一 技術背景

我國的煤層氣資源豐富，開采利用這一優質潔凈的新型能源，對于優化我國的能源結構、減少溫室氣體排放、減輕大氣污染、解決煤礦瓦斯安全問題、增加煤礦企業經濟收益以及實現我國國民經濟的可持續發展均具有重大意義。

煤層氣壓裂技術作為開采煤層氣的核心技術之一，雖然已在國內多個礦區得到應用，但是沒有先進技術手段對壓裂效果進行評價。煤層氣壓裂改造區域高精度成像系統充分利用波形中所富含的信息，切實解決煤層氣壓裂裂縫監測及壓裂效果評價等難題，且對優化壓裂設計方案，指導壓裂工作具有重要作用。本系統具體主要應用場景有：

（1）壓裂裂縫的長度、高度、方位角等參數的確定，對壓裂工藝和壓裂參數的優化起著重要作用。利用本系統監測結果獲取裂縫信息，可以更好的指導壓裂工程，采取有效的增透措施，指導煤礦煤層氣壓裂工程參數的選擇；

（2）通過監測壓裂過程中裂縫擴展信號，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域，為抽放煤層氣和回采工作提供指導；

（3）高精度成像系統可以優化垂直井網的布設，減少布設過于稀疏引起的資源浪費，過密布設而產生高額費用等問題；

二 技術方案

2.1 技術路線

項目計劃采用的技術路線如下：

2.2 核心技術

（1）煤層氣壓裂區域高精度成像系統微弱破裂信號識別

針對煤層氣壓裂區域高精度成像系統破裂信號弱以及信噪比低的特點，提出適合煤層氣壓裂誘發事件的識別方法，包括基于波形相似性的模版監測方法以及基于人工智能的破裂事件監測方法。

（2）煤層氣壓裂區域高精度成像系統破裂事件精確定位

煤層氣壓裂區域高精度成像系統利用破裂事件的到時信息并結合系統定位算法精確定位破裂事件位置。

（3）雙差速度層析成像技術

通過使用到時差數據，并利用震源和速度結構所存在的耦合效應進行共同反演，可以有效提高反演結果速度結構的精度，刻畫煤層氣壓裂裂縫的幾何形態、空間展布，對煤層氣壓裂效果和改造區域進行評價。

三 施工方案

施工方案包括3個階段：（1）煤層氣壓裂區域高精度成像系統臺網布設；（2）煤層氣壓裂區域高精度成像系統現場實施、數據處理與分析、雙差速度層析成像；（3）地面煤層氣壓裂效果及改造區域確定、編制項目報告、驗收。具體如下：

3.1 第一階段：煤層氣壓裂區域高精度成像系統臺網布設

如圖3-1所示，這種環形相間分布的方法參與定位可以獲得更準確的破裂事件位置、震源參數、震源機制解，明確裂縫的發育情況。

3.2 第二階段：煤層氣壓裂區域高精度成像系統現場實施、數據處理與分析以及雙差速度層析成像

一、現場實施

現場實施順序為：現場標點→鉆機打孔→傳感器安裝→采集儀安裝→數據采集。

二、數據處理與分析

煤層氣壓裂誘發的破裂事件能量微弱，常規的方法很難適應煤層氣壓裂監測需求，且煤層埋藏較深，為達到非常好的監測效果評價，需針對煤層氣壓裂破裂信號特點采用新的方法。包括2項：（1）基于波形相似性的模版監測方法（2）基于人工智能的破裂事件監測方法微弱破裂事件識別方法。具體處理、分析步驟，如圖4-16所示。

壓裂產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聯，通過發展基于信號到時與本系統定位算法精準定位煤層氣壓裂誘發的破裂事件空間位置、發震時刻、能量等參數。

三、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構以三維節點的形式輸出，這一方法可以反演得到更加優化的地下速度模型。

3.3 第三階段：煤層氣壓裂效果及改造區域確定、編制項目報告、驗收

根據雙差速度層析成像結果，定量分析地面煤層氣壓裂效果及改造區域，完成項目報告編制和驗收。

四 項目效益

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，導致礦山瓦斯事故的發生。使得掘進推進速度過慢，進而使得礦井面臨采掘接續問題，嚴重影響了生產效率和生命財產安全。通過本系統可以降低巷道掘進和工作面回采過程中的瓦斯災害危險性，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域高精度成像系統能為煤層氣壓裂和煤層氣抽采鉆孔優化設計、壓裂卸壓增透效果評價等提供依據，指導煤礦煤層氣壓裂工程、煤層氣抽采工程參數的選擇。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。 

本系統實現對煤層氣壓裂有效半徑、壓裂體積、裂縫空間形態的有效評價，定量分析壓裂效果，判斷壓裂改造體積和改造區域，為抽放發瓦斯和回采工作提供指導，提高生產效率與企業經濟效益。 

五 案例展示

項目名稱：陽煤集團煤層氣壓裂改造區域高精度成像系統

5.1、系統臺網布設

監測點以壓裂井為圓心，分別以200m、400m、600m為半徑形成環形監測臺網，錯落分布以覆蓋井口壓裂所引起的煤層裂縫擴展區域，通過包絡形式提高破裂事件定位精度。現場共安置19個監測點（圖5-1）。

圖5-1 系統監測臺網布設圖

5.2、破裂事件定位結果

圖5-2和圖5-3，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，根據定位結果裂縫帶總體縫長約230米，縫寬約100米。

圖5-2 壓裂井定位俯視圖

圖5-3 壓裂井定位南視圖

5.3、煤層氣壓改造裂區域高精度成像結果

圖5-4 煤層氣壓裂高精度成像圖（左側黑色三角形為壓裂井）

壓裂改造區域 自井口發育延伸，方位約為320°方向，改造區域長約200m、寬約100m，其延伸方向與該區域主應力方向近似平行。這個裂縫對應的定位事件展布特征方向明顯，推測其應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，以此可推測裂縫區域高度約為100m。

該井及附近兩口井煤層氣壓裂改造區域高精度成像系統監測結果顯示，三口井之間存在破裂空區，可以在原有的基礎上，適當縮小井之間的間距，提高壓裂效果，減少資源浪費。