CN110080740A - 一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水力压裂效果的检测方法及系统，属于煤炭开采技术领域，具体是涉及一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法及系统。该方法及系统利用单钻孔孔中瞬变电磁探测技术在压裂前后分别对钻孔径向介质电性信息进行三分量探测对比，以精细描绘钻孔压裂形成的裂缝。

Description

一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种水力压裂效果的检测方法及系统，属于煤炭开采技术领域，具体是涉及一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法及系统。

背景技术

煤矿井下为开采煤层气，往往需要对目标煤层布设长钻孔并沿钻孔进行水力压裂，以期在煤层中形成大量裂缝，从而增加煤层气产量。水力压裂则是指将高压流体(液体或气体)注入目标岩层，从而产生裂缝或使天然裂缝重启的过程，通过改造岩层结构，形成裂缝网络系统，达到增加资源采出率等工业目的。水力压裂效果与岩体物理力学性质、岩体结构、地应力等地质力学条件，掘进巷道和工作面开采引起的采动应力分布状态，及压裂钻孔布置、压裂参数等众多因素有关。只有充分了解压裂对象、压裂裂缝扩展形态与特征，提出合理的压裂方案，才能取得较好的压裂效果。

压裂裂缝的扩展形态、方向和距离对压裂效果影响显著，因此，应采用有效手段监测裂缝的扩展状况。最简单的方法是在距离压裂孔不同位置打设监测孔，监测裂缝的扩展半径。另外，通过分析压裂过程中水压变化曲线，也可初步判断裂缝扩展形态。但这些办法都只能对压裂效果做定性分析，很难直观看出裂缝发育形态。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，该方法及系统利用单钻孔孔中瞬变电磁探测技术在压裂前后分别对钻孔径向介质电性信息进行三分量探测对比，以精细描绘钻孔压裂形成的裂缝。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，包括：

施工测量步骤，通过钻机将测量探头送入未压裂的煤层气钻孔中，连续测量送入过程中的瞬变电磁二次场数据和测斜数据，并记录上新钻杆时段的起点和终点时间；

压裂测量步骤，对钻孔进行水力压裂，压裂后静置一段时间(如8小时)后通过钻机将测量探头送入压裂后的煤层气钻孔中，连续测量送入过程中的瞬变电磁二次场数据和测斜数据，并记录上新钻杆时段的起点和终点时间；

数据重构步骤，用于对压裂前后的二次场数据进行重构以得到不受金属钻杆影响的重构总场数据；

数据解释步骤，基于重构总场数据对压裂效果进行解释和判断。

其中，所述数据重构步骤中对压裂前的数据重构包括：

用压裂前测量的所有Z分量数据减去所述金属钻杆响应，可以得到压裂前的地质响应异常场，如下式所示：

V_{Z压裂前地质异常}＝V_{Z压裂前实测总场}-V_{Z压裂前趋势法求取的钻杆影响}

式中，V_z压裂前地质异常表示压裂前的地质异常电动势，V_z压裂前实测总场表示压裂前实测总场的感应电动势，V_z压裂前趋势法求取的钻杆影响表示压裂前趋势法求取的钻杆影响的感应电动势；

通过正演模拟得出一个符合当地地层情况的背景场数据，将所述异常场数据附加上去，获得压裂前的不受金属钻杆影响的重构总场数据：

V_{Z压裂前重构数据}＝V_{Z模拟背景场}+V_{Z压裂前地质异常}

V_z压裂前重构数据表示压裂前重构数据电动势，V_z模拟背景场表示模拟背景场的感应电动势。

其中，所述数据重构步骤中对压裂后的数据重构包括：

用压裂后测量的所有Z分量数据减去所述金属钻杆响应，可以得到压裂后的地质响应异常场，如下式所示：

V_{Z压裂后地质异常}＝V_{Z压裂后实测总场}-V_{Z压裂后趋势法求取的钻杆影响}

式中，V_z压裂后地质异常表示压裂后的地质异常电动势，V_z压裂后实测总场表示压裂后实测总场的感应电动势，V_z压裂后趋势法求取的钻杆影响表示压裂后趋势法求取的钻杆影响的感应电动势；

通过正演模拟得出一个符合当地地层情况的背景场数据，将所述异常场数据附加上去，获得压裂后的不受金属钻杆影响的重构总场数据：

V_{Z压裂后重构数据}＝V_{Z模拟背景场}+V_{Z压裂后地质异常}

V_z压裂后重构数据表示压裂后重构数据电动势，V_z模拟背景场表示模拟背景场的感应电动势。

其中，所述数据重构步骤中使用多项式拟合方法求取趋势，并分析各测点与趋势的偏差，将偏差大于预设阈值的测点剔除，重新求取趋势，反复多次直至参与趋势运算的测点与趋势的偏差均小于预设阈值，将得到的趋势值作为压裂后施工用于推送的金属钻杆的响应。

其中，所述数据解释步骤包括：

裂隙发育判断子步骤，对两次重构后的Z分量数据进行全期视电阻率成像计算，将两次计算得到的视电阻率按对应测点进行差值运算，得到的差值成等值线图，解释裂隙发育二维展布情况，并标记出主要裂缝的分布范围。

其中，所述数据解释步骤包括：

异常体方位角确定子步骤，具体为：对压裂后的水平分量数据校正到指定的坐标系下，指定坐标系为指向钻孔钻进方向为Z轴正方向，指向孔口水平面右侧为X轴正方向，指向孔口水平面下侧为Y轴正方向；

逐一从压裂后的两组水平分量数据中剔除主要裂缝分布范围内的测量数据，并使用Hermit插值方法补充该区域内数据作为水平分量背景场；

用压裂后的校正水平分量减去所述背景场，求取水平分量异常场，并根据同一区域两组水平分量异常场形态判断该组裂缝所在的坐标系象限。

其中，所述数据解释步骤包括：

根据同一区域两组水平分量异常场幅值之间的三角函数关系，计算出该组裂缝在该象限内的偏转角度：

再根据V_x异常、V_y异常的正负，即异常体中心所在象限，求出方位角α。

其中，还压裂效果展示步骤，利用Suffer软件提取主要裂缝视电阻率异常的平面空间坐标，结合水平分量定位结果计算得出其立体空间坐标，并利用Voxler软件绘制压裂主要裂缝的立体分布图，实现压裂效果三维展示。

一种检测井下煤层气水力压裂效果的系统，包括：

收发装置，所述收发装置包括发射线圈，接收线圈；其中，所述接收线圈为两个以上且相互串联，对称设置于所述发射线圈前后两端。

其中，接收线圈为三分量接收探头，线圈采用直径0.3mm漆包线制作，Z分量匝数大于500匝，X、Y分量匝数相同，均大于80匝。

因此，本发明的技术效果是：可以充分反映水力压裂造成的影响范围和电性影响效果，并清晰地对产生的主要大裂缝的发育形态、长度、宽度和延展方向做出三维立体成像，有利于煤层气产量的准确估算和抽采效率提升。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1为本发明的工作装置示意图；

图2为压裂前、后钻孔径向全期视电阻率成像结果图；

图3为压裂前后钻孔径向全期视电阻率差值成像结果图；

图4为异常中心所在象限判断依据图；

图5为压裂主要裂缝水平分量异常场形态组合图；

图6为异常中心偏转角度计算依据图；

图7为压裂主要裂缝的立体分布图；

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

本实施例，首先提供了一种检测井下煤层气水力压裂效果的系统。该系统结构如图1所示，在接收装置外壳中部绕制多匝发射线圈，线圈采用直径1mm漆包线制作，匝数大于25匝。

在2个铁氧体磁芯外侧的线圈骨架上绕制指向钻孔钻进垂直方向、孔口水平面左右方向和孔口水平面上下方向的多匝线圈，制作孔中三分量接收探头，线圈采用直径0.3mm漆包线制作，Z分量匝数大于500匝，X、Y分量匝数相同，均大于80匝；将2个接收探头串联后对称布设在发射线圈两侧。收发探头后方布设测斜模块，记录每一观测点的倾角、方位角和工具面角，孔中主机为占空比50％的方波电流发射装置，发射电流强度不小于1A，电池电量不小于10Ah，确保探管连续测量时间不小于8h。

下面介绍使用本实施例提供的系统进行水力压裂效果检测的方法。具体包括：

步骤1，施工测量步骤，将孔中主机及探头安装在钻杆前端，通过钻机送入已打好还未开始压裂的煤层气钻孔中，连续测量送入过程中的瞬变电磁二次场数据和测斜数据，并记录上新钻杆时段的起点和终点时间。

具体的，在本步骤前，首先钻探施工完成一个煤层气抽采钻孔，钻孔长度一般大于400m。然后将探管安装在钻杆前方，使用孔外手持设备设置本次测量的发射频率、叠加次数等参数，并通过WIFI模块进行时间同步，还要记录孔口处的测斜信息，之后设置探管开启自动采集模式，此时探管将按照设置的参数连续测量瞬变电磁二次场数据和测斜数据。

使用钻机将探管送入钻孔中，每当增加一节钻杆时，此时孔中探管停止运动，固定停放在孔中，在孔外手持设备上点击记录探管停止运动的起始时间，标记为一个有效测点，重复这一工作直至将探头送到孔底。

运动过程中测量的数据存在运动扰动，数据质量较差，且难以准确定位测量位置，推送停止时测量的数据稳定可靠，位置易于整理，因此数据取出后以孔外设备记录的时间点为基准，提取相应时间段的数据进行叠加归一化处理，存储为一个有效测点，运动过程中的测点数据作为废点舍去。

将探管从钻孔中取出，取出过程中可在减少钻杆的同时对整条测线进行复测，取出探管后，通过WIFI模块或存储介质将测量信息传输至地面电脑中。

步骤2，压裂测量步骤，对钻孔进行水力压裂，压裂完成后等待一段时间。打开压裂后钻孔，重复步骤1。

步骤3，压裂前数据处理，用于求取压裂前的地质重构总场数据；

对压裂前测量的所有Z分量数据使用多项式拟合方法求取趋势，并分析各测点与趋势的偏差，将偏差大于10％的测点剔除，重新求取趋势，反复多次直至参与趋势运算的测点与趋势的偏差均小于10％，此时得到的趋势值认为是压裂前施工用于推送的金属钻杆的响应。

用压裂前测量的所有Z分量数据减去所述金属钻杆响应，可以得到压裂前的地质响应异常场，如下式所示：

V_{Z压裂前地质异常}＝V_{Z压裂前实测总场}-V_{Z压裂前趋势法求取的钻杆影响}

式中，V表示感应电动势。

通过正演模拟得出一个符合当地地层情况的背景场数据，将所述异常场数据附加上去，获得压裂前的不受金属钻杆影响的重构总场数据：

V_{Z压裂前重构数据}＝V_{Z模拟背景场}+V_{Z压裂前地质异常}

步骤4，压裂后数据处理，用于求取压裂后的地质重构总场数据；对压裂后测量的所有Z分量数据进行计算，得到压裂后的不受金属钻杆影响的重构总场数据V_{Z压裂后重构数据}。

对压裂后测量的所有Z分量数据使用多项式拟合方法求取趋势，并分析各测点与趋势的偏差，将偏差大于10％的测点剔除，重新求取趋势，反复多次直至参与趋势运算的测点与趋势的偏差均小于10％，此时得到的趋势值认为是压裂后施工用于推送的金属钻杆的响应。

用压裂后测量的所有Z分量数据减去所述金属钻杆响应，可以得到压裂后的地质响应异常场，如下式所示：

V_{Z压裂后地质异常}＝V_{Z压裂后实测总场}-V_{Z压裂后趋势法求取的钻杆影响}

通过正演模拟得出一个符合当地地层情况的背景场数据，将所述异常场数据附加上去，获得压裂前的不受金属钻杆影响的重构总场数据：

V_{Z压裂后重构数据}＝V_{Z模拟背景场}+V_{Z压裂后地质异常}

步骤5，对两次重构后的Z分量数据进行全期视电阻率成像计算，分别生成等值线图，分析两次结果差异，如图2所示。

步骤6，裂隙发育判断步骤，将两次计算得到的视电阻率按对应测点进行差值运算，得到的差值成等值线图，解释裂隙发育二维展布情况，并标记出主要裂缝的分布范围，如图3所示。

步骤7，异常体方位角确定步骤，用于对压裂后的水平分量数据进行校正，构建三维坐标系，判断异常体所在象限。

对压裂后的水平分量数据进行校正，以孔口测斜数据为基准，通过三角函数、矢量合成运算将水平分量校正到指定的坐标系下，指定坐标系为指向钻孔钻进方向为Z轴正方向，指向孔口水平面右侧为X轴正方向，指向孔口水平面下侧为Y轴正方向。

式中，为在当前测点处测量得到的工具面角，为在孔口处测量得到的工具面角，为当前测点处的工具面角与孔口处的工具面角相对偏转角度。V_校正为感应电动势水平分量x或y的实测值V_实测经过校正后得到的与孔口指定的坐标系相符的感应电动势。

根据主要裂缝的分布范围，逐一从压裂后的两组水平分量数据中剔除该范围内的测量数据，并使用Hermit插值方法补充该区域内数据作为水平分量背景场。

用压裂后的校正水平分量减去所述背景场，求取水平分量异常场，并根据同一区域两组水平分量异常场形态(以图4为依据)判断该组裂缝所在的坐标系象限(如图5所示)。

V_x异常＝V_x校正-V_x插值

V_y异常＝V_y校正-V_y插值

V_异常为校正后水平分量x或y感应电动势的纯异常场，V_插值为校正后水平分量x或y感应电动势中剔除根据Z分量确定的异常范围内的测量数据后，使用Hermit插值方法补充该区域内数据形成的水平分量背景场。

根据同一区域两组水平分量异常场幅值之间的三角函数关系，计算出该组裂缝在该象限内的偏转角度(如图6所示)。

再根据V_x异常、V_y异常的正负，即异常体中心所在象限，求出方位角α。

①异常体在第一象限：α＝θ

②异常体在第二象限：α＝π-θ

③异常体在第三象限：α＝π+θ

④异常体在第四象限：α＝2π-θ

步骤8，压裂效果展示步骤，利用Suffer软件提取主要裂缝视电阻率异常的平面空间坐标，结合水平分量定位结果计算得出其立体空间坐标，并利用Voxler软件绘制压裂主要裂缝的立体分布图，实现压裂效果三维展示，如图7所示。

x_裂缝＝r_裂缝·cosα

y_裂缝＝r_裂缝·sinα

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，其特征在于，包括：

施工测量步骤，通过钻机将测量探头送入未压裂的煤层气钻孔中，连续测量送入过程中的瞬变电磁二次场数据和测斜数据，并记录上新钻杆时段的起点和终点时间；

压裂测量步骤，对钻孔进行水力压裂，通过钻机将测量探头送入压裂后的煤层气钻孔中，连续测量送入过程中的瞬变电磁二次场数据和测斜数据，并记录上新钻杆时段的起点和终点时间；

数据重构步骤，用于对压裂前后的二次场数据进行重构以得到不受金属钻杆影响的重构总场数据；

数据解释步骤，基于重构总场数据对压裂效果进行解释和判断。

2.根据权利要求1所述的一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，其特征在于，所述数据重构步骤中对压裂前的数据重构包括：

用压裂前测量的所有Z分量数据减去所述金属钻杆响应，可以得到压裂前的地质响应异常场，如下式所示：

V_{Z压裂前地质异常}＝V_{Z压裂前实测总场}-V_{Z压裂前趋势法求取的钻杆影响}

式中，V_{z压裂前地质异常}表示压裂前的地质异常电动势，V_{z压裂前实测总场}表示压裂前实测总场的感应电动势，V_{z压裂前趋势法求取的钻杆影响}表示压裂前趋势法求取的钻杆影响的感应电动势；

通过正演模拟得出一个符合当地地层情况的背景场数据，将所述异常场数据附加上去，获得压裂前的不受金属钻杆影响的重构总场数据：

V_{Z压裂前重构数据}＝V_{Z模拟背景场}+V_{Z压裂前地质异常}

V_{z压裂前重构数据}表示压裂前重构数据电动势，V_{z模拟背景场}表示模拟背景场的感应电动势。

3.根据权利要求1所述的一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，其特征在于，所述数据重构步骤中对压裂后的数据重构包括：

用压裂后测量的所有Z分量数据减去所述金属钻杆响应，可以得到压裂后的地质响应异常场，如下式所示：

V_{Z压裂后地质异常}＝V_{Z压裂后实测总场}-V_{Z压裂后趋势法求取的钻杆影响}

式中，V_{z压裂后地质异常}表示压裂后的地质异常电动势，V_{z压裂后实测总场}表示压裂后实测总场的感应电动势，V_{z压裂后趋势法求取的钻杆影响}表示压裂后趋势法求取的钻杆影响的感应电动势；

通过正演模拟得出一个符合当地地层情况的背景场数据，将所述异常场数据附加上去，获得压裂后的不受金属钻杆影响的重构总场数据：

V_{Z压裂后重构数据}＝V_{Z模拟背景场}+V_{Z压裂后地质异常}

V_{z压裂后重构数据}表示压裂后重构数据电动势，V_{z模拟背景场}表示模拟背景场的感应电动势。

4.根据权利要求1所述的一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，其特征在于，所述数据重构步骤中使用多项式拟合方法求取趋势，并分析各测点与趋势的偏差，将偏差大于预设阈值的测点剔除，重新求取趋势，反复多次直至参与趋势运算的测点与趋势的偏差均小于预设阈值，将得到的趋势值作为压裂后施工用于推送的金属钻杆的响应。

5.根据权利要求1所述的一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，其特征在于，所述数据解释步骤包括：

裂隙发育判断子步骤，对两次重构后的Z分量数据进行全期视电阻率成像计算，将两次计算得到的视电阻率按对应测点进行差值运算，得到的差值成等值线图，解释裂隙发育二维展布情况，并标记出主要裂缝的分布范围。

6.根据权利要求1所述的一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，其特征在于，所述数据解释步骤包括：

异常体方位角确定子步骤，具体为：对压裂后的水平分量数据校正到指定的坐标系下，指定坐标系为指向钻孔钻进方向为Z轴正方向，指向孔口水平面右侧为X轴正方向，指向孔口水平面下侧为Y轴正方向；

逐一从压裂后的两组水平分量数据中剔除主要裂缝分布范围内的测量数据，并使用Hermit插值方法补充该区域内数据作为水平分量背景场；

用压裂后的校正水平分量减去所述背景场，求取水平分量异常场，并根据同一区域两组水平分量异常场形态判断该组裂缝所在的坐标系象限。

7.根据权利要求6所述的一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，其特征在于，所述数据解释步骤包括：

根据同一区域两组水平分量异常场幅值之间的三角函数关系，计算出该组裂缝在该象限内的偏转角度：

再根据V_x异常、V_y异常的正负，即异常体中心所在象限，求出方位角α。

8.根据权利要求1所述的一种检测井下煤层气水力压裂效果的方法，其特征在于，还压裂效果展示步骤，利用Suffer软件提取主要裂缝视电阻率异常的平面空间坐标，结合水平分量定位结果计算得出其立体空间坐标，并利用Voxler软件绘制压裂主要裂缝的立体分布图，实现压裂效果三维展示。

9.一种检测井下煤层气水力压裂效果的系统，其特征在于，包括：

收发装置，所述收发装置包括发射线圈，接收线圈；其中，所述接收线圈为两个以上且相互串联，对称设置于所述发射线圈前后两端。

10.根据权利要求1所述的一种检测井下煤层气水力压裂效果的系统，其特征在于，接收线圈为三分量接收探头，线圈采用直径0.3mm漆包线制作，Z分量匝数大于500匝，X、Y分量匝数相同，均大于80匝。