一种煤矿井下煤层水力压裂影响区渗透率分布确定方法与流程

本发明涉及一种煤矿井下煤层水力压裂影响区渗透率分布确定方法，特别适用于煤矿井下煤层水力压裂增透工程领域。

背景技术：

煤层水力压裂增透技术是目前我国众多高瓦斯矿井广泛使用的一种特殊的煤层强化增透措施。水力压裂后煤层渗透率的大小及其分布是评价煤层水力压裂增透技术实施效果的重要依据，对于制定瓦斯抽采方法和措施、保障煤矿安全生产具有重要的意义。

获取煤层渗透率的主要方法有实验室煤芯法和现场直接测定法，由于水力压裂后煤体结构遭到破坏、煤体应力分布发生变化，常规的实验室煤芯法和现场直接测定法对水力压裂后的煤层均不再适用。目前关于水力压裂后煤层渗透率的获得主要是根据水力压裂液注入、压降原理构建渗透率预测模型并代入相关数据计算得出，这种方法主要是模型构建时假设过多，与实际情况误差较大；此外关于水力压裂煤层渗透率的分布主要是通过数值模拟的方法获得，其基本原理是注水过程中渗透率分布与煤层水压力分布存在一定的关系，而对于水力压裂后煤层渗透率的分布还未有明确的确定方法。

技术实现要素：

本发明在于提供一种煤矿井下煤层水力压裂影响区渗透率分布确定方法，该方法利用煤层水力压裂影响区钻孔瓦斯流量及钻孔布置形式直接确定出煤层渗透率的大小及其分布，为评判煤层水力压裂增透的效果提供依据，同时对于制定瓦斯抽采方案和保障煤矿安全生产具有重要的意义。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种煤矿井下煤层水力压裂影响区渗透率分布确定方法，包括如下步骤，

（1）、施工水力压裂钻孔，对煤层进行水力压裂，监测水力压裂钻孔瓦斯流量q1，估计水力压裂的影响范围；

（2）、根据水力压裂的影响范围设计流量观测孔布置方案，根据布置方案施工流量观测孔，监测流量观测孔的瓦斯流量q2，q3，···，qn；

（3）、在水力压裂影响区之外打测试孔采样测定煤层原始渗透率k0，监测测试孔瓦斯流量q0；

（4）、确定煤层水力压裂影响区渗透率k1，k2，k3，···，kn及其分布规律。

所述步骤（1）的具体步骤为，顺煤层施工钻孔半径为r，长度为h的水力压裂钻孔，施工完成后封孔并对煤层进行水力压裂；水力压裂完成后并入抽采管路，采用如下方法监测水力压裂孔瓦斯流量：监测瓦斯流量时间为第1～9天，每天监测瓦斯流量3次，间隔时间为8小时，取平均值得到q11，q12，q13，···，q19；根据水力压裂情况和经验估计水力压裂的影响范围。

所述步骤（2）的具体步骤为，根据估计的水力压裂影响范围，在影响范围内距水力压裂钻孔间隔距离为d，d≥2米，顺煤层布置流量观测孔，流量观测孔半径为r，长度为h，封孔长度与水力压裂孔封孔长度一致，流量观测孔布置n-1个；流量观测孔施工完成后封孔并入抽采管路，采用如下方法监测流量观测孔瓦斯流量：监测瓦斯流量时间为第1～9天，每天监测瓦斯流量3次，间隔时间为8小时，取平均值得到q21，q22，q23，···，q29；q31，q32，q33，···，q39；，···；qn1，qn2，qn3，···，qn9。

所述步骤（3）的具体步骤为，在水力压裂影响区之外顺煤层施工钻孔半径为r，长度为h的测试孔，并用取芯机钻取煤样加工制作成标准试件，将标准试件置于压力室的上压头和下压头之间；根据测试孔地点地应力的大小通过高精度伺服液压泵站对试件施加相应的轴压σ1和围压σ3，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，通过流量计读取流体流量q，测定试件原始渗透率k0，k0由如下的计算公式得到：

式中：k0为煤样原始渗透率，m²；p2为进气口压力；p1为出气口压力；p2+p1=2p0，p0为煤层原始瓦斯压力；ps为大气压；q为气体流量，m³/s；μ为在测定温度下的动力黏度；l为煤样的有效渗流长度，m；a为煤样的有效渗流横截面面积，m²；

测试孔施工完成后立即封孔并入抽采管路，测试孔封孔长度与水力压裂孔封孔长度一致；采用如下方法监测测试孔瓦斯流量：监测瓦斯流量时间为第1～9天，每天监测瓦斯流量3次，间隔时间为8小时，取平均值得到q01，q02，q03，···，q09。

所述步骤（4）的具体步骤为，采用式（2）～式（4）计算水力压力钻孔处及各流量观测孔处的煤层渗透率：

···

根据各流量观测孔煤层渗透率确定结果，作出煤层水力压裂影响区渗透率分布规律图。

采用上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明方法依据煤层渗透率和钻孔瓦斯流量相关性的原理，通过测定水力压裂影响区域钻孔瓦斯流量的大小和钻孔布置形式推算出水力压裂后的煤层渗透率及其分布，实现了水力压裂后煤层渗透率分布的准确确定，对于精确地评价水力压裂效果和合理地制定瓦斯抽采方案具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的钻孔布置图。

图3为本发明的煤层水力压裂影响区渗透率分布图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的一种煤矿井下煤层水力压裂影响区渗透率分布确定方法，包括如下步骤：

（1）施工水力压裂钻孔，对煤层进行水力压裂，监测水力压裂钻孔瓦斯流量q1，估计水力压裂的影响范围；

（2）根据水力压裂的影响范围设计流量观测孔布置方案，根据布置方案施工流量观测孔，测流量观测孔的瓦斯流量q2，q3，···，qn；

（3）在水力压裂影响区之外打测试孔采样测定煤层原始渗透率k0，监测测试孔瓦斯流量q0；

（4）确定煤层水力压裂影响区渗透率k1，k2，k3，···，kn及其分布规律。

所述步骤（1）的具体步骤为，顺煤层施工钻孔半径为r，长度为h的水力压裂钻孔，施工完成后封孔并对煤层进行水力压裂。水力压裂完成后并入抽采管路，采用如下方法监测水力压裂孔瓦斯流量：监测瓦斯流量时间为第1～9天，每天监测瓦斯流量3次，间隔时间为8小时，取平均值得到q11，q12，q13，···，q19。根据水力压裂情况和经验估计水力压裂的影响范围。

所述步骤（2）的具体步骤为，根据估计的水力压裂影响范围，在影响范围内距水力压裂钻孔间隔距离为d（d≥2米）顺煤层布置流量观测孔，流量观测孔半径为r，长度为h，封孔长度与水力压裂孔封孔长度一致，流量观测孔布置n-1个。流量观测孔施工完成后封孔并入抽采管路，采用如下方法监测流量观测孔瓦斯流量：监测瓦斯流量时间为第1～9天，每天监测瓦斯流量3次，间隔时间为8小时，取平均值得到q21，q22，q23，···，q29；q31，q32，q33，···，q39；，···；qn1，qn2，qn3，···，qn9。

所述步骤（3）的具体步骤为，在水力压裂影响区之外顺煤层施工钻孔半径为r，长度为h的测试孔，并用取芯机钻取煤样加工制作成标准试件，将试件置于压力室的上压头和下压头之间；根据测试孔地点地应力的大小（σ1为最大主应力，σ3为最小主应力）通过高精度伺服液压泵站对试件施加相应的轴压（σ1）和围压（σ3），通过流量计读取流体流量（q），测定试件原始渗透率k0，k0由如下的计算公式得到：

式中：k0为煤样原始渗透率，m²；p2为进气口压力；p1为出气口压力；p2+p1=2p0，p0为煤层原始瓦斯压力；ps为大气压；q为气体流量，m³/s；μ为在测定温度下的动力黏度；l为煤样的有效渗流长度，m；a为煤样的有效渗流横截面面积，m²。

测试孔施工完成后立即封孔并入抽采管路，测试孔封孔长度与水力压裂孔封孔长度一致。采用如下方法监测测试孔瓦斯流量：监测瓦斯流量时间为第1～9天，每天监测瓦斯流量3次，间隔时间为8小时，取平均值得到q01，q02，q03，···，q09。

所述步骤（4）的具体步骤为，采用式（2）～式（4）计算水力压力钻孔处及各流量观测孔处的煤层渗透率：

···

根据各流量观测孔煤层渗透率确定结果，作出煤层水力压裂影响区渗透率分布图3。

下面以某矿某煤层水力压裂渗透率确定为例进行说明：

步骤（1）：顺煤层施工钻孔半径为94mm，长度为50m的水力压裂钻孔1，封孔长度10m。施工完成后封孔并对煤层进行水力压裂，水力压裂完成后并入抽采管路进行瓦斯流量监测，瓦斯流量监测数据见表1。

表1水力压裂孔1瓦斯流量统计表

根据水力压裂情况和经验估计出水力压裂的影响范围为30m。

步骤（2）：在水力压裂的影响区30m范围内，距水力压裂孔1间隔距离为5米顺煤层布置流量观测孔2~观测孔7，观测孔间距为5m，半径为94mm，长度为50m，封孔长度10m，观测孔布置6个（图2）。观测孔施工完成后封孔并入抽采管路进行瓦斯流量监测，瓦斯流量监测数据见表2。

表2观测孔瓦斯流量统计表

步骤（3）：在水力压裂影响区之外施工顺煤层测试孔，测试孔距离水力压裂孔40m，测试孔直径94mm，长度50m，封孔长度10m。测试孔施工过程中取芯并加工成标准试件进行原始渗透率测定，经过测定k0=1.25×10^-17m²。测试孔施工完成后立即封孔并入抽采管路进行测试孔瓦斯流量监测，瓦斯流量监测数据见表3。

表3测试孔瓦斯流量统计表

步骤（4）：采用式（2）～式（4）分别计算水力压力钻孔处及各流量观测孔处的煤层渗透率：

k1=12.98×10^-17m²；k2=6.82×10^-17m²；k3=4.14×10^-17m²；k4=2.35×10^-17m²；k5=1.75×10^-17m²；k6=1.4×10^-17m²；k7=1.31×10^-17m²。

根据水力压裂孔及各流量观测孔煤层渗透率确定结果，作出煤层水力压裂影响区渗透率分布图（图3）。由图3可获得水力压裂后水力压裂孔周围煤层渗透率的大小及其分布规律，煤层渗透率随着距水力压裂孔距离的增加呈负指数分布；同时也可获得水力压裂影响区的范围，水力压裂影响区的大小与估计值基本一致约为30m；再者根据图3可设计相应的瓦斯抽采钻孔布置方案，有效的对煤层瓦斯进行抽采以保障煤矿的安全生产。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。