一 技术背景

我国的煤层气资源丰富，开采利用这一优质洁净的新型能源，对于优化我国的能源结构、减少温室气体排放、减轻大气污染、解决煤矿瓦斯安全问题、增加煤矿企业经济收益以及实现我国国民经济的可持续发展均具有重大意义。

煤层气压裂技术作为开采煤层气的核心技术之一，虽然已在国内多个矿区得到应用，但是没有先进技术手段对压裂效果进行评价。煤层气压裂改造区域高精度成像系统充分利用波形中所富含的信息，切实解决煤层气压裂裂缝监测及压裂效果评价等难题，且对优化压裂设计方案，指导压裂工作具有重要作用。本系统具体主要应用场景有：

（1）压裂裂缝的长度、高度、方位角等参数的确定，对压裂工艺和压裂参数的优化起着重要作用。利用本系统监测结果获取裂缝信息，可以更好的指导压裂工程，采取有效的增透措施，指导煤矿煤层气压裂工程参数的选择；

（2）通过监测压裂过程中裂缝扩展信号，掌握裂缝的几何形状和空间展布，定量分析压裂效果，判断压裂改造体积和改造区域，为抽放煤层气和回采工作提供指导；

（3）高精度成像系统可以优化垂直井网的布设，减少布设过于稀疏引起的资源浪费，过密布设而产生高额费用等问题；

二 技术方案

2.1 技术路线

项目计划采用的技术路线如下：

2.2 核心技术

（1）煤层气压裂区域高精度成像系统微弱破裂信号识别

针对煤层气压裂区域高精度成像系统破裂信号弱以及信噪比低的特点，提出适合煤层气压裂诱发事件的识别方法，包括基于波形相似性的模版监测方法以及基于人工智能的破裂事件监测方法。

（2）煤层气压裂区域高精度成像系统破裂事件精确定位

煤层气压裂区域高精度成像系统利用破裂事件的到时信息并结合系统定位算法精确定位破裂事件位置。

（3）双差速度层析成像技术

通过使用到时差数据，并利用震源和速度结构所存在的耦合效应进行共同反演，可以有效提高反演结果速度结构的精度，刻画煤层气压裂裂缝的几何形态、空间展布，对煤层气压裂效果和改造区域进行评价。

三 施工方案

施工方案包括3个阶段：（1）煤层气压裂区域高精度成像系统台网布设；（2）煤层气压裂区域高精度成像系统现场实施、数据处理与分析、双差速度层析成像；（3）地面煤层气压裂效果及改造区域确定、编制项目报告、验收。具体如下：

3.1 第一阶段：煤层气压裂区域高精度成像系统台网布设

如图3-1所示，这种环形相间分布的方法参与定位可以获得更准确的破裂事件位置、震源参数、震源机制解，明确裂缝的发育情况。

3.2 第二阶段：煤层气压裂区域高精度成像系统现场实施、数据处理与分析以及双差速度层析成像

一、现场实施

现场实施顺序为：现场标点→钻机打孔→传感器安装→采集仪安装→数据采集。

二、数据处理与分析

煤层气压裂诱发的破裂事件能量微弱，常规的方法很难适应煤层气压裂监测需求，且煤层埋藏较深，为达到非常好的监测效果评价，需针对煤层气压裂破裂信号特点采用新的方法。包括2项：（1）基于波形相似性的模版监测方法（2）基于人工智能的破裂事件监测方法微弱破裂事件识别方法。具体处理、分析步骤，如图4-16所示。

压裂产生的破裂事件定位位置是否精确与事件定位算法有很大关联，通过发展基于信号到时与本系统定位算法精准定位煤层气压裂诱发的破裂事件空间位置、发震时刻、能量等参数。

三、双差速度层析成像

双差速度层析成像利用伪弯曲射线追踪算法得到地震波传播的射线路径，并且计算地震事件和台站位置的旅行时间，通过程序反演得到的速度结构以三维节点的形式输出，这一方法可以反演得到更加优化的地下速度模型。

3.3 第三阶段：煤层气压裂效果及改造区域确定、编制项目报告、验收

根据双差速度层析成像结果，定量分析地面煤层气压裂效果及改造区域，完成项目报告编制和验收。

四 项目效益

高瓦斯矿井由于抽采效率低，煤层中的瓦斯会随着后期的回采重新聚集，导致矿山瓦斯事故的发生。使得掘进推进速度过慢，进而使得矿井面临采掘接续问题，严重影响了生产效率和生命财产安全。通过本系统可以降低巷道掘进和工作面回采过程中的瓦斯灾害危险性，保障煤及瓦斯资源的高效安全开采。

利用煤层气压裂改造区域高精度成像系统能为煤层气压裂和煤层气抽采钻孔优化设计、压裂卸压增透效果评价等提供依据，指导煤矿煤层气压裂工程、煤层气抽采工程参数的选择。既能够大大降低压裂钻孔和煤层气抽采钻孔的工程量，又能够提高煤层气抽采效率和资源回收率。 

本系统实现对煤层气压裂有效半径、压裂体积、裂缝空间形态的有效评价，定量分析压裂效果，判断压裂改造体积和改造区域，为抽放发瓦斯和回采工作提供指导，提高生产效率与企业经济效益。 

五 案例展示

项目名称：阳煤集团煤层气压裂改造区域高精度成像系统

5.1、系统台网布设

监测点以压裂井为圆心，分别以200m、400m、600m为半径形成环形监测台网，错落分布以覆盖井口压裂所引起的煤层裂缝扩展区域，通过包络形式提高破裂事件定位精度。现场共安置19个监测点（图5-1）。

图5-1 系统监测台网布设图

5.2、破裂事件定位结果

图5-2和图5-3，分别为压裂井破裂信号定位俯视和南视图，破裂事件分布于井轨迹的西北-东南方向，根据定位结果裂缝带总体缝长约230米，缝宽约100米。

图5-2 压裂井定位俯视图

图5-3 压裂井定位南视图

5.3、煤层气压改造裂区域高精度成像结果

图5-4 煤层气压裂高精度成像图（左侧黑色三角形为压裂井）

压裂改造区域 自井口发育延伸，方位约为320°方向，改造区域长约200m、宽约100m，其延伸方向与该区域主应力方向近似平行。这个裂缝对应的定位事件展布特征方向明显，推测其应为压裂施工压开地层改造所得裂缝；破裂事件在深度上的分布范围为100米左右，以此可推测裂缝区域高度约为100m。

该井及附近两口井煤层气压裂改造区域高精度成像系统监测结果显示，三口井之间存在破裂空区，可以在原有的基础上，适当缩小井之间的间距，提高压裂效果，减少资源浪费。