地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测系统及方法与流程

本发明属于煤矿井下水力压裂增透卸压领域，具体涉及一种地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测系统及方法。

背景技术：

随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，国内大部分矿井都迈向深部开采，随着开采深度的增压，地应力不断升高，冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害日益严重。煤层卸压增透技术不仅可以卸载较高的地下压力，还可以增加煤层的透气性，有利于瓦斯的抽采利用，现已经大范围的应用于煤矿生产中，常见的有水力压裂、水利造穴、水力割缝等水力化措施，但由于煤层的不可透视性，相关措施的影响范围和卸压增透效果难以检测掌握，现常用的流量法、压降法等都需要补打观测孔，会对煤层自身的裂隙结构造成影响，结果往往具有很大的误差，难以满足实际生产要求，因此亟需一种精度高、可靠性好的新型水力割缝钻孔卸压增透效果检测方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计新颖合理、安装方便、操作难度小、工程量小、数据的准确性高、实用性强、使用效果好、便于推广使用的地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测系统，包括以钻孔开孔位置为中心布设在开孔侧巷道煤壁上的第一组微振传感器和布设在未开孔侧巷道煤壁的第二组微振传感器，以及用于数据采集的井下数据采集仪和用于数据处理的地面监测主机，所述第一组微振传感器和第二组微振传感器均包括呈矩形布置的四个微振传感器，所述第一组微振传感器中四个微振传感器的水平间距小于所述第二组微振传感器中四个微振传感器的水平间距，所述第一组微振传感器中四个微振传感器的垂直间距小于所述第二组微振传感器中四个微振传感器的垂直间距，所述第一组微振传感器中四个微振传感器的输出端和所述第二组微振传感器中四个微振传感器的输出端均通过信号线与井下数据采集仪连接，所述井下数据采集仪通过井下光缆与地面监测主机连接，所述地面监测主机中设置有用于进行地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测的目标区域空间的网格划分计算模型。

上述的地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测系统，所述第一组微振传感器中四个微振传感器的水平间距为4m，所述第一组微振传感器中四个微振传感器的垂直间距为3m；所述第二组微振传感器中四个微振传感器的水平间距为10m，所述第二组微振传感器中四个微振传感器的垂直间距为4m。

上述的地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测系统，所述网格划分计算模型包括以用于进行地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测的目标区域空间建立的立方体块以及设置在立方体块三个面上的三维坐标系和多个网格。

本发明还提供了一种不仅方法步骤简单，还能够分析钻孔周围煤岩体在轴向、径向等多个方向上的破坏情况，提供更丰富的分析结果，能够为水力压裂钻孔工艺的优化提供支撑的地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据水力压裂钻孔的布置参数，设计对应的微振传感器的安装位置，并根据设计的安装位置安装好微振传感器；

步骤二、将微振传感器通过信号线与井下数据采集仪连接，将井下数据采集仪通过井下光缆与地面监测主机连接；

步骤三、在水利压裂钻孔施工前15天，检测系统启动，检测用于进行地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测的目标区域内没有钻孔施工时15天内的微振事件发生情况；井下数据采集仪采集微振传感器检测到的数据并传输给地面监测主机进行记录；

步骤四、水力压裂钻孔施工，在施工过程中保持检测系统的正常运行，收集并记录用于进行地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测的目标区域内的微振事件信号，在水力压裂施工完成后，仍然保持检测系统的正常运行至15天后；井下数据采集仪采集微振传感器检测到的数据并传输给地面监测主机进行记录；

步骤五、地面监测主机采用网格划分的思想，对目标区域空间进行三维的网格划分，以钻孔开孔位置为中心，以单位距离s进行三维网格划分，分别统计每个网格中微振事件在时间、能量、空间上的变化量及累积量；

步骤六：通过计算结果，分析水利压裂钻孔施工前15天目标区域中的微振事件发生情况，以此结果为基准值，为后续检测结果提供矫正；

步骤七：通过计算结果，分析水利压裂钻孔施工开始至完成后15天内目标区域中各个网格内的微振事件发生情况，从钻孔坐标中心向外，网格内的能量、事件个数赋值逐渐降低，根据数据的空间分布状态选取恰当的阈值作为网格的临界影响事件个数/能量值；

步骤八：以选取好的阈值为临界值，对空间网格内的计算结果绘制等高线图，阈值边界即为水力压裂钻孔的影响范围。

上述的方法，步骤八之后还包括步骤九：分别分析钻孔影响范围与自然时间、压裂时间、压裂压力参数之间的关系，为水力压裂工艺的优化升级提供支撑。

上述的方法，步骤一中所述水力压裂钻孔的布置参数包括孔深、孔径、方位角和倾角。

上述的方法，步骤一中所述根据设计的安装位置安装好微振传感器时，所述第一组微振传感器中四个微振传感器的水平间距为4m，所述第一组微振传感器中四个微振传感器的垂直间距为3m；所述第二组微振传感器中四个微振传感器的水平间距为10m，所述第二组微振传感器中四个微振传感器的垂直间距为4m。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测系统，结构简单，设计新颖合理，第一组微振传感器中四个微振传感器和第二组微振传感器中四个微振传感器均采用矩形拓扑结构，布设简单方便。

2、本发明的微振传感器布设时，仅安装在煤壁上即可，采用非介入式的方式，对煤层内部结构不产生任何影响，最大可能的保证了数据的准确性。

3、本发明的微振传感器的安装方便，操作难度小，工程量小。

4、本发明的地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测方法，通过高精度微振传感器检测煤层中的微破裂信号，采用三维空间网格划分的思想，计算不同空间位置处的能量、事件数等参数分布，选取阈值，进而确定水力割缝钻孔在三维空间上的影响范围分布情况，不仅方法步骤简单，还能够分析钻孔周围煤岩体在轴向、径向等多个方向上的破坏情况，提供更丰富的分析结果，可应用于不同工况下的水力压裂钻孔致裂效果评价，能够为水力压裂钻孔工艺的优化提供支撑。

综上所述，本发明的设计新颖合理，实现方便，数据的准确性高，能够为水力压裂钻孔工艺的优化提供支撑，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明微振传感器捕捉微振信号的示意图。

图2为本发明微振传感器的布置示意图。

图3为本发明检测系统的连接关系示意图。

图4为本发明网格划分计算模型的示意图。

图5为本发明水力压裂工艺径向影响范围示意图。

附图标记说明:

1—微振传感器；2—微破裂事件；3—钻孔中心坐标；

4—网格；5—钻孔；6—开孔侧巷道煤壁；

7—未开孔侧巷道煤壁；8—信号线；9—数据采集仪；

10—井下光缆；11—地平线；12—检测主机；

13—阈值边界。

具体实施方式

如图2、图3和图4所示，本发明的地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测系统，包括以钻孔5开孔位置为中心布设在开孔侧巷道煤壁6上的第一组微振传感器和布设在未开孔侧巷道煤壁7的第二组微振传感器，以及用于数据采集的井下数据采集仪9和用于数据处理的地面监测主机12，所述第一组微振传感器和第二组微振传感器均包括呈矩形布置的四个微振传感器1，所述第一组微振传感器中四个微振传感器1的水平间距小于所述第二组微振传感器中四个微振传感器1的水平间距，所述第一组微振传感器中四个微振传感器1的垂直间距小于所述第二组微振传感器中四个微振传感器1的垂直间距，所述第一组微振传感器中四个微振传感器1的输出端和所述第二组微振传感器中四个微振传感器1的输出端均通过信号线8与井下数据采集仪9连接，所述井下数据采集仪9通过井下光缆10与地面监测主机12连接，所述地面监测主机12中设置有用于进行地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测的目标区域空间的网格划分计算模型。

本实施例中，如图2所示，所述第一组微振传感器中四个微振传感器1的水平间距为4m，所述第一组微振传感器中四个微振传感器1的垂直间距为3m；所述第二组微振传感器中四个微振传感器1的水平间距为10m，所述第二组微振传感器中四个微振传感器1的垂直间距为4m。

图1示出了本发明采用微振传感器捕捉微破裂事件2(水力压裂钻孔)产生的微振信号的示意图。

本实施例中，如图3所示，所述网格划分计算模型包括以用于进行地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测的目标区域空间建立的立方体块以及设置在立方体块三个面上的三维坐标系和多个网格4。

采用所述检测系统进行地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测的方法，包括以下步骤：

步骤一、根据水力压裂钻孔的布置参数，设计对应的微振传感器1的安装位置，并根据设计的安装位置安装好微振传感器1；

步骤二、将微振传感器1通过信号线8与井下数据采集仪9连接，将井下数据采集仪9通过井下光缆10与地面监测主机12连接；

步骤三、在水利压裂钻孔5施工前15天，检测系统启动，检测用于进行地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测的目标区域内没有钻孔施工时15天内的微振事件发生情况；井下数据采集仪9采集微振传感器1检测到的数据并传输给地面监测主机12进行记录；

步骤四、水力压裂钻孔5施工，在施工过程中保持检测系统的正常运行，收集并记录用于进行地下煤层水力压裂钻孔卸压增透效果检测的目标区域内的微振事件信号，在水力压裂施工完成后，仍然保持检测系统的正常运行至15天后；井下数据采集仪9采集微振传感器1检测到的数据并传输给地面监测主机12进行记录；

步骤五、地面监测主机12采用网格划分的思想，对目标区域空间进行三维的网格划分，以钻孔开孔位置3为中心，以单位距离s进行三维网格划分，分别统计每个网格4中微振事件在时间、能量、空间上的变化量及累积量；

步骤六：通过计算结果，分析水利压裂钻孔5施工前15天目标区域中的微振事件发生情况，以此结果为基准值，为后续检测结果提供矫正；

步骤七：通过计算结果，分析水利压裂钻孔5施工开始至完成后15天内目标区域中各个网格4内的微振事件发生情况，从钻孔坐标中心向外，网格内的能量、事件个数赋值逐渐降低，根据数据的空间分布状态选取恰当的阈值作为网格的临界影响事件个数/能量值；

步骤八：以选取好的阈值为临界值，对空间网格内的计算结果绘制等高线图，阈值边界13即为水力压裂钻孔的影响范围，如图5所示。

本实施例中，步骤八之后还包括步骤九：分别分析钻孔影响范围与自然时间、压裂时间、压裂压力参数之间的关系，为水力压裂工艺的优化升级提供支撑。

本实施例中，步骤一中所述水力压裂钻孔的布置参数包括孔深、孔径、方位角和倾角。

本实施例中，步骤一中所述根据设计的安装位置安装好微振传感器1时，所述第一组微振传感器中四个微振传感器1的水平间距为4m，所述第一组微振传感器中四个微振传感器1的垂直间距为3m；所述第二组微振传感器中四个微振传感器1的水平间距为10m，所述第二组微振传感器中四个微振传感器1的垂直间距为4m。

本发明通过高精度微振传感器检测煤层中的微破裂信号，采用三维空间网格划分的思想，计算不同空间位置处的能量、事件数等参数分布，选取阈值，进而确定水力割缝钻孔在三维空间上的影响范围分布情况，不仅方法步骤简单，还能够分析钻孔周围煤岩体在轴向、径向等多个方向上的破坏情况，提供更丰富的分析结果，能够为水力压裂钻孔工艺的优化提供支撑。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。