技術(shù)背景
我國的煤層氣資源豐富，開采利用這一優(yōu)質(zhì)潔凈的新型能源，對于優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放、減輕大氣污染、解決煤礦瓦斯安全問題、增加煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益以及實(shí)現(xiàn)我國國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展均具有重大意義。
煤層氣壓裂技術(shù)作為開采煤層氣的核心技術(shù)之一，雖然已在國內(nèi)多個礦區(qū)得到應(yīng)用，但是沒有先進(jìn)技術(shù)手段對壓裂效果進(jìn)行評價。煤層氣壓裂改造區(qū)域高精度成像系統(tǒng)充分利用波形中所富含的信息，切實(shí)解決煤層氣壓裂裂縫監(jiān)測及壓裂效果評價等難題，且對優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)壓裂工作具有重要作用。本系統(tǒng)具體主要應(yīng)用場景有：
高精度成像系統(tǒng)可以優(yōu)化垂直井網(wǎng)的布設(shè)，減少布設(shè)過于稀疏引起的資源浪費(fèi)，過密布設(shè)而產(chǎn)生高額費(fèi)用等問題；
通過監(jiān)測壓裂過程中裂縫擴(kuò)展信號，掌握裂縫的幾何形狀和空間展布，定量分析壓裂效果，判斷壓裂改造體積和改造區(qū)域，為抽放煤層氣和回采工作提供指導(dǎo)；
壓裂裂縫的長度、高度、方位角等參數(shù)的確定，對壓裂工藝和壓裂參數(shù)的優(yōu)化起著重要作用。利用本系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果獲取裂縫信息，可以更好的指導(dǎo)壓裂工程，采取有效的增透措施，指導(dǎo)煤礦煤層氣壓裂工程參數(shù)的選擇；
技術(shù)方案
1、核心技術(shù)
1）雙差速度層析成像技術(shù)
通過使用到時差數(shù)據(jù)，并利用震源和速度結(jié)構(gòu)所存在的耦合效應(yīng)進(jìn)行共同反演，可以有效提高反演速度結(jié)構(gòu)的精度，刻畫煤層氣壓裂裂縫的幾何形態(tài)、空間展布，對煤層氣壓裂效果和改造區(qū)域進(jìn)行評價。
2）煤層氣壓裂區(qū)域高精度成像系統(tǒng)微弱破裂信號識別
針對煤層氣壓裂區(qū)域高精度成像系統(tǒng)破裂信號弱以及信噪比低的特點(diǎn)，提出適合煤層氣壓裂誘發(fā)事件的識別方法，包括基于波形相似性的模版監(jiān)測方法以及基于人工智能的破裂事件監(jiān)測方法。
3）煤層氣壓裂區(qū)域高精度成像系統(tǒng)破裂事件精確定位
煤層氣壓裂區(qū)域高精度成像系統(tǒng)利用破裂事件的到時信息并結(jié)合系統(tǒng)定位算法精確定位破裂事件位置。
施工方案
包括3個階段：
地面煤層氣壓裂效果及改造區(qū)域確定、編制項(xiàng)目報告、驗(yàn)收
煤層氣壓裂區(qū)域高精度成像系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)施、數(shù)據(jù)處理與分析、雙差速度層析成像
煤層氣壓裂區(qū)域高精度成像系統(tǒng)臺網(wǎng)布設(shè)
第一階段：煤層氣壓裂區(qū)域高精度成像系統(tǒng)臺網(wǎng)布設(shè)
如圖所示，這種環(huán)形相間分布的方法可以獲得更準(zhǔn)確的破裂事件位置、震源參數(shù)、震源機(jī)制解，明確裂縫的發(fā)育情況。
第二階段：煤層氣壓裂區(qū)域高精度成像系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)施、數(shù)據(jù)處理與分析以及雙差速度層析成像
現(xiàn)場實(shí)施
現(xiàn)場實(shí)施順序?yàn)椋含F(xiàn)場標(biāo)點(diǎn)→鉆機(jī)打孔→傳感器安裝→采集儀安裝→數(shù)據(jù)采集。
數(shù)據(jù)處理與分析
煤層氣壓裂誘發(fā)的破裂事件能量微弱，常規(guī)的方法很難適應(yīng)煤層氣壓裂監(jiān)測需求，且煤層埋藏較深，為達(dá)到非常好的監(jiān)測效果評價，需針對煤層氣壓裂破裂信號特點(diǎn)采用新的方法。包括：基于波形相似性的模版監(jiān)測方法和基于人工智能的破裂事件監(jiān)測方法微弱破裂事件識別方法。具體處理、分析步驟，如下圖所示。
壓裂產(chǎn)生的破裂事件定位位置是否精確與事件定位算法有很大關(guān)聯(lián)，通過發(fā)展基于信號到時與本系統(tǒng)定位算法精準(zhǔn)定位煤層氣壓裂誘發(fā)的破裂事件空間位置、發(fā)震時刻、能量等參數(shù)。
雙差速度層析成像
雙差速度層析成像利用偽彎曲射線追蹤算法得到地震波傳播的射線路徑，并且計(jì)算地震事件和臺站位置的旅行時間，通過程序反演得到的速度結(jié)構(gòu)以三維節(jié)點(diǎn)的形式輸出，這一方法可以反演得到更加優(yōu)化的地下速度模型。
第三階段：煤層氣壓裂效果及改造區(qū)域確定、編制項(xiàng)目報告、驗(yàn)收
根據(jù)雙差速度層析成像結(jié)果，定量分析地面煤層氣壓裂效果及改造區(qū)域，完成項(xiàng)目報告編制和驗(yàn)收。
項(xiàng)目效益
高瓦斯礦井由于抽采效率低，煤層中的瓦斯會隨著后期的回采重新聚集，導(dǎo)致礦山瓦斯事故的發(fā)生。使得掘進(jìn)推進(jìn)速度過慢，進(jìn)而使得礦井面臨采掘接續(xù)問題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率和生命財(cái)產(chǎn)安全。通過本系統(tǒng)可以降低巷道掘進(jìn)和工作面回采過程中的瓦斯災(zāi)害危險性，保障煤及瓦斯資源的高效安全開采。
利用煤層氣壓裂改造區(qū)域高精度成像系統(tǒng)能為煤層氣壓裂和煤層氣抽采鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)、壓裂卸壓增透效果評價等提供依據(jù)，指導(dǎo)煤礦煤層氣壓裂工程、煤層氣抽采工程參數(shù)的選擇。既能夠大大降低壓裂鉆孔和煤層氣抽采鉆孔的工程量，又能夠提高煤層氣抽采效率和資源回收率。
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對煤層氣壓裂有效半徑、壓裂體積、裂縫空間形態(tài)的有效評價，定量分析壓裂效果，判斷壓裂改造體積和改造區(qū)域，為抽放發(fā)瓦斯和回采工作提供指導(dǎo)，提高生產(chǎn)效率與企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
案例展示
陽煤集團(tuán)煤層氣壓裂改造區(qū)域高精度成像系統(tǒng)
系統(tǒng)臺網(wǎng)布設(shè)
監(jiān)測點(diǎn)以壓裂井為圓心，分別以200m、400m、600m為半徑形成環(huán)形監(jiān)測臺網(wǎng)，錯落分布
以覆蓋井口壓裂所引起的煤層裂縫擴(kuò)展區(qū)域，通過包絡(luò)形式提高破裂事件定位精度，現(xiàn)場共安置19個監(jiān)測點(diǎn),如圖。
破裂事件定位結(jié)果
左圖和右圖，分別為壓裂井破裂信號定位俯視和南視圖，破裂事件分布于井軌跡的西北-東南方向，根據(jù)定位結(jié)果裂縫帶總體縫長約230米，縫寬約100米。
煤層氣壓裂改造裂區(qū)域高精度成像結(jié)果
壓裂改造區(qū)域
自井口發(fā)育延伸，方位約為320°方向，改造區(qū)域長約200m、寬約100m，其延伸方向與該區(qū)域主應(yīng)力方向近似平行。這個裂縫對應(yīng)的定位事件展布特征方向明顯，推測其應(yīng)為壓裂施工壓開地層改造所得裂縫；破裂事件在深度上的分布范圍為100米左右，以此可推測裂縫區(qū)域高度約為100m。
該井及附近兩口井煤層氣壓裂改造區(qū)域高精度成像系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果顯示，三口井之間存在破裂空區(qū)，可以在原有的基礎(chǔ)上，適當(dāng)縮小井之間的間距，提高壓裂效果，減少資源浪費(fèi)。
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