王大興，趙興華，孟凡彬，郎玉泉

(1.長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，西安 710018; 2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

0 引言

隨著煤田物探裝備及新一代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為地震信息應(yīng)用于煤系沉積巖石物性參數(shù)研究創(chuàng)造了條件，有助于提高對(duì)煤系沉積巖石巖性特征的認(rèn)識(shí)[1]。地震勘探成果表明地震信息對(duì)于指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的作用，地震信息的應(yīng)用不僅提高了煤層構(gòu)造的解釋精度，也為煤礦瓦斯預(yù)測(cè)、煤層底板突水性評(píng)價(jià)、以及煤巷巖性及其物性性質(zhì)特征的研究提供了技術(shù)保障。如何把地震波捕捉到的海量地震信息和實(shí)際地質(zhì)信息建立聯(lián)系,成為解決煤礦地質(zhì)的關(guān)鍵。搭建這個(gè)橋梁，就能為智能化預(yù)測(cè)煤礦地質(zhì)參數(shù)打下基礎(chǔ)，也為建立海量的煤礦物性大數(shù)據(jù)提供基石[2-4]。

本文從理論模型和相關(guān)試驗(yàn)為出發(fā)，通過(guò)研究地震屬性及地質(zhì)測(cè)井資料,提出了以地震屬性、鉆孔測(cè)井參數(shù)和超聲波試驗(yàn)為基礎(chǔ),以數(shù)學(xué)地質(zhì)為橋梁,實(shí)現(xiàn)煤層頂?shù)装鍘r石彈性參數(shù)定量預(yù)測(cè)的科學(xué)方法并將該方法應(yīng)用于實(shí)際煤田地震勘探中,取得了很好的效果。

1 地震波速度的提取

地震波速信息在煤礦地震資料研究中至關(guān)重要，它是煤礦地質(zhì)體尺度研究的主要參數(shù)之一。因此，地震波速度的建立準(zhǔn)確與否是煤礦地震資料研究的關(guān)鍵，決定著煤礦地質(zhì)體尺度的準(zhǔn)確性。由于煤礦頂?shù)装鍑鷰r的復(fù)雜性，準(zhǔn)確建立地震波速度信息項(xiàng)技術(shù)難度較大。巖石的地震速度主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)巖樣標(biāo)本試驗(yàn)測(cè)試、鉆測(cè)井資料中曲線聲波時(shí)差以及人工地震數(shù)據(jù)信息等三種方式獲得。前兩種方法是點(diǎn)信息，信息量少，無(wú)法滿足三維空間的速度要求；而第三種方法，是在三維空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上獲得速度，信息量大。對(duì)準(zhǔn)確的點(diǎn)信息和體數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析，可以大大提高數(shù)據(jù)分析的可信度與精確度，從而達(dá)到預(yù)測(cè)地質(zhì)體巖性數(shù)據(jù)的精度[5-7]。

2 理論模型及巖石物性參數(shù)

速度是彈性波傳播的基礎(chǔ)參數(shù)之一，利用地震波速度去認(rèn)知巖體的完整性及物性參數(shù)特征，能夠提高研究的精度。無(wú)論是反射波、透射波和還是折射波，其在地層中傳播的速度決定于巖石的彈性常數(shù)和密度?；诰鶆颉⒏飨蛲院屯耆珡椥越橘|(zhì)的地震波，其傳播遵循下列方程：

(1)

在理想介質(zhì)下，巖體中物性參數(shù)與巖體的縱橫波速度之間存在如下關(guān)系：

(2)

(3)

其中,ρ為巖石的密度;E,σ為彈性模量和泊松比系數(shù)。對(duì)比(2)、(3)公式，顯然有υP>υS。在流體介質(zhì)中，υS=0，所以橫波的傳播與縱波不同，它不受巖石在孔隙中充填的流體的影響。(2)式、(3)式相除得：

(4)

如果υP、υS已知時(shí)，可由上式解得：

(5)

由公式：

(6)

在巖石這個(gè)介質(zhì)中，物性參數(shù)主要包括楊氏模量(E)、泊松比(σ)、切變模量(μ)、體積模量(K)與拉梅常數(shù)(λ)，其是分辨巖性的基礎(chǔ)參數(shù)，其中，E和σ是常用的二個(gè)彈性參數(shù)。在一定物理環(huán)境下，已知VP、VS和密度(ρ)，巖石其它的物性參數(shù)可根據(jù)公式計(jì)算出來(lái)[8-9]，而在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量巖石的物性參數(shù)中，σ是非常重要的參數(shù)，其與VP、VS對(duì)解釋煤層頂?shù)装逦镄詤?shù)至關(guān)重要。

3 巖體物性參數(shù)試驗(yàn)

3.1 巖體縱、橫波速

巖石介質(zhì)的密度和物性參數(shù)是巖石的固有屬性，他們的不同，意味著地震波傳播速度的不同。如公式(4)所表達(dá)的，巖石縱波的傳播速度大于橫波，在同一介質(zhì)中縱波速度約為橫波速度的1.414～1.732 倍。在液體氣體介質(zhì)中，切變模量μ=0 ，因而橫波速度為零即意味著橫波只存在于固體介質(zhì)中[7]。通過(guò)對(duì)淮南、鐵法等礦區(qū)87個(gè)煤系沉積巖石的巖樣獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可知沉積巖石的橫波速度(υS)與縱波速度(υP)與之間呈現(xiàn)出很好的正相關(guān)性，縱波速度越大，橫波越大。其關(guān)系式為[8-9]：

υs=0.56υP+192.74，R=0.98

(7)

3.2 巖石密度與聲波速度

當(dāng)今國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的研究成果認(rèn)為巖石的波速和密度之間一般都是正相關(guān)關(guān)系，大多學(xué)者選擇用線性函數(shù)來(lái)表示他們的關(guān)系。由于煤系沉積巖石在成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及成巖作用的不同，導(dǎo)致巖石密度的差異，不同密度的巖石具有不同的聲波速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，煤系巖石密度ρ(g/cm3)與其聲波速度之間為非線性正相關(guān)關(guān)系，它們之間的關(guān)系可表示如下[8-9]：

(9)

3.3 動(dòng)、靜彈性力學(xué)參數(shù)

巖體的動(dòng)態(tài)彈性模量和靜態(tài)彈性模量是巖體在兩種不同外力作用下的力學(xué)參數(shù)[8]。巖石的彈性模量和泊松比可以由靜態(tài)載荷試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)方法獲得。動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)獲取超聲波在巖樣中的傳播速度計(jì)算得來(lái)的；靜彈性力學(xué)參數(shù)是在靜荷載作用下獲取橫向和縱向變形數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算其靜彈性力學(xué)參數(shù)(E，μ)[10-16]。動(dòng)、靜彈性力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)獲取的巖石靜彈性參數(shù)一般要小于動(dòng)彈性參數(shù)，也就是靜彈性模量與靜泊松比要小于其動(dòng)彈性模量與動(dòng)泊松比，這是由于采用動(dòng)態(tài)方法測(cè)試時(shí)巖樣處于完全彈性狀態(tài)所致。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明它們之間呈線性相關(guān)關(guān)系，沉積巖石動(dòng)彈性模量與靜彈性模量之間的線性回歸方程為[8-9]：

Ed=0.763 2Es+22.604

(10)

式中：Ed為動(dòng)彈性模量(GPa)；Es為靜彈性模量(GPa)；相關(guān)系數(shù)R=0.87，統(tǒng)計(jì)數(shù)N=47。

沉積巖石動(dòng)泊松比與靜泊松比之間的線性回歸方程為[8-9]：

μd=0.289 9μs+0.1366

(11)

式中：μd為動(dòng)泊松比；μs為靜泊松比；相關(guān)系數(shù)R=0.61，統(tǒng)計(jì)數(shù)N=21。

3.4 巖石單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度與聲波速度

試驗(yàn)研究表明，煤系巖石力學(xué)參數(shù)與其縱波或橫波速度具有較好的相關(guān)性，隨著縱波或橫波速度的增加煤系巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也增大，試驗(yàn)成果分析可知，煤系巖石單軸抗壓強(qiáng)度與其縱波或橫波速度之間具有如下指數(shù)關(guān)系：

(12)

式中：Rc為煤系巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；

試驗(yàn)成果分析可知，煤系巖石單軸抗拉與其縱波或橫波速度之間具有如下線性相關(guān)關(guān)系：

(13)

式中：Rt為煤系巖石單軸抗拉強(qiáng)度(MPa)；

3.5 波速與孔隙度

近年來(lái)，有一系列論文討論縱橫波速度與孔隙度關(guān)系，方法眾多，但得出的結(jié)果比較類(lèi)似。本文采用的是Castagna等從測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的波速與孔隙度的關(guān)系式[13]：

φ=0.823 7-0.567 9υp+0.615 2υs

(14)

4 應(yīng)用

淮南煤田劉莊區(qū)為一全隱蔽煤田，地形平坦，其構(gòu)造單元隸屬淮南復(fù)向斜中西部的次一級(jí)褶皺——陳橋背斜之南翼，為一軸向北西西向的不完整且略有起伏的寬緩向斜。向斜北翼地層傾向南，傾角10°～20°，向軸部逐漸變緩。F14斷層以西傾斜。南翼有區(qū)域性F1斷層，并形成疊瓦式構(gòu)造，使老地層推復(fù)到煤系地層之上。另外，工區(qū)東西兩側(cè)受F5、F12邊界斷層影響，從東到西分為三個(gè)塊段。

通過(guò)整理劉莊區(qū)13口地震測(cè)井資料，與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)相比，測(cè)井資料所得到的巖石物性參數(shù)更能反映其在地層狀態(tài)下的實(shí)際特征，采用速度標(biāo)定的方法獲得區(qū)內(nèi)鉆孔層間速度參數(shù)。依據(jù)全區(qū)所有鉆孔求得的速度參數(shù)，結(jié)合地震信息和測(cè)井信息勾制平面速度分布圖，從而更精確地描述速度參數(shù)在三維空間的變化(圖1)[17]。

圖1 劉莊區(qū)T0速度分布圖Figure 1 T0velocity distributions in Liuzhuang area

圖2 劉莊區(qū)巖層密度分布圖Figure 2 Rock density distributions in Liuzhuang area

由圖1和公式(8)、(9)可分別求出橫波速度(υS)和密度(ρ)，進(jìn)而可生成其密度變化分布圖(圖2)。

在煤礦開(kāi)采中，準(zhǔn)確的巖石力學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)巷道的工程施工、煤礦深部地質(zhì)力學(xué)研究具有指導(dǎo)意義[15-16]；由縱波速度(υP)、橫波速度(υS)和密度(ρ)可分別求出其余的巖石物性參數(shù)。參考國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的最新研究成果，預(yù)測(cè)的相關(guān)成果如表1及圖3—圖8。

從上述成果圖中可知，該地區(qū)的各個(gè)物性參數(shù)的分布規(guī)律明顯，證明地震信息預(yù)測(cè)巖石力學(xué)參數(shù)的方法具有可行性。依據(jù)淮南煤田劉莊區(qū)地震勘探數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)巖石物性參數(shù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明其計(jì)算的物性參數(shù)與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。

表1 劉莊區(qū)煤層頂?shù)装鍘r體物性參數(shù)計(jì)算值

圖3 劉莊區(qū)動(dòng)泊松比分布圖Figure 3 Dynamic Poisson's ratio distributionsin Liuzhuang area

圖4 劉莊區(qū)體積模量分布示意圖Figure 4 A schematic diagram of bulk modulus distributionsin Liuzhuang area

圖5 劉莊區(qū)動(dòng)彈性模量分布示意圖Figure 5 A schematic diagram of dynamic elasticity modulusdistributions in Liuzhuang area

圖6 劉莊區(qū)單軸抗壓強(qiáng)度分布示意圖Figure 6 A schematic diagram of uniaxial compressivestrength distributions in Liuzhuang area

圖7 劉莊區(qū)單軸抗拉強(qiáng)度分布示意圖Figure 7 A schematic diagram of uniaxial tensile strengthdistributions in Liuzhuang area

圖8 劉莊區(qū)孔隙度分布示意圖Figure 8 A schematic diagram of porosity distributionsin Liuzhuang area

5 結(jié)語(yǔ)

①煤層頂?shù)装鍘r石物性參數(shù)可以用地震、地質(zhì)、測(cè)井相結(jié)合的方法進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)區(qū)的試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)資料，由地震資料及測(cè)井資料，采用速度標(biāo)定的方法，繪制平面速度分布圖，全面而更精確地描述了速度參數(shù)在三維空間的變化。

②搭建了地質(zhì)與物探之間的橋梁，把過(guò)去定性的問(wèn)題用定量的方法去直接實(shí)現(xiàn)，并用于煤礦開(kāi)采的實(shí)踐中去。隨著技術(shù)的進(jìn)步，地震信息預(yù)測(cè)煤礦地質(zhì)問(wèn)題將更加具有可操作性。

③由地震信息解決了巖石力學(xué)參數(shù)，為煤田開(kāi)采，降低決策風(fēng)險(xiǎn)和開(kāi)采施工提供了科學(xué)依據(jù)。

④目前該方法對(duì)預(yù)測(cè)巖石物性參數(shù)還有一定的局限性，如何更加有效地解決地震信息和地質(zhì)信息之間的關(guān)系，還需進(jìn)一步研究。