[发明专利]井地联合的煤层坚硬顶板分段水力压裂用综合监测方法

说明书

一种井地联合的煤层坚硬顶板分段水力压裂用综合监测方法，运用孔内电视探测技术，结合音频电透视技术，揭示原始条件下裂隙发育位置和程度，并判识工作面原始低组区域。通过微震监测系统，实时进行压裂过程中裂缝发育平、剖面分布特征。压裂后利用孔内电视和音频电透视探测结果，综合微震测试结果，获取压裂裂缝起裂位置、方向，裂隙发育规模，展布形态。有效揭示压裂裂缝起裂位置和方向，结合裂缝发育规模和形态，为实现定向长钻孔轨迹的精准设计，实现参数可控提供技术支撑，可提高钻进效率，降低钻探施工难度。规避常规方法监测盲区、盲段，大幅提高了监测精度，精准评价压裂效果。

技术领域

本发明涉及煤矿井下安全的技术领域，尤其涉及一种井地联合的煤层坚硬顶板分段水力压裂用综合监测方法。

背景技术

我国煤层坚硬难垮顶板普遍发育，在矿井生产过程中，该类顶板难以及时垮落，容易在采空区形成大面积悬顶，一次性集中垮落时往往会伴随着强烈的动载冲击矿压现象，造成工作面支架压死、设备损坏，受采动影响巷道底鼓、帮鼓变形严重，原有支护失效，甚至发生危及人身安全的恶性事故。

随着近几年国内外对于坚硬顶板控制措施的不断深入研究，相关领域学者提出了强制放顶措施，该措施主要是针对坚硬顶板厚度大、强度高、整体性好、不易垮冒等特点，预先人工干预形成预制裂缝，使顶板沿裂隙方向强度降低，从而减弱坚硬顶板的整体强度并易于垮落，减小坚硬顶板悬顶长度进而降低来压强度。爆破法施工简单，但工程量大、成本高、火药用量大，危险系数高、爆破产生CO等有毒气体污染井下环境，且对于高瓦斯矿井，还存在安全隐患。因此安全、高效的高压水力压裂坚硬顶板弱化技术得到广泛的应用和推广。

但传统短钻孔水力压裂技术存在钻探施工精度低、有效压裂长度短、裸眼封孔效果较差等问题，难以有效解决工作面来压问题，尤其是200m以上的工作面的中部顶板，问题更为突出。中煤科工集团西安研究院有限公司针对以上问题，从石油系统油气开采压裂工艺引进，将压裂设备小型化，并进行井下施工条件下适应性改造研发了煤矿井下定向长钻孔(钻孔长度＞400m)裸孔分段顶板压裂弱化新技术，进行坚硬顶板压裂弱化治理。该技术具有钻孔轨迹精确可控，有效压裂段长度大，压裂泵组排量大，压裂裂缝延展半径大等优势，从而达到全工作面范围内坚硬顶板水力压裂弱化治理。通过现场工程试验应用，根据压裂数据曲线结果分析，岩石破裂压降明显，工作面回采过程中，压裂治理区域未出现强矿压显现的现象，取得了良好的预期效果。

准确掌握顶板分段水力压裂裂缝的几何形态和延展情况，对评价坚硬顶板弱化效果，检验和提高压裂设计的准确性，提高坚硬顶板强制放顶质量具有重要指导作用。现有煤矿井下坚硬顶板压裂弱化技术多利用压裂过程中压力、流量变化曲线，采用井下孔内窥视及微地震监测技术进行压裂效果评价。但压裂过程压裂数据的监测分析，只能间接反映压裂是否形成一定规模的裂缝，无法展示裂缝展布形态、大小及延展方向；井下孔内窥视是钻孔内摄像仪器利用平面反光方式观测和记录钻孔孔壁图像，反应钻孔孔壁结构、裂隙发育程度、井中其他地质现象等的测试方法，能够直观的记录和展示裂缝起裂位置和基本形态，但限于技术需要利用电缆传输信号，无法进行深孔(200m)探测记录，且其仅能揭露钻孔孔壁裂缝发育情况，无法反应裂缝的延展长度和宽度等信息。压裂过程中，随着压裂液的注入，孔隙内的压力迅速升高，导致岩石发生破裂。在岩石破裂过程中，将产生一系列向四周传播的微震波和声波，由于其释放能量较常规地震波小很多，俗称“微地震”。通过在压裂监测区域布置监测仪器，接收波能信号，确定微地震震源即岩石起裂位置，但微地震仅能反应裂缝开始发育空间位置和裂缝发育方向，无法对压裂裂缝延展规模和展布形态进行精确定位。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种井地联合的煤层坚硬顶板分段水力压裂用综合监测方法，以克服上述缺陷。

发明内容