一种基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法

摘要

本发明公开了一种基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法，包括：确定水力压裂实施区域，在该区域布置水力压裂系统和震动传感器；在实施水力压裂前，监测煤体破裂过程产生的震动波信号，得到煤层水力压裂前的波速场；利用水力压裂系统对煤体进行水力压裂，并在此过程中连续监测煤体破裂过程产生的震动波信号，得到煤层水力压裂后的波速场；将煤层水力压裂后的波速场与水力压裂前的波速场进行比对，得到煤层水力压裂前后的波速变化量；根据煤层水力压裂前后的波速场变化情况，确定煤层区域水力消突影响范围。本发明降低了水力压裂影响范围的评价成本和评价时间，解决了现有技术测试点多、测试范围小的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及煤层消突措施影响范围与实施效果评价技术领域，特别涉及一种基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法。

背景技术

随着煤矿开采深度的增加，地应力和瓦斯含量呈逐渐增大的趋势，突出危险性增强，严重威胁着煤炭资源的安全开采。

水力压裂是常用的卸压增透措施，对高应力低透气性煤层的消突具有较好的适用性。影响范围评价是水力压裂技术应用重要的环节，准确的评价可以优化压裂孔布置方案，提高水力压裂效果，并避免压裂盲区。

然而，目前对于水力压裂影响范围测试与评价主要是通过钻孔法进行的，评价范围较小，难以实现工作面甚至采区尺度的水力压裂影响范围的全面评价。

发明内容

本发明提供了一种基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法，以解决现有的水力压裂影响范围测试与评价方法评价范围较小，难以实现工作面甚至采区尺度的水力压裂影响范围的全面评价的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法，所述基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法包括：

确定水力压裂实施区域，在所述水力压裂实施区域内布置水力压裂系统和震动传感器；其中，所述震动传感器通过电缆与位于井上的微震监测主机相连接；

在实施水力压裂前，通过所述震动传感器和微震监测主机监测所述水力压裂实施区域内的煤体破裂过程产生的震动波信号，得到煤层水力压裂前的波速场；

利用所述水力压裂系统对所述水力压裂实施区域内的煤体进行水力压裂，并在水力压裂过程中，通过所述震动传感器和微震监测主机连续监测所述水力压裂实施区域内的煤体破裂过程产生的震动波信号，得到煤层水力压裂后的波速场；

将煤层水力压裂后的波速场与水力压裂前的波速场进行比对，得到所述水力压裂实施区域的煤层水力压裂前后的波速变化量；

基于所述波速变化量，根据预设的判别准则，实现对水力压裂影响范围的评价，得到评价结果；其中，所述预设的判别准则为：所述波速变化量小于零的区域为水力压裂有效作用区域，所述波速变化量越小的区域，卸压效果越好。

进一步地，所述确定水力压裂实施区域，在所述水力压裂实施区域内布置水力压裂系统和震动传感器，包括：

根据煤矿采掘接续计划，选择工作面或采区作为水力压裂实施区域；

在所述水力压裂实施区域的煤层中钻出压裂孔，在所述压裂孔附近的巷道内布置水力压裂系统；其中，所述水力压裂系统包括压力泵、储水容器以及压裂管，所述压裂管与煤体之间通过封孔器进行封孔；

在所述水力压裂实施区域的巷道内底板上均匀布置八枚震动传感器，并将各所述震动传感器分别通过电缆与位于井上的微震监测主机相连接。

进一步地，所述在实施水力压裂前，通过所述震动传感器和微震监测主机监测所述水力压裂实施区域内的煤体破裂过程产生的震动波信号，得到煤层水力压裂前的波速场，包括：

在实施水力压裂之前30天，打开所述微震监测主机，通过所述震动传感器接收所述水力压裂实施区域的煤体内部破裂过程产生的震动波信号；

在水力压裂前一天，利用接收的震动波信号，计算水力压裂前的煤层波速，得到煤层水力压裂前的波速场。

进一步地，所述利用所述水力压裂系统对所述水力压裂实施区域内的煤体进行水力压裂，并在水力压裂过程中，通过所述震动传感器和微震监测主机连续监测所述水力压裂实施区域内的煤体破裂过程产生的震动波信号，得到煤层水力压裂后的波速场，包括：

开启所述水力压裂系统，通过压力泵将水从储水容器加压，通过压裂管进入压裂孔，并压入煤体，对所述水力压裂实施区域的煤体进行高压水致裂；

在水力压裂结束后，关闭所述压力泵，撤出所述压裂管和所述封孔器，使所述压裂孔内部的水向外留出；

待所述压裂孔不再向外流水后，利用所述震动传感器采集煤体内部破裂过程产生的震动波信号；

利用所述震动传感器在水力压裂结束后接收到的震动波信号，计算水力压裂后的煤层波速，得到煤层水力压裂后的波速场。

进一步地，所述震动传感器通过锚杆固定在巷道内底板上。

进一步地，所述震动传感器与所述锚杆之间为刚性连接。

进一步地，所述锚杆固定在巷道内底板的致密区域。

进一步地，水力压裂后煤层波速的计算时间为压裂结束后3～7天。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明以煤体在不同应力状态和破碎程度下波速的差异性为物性基础，在工作面或采区周围布置震动传感器，实时测试水力压裂措施实施前后煤体破裂过程产生的震动波信号，测试煤层波速场的变化，构建煤层波速场变化量的图像。在煤层中进行水力压裂后，卸压区和破碎带的波速会降低，而应力集中区的波速会增大，根据煤层水力压裂前后波速场的变化，可以观测煤体结构及应力状态的变化情况，从而实现对煤层区域水力消突影响范围的评价。

本发明的主要优点在于：

1、煤层波速场测试属于无损探测的范畴，不破坏煤层结构的完整性，安全性高；

2、煤层波速场测试不需要取芯测试，操作简单，费用低；

3、可以实现工作面甚至采区尺度的大范围区域性测试与评价，避免盲区，评价结果更可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法的流程示意图；

图2为本发明第二实施例提供的基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法的流程示意图；

图3为水力压裂系统和震动传感器的布置示意图。

附图标记说明：

1、待压裂煤层；2、压力泵；3、储水容器；4、压裂管；5、压裂孔；

6、封孔器；7、巷道；8、震动传感器；9、电缆；10、微震监测主机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

本实施例提供了一种操作简单，经济高效的基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法，适用于对突出煤层采区或工作面范围内的煤层进行大范围、区域化水力消突措施影响范围与实施效果进行评价考察。该基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法的执行流程如图1所示，包括以下步骤：

S101，确定水力压裂实施区域，在所述水力压裂实施区域内布置水力压裂系统和震动传感器；其中，所述震动传感器通过电缆与位于井上的微震监测主机相连接；

S102，在实施水力压裂前，通过所述震动传感器和微震监测主机监测所述水力压裂实施区域内的煤体破裂过程产生的震动波信号，得到煤层水力压裂前的波速场；

S103，利用所述水力压裂系统对所述水力压裂实施区域内的煤体进行水力压裂，并在水力压裂过程中通过所述震动传感器和微震监测主机连续监测所述水力压裂实施区域内的煤体破裂过程产生的震动波信号，得到煤层水力压裂后的波速场；

S104，将煤层水力压裂后的波速场与水力压裂前的波速场进行比对，得到所述水力压裂实施区域的煤层水力压裂前后的波速变化量；

S105，基于所述波速变化量根据预设的判别准则实现对水力压裂影响范围的评价，得到评价结果；其中所述预设的判别准则为：所述波速变化量小于零的区域为水力压裂有效作用区域，所述波速变化量越小的区域，卸压效果越好。

综上，本实施例的水力压裂影响范围评价方法通过对比水力压裂前后煤体结构变化引起震动波波速的变化判断煤层区域消突措施影响范围，降低了评价成本和评价时间，解决了目前钻孔法评价水力压裂影响范围过程中测试点多、测试范围小的问题，并有助于识别消突盲区，测试成本低，准确度高。

第二实施例

请参阅图2和图3，本实施例提供了一种基于煤层波速场测试的水力压裂影响范围评价方法，适用于对突出煤层采区或工作面范围内的煤层进行大范围、区域化水力消突措施影响范围与实施效果进行评价考察。该方法包括在巷道内周围布置震动传感器，在实施水力压裂前后连续采集煤体破裂过程产生的震动波信号，测试煤层波速场，根据煤层水力压裂前后波速场变化情况，确定煤层区域水力消突影响范围。具体地，该方法执行过程如图2所示，包括以下步骤：

S201，根据煤矿采掘接续计划，选择工作面或采区作为水力压裂实施区域；

S202，在所述水力压裂实施区域的待压裂煤层1中钻出压裂孔5，在所述压裂孔5附近的巷道7内布置水力压裂系统；其中，水力压裂系统包括压力泵2、储水容器3以及压裂管4，所述压裂管4与煤体之间通过封孔器6进行封孔；

S203，在水力压裂实施区域的巷道7内底板上均匀布置八枚震动传感器8，并将各所述震动传感器8分别通过电缆9与位于井上的微震监测主机10相连接；

S204，在实施水力压裂之前30天，打开所述微震监测主机10，通过所述震动传感器8接收所述水力压裂实施区域的煤体内部破裂过程产生的震动波信号；

S205，在水力压裂前一天，利用接收的震动波信号，计算水力压裂前的煤层波速v

S206，开启水力压裂系统，通过压力泵2将水从储水容器3加压，通过压裂管4进入压裂孔5并压入煤体，对水力压裂实施区域的煤体进行高压水致裂；

S207，在水力压裂结束后，关闭所述压力泵2，撤出所述压裂管4和所述封孔器6，使所述压裂孔5内部的水向外留出；

S208，待所述压裂孔5不再向外流水后，利用所述震动传感器8采集煤体内部破裂过程产生的震动波信号；

S209，利用所述震动传感器8在水力压裂结束后接收到的震动波信号，计算水力压裂后的煤层波速v'(x,y,z)，得到水力压裂结束后煤层的波速场图；

S210，将水力压裂结束后的煤层波速v'(x,y,z)与水力压裂前的波速v

S211，基于波速变化量Δv(x,y,z)反演水力压裂实施区域内部应力与裂隙场变化情况，从而实现对水力压裂影响范围进行评价，判别准则为：Δv(x,y,z)<0的区域为水力压裂有效作用区域，Δv(x,y,z)越小的区域，卸压效果越好。

式中：v为煤层微震波波速；v'为水力压裂结束后的煤层波速；Δv为水力压裂前后煤层波速的变化量；(x,y,z)为监测区域的空间位置坐标。

其中，需要说明的是，当水力压裂影响范围的测试区域内煤层走向长度与倾向长度在0～1000m范围内时均适用本实施例的方法；所述震动传感器8通过锚杆固定在巷道7内底板上，且所述震动传感器8与所述锚杆之间为刚性连接，进一步地，所述锚杆固定在巷道7内底板的致密区域，不得固定于破碎区。此外，水力压裂结束后计算煤层波速的时间一般为压裂结束后3～7天。

综上，本实施例以煤体在不同应力状态和破碎程度下波速的差异性为物性基础，在工作面或采区周围布置震动传感器，实时测试水力压裂措施实施前后煤体破裂过程产生的震动波信号，测试煤层波速场的变化，构建煤层波速场变化量的图像。在煤层中进行水力压裂后，卸压区和破碎带的波速会降低，而应力集中区的波速会增大，根据煤层水力压裂前后波速场的变化，可以观测煤体结构及应力状态的变化情况，从而实现对煤层区域水力消突影响范围的评价。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。