤层瓦斯含量，以保证煤矿安全生产和促进瓦斯抽采。水力压裂技术作为一种煤矿井下煤层区域增透措施已被广泛利用，并取得良好效果。然而，针对煤矿井下水力压裂影响范围的考察目前仍处于探索阶段，至今对于煤矿井下水力压裂考察仅依靠后期瓦斯抽采浓度、流量与时间的关系来衡量水力压裂效果，仅依靠后期掘进和回采记录情况来判断水力压裂范围，缺乏较为可靠的煤矿井下水力压裂影响范围考察方法，不利于煤矿井下水力压裂设计的完善和进步。因此，需要开发较为可靠的煤矿井下水力压裂影响范围考察方法。

发明内容

[0003] 针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种基于地应力监测的穿层水力压裂范围考察方法，该方法技术简单，结果可靠，可实现煤矿井下穿层水力压裂影响范围的评估。

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

[0005] 一种基于地应力监测的穿层水力压裂范围考察方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤一：地应力监测选点：以压裂钻孔终孔位置为中心O点，沿底板巷走向在煤层顶板平面内O点一侧选定应力监测点A、B，OA长30米，OB长50米，沿与OA方向夹角为±120°的两个方向分别选定应力监测点C、D和E、F，OC＝OE＝30米，OD＝OF＝50米；A、B、C、D、E、F分别作为应力监测钻孔Ⅰ、应力监测钻孔Ⅱ、应力监测钻孔Ⅲ、应力监测钻孔Ⅳ、应力监测钻孔Ⅴ、应力监测钻孔Ⅵ的终孔位置；底板巷内压裂孔往A点一侧偏30米为应力监测钻孔Ⅰ的开孔位置；底板巷内压裂孔往B点一侧偏50米为应力监测钻孔Ⅱ的开孔位置；底板巷内压裂孔往C点一侧偏15米为应力监测钻孔Ⅲ和应力监测钻孔Ⅴ的开孔位置；底板巷内压裂孔往D点一侧25米为应力监测钻孔Ⅳ和应力监测钻孔Ⅵ的开孔位置；

[0007] 步骤二：应力监测钻孔施工：于各应力监测钻孔开孔位置布置钻场，安装钻机，准备足量钻杆以及与之相匹配的75mm钻头和42mm钻头，首先利用75mm钻头打钻，待钻孔排出煤粉后撤出钻杆，换上42mm钻头继续沿原来的方向钻进，待钻孔不再排出煤粉后继续钻进0.5m，撤出钻杆；按照此方法完成所有应力监测钻孔的施工；

[0008] 步骤三：应力传感器安装：首先把连接好油压管的应力传感器对准应力钻孔，同时接上安装杆，安装杆头凹槽嵌入传感器底端铁销，捋顺油压管；然后将传感器推送至煤层内，退出安装杆；最后在油管末端连接数据记录仪；

[0009] 步骤四：应力监测钻孔封孔：首先往钻孔内送入注浆管和返浆管，注浆管孔内长度6m，返浆管插至钻孔底，利用AB胶封堵孔口，注浆管连接高压注浆泵，开始注浆，注浆材料与所考察压裂钻孔的封孔材料一致，待返浆管有浆液流出后封堵返浆管，继续注浆，待应力传感器压力大于4Mpa后停止注浆；

[0010] 步骤五：水力压裂前应力测试：完成步骤四所述封孔，5小时后读出各应力计压力值，若压力降至4Mpa以下，则利用手动便携式油压泵向油压管内打入油压，使应力计压力回升至4～4.5Mpa，继续监测该数值5小时，待压力稳定后开始应力监测，记录并采集15天内各个应力计所测压力随时间的变化，将最后五天所监测的应力变化范围标记为区间A；

[0011] 步骤六：水力压裂过程应力监测：实施水力压裂，记录水力压裂起止时间，水力压裂结束后采集应力数据，分析水力压裂过程应力的变化，继续监测压裂后一周内应力的变化，最后采集这一周内的应力数据，将其变化范围与压裂过程中应力的变化范围合并成区间B；

[0012] 步骤七：水力压裂后导出数据，进行数据有效性分析，根据步骤五和步骤六所得应力变化区间，判断每个方向最远影响距离:

[0013] 若 则该应力监测点未受水力压裂影响；

[0014] 若 则该应力监测点受水力压裂影响；

[0015] 步骤八：根据步骤7所得结果，标定最远应力监测有效钻孔坐标，依次连接这些钻孔，圈定水力压裂影响范围。

[0016] 与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

[0017] 1、本发明所述的一种基于应力监测的穿层水力压裂范围考察方法，可直接接触所压裂煤层，监测煤层内应力的变化，从而对水力压裂的影响范围和压裂效果做出评价，结果可靠，为水力压裂工程设计提供依据。

[0018] 2、本发明所述的一种基于应力监测的穿层水力压裂范围考察方法，充分考虑了水力压裂影响方向的差异，在三个夹角为120°的方向上布置考察钻孔，工程量少，技术简单易操作，水力压裂影响范围划定方法简单，工程实施效率高。

附图说明

[0019] 图1为本发明应力监测钻孔终孔位置示意图；

[0020] 图2为图1沿Ⅰ-Ⅰ方向的剖面图；

[0021] 图3为图1沿Ⅱ-Ⅱ方向的剖面图；

[0022] 图4为图1沿Ⅲ-Ⅲ方向的剖面图；

[0023] 图5为本发明应力传感器安装及钻孔封孔示意图；

[0024] 图6为本发明划定水力压裂影响范围示意图。

[0025] 附图中：1—压裂孔；21—应力监测钻孔Ⅰ；22—应力监测钻孔Ⅱ；23—应力监测钻孔Ⅲ；24—应力监测钻孔Ⅳ；25—应力监测钻孔Ⅴ；26—应力监测钻孔Ⅵ；3—底板巷；4—煤层；5—油压管；6—地应力传感器；7—地应力记录仪；8—注浆管；9—返浆管；10—水力压裂影响范围。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

[0027] 一种基于地应力监测的穿层水力压裂范围考察方法，包括以下步骤：

[0028] 步骤一：如图1所示，以压裂孔终孔位置为中心O，在煤层4顶板平面内首先选定应力测试点A、B、C、D、E、F，A、B点位于底板巷3走向上O点一侧，OA＝30米，OB＝50米，沿与OA方向夹角为±120°的两个方向分别选定应力监测点C、D和E、F，OC＝OE＝30米，OD＝OF＝50米。

[0029] 如图2、3、4所示，应力监测钻孔Ⅰ21开孔位置为底板巷3内压裂孔1往A点一侧偏离30米，终孔位置为A点；应力监测钻孔Ⅱ22开孔位置为底板巷3内压裂孔1往B点一侧偏离30米，终孔位置为B点；应力监测钻孔Ⅲ23和应力监测钻孔Ⅴ25开孔位置为底板巷3内压裂孔1往C点一侧偏离15米，终孔位置分别为C和E点；应力监测钻孔Ⅳ24和应力监测钻孔Ⅵ26开孔位置为底板巷3内压裂孔1往D点一侧偏离15米，终孔位置分别为D和F点，根据钻孔起止位置计算各个应力监测孔孔深和倾角。

[0030] 步骤二：在底板巷3内各应力监测钻孔开孔位置布置钻场，安装钻机，准备足量钻杆以及与之相匹配的75mm钻头和42mm钻头，根据步骤一所得钻孔方位、倾角和孔深，调节钻机钻进反向，首先利用75mm钻头打钻，待钻孔排出煤粉后撤出钻杆，换上42mm钻头继续沿原来的方向钻进，待钻孔不再排出煤粉后继续钻进0.5m，撤出钻杆；按照此方法完成所有应力监测钻孔的施工。

[0031] 步骤三：准备6个应力传感器6，6根油压管5，6个地应力记录仪7，足量的传感器安装杆，如图5所示，首先把连接好油压管5的应力传感器6对准应力钻孔，同时接上安装杆，安装杆头凹槽嵌入传感器底端铁销，捋顺油压管5；然后将传感器6推送至煤层4内，退出安装杆；最后在油管末端连接数据记录仪7；完成应力传感器的安装。

[0032] 步骤四：应力传感器安装结束后，如图5所示，往钻孔内送入注浆管8和返浆管9，注浆管8孔内长度6m，返浆管9插至钻孔底，利用AB胶封堵孔口，注浆管连接高压注浆泵，开始注浆，注浆材料与所考察压裂钻孔1的封孔材料一致，待返浆管9有浆液流出后封堵返浆管9，继续注浆，待应力传感器压力大于4Mpa后停止注浆。

[0033] 步骤五：完成步骤四所述封孔，5小时后读出各应力计压力值，若压力降至4Mpa以下，则利用手动便携式油压泵向油压管5内打入油压，使应力计压力回升至4～4.5Mpa，继续监测该数值5小时，待压力稳定后开始应力监测，记录并采集15天内各个应力计所测压力随时间的变化，将最后五天所监测的应力变化范围标记为区间A。

[0034] 步骤六：连接水力压裂管路，检查各设备运行正常后，开始水力压裂，压裂时长为24小时，记录好水力压裂起止时间，水力压裂结束后采集应力数据，分析水力压裂过程应力的变化，继续监测压裂后一周内应力的变化，最后采集这一周内的应力数据，将其变化范围与压裂过程中应力的变化范围合并成区间B。

[0035] 步骤七：导出地应力监测数据，进行数据有效性分析，根据步骤五和步骤六所得应力变化区间，判断每个方向最远影响距离:

[0036] 若 则该应力监测点未受水力压裂影响；

[0037] 若 则该应力监测点受水力压裂影响。

[0038] 步骤八：根据步骤7所得结果，标定最远应力监测有效钻孔坐标，如图6所示，依次连接这些钻孔，最终圈定水力压裂影响范围10。

[0039] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。