CN113326629A - 一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法，包括以下步骤：I3D裂缝指示强度数据体获取；试水压力数据获取；泥浆消耗量数据获取；裂缝等效宽度计算；裂缝等效长度计算，本发明适用于煤矿开采技术领域，方法简单，便于实际操作，煤矿探查和开采过程中，泥浆漏失量和试水压力数据录取方便，覆盖面广，且实时更新，便于本专利在煤田领域推广和应用；同时拓宽了地质工程一体化研究领域，将裂缝等效长度和等效宽度参数，与泥浆漏失量和试水压力建立相关关系，统一了地质和工程人员对地下情况的认知，且使用统一的计量单位，计算数据可直接应用于工程设计和施工；使地球物理裂缝预测成果快速转化到现场应用，极大提升了地质科学研究的成果转化率。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体是一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法。
背景技术
裂缝预测技术已在多个领域被广泛应用，尤其在能源领域的应用最为广泛，其中应用地球物理技术开展裂缝预测最为普遍；但受目前三维地震资料采集和处理技术所限，裂缝预测精度和准确度较低，只能实现对裂缝发育带的预测，无法实现对单条裂缝的预测，更无法提供相对应的单条裂缝参数，如裂缝宽度、裂缝纵向发育长度等；然而在煤矿开采过程中，多项工程技术的应用需要提供裂缝参数，以保证工程设计和实施的有效性和科学性。为此本专利提出了等效裂缝长度和等效裂缝宽度的概念，目的是将三维地震预测出的裂缝发育条带，看做是多条裂缝相互切割、交织为一个相互连通的裂缝系统，系统中多条开启裂缝的总的有效宽度和有效延伸长度，作为这个裂缝系统的等效裂缝宽度和等效裂缝长度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法，包括以下步骤：
I3D裂缝指示强度数据体获取；
试水压力数据获取；
泥浆消耗量数据获取；
裂缝等效宽度计算；
裂缝等效长度计算。
优选的，所述I3D(三维扫描)裂缝指示强度数据体获取，包括：基于肯德姆软件中的I3D(三维扫描)地震高级属性模块，提取裂缝属性，裂缝属性包括：能量属性、倾角属性和方位角属性，通过多属性融合，以I3D(三维扫描)技术提取后形成的裂缝指示强度数据为依据，数据体格式为振幅属性，数据值域范围为0.1-5。
优选的，所述试水压力数据获取，包括：进行试水压力变化与裂缝预测成果分析，建立试水压力变化与裂缝关系：当试水压力为0MPa时，地层存在连通性强、规模大的裂缝发育区；压力在0-2MPa时，地层存在规模较大、连通性较强的裂缝发育段；压力在2-4MPa时，钻孔钻遇小规模裂缝，当注入时间超过20min时，裂缝有一定的沟通范围；压力在4-7MPa时，钻孔钻遇裂缝不发育区；当压力超过7MPa时，地层中没有裂缝。
优选的，所述泥浆消耗量数据获取，包括：钻孔钻遇天然裂缝发育段时，基于泥浆消耗量判断裂缝情况，其中，钻进泥浆每小时消耗量大于8m3/h，指示地层中发育较大规模的裂缝，裂缝预测结果裂缝指示强度>3，裂缝纵向延伸长度超过300m；钻进泥浆每小时消耗量3～8m3/h时，指示地层中发育中等规模的裂缝，裂缝指示强度2～3，裂缝纵向延伸长度150～300m；钻进泥浆每小时消耗量小于3m3/h时，指示地层中发育零星的小裂缝，裂缝指示强度多小于1.5，裂缝纵向延伸长度多小于50m。
优选的，所述裂缝等效宽度计算，计算公式为：
W＝I/(15*Pw)+0.05，
其中，W裂缝宽度，单位：mm；I裂缝指示强度，无因次；Pw试水压力,单位：MPa。
优选的，所述裂缝等效长度计算，计算公式为：
L＝13.6*I*Q-40.5，
其中，L裂缝长度，单位：m；I裂缝指示强度，无因次；Q单位泥浆消耗量,单位：m3/h。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明所使用的的方法简单，便于实际操作，煤矿探查和开采过程中，泥浆漏失量和试水压力数据录取方便，覆盖面广，且实时更新，便于本专利在煤田领域推广和应用；
本发明拓宽了地质工程一体化研究领域，将裂缝等效长度和等效宽度参数，与泥浆漏失量和试水压力建立相关关系，统一了地质和工程人员对地下情况的认知，且使用统一的计量单位，计算数据可直接应用于工程设计和施工；
本发明提供了一种方法，可以使地球物理裂缝预测成果快速转化到现场应用，极大提升了地质科学研究的成果转化率。
附图说明
图1是本发明一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图1，进一步说明本发明一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法的具体实施方式。本发明一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法不限于以下实施例的描述。
实施例1：
本实施例给出一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法的具体实施方式，如图1所示，包括以下步骤：
I3D(三维扫描)裂缝指示强度数据体获取；
试水压力数据获取；
泥浆消耗量数据获取；
裂缝等效宽度计算；
裂缝等效长度计算。
具体地，I3D(三维扫描)裂缝指示强度数据体获取，包括：基于肯德姆软件中的I3D(三维扫描)地震高级属性模块，提取裂缝属性，裂缝属性包括：能量属性、倾角属性和方位角属性，通过多属性融合，以I3D(三维扫描)属性提取后形成的裂缝指示强度数据为依据，数据体格式为振幅属性，数据值域范围为0.1-5。
具体地，试水压力数据获取，包括：进行试水压力变化与裂缝预测成果分析，建立试水压力变化与裂缝关系：当试水压力为0MPa时，地层存在连通性强、规模大的裂缝发育区；压力在0-2MPa时，地层存在规模较大、连通性较强的裂缝发育段；压力在2-4MPa时，钻孔钻遇小规模裂缝，当注入时间超过20min时，裂缝有一定的沟通范围；压力在4-7MPa时，钻孔钻遇裂缝不发育区；当压力超过7MPa时，地层中没有裂缝。
进一步的，泥浆消耗量数据获取，包括：钻孔钻遇天然裂缝发育段时，基于泥浆消耗量判断裂缝情况，其中，钻进泥浆每小时消耗量大于8m3/h，指示地层中发育较大规模的裂缝，裂缝预测结果裂缝指示强度>3，裂缝纵向延伸长度超过300m；钻进泥浆每小时消耗量3～8m3/h时，指示地层中发育中等规模的裂缝，裂缝指示强度2～3，裂缝纵向延伸长度150～300m；钻进泥浆每小时消耗量小于3m3/h时，指示地层中发育零星的小裂缝，裂缝指示强度多小于1.5，裂缝纵向延伸长度多小于50m。
进一步的，裂缝等效宽度计算，计算公式为：
W＝I/(15*Pw)+0.05，
其中，W裂缝宽度，单位：mm；I裂缝指示强度，无因次；Pw试水压力,单位：MPa。
进一步的，裂缝等效长度计算，计算公式为：
L＝13.6*I*Q-40.5，
其中，L裂缝长度，单位：m；I裂缝指示强度，无因次；Q单位泥浆消耗量,单位：m3/h。
实施例2：
本实施例给出一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法的具体实施方式，如图1所示，根据I3D(三维扫描)多属性裂缝预测指示强度，与注浆工程试水压力、水平分支孔钻井过程中泥浆漏失量的相关性，建立裂缝延伸长度、裂缝宽度的等效计算模型。包括：
(1)I3D(三维扫描)裂缝指示强度数据体获取，其中：
利用Kingdom软件中的I3D(三维扫描)地震高级属性模块开展裂缝属性提取，提取过程中包括三个裂缝属性，Symmetry、I3D(三维扫描)(Illuminatou3D)和I3D(三维扫描)Scan。以I3D(三维扫描)Scan属性提取后形成的裂缝指示强度数据为依据，数据体格式为振幅属性，数据值域范围为0.1-5。裂缝指示强度数值越大，说明裂缝发育程度越高、裂缝规模越大。
(2)试水压力数据获取，其中：
煤层顶板注浆堵水减水工程注浆前需要压水试验，一是对已有的裂隙疏通，对孔壁进行冲刷，冲洗掉钻进过程中泥浆循环形成的泥皮；二是通过大排量压水，冲刷裂隙通道，贯通部分裂隙，改变地层的渗透性，提高地层的吃浆能力；三是根据压水压力变化规律选择合适的注浆参数。注水压力对原生裂缝发育程度敏感，不同的试水压力反映出裂缝不同的发育状况。
如表1所示，根据试水压力变化与裂缝预测成果分析，初步建立两者之间相互关系：当试水压力为0MPa时，表明地层存在连通性强、规模大的裂缝发育区；压力在0-2MPa时，表明地层存在规模较大、连通性较强的裂缝发育段；压力在2-4MPa时，表明钻孔钻遇小规模裂缝，当注入时间超过20min时，说明裂缝有一定的沟通范围；压力在4-7MPa时，表明钻孔钻遇裂缝不发育区；当压力超过7MPa时，表明地层中没有裂缝。
表1高家堡煤矿分支钻孔压水试验判断裂缝情况表
| 序号 | 试水压力/MPa | 压水时间/min | 裂缝规模 | 连通情况 |
| 1 | 0 | 20 | 大 | 连通 |
| 2 | 0-2 | 20 | 较大 | 较好 |
| 3 | 2-4 | 30 | 较小 | 一般 |
| 4 | 4-7 | 30 | 小 | 不好 |
| 5 | ≥7 | 30 | 不发育 | 无连通 |
(3)泥浆消耗量数据获取，其中：
钻孔是煤矿探查采用的主要手段和方法。钻孔在钻探过程中通过泥浆的循环，一是为钻头、钻杆等钻进工具降温；二是钻进过程中将钻头破碎了的地层岩屑携带出地面。钻孔在钻进过程中或多或少的会产生泥浆的漏失，甚至还会出现泥浆失返现象。
如表2所示，当钻孔钻遇天然裂缝发育段时，会出现泥浆消耗量明显增加的情况。其中，钻进泥浆每小时消耗量大于8m3/h，指示地层中发育较大规模的裂缝，裂缝预测结果裂缝指示强度>3，裂缝纵向延伸长度超过300m；钻进泥浆每小时消耗量3～8m3/h时，指示地层中发育中等规模的裂缝，裂缝指示强度2～3，裂缝纵向延伸长度150～300m；钻进泥浆每小时消耗量小于3m3/h时，指示地层中发育零星的小裂缝，裂缝指示强度多小于1.5，裂缝纵向延伸长度多小于50m。
表2高家堡煤矿钻孔探查裂缝情况表
| 钻进情况分类 | 泥浆消耗量(m<sup>3</sup>/h) | 裂缝延伸长度(m) | 裂缝指示强度 | 裂缝发育情况 |
| Ⅰ | ＞8 | ＞300 | ＞3 | Ⅰ类裂缝发育区 |
| Ⅱ | 3-8 | 150-300 | 2-3 | Ⅱ类裂缝发育区 |
| Ⅲ | ＜3 | ＜150 | ＜2 | Ⅲ类裂缝发育区 |
(4)裂缝等效宽度计算，其中：
煤矿注浆改造堵水减水工程探查实践证实，裂缝在地下的开启度，即裂缝宽度与注浆工程中的压水试验试水压力有较好的负相关关系，高家堡矿区探查数据统计表明：
W＝I/(15*Pw)+0.05，
其中，W裂缝宽度，单位：mm；I裂缝指示强度，无因次；Pw试水压力,单位：MPa。
(5)裂缝等效长度计算，其中：
裂缝在地下的延伸长度与注浆工程中的水平分支孔钻进过程中的泥浆消耗量呈正相关关系，高家堡煤矿探查数据统计表明：
L＝13.6*I*Q-40.5，其中：
L裂缝长度，单位：m；I裂缝指示强度，无因次；Q单位泥浆消耗量,单位：m3/h
工作原理：
目前裂缝预测的地球物理技术和方法较多，其中I3D(三维扫描)是目前石油和煤炭行业引进并应用较为成熟的三维地震裂缝预测技术之一，I3D(三维扫描)属性是在相干、相似性和照明体属性分析的基础上，提出的基于地震各向异性表征所进行的多属性融合，I3D(三维扫描)属性关联并同时产生三个属性体：能量(Energy)、倾角(Dip)和方位角(Azimuth)，在进行断裂/裂缝分析时，能有效的去除采集脚印干扰，提高分辨能力，其预测结果更符合地质规律，表征的裂缝特征更加精细和准确。
I3D(三维扫描)裂缝属性预测提供的裂缝指示强度，通过高家堡煤矿煤层顶板注浆工程探查实践验证，取得了预测符合率高于87％的应用效果，在此基础上本发明利用I3D(三维扫描)裂缝指示强度与注浆工程参数(试水压力和泥浆消耗量)的关系，提出了裂缝延伸长度、裂缝宽度的等效计算方法，在煤矿开采领域率先实现了裂缝参数的半定量化到定量化的显著进步。
该方法计算出的等效裂缝宽度和长度，提供给煤层顶板注浆改造工程设计，取得了高家堡煤矿减水1000m3/h的应用效果；实践证明该方法计算参数可靠、使用便捷，在煤矿开采领域对覆岩裂缝预测技术的发展具有理论指导和生产应用的现实意义。
本发明所使用的的方法简单，便于实际操作，煤矿探查和开采过程中，泥浆漏失量和试水压力数据录取方便，覆盖面广，且实时更新，便于本专利在煤田领域推广和应用；
本发明拓宽了地质工程一体化研究领域，将裂缝等效长度和等效宽度参数，与泥浆漏失量和试水压力建立相关关系，统一了地质和工程人员对地下情况的认知，且使用统一的计量单位，计算数据可直接应用于工程设计和施工；
本发明提供了一种方法，可以使地球物理裂缝预测成果快速转化到现场应用，极大提升了地质科学研究的成果转化率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
I3D裂缝指示强度数据体获取；
试水压力数据获取；
泥浆消耗量数据获取；
裂缝等效宽度计算；
裂缝等效长度计算。
2.如权利要求1所述的一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法，其特征在于，所述I3D裂缝指示强度数据体获取，包括：基于肯德姆软件中的I3D地震高级属性模块，提取裂缝属性，裂缝属性包括：能量属性、倾角属性和方位角属性，通过多属性融合，以I3D技术提取后形成的裂缝指示强度数据为依据，数据体格式为振幅属性，数据值域范围为0.1-5。
3.如权利要求2所述的一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法，其特征在于，所述试水压力数据获取，包括：进行试水压力变化与裂缝预测成果分析，建立试水压力变化与裂缝关系：当试水压力为0MPa时，地层存在连通性强、规模大的裂缝发育区；压力在0-2MPa时，地层存在规模较大、连通性较强的裂缝发育段；压力在2-4MPa时，钻孔钻遇小规模裂缝，当注入时间超过20min时，裂缝有一定的沟通范围；压力在4-7MPa时，钻孔钻遇裂缝不发育区；当压力超过7MPa时，地层中没有裂缝。
4.如权利要求3所述的一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法，其特征在于，所述泥浆消耗量数据获取，包括：钻孔钻遇天然裂缝发育段时，基于泥浆消耗量判断裂缝情况，其中，钻进泥浆每小时消耗量大于8m3/h，指示地层中发育较大规模的裂缝，裂缝预测结果裂缝指示强度>3，裂缝纵向延伸长度超过300m；钻进泥浆每小时消耗量3～8m3/h时，指示地层中发育中等规模的裂缝，裂缝指示强度2～3，裂缝纵向延伸长度150～300m；钻进泥浆每小时消耗量小于3m3/h时，指示地层中发育零星的小裂缝，裂缝指示强度多小于1.5，裂缝纵向延伸长度多小于50m。
5.如权利要求4所述的一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法，其特征在于，所述裂缝等效宽度计算，计算公式为：
W＝I/(15*Pw)+0.05，
其中，W裂缝宽度，单位：mm；I裂缝指示强度，无因次；Pw试水压力,单位：MPa。
6.如权利要求5所述的一种煤层覆岩原生裂缝参数的计算方法，其特征在于，所述裂缝等效长度计算，计算公式为：
L＝13.6*I*Q-40.5，
其中，L裂缝长度，单位：m；I裂缝指示强度，无因次；Q单位泥浆消耗量,单位：m3/h。
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