一种分段压裂长钻孔各压裂段抽瓦斯量的测试系统及方法与流程

本发明属于煤矿瓦斯抽采，涉及一种瓦斯抽采量测试系统，具体是一种分段压裂长钻孔各压裂段抽瓦斯量的测试系统及方法。

背景技术：

1、我国煤层普遍低渗，瓦斯抽采难度大，为提高瓦斯抽采效率，定向长钻孔分段压裂技术被引入煤矿井下。一方面，依靠煤矿井下发展迅速的钻探能力，增大钻孔深度，提高钻孔与地层的接触面积；另一方面，通过下套管后对长钻孔进行分段压裂，在煤层中或煤层的围岩中形成大规模的裂缝网络，为瓦斯渗流进入井筒提供快速通道。定向长钻孔压裂后，即接入煤矿井下瓦斯抽采管路，进行负压瓦斯抽放。此时，只能在孔口安装流量计，通过读数得到钻孔瓦斯抽采总量数据，然而无法获得单个压裂段的瓦斯抽采量，以及单个压裂段对于钻孔瓦斯抽采总量的贡献率。

2、随着压裂施工管理的进一步精细化，需要评价单个压裂段的瓦斯抽采量。基于该数值，可以定量评价单个压裂段的压裂施工效果，评价压裂施工的有效性，进而对后续压裂施工进行优化。

3、现有相关技术主要针对地面水平井进行产液剖面测试。一类方法是各个压裂段施工过程中注入不同的示踪剂，通过在地面井口收集压裂后的放喷液，通过室内测试化验计算得到各个压裂段的产气/产液情况。此类方法需要针对地层情况选择合适的示踪剂，并且需要在产液后监测较长时间并进行室内测试化验，测试过程较为繁琐。另一类方法是采用油管或连续油管携带测试仪器直接在井筒中进行测试。该方法依靠地面连续油管作业车通过地面供电后直接测试，但是限于煤矿井下的安全要求，用电设备需要获得煤安标志，并且对设备频繁通电在瓦斯抽采钻孔中存在一定的安全隐患。

4、针对以上问题，亟需一种分段压裂长钻孔各压裂段抽瓦斯量的测试系统及方法，以实现煤矿井下分段压裂长钻孔各个压裂段瓦斯抽采量的单独计量，提高测试的便利性，以及在煤矿井下工况条件和安全条件下的适用性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种分段压裂长钻孔各压裂段抽瓦斯量的测试系统及方法，以解决现有技术中的瓦斯抽采设备无法实现煤矿井下定向长钻孔单压裂段瓦斯抽采量的独立测量与评价的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一方面，本发明提供一种分段压裂长钻孔各压裂段抽瓦斯量的测试系统，包括数据采集系统和依次相连的水罐、高压泵和矿用连续管车，所述的矿用连续管车包括底板，所述的底板的底部设置有一对履带，所述的底板顶部的横向前侧设置有支撑杆，所述的支撑杆上设置有转轴，所述的转轴上可转动设置有滚筒；

4、所述的滚筒上缠绕有连续管，且连续管的一端设置有高压旋转接头，所述的高压旋转接头与所述的高压泵通过软管连通；所述的连续管中设置有分布式压力、温度测试光纤；

5、所述的底板顶部的横向后侧还设置有一对液压伸缩杆，所述的液压伸缩杆的顶部固定设置有连续管注入结构，所述的连续管注入结构包括壳体，所述的壳体内部沿竖向设置有一对沿横向分布的链条，一对所述的链条的运动方向相反；所述的壳体的轴向前端设置有连续管导轨，所述的壳体的轴向后端设置有防喷盒；所述的连续管的另一端依次穿过所述的连续管注入结构的连续管导轨、壳体、一对链条后从防喷盒穿出；所述的连续管注入结构的一对链条之间还安装有张力计；

6、所述的底板顶部的横向中部还设置有电机组和控制器，所述的电机组与所述的滚筒、所述的液压伸缩杆以及所述的链条之间均为电连接，所述的电机组和控制器电连接；

7、还包括设置在连续管另一端的水射流引鞋，所述的水射流引鞋包括依次连通的接头、过流管、后向喷管和前向喷管，所述的后向喷管和前向喷管之间可转动连接；所述的后向喷管上沿周向等间距设置有后向喷嘴，所述的后向喷嘴的孔口沿轴向向后，所述的前向喷管上沿周向等间距设置有凹槽，每一个所述的凹槽中均设置有前向喷嘴，所述的前向喷嘴的孔口沿轴向向前。

8、本发明还包括以下技术特征：

9、所述的后向喷管和前向喷管之间通过轴承可转动连接。

10、所述的底板顶部设置有排管器，所述的连续管通过所述的排管器后缠绕在所述的滚筒上。

11、另一方面，本发明提供一种分段压裂长钻孔各压裂段抽瓦斯量的测试方法，采用所述的分段压裂长钻孔各压裂段抽瓦斯量的测试系统，具体包括以下步骤：

12、步骤1，收集目标测试钻孔的下套管固孔数据、分段压裂数据和瓦斯抽采数据；

13、所述的下套管固孔数据包括套管内径d和套管下入深度；

14、所述的分段压裂数据包括压裂段的段数n和各个压裂段的测量深度l(i)以及垂深h(i)；

15、所述的瓦斯抽采数据包括瓦斯抽采总量q总和气体相对密度γg；

16、步骤2，在煤矿井下目标测试钻孔的孔口布置数据采集系统；

17、步骤2.1，根据套管内径d，选择尺寸相配合的防喷盒；

18、步骤2.2，通过煤矿井下轨道车，将所述的分段压裂长钻孔各压裂段抽瓦斯量的测试系统的所有部件送至煤矿井下目标测试钻孔孔口处的钻场，并连接得到所述的分段压裂长钻孔各压裂段抽瓦斯量的测试系统；

19、步骤2.3，启动矿用连续管车，使连续管穿过连续管导轨、连续管注入结构和防喷盒，将水射流引鞋连接至连续管末端后放入套管孔口，然后将防喷盒与套管配合对接；

20、步骤2.4，连接数据采集系统和高压旋转接头，对连续管中的光纤进行温度和压力信号测试，直至数据采集系统能采集到温度数据和压力数据；

21、步骤3，再次启动矿用连续管车，采用连续管注入结构将连续管及水射流引鞋以1～5m/min的速度向目标测试钻孔孔中推送，并使水射流引鞋的末端到达预定深度；

22、所述的预定深度为目标测试钻孔中第一压裂段的深度以下10～20m处，且不超过套管下入深度；

23、所述的第一压裂段为靠近目标测试钻孔孔底的第一个压裂段；

24、推送过程中根据张力计实时判断连续管注入结构内的推力是否低于50kn，若是，则继续推送；若否，则断开数据采集系统，通过软管将高压泵与滚筒上的高压旋转接头连接，启动高压泵，向连续管内注入高压水，依靠水射流引鞋清除前端障碍；直到推力低于50kn后继续推送，直至到达预定深度处；拆除高压旋转接头上的软管，连接数据采集系统；

25、步骤4，启动数据采集系统，获取各个压裂段位置处的压力数据和温度数据；

26、步骤5，测试结束，撤除数据采集系统；

27、断开数据采集系统，以1～5m/min的速度向外回收连续管及水射流引鞋，直至到达孔口，将矿用连续管车、高压泵、水箱和水射流引鞋运送至地面，测试过程结束；

28、回收过程中根据张力计实时判断连续管注入结构内的拉力是否低于50kn，若是，则继续回收；若否，则通过软管将高压泵与滚筒上的高压旋转接头连接，启动高压泵，向连续管内注入高压水，依靠水射流引鞋清除井筒中影响连续管回收的障碍物，直到拉力低于50kn，继续回收；

29、步骤6，计算得到各个压裂段的瓦斯抽采量，进而计算各个压裂段的瓦斯抽采量贡献率。

30、本发明还包括以下技术特征：

31、步骤4具体包括以下步骤：

32、步骤4.1，分别测试记录t时刻和(t+1)时刻各个压裂段位置的压力数据pi(t)和pi(t+1)；

33、其中：

34、i表示压裂段的序号，i＝1...n，n表示压裂段数量，靠近钻孔底部的压裂段为1，从孔底向孔口方向依次为2、3、...、n；

35、(t+1)时刻和t时刻相隔15～30分钟；

36、步骤4.2，根据下述公式计算第i压裂段处的压力相对误差εi；

37、

38、步骤4.3，判断是否满足max(εi)≤ε，是则认为压力达到稳定，进入步骤4.4，否则令t＝t+1，重新进入步骤4.1；

39、其中，ε为误差容忍度，且0.001≤ε≤0.05；

40、步骤4.4，记录第i压裂段在(t+1)时刻的压力数据pi和温度数据ti，其中，i＝1...n。

41、步骤6具体包括以下步骤：

42、步骤6.1，根据收集到的分段压裂数据，确定各个压裂段的位置以及相邻压裂段之间的深度差l(i)(i+1)；

43、l(i)(i+1)＝li-l(i+1)

44、步骤6.2，根据收集到的分段压裂数据，确定各个压裂段的位置以及相邻压裂段之间的高度落差h(i)(i+1)；

45、h(i)(i+1)＝hi-h(i+1)

46、步骤6.3，根据第i压裂段处的温度ti和第(i+1)压裂段处的温度ti+1，计算相邻两个压裂段之间的平均温度即：

47、

48、步骤6.4，根据第i压裂段处的压力pi和第(i+1)压裂段处的压力p(i+1)，计算两个压裂段之间的瓦斯流量qi；

49、若h(i)(i+1)＝hi-h(i+1)＞0，则：

50、

51、若h(i)(i+1)＝hi-h(i+1)＝0，则：

52、

53、若h(i)(i+1)＝hi-h(i+1)＜0，则：

54、

55、其中：

56、pi(t)表示第i压裂段位置处的压力，mpa；

57、pi(t+1)表示第(i+1)压裂段位置处的压力，mpa；

58、表示第i压裂段和第(i+1)压裂段之间套管内的平均温度，k；

59、表示第i压裂段和第(i+1)压裂段之间套管内平均压力和平均温度下气体的平均压缩系数；

60、qi表示第i压裂段在标准状况条件下的瓦斯抽采量，m3/d；

61、psc＝0.101325mpa；

62、tsc＝293k；

63、d表示套管内径，m；

64、γg表示气体相对密度；

65、f表示摩阻系数，根据weymouth公式计算得到：

66、

67、s表示系数，且：

68、

69、步骤6.5，通过下述公式计算得到压裂段n的瓦斯抽采量qn；

70、

71、步骤6.6，根据下述公式确定第i压裂段的瓦斯抽采量贡献率ci:

72、

73、本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

74、(ⅰ)本发明通过在连续管中布设分布式压力、温度测试光纤，采用水罐、高压泵和矿用连续管车将连续管推送进入定向长钻孔井筒中，采用数据采集系统实时测量各个压裂段的压力数据和温度数据，且测试过程不干扰长钻孔正常瓦斯抽采，解决了现有技术中的瓦斯抽采设备无法实现煤矿井下定向长钻孔单压裂段瓦斯抽采量的独立测量与评价的技术问题。

75、(ⅱ)本发明通过光纤测试得到的孔中压力和温度数据，反算各个压裂段的瓦斯抽采量，测试参数少，安全性高。