页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置及方法

摘要

本发明提供页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置及方法，本发明的测量装置包括NPR锚索和至少一对对称套设于NPR锚索上的测量组件；测量组件包括平台机构、挤压机构、恒阻机构和传感机构。本发明的测量方法为：取至少一对对称设置的测量组件，将其插入岩石孔洞，使每一对对称设置的测量组件分别位于岩石断层的两侧，实时检测影响断层稳定性的关键参数。本发明的测量装置和方法能够针对识别出来的危险断层，对其压裂过程中的跨断层界面上影响断层稳定性的关键参数进行实时不间断的精确采集，为灾害的预测提供数据支撑。

说明书

技术领域

本发明属于页岩气开采和和跨断层界面牛顿力监测领域，具体涉及页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置及方法。

背景技术

随着我国对外能源依存度增加、环保与社会发展矛盾凸显，页岩气作为一种新型优质清洁能源地位日益突出。我国页岩气可采资源量25.08万亿立方，位居世界首位，页岩气开发利用得到国家高度重视，并作为一项国家能源战略。

水力压裂是一项有广泛应用前景的页岩气高效开发的重要手段，水力压裂是利用地面高压泵且通过井筒向油层挤注具有较高粘度的压裂液，当注入压裂液的速度超过油层的吸收能力时，则在井底油层上形成很高的压力，当这种压力超过井底附近油层岩石的破裂压力时，油层将被压开并产生裂缝。实际进行水力压裂过程中，岩层的微震监测非常重要，直接关系到水力压裂的压裂效果。同时，近些年与水力压裂相关的地震灾害愈发频繁。有别于北美构造稳定的大板块页岩气，我国页岩气储量重点集中在四川盆地、渝鄂湘黔桂地区等南方复杂山地区，因受晚印支期陆内造山成盆构造运动的强烈改造，表现出显著的“强改造、过成熟、高应力”的山地页岩气地质特征。在山地页岩气地质环境下，水力压裂的施工压力更高，造成地震等地质灾害更为频繁和强烈。

因此，山地页岩气水力压裂诱发地震灾害的准确监测预警是国家页岩气能源战略的关键难题。

目前，页岩气水力压裂诱发地震灾害的监测多采用微震监测技术。微震监测技术是一种高科技信息化的地下工程动力监测技术，它通过传感器收集和采集由岩体破坏或者岩石破裂所发射出的地震波信号，同时对地震波信号进行处理分析，从而得到震动发生的位置、震级大小、能量、地震矩等信息，已经成为地下地质构造探测的首选监测技术手段。

然而，由于现有微震监测系统所采用的微震监测传感器都安装在井下，实际使用过程中存在以下问题：

1)微震监测传感器安装难度大，安装方式复杂，费时费力且安装成本较高；

2)安装质量难以保证，所安装的传感器易脱落，影响微震监测系统的正常监测过程；

3)微震监测传感器因位于地面以下，其信号的长距离传输造成信号衰减大，因而影响监测精度；

4)微震监测缺乏对断层活化孕灾内在机制的应力、应变等关键因素的监测，灾害预测准确程度有限。

因此，如何使页岩气开采中跨断层界面牛顿力主动测量成本低、精度高、质量好、对断层活化孕灾检测准确度高，成为当前亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置，以及利用该装置测量页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力的方法，以解决在页岩气开采现有技术中，跨断层界面牛顿力主动测量成本高、精度低、质量无法保证、对断层活化孕灾检测准确度有限的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置，测量装置包括NPR锚索和至少一对对称套设于NPR锚索上的测量组件；

测量组件包括平台机构、挤压机构、恒阻机构和传感机构；

平台机构的垂直方向上设有通孔，平台机构侧壁上设有孔洞；

挤压机构的一侧固定连接有弹性单元，挤压机构与平台机构可通过弹性单元和孔洞进行拆卸连接，挤压机构另一侧设有表面不平整的摩擦部件；

恒阻机构包括NPR恒阻体和套筒；套筒中部固定设有带有通孔的卡盘，NPR恒阻体活动连接于卡盘上方的套筒内；NPR锚索穿过NPR恒阻体与NPR恒阻体锚定，恒阻机构通过套筒固定连接在平台机构的通孔的内部；

传感机构固定套设于卡盘下方的套筒外；平台机构通过通孔固定套设于套筒外；平台机构位于传感机构的下方，传感机构位于卡盘和平台机构之间。

如上所述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置，优选的，挤压机构一侧设有凸起，凸起上固定连接有弹性单元。

如上所述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置，优选的，平台机构的左侧壁上设有第一孔洞，平台机构的右侧壁上设有第二孔洞，挤压机构通过第一孔洞和第二孔洞对称可拆卸连接于平台机构的两侧。

如上所述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置，优选的，凸起与第一孔洞或第二孔洞的内径相匹配，且凸起的长度小于第一孔洞或第二孔洞的内长，使得凸起可插入在第一孔洞或第二孔洞中，即可满足上述可拆卸连接的基本条件。

如上所述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置，优选的，凸起与于第一孔洞或第二孔洞插接；弹性单元的游离端位于第一孔洞或第二孔洞的洞尾处。

如上所述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置，优选的，摩擦部件为毛刺状，增大摩擦部件的摩擦力，提升摩擦部件的基本性能。

如上所述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置，优选的，弹性单元为弹簧或橡胶。

如上所述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量方法，其步骤如下：

S1，在岩石上钻孔，钻孔贯穿跨断层界面的两侧；

S2，将测量装置插入钻孔内部，并使对称套设于NPR锚索上的测量组件分别布置于岩石跨断层界面的两侧，实时由测量装置中的传感机构检测活断层滑动产生的影响断层稳定性的关键参数。

如上所述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量方法，优选的，测量装置为上述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置。

如上所述页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量方法，优选的，关键参数为牛顿力。

有益效果：

1、本发明的跨断层界面牛顿力主动测量装置中设有摩擦部件，且凸起与第一孔洞或第二孔洞的内径相匹配，使挤压机构、平台机构和岩石孔洞的孔壁三者间无相对滑动，为准确、精确测量页岩气开采中跨断层界面牛顿力打下基础。

2、本发明的测量方法能够针对识别出来的危险断层，对其压裂过程中的跨断层界面上影响断层稳定性的关键参数(即牛顿力)进行实时不间断的精确采集，为灾害的预测提供数据支撑。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例1中页岩气开采中跨断层界面牛顿力主动测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中测量组件的结构示意图；

图3为本发明实施例1中平台机构的结构示意图；

图4为本发明实施例1中挤压机构的结构示意图

图5为本发明实施例1中恒阻机构的结构示意图；

图6为本发明实施例1中恒阻机构的剖面结构示意图；

图7为本发明实施例1中NPR锚索和其中一个测量组件的结构示意图；

图8为本发明实施例2中测量组件在主动测量页岩气开采中跨断层界面牛顿力时的位置示意图；

图9为本发明实施例2中主动测量页岩气开采中跨断层界面牛顿力时无相对滑动的位置结构示意图。

图中：1、NPR锚索，2、测量组件，21、平台机构，22、挤压机构，23、恒阻机构，24、传感机构，211、通孔，212、第一孔洞，213、第二孔洞，221、凸起，222、摩擦部件，2221、弹性单元，231、NPR恒阻体，232、套筒，2321、卡盘，3、断层，4、岩石，5、孔壁。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1：

如图1至图9所示，页岩气开采过程中跨断层界面牛顿力主动测量装置，如图1所示：

该测量装置包括NPR锚索1和一对对称套设于NPR锚索1上的测量组件2；

如图2所示，测量组件2包括平台机构21、挤压机构22、恒阻机构23和传感机构24；

如图3所示，平台机构21垂直方向设有通孔211，平台机构21左部设有第一孔洞212，平台机构21右部设有第二孔洞213；具体地，第一孔洞212和第二孔洞213均为圆柱形孔洞，且两者大小长度相等。

如图4所示，挤压机构22一侧固定设有凸起221，另一侧固定设有毛刺状摩擦部件222，摩擦部件222的材料为橡胶或金属(如铁或钢)，使得摩擦部件222具有一定的摩擦力且保证摩擦部件222具有一定的耐磨损程度，摩擦部件222与孔壁5接触面采用超强摩擦材料，可以保证挤压机构22与孔壁不发生相对位移；凸起221上固定连接有弹性单元2221；弹性单元2221为弹簧；挤压机构22设置有两个，两个挤压机构22对称设置与平台机构21的两侧，具体地，两个弹簧分别位于第一孔洞212和第二孔洞213中，且弹簧处于预压缩状态，预压缩弹簧的设置便于将牛顿力测量装置放置进入孔洞中，并与挤压机构22协同作用将牛顿力测量装置与围岩紧密连接。

凸起221与第一孔洞212或第二孔洞213的内径相匹配，且凸起221的长度小于第一孔洞212或第二孔洞213的内长，以便使固定在凸起221上的弹簧处于预压缩状态。

平台机构21的两侧对称与挤压机构22可拆卸连接，凸起221与第一孔洞212或第二孔洞213插接；使弹性单元2221的自由端位于第一孔洞212或第二孔洞213的洞尾(即远离孔洞孔口的一端)处；使挤压机构22与平台机构21两者间无上下滑动；具体地，具有高强度的弹性单元2221(如弹簧)一端安装在凸起221上，一端压缩抵在第一孔洞212或第二孔洞213的洞尾，保证挤压机构22与平台机构21无上下滑动。

如图5和图6所示，恒阻机构23包括NPR恒阻体231和套筒232，具体地，NPR恒阻体231为设有通孔的锥台形恒阻体，通孔的大小与NPR锚索1的粗细相匹配，防止NPR锚索1在通孔中发生晃动；套筒232上固定设有带有通孔的卡盘2321，NPR恒阻体231可拆卸连接于套筒232内的卡盘2321上方。

如图7所示，NPR锚索1穿过NPR恒阻体231的通孔并与NPR恒阻体231锚定，使得NPR锚索1与NPR恒阻体231的通孔始终保持固定连接，防止其发声相对位移；传感机构24固定套设于套筒232外的卡盘2321下方，具体地，传感机构24为挤压静力动力传感器组，可将卡盘2321受力后产生的牛顿力由静力动力传感器组进行远程传输；平台机构21通过通孔211固定套设于套筒232外；平台机构21位于传感机构24的下方。

实施例2：

采用实施例1的牛顿力主动测量装置测量页岩气开采中跨断层界面牛顿力，具体步骤如下：

S1，在岩石上钻孔，钻孔贯穿跨断层界面的两侧；

S2，将测量装置插入钻孔内部，并使对称套设于NPR锚索上的测量组件分别布置于岩石跨断层界面的两侧，实时由测量装置中的传感机构检测活断层滑动产生的影响断层稳定性的牛顿力。

具体的，在页岩气开采中，针对识别出来的危险断层，预先开好孔洞，将实施例1的多对对称设置的测量组件2在一根NPR锚索1上串联，对称设置的测量组件2使得测量组件2的朝向不同，从而避免恒阻机构23均针对同一朝向的测量组件2进行作用，以提升测量精度；插入岩石的预先开好的孔洞内，如图8所示，使每一对对称设置的测量组件2分别位于断层3的两侧；可以实时不间断采集牛顿力，且串联方法具有点域监测的优点。

如图9所示，使挤压机构22的摩擦部件222与岩石4上孔洞的孔壁5壁面接触，由于摩擦部件222与孔壁5接触面采用超强摩擦材料，且凸起221与第一孔洞212或第二孔洞213的内径相匹配，此时挤压机构22、平台机构21和孔洞的孔壁5三者间无相对滑动。

当灾害发生时，活断层3产生滑动，进而带动锚定NPR锚索1的NPR恒阻体231在套筒232内发生位移，当NPR恒阻体231受到的活断层3滑动产生的牛顿力(拉力)大于其与套筒232间的摩擦力时，NPR锚索1带着NPR恒阻体231沿着套筒232滑动或在套筒232内发生位移；进而NPR恒阻体231挤压卡盘2321使其受力，变力由传感机构24进行远程传输，测量完成。

综上所述，本发明的牛顿力主动测量装置中设有摩擦部件222，且凸起221与第一孔洞212或第二孔洞213的内径相匹配，使挤压机构22、平台机构21和岩石孔洞的孔壁5三者间无相对滑动，为准确、精确测量页岩气开采中跨断层界面牛顿力打下基础；本发明的牛顿力主动测量装置可以实时不间断采集活断层3位移产生的牛顿力，且多对对称设置的测量组件2在一根NPR锚索1上串联的方法具有点域监测的优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。