黃忠正，莫仕林，鄒冠貴*，張釗基

(1.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，銀川 750011；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

在煤系地層富水性預(yù)測中，早期研究將富水巖層作為單相介質(zhì)進行分析，其核心觀點是將流體對于巖石性質(zhì)的影響，通過一系列近似假設(shè)，等效為巖石基質(zhì)對于巖石性質(zhì)的影響[1-2]。由于固相和液相本質(zhì)上存在較大差異，這種等效近似方法往往與實際情況有很大偏差。

隨著巖石物理學(xué)的發(fā)展，大量學(xué)者開始認為巖石基質(zhì)組成的固體組分、巖石內(nèi)流體組分以及固相與流相之間的耦合作用，三者分別對地震波的傳播有影響?；诖?，Biot[3-7]提出了大量與實際介質(zhì)更為接近的孔隙介質(zhì)理論,通過考慮介質(zhì)中存在的固相基質(zhì)顆粒與流相孔隙流體，進一步較為準確地描述巖石中地震波的衰減現(xiàn)象。部分學(xué)者基于Biot理論研究成果，結(jié)合地震資料和測井，進行了資源儲層含流體性預(yù)測。張慧星[8]基于無耗散機制的Biot理論，對比孔隙介質(zhì)與各向同性彈性介質(zhì)的頻譜區(qū)別，結(jié)合區(qū)域三維地震資料將上述差異應(yīng)用于油氣檢測，取得了成功。宗兆云等[9]構(gòu)建了不同跨尺度模型，建立了相對統(tǒng)一的三尺度地震波衰減巖石物理模型，求解其中的波動方程，得到了相應(yīng)的地震波衰減和頻散曲線。李全貴等[10]對彈性波在層狀煤巖、純煤、純砂巖中傳播的衰減特性進行了試驗研究，并總結(jié)了彈性波在不同類型煤巖體結(jié)構(gòu)衰減規(guī)律。

但在缺乏相關(guān)物探資料情況下，以往煤系地層富水性預(yù)測則主要依賴于水文地質(zhì)方法。針對侏羅系煤層頂板的突水問題，周振方等[11]選取合適的評價巖性結(jié)構(gòu)的地質(zhì)指標，對富水煤層的頂板——復(fù)合砂巖層進行了有效的富水性預(yù)測分區(qū)。但由于該方法理論基礎(chǔ)較為缺乏，此類方法難以獲得較為精確有效的結(jié)果。針對寧夏Ycw煤礦補充勘探區(qū)水文地質(zhì)特征，米萬隆[12]采用主流的水文地質(zhì)調(diào)查方法綜合分析研究，進一步查清了該區(qū)域的基本水文地質(zhì)特征，并在此基礎(chǔ)上，評價該區(qū)域主要的水文地質(zhì)類型為二類一型特征。劉小明[13]基于地質(zhì)踏勘與鉆孔抽水資料，研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦水害形成機理。席政等[14]從礦區(qū)的水文地質(zhì)資料劃分含水層，確定礦區(qū)地下水補給、徑流、排泄、礦床充水等因素，針對特定水文地質(zhì)條件，健全礦山防治水措施，取得了良好的效果?？偟膩碚f，基于水文地質(zhì)調(diào)查和勘探獲得的富水性預(yù)測結(jié)果，其趨勢整體而言是可靠的，但其預(yù)測精度和準確性有待進一步提高。

鄒冠貴[15]研究認為，在缺乏測井與水文地質(zhì)資料的區(qū)域，依靠地震資料的衰減信息，有效預(yù)測煤系地層的富水性具有很大的研究價值。鑒于此，基于物理模型，結(jié)合各向同性介質(zhì)的物性參數(shù)特征分析方法，分析獲得相應(yīng)物性參數(shù)值，并對含單相介質(zhì)和孔隙介質(zhì)的砂巖地層進行正演模擬，總結(jié)其表現(xiàn)的地震頻譜特征。在模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對比單相介質(zhì)與孔隙介質(zhì)在地震波頻譜上的差異，建立差異評價指標，利用正演建模，模擬驗證評價指標的可靠性。以Ycw區(qū)實際資料特征與地質(zhì)條件等基本情況，利用縱波衰減特征進行砂巖地層富水性預(yù)測，與已有地質(zhì)資料結(jié)果進行對比。以期在煤系地層中應(yīng)用所提方法預(yù)測富水性，圈定富水區(qū)域，為預(yù)防煤層頂板突水事故的發(fā)生，確保煤礦安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 構(gòu)建含流體地層的衰減評價指標

分析各向同性單相介質(zhì)和孔隙介質(zhì)的物性參數(shù)特征，并通過正演模擬提取出模擬的縱、橫波頻譜特征，分析縱、橫波頻譜的異同點，提出初步的砂巖地層富水性評價指標。

1.1 各向同性孔隙介質(zhì)的物性參數(shù)特征分析

根據(jù)單相介質(zhì)波動理論可知，單相介質(zhì)是不具有衰減特征機理的，而根據(jù)孔隙介質(zhì)的波動理論，孔隙流體與巖石骨架之間的相對運動會導(dǎo)致巖石介質(zhì)中的地震波產(chǎn)生衰減。因此單相介質(zhì)與孔隙介質(zhì)的頻譜在理論上具備可觀測的差異。

基于上述孔隙介質(zhì)的衰減現(xiàn)象，認為建立正演模型分析孔隙介質(zhì)地震波的衰減特征，前提是對構(gòu)建模型的一系列物性參數(shù)進行假設(shè)或依據(jù)經(jīng)典理論較為準確地計算其值。從單相介質(zhì)性質(zhì)、孔隙流體性質(zhì)及孔隙介質(zhì)性質(zhì)3個方面進行參數(shù)設(shè)置或計算，具體如下。

首先，對于單相介質(zhì)，假設(shè)其為單相純砂巖，取值如表 1所示，其主要參考《巖石物理手冊》[16]中給出的單相純砂巖性質(zhì)，并以此為基礎(chǔ)，計算獲得孔隙介質(zhì)參數(shù)。

其次，對于孔隙流體，假設(shè)其均為純水，并給出純水的基本物性參數(shù)，設(shè)置流體物性參數(shù)如表 1所示。值得注意的是，上述流體參數(shù)的設(shè)置在后續(xù)研究中對孔隙介質(zhì)物性參數(shù)的計算產(chǎn)生影響。

表1 單相介質(zhì)與孔隙介質(zhì)正演參數(shù)

最后，對于孔隙介質(zhì)物性參數(shù)的分析如下。

(1)對于孔隙介質(zhì)中存在的固體骨架和孔隙流體基本物性參數(shù)，其質(zhì)量密度分別為ρs和ρf。根據(jù)孔隙中流體相對于固體的相對移動特征，引入動態(tài)質(zhì)量密度ρ11、ρ12、ρ22，也稱為等效質(zhì)量密度[17]。3個質(zhì)量密度參數(shù)的表達式為

(1)

τ=1-r(1-1/β)

(2)

式中：τ為彎曲參數(shù)，與表征孔隙形狀的參數(shù)r和孔隙度β有關(guān);ρ11為固體相對于流體移動時動態(tài)質(zhì)量密度；ρ12為流相和固相之間的質(zhì)量耦合參數(shù)；ρ22為流體相對于固體移動時的動態(tài)質(zhì)量密度。

(2)對于耗散系數(shù)b的計算，認為固體骨架和孔隙流體之間的相對運動滿足廣義達西定律，它包含一個新的參數(shù)：耗散系數(shù)b，其值由滲透率K、流體黏滯系數(shù)η和孔隙度β決定。耗散系數(shù)表示孔隙介質(zhì)的耗散作用，如內(nèi)摩擦等。如果要分析介質(zhì)中彈性波在高頻范圍內(nèi)傳播，則還需要黏滯性校正因子F(ω)[3-4]。

b=b11=b22=b33=ηβ2/K

(3)

(4)

式(4)中：ω為圓頻率；Δ為層面長度，假定該值為10-6m。

在低頻范圍內(nèi)，F(xiàn)(ω)的實部趨向1，虛部趨向0；在高頻范圍內(nèi)，F(xiàn)(ω)的實部和虛部都大于1。本次研究的頻帶范圍主要是在地震頻帶內(nèi)，屬于低頻范圍，因此黏滯性校正因子的計算結(jié)果接近于1。

(3)對于孔隙介質(zhì)的彈性系數(shù)，根據(jù)Biot[5]構(gòu)建的各向同性孔隙介質(zhì)的胡克定律，如果已知如下5個相互獨立的量：介質(zhì)的孔隙度β、固體骨架的體積模量KM(孔隙介質(zhì)中流體不能自由流動情況下測量的體積模量)、顆粒的體積模量Kun(孔隙介質(zhì)中流體能自由流動情況下測量的體積模量)、剪切模量μm、流體含量系數(shù)γ(單位壓力下進入孔隙介質(zhì)的流體體積)，就可以構(gòu)建三元一次方程組，求得各向同性孔隙介質(zhì)彈性參數(shù)的表達式為

(5)

計算過程中涉及的孔隙介質(zhì)基本參數(shù)如下。

KM=0.2Ks

(6)

式(6)中:Ks為單相純砂巖顆粒體積模量。

KM的表達式來源于經(jīng)驗公式[16]，基本表達式為

KM=(1-β/βc)Ks

(7)

式(7)中：βc砂巖臨界孔隙度，此處對于上述兩個表征孔隙度的參數(shù)取值，認為應(yīng)對應(yīng)高孔隙度砂巖層孔隙特征，即β=0.24，βc=0.3。

根據(jù)式(5)～式(7)可知，固體骨架和流體之間存在相互依存的關(guān)系。上述各向同性孔隙介質(zhì)彈性參數(shù)類似于彈性波理論中的拉梅常數(shù)A，若不考慮流體(Kun=KM)，則A=KM-2μm/3，剛性系數(shù)A和N就是不考慮流體時固體的拉梅系數(shù)。如果固體骨架沒有孔隙(β=0),則系數(shù)A和N就是固體骨架的拉梅常數(shù)。而大量研究表明，對于流體飽和情況下，孔隙介質(zhì)中的A和N一般大于等于各向同性介質(zhì)的拉梅系數(shù)，意味著流體的存在，反而增加了孔隙骨架的剛度[18]。此外，R反映流相的獨立參數(shù)，Q則反映固流耦合作用。

綜上，通過對于上述參數(shù)的分析計算獲得表 1所示正演建模參數(shù)值，進一步建模進行正演模擬，以獲得砂巖富水性衰減特征評價指標。

1.2 衰減特征評價的指標體系建立

由于現(xiàn)場情況復(fù)雜，需要簡化模型，在這里只考慮富水情況對地震波頻散衰減的影響來預(yù)測富水性?；谏鲜鑫镄詤?shù)，設(shè)計單層的孔隙介質(zhì)和單相介質(zhì)的正演模型，結(jié)合表 1所示參數(shù)，并采用如下模擬觀測系統(tǒng)：其中模型網(wǎng)格為200×200，網(wǎng)格大小為10×10，震源為縱波震源，設(shè)計震源主頻為20 Hz，模型中震源位置坐標為(400, 1 000)，模型中檢波點坐標位置為(0，2 000,1 400)，時間采樣頻率設(shè)計為1 ms，空間和時間精度分別為10階和2階，匹配層厚度為30個網(wǎng)格。以此進行正演模擬。得到正演地震數(shù)據(jù)后，基于傅里葉變換進行頻譜分析，結(jié)果歸一化后，縱橫波衰減特征分析結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

圖1 縱波衰減的頻譜特征

圖2 橫波衰減的頻譜特征

由圖1和圖2可以看出，孔隙介質(zhì)的頻譜特征和單相介質(zhì)的差異明顯，如果以孔隙介質(zhì)的極大值為中心，極大值的左端為低頻端，極大值的右端為高頻端，則孔隙介質(zhì)在低頻端，幅值較單相介質(zhì)大，而在高頻端，幅值較單相介質(zhì)小。

觀察頻譜特征還發(fā)現(xiàn)，其出現(xiàn)了頻譜“向低頻移動”的現(xiàn)象，如果以單相介質(zhì)的頻譜減去孔隙介質(zhì)的頻譜，則表現(xiàn)出低頻端為負值，高頻端為正值的現(xiàn)象。同時，對比可見這兩種介質(zhì)條件下橫波衰減量大于縱波。

分析獲得兩種介質(zhì)基本的頻譜特征差異后，建立并測試能準確反映上述頻譜差異特征的評價指標。

1.3 基于正演模擬測試衰減指標

基于 “向低頻移動”這一基本特征，為分析衰減特征評價指標，建立以下地質(zhì)模型，模型示意圖如圖3所示，該模型主要由3種介質(zhì)組成：背景介質(zhì)，流體介質(zhì)1和孔隙介質(zhì)2，各介質(zhì)中物性參數(shù)如表2所示。

圖3 孔隙介質(zhì)模型示意圖

表2 砂巖地層模型物性參數(shù)

表2中，背景介質(zhì)物性參數(shù)：Vp=3 500 m/s、Vs=2 020 m/s、密度ρ=2 275 kg/m3，上述參數(shù)為泥巖基本參數(shù)。介質(zhì)1取砂巖的物性參數(shù)，并再次基于上述分析的各向同性孔隙介質(zhì)的地震波傳播特征，計算得到表2所示的含飽和水砂巖的介質(zhì)物性參數(shù)。

基于上述模型參數(shù)，完成正演模擬獲得地震數(shù)據(jù)，并依據(jù)頻譜曲線，進行衰減特征分析。從圖4可以明顯看出，孔隙介質(zhì)位置的頻譜主頻降低，頻譜主頻的均值在60 Hz；取50、60、70 Hz的分頻屬性，在低頻范圍內(nèi)，孔隙介質(zhì)的頻譜為高值，其低頻高值基本特征在圖4藍色線和圖5中均有所顯示；在高頻范圍內(nèi)，可以看到孔隙介質(zhì)的頻譜為低值，其高頻低值基本特征在圖4深藍色線和圖6也有顯示；在其主頻范圍內(nèi)，則表現(xiàn)為低值，如圖4黃色線和圖7所示。

圖4 砂巖孔隙介質(zhì)數(shù)值模擬測試結(jié)果

圖5 砂巖孔隙介質(zhì)在50 Hz的分頻屬性

圖6 砂巖孔隙介質(zhì)在70 Hz的分頻屬性

圖7 砂巖孔隙介質(zhì)的頻譜主頻特征

為了更加顯著地凸顯低頻高值和高頻低值的特征，采用高頻低值去除以低頻高值，再乘以主頻低值，獲得更加顯著的頻譜差異，并認為其值越低的位置，地層富水性越強，以此作為衰減特征評價指標?；趯嶋H地震數(shù)據(jù)進行頻譜分析并預(yù)測地層富水性。

至此，通過分析計算含水砂巖的物性參數(shù)，利用這一系列物性參數(shù)進行頻譜分析和正演模擬分析，識別并驗證了含水砂巖層與周圍不含水砂巖層相比，頻譜表現(xiàn)出低頻高值、高頻低值和主頻低值的基本巖石物理特征，并基于此建立了衰減特征評價指標。接下來，基于此評價指標，利用Ycw礦區(qū)實際地震數(shù)據(jù)開展富水性預(yù)測，驗證上述設(shè)計的“低頻高值除以高頻低值，再乘以主頻值”這一富水性指標的實際應(yīng)用效果。

2 Ycw區(qū)域資料分析

2.1 Ycw區(qū)域直羅組地層地質(zhì)情況

Ycw煤礦位于鄂爾多斯盆地西緣寧東煤田靈武礦區(qū)內(nèi)，區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，是寧夏境內(nèi)最重要的煤炭生產(chǎn)基地之一[19]。已有地質(zhì)踏勘資料表明，作為Ycw區(qū)2號煤層的頂板地層，該地區(qū)侏羅統(tǒng)直羅組地層是一套半干旱-干旱條件下的河流-湖泊相沉積巖，據(jù)以往鉆孔揭露，厚度最小372 m，最大528 m，平均417 m，而該組含水層多集中在“七里鎮(zhèn)砂巖”內(nèi)，據(jù)鉆探結(jié)果顯示其范圍約為2號煤層向上100 m范圍內(nèi)，厚48～86 m，平均65 m。分析過程中，計算時窗是基于上述“七里鎮(zhèn)砂巖”最大厚度不超過100 m設(shè)計的，以較為可靠的包含完全該套地層。七里鎮(zhèn)砂巖主要成分為石英和長石，含有少量的酸性巖漿巖屑，還含有一些微量的副礦物，膠結(jié)物為黏土質(zhì)，結(jié)合上述巖性特征以及前人研究表明該地層富水性強[12]。

為了有效預(yù)測Ycw礦區(qū)侏羅系直羅組裂隙承壓含水層的富水性，在完成對該礦區(qū)內(nèi)直羅組地層的巖性、物性特征進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往解釋結(jié)果與鉆孔信息，確定了勘探區(qū)內(nèi)2號煤層的構(gòu)造發(fā)育和展布特征；結(jié)合地質(zhì)踏勘資料，進一步確定了直羅組地層層位與已完成構(gòu)造解釋的2號煤層層位之間的地震信號對應(yīng)關(guān)系。

2.2 Ycw區(qū)域煤層構(gòu)造地質(zhì)概況

如圖8所示，Ycw區(qū)2號煤及其上部直羅組地層，整體表現(xiàn)為NE向展布的一組斷裂帶；全區(qū)共精細解釋斷層27條，其中北東向斷層17條，上述27條斷層錯斷的主要可采煤層為2號煤和8下號煤，也錯段了包括2號煤頂板直羅組砂巖在內(nèi)的大量煤系地層；所發(fā)現(xiàn)的斷層以北東向正斷層為主，表明該地區(qū)以拉張應(yīng)力為主；根據(jù)二號煤煤層底板等高線所展示的地層起伏，可知全區(qū)煤層整體呈現(xiàn)北東向高，南西向低的趨勢，結(jié)合構(gòu)造解釋成果，認為該區(qū)域?qū)儆诒睎|高，南西低的背斜形地層；據(jù)此初步判斷在其地層地勢較低處，如南西向和南向局部位置容易形成富水區(qū)。結(jié)合以往地質(zhì)資料可知，在Df-24斷層(原礦方提供資料命名為Df-5斷層)所在位置附近，富水性較強[12]。對這一點的認識，可作為后續(xù)富水性預(yù)測結(jié)果準確性的驗證依據(jù)。

圖8 2號煤底板等高線示意圖

2.3 Ycw區(qū)的地震資料頻譜分析

根據(jù)上述正演分析獲得的認識，認為砂巖富水強的位置，對應(yīng)著“主頻表現(xiàn)為低值，低頻表現(xiàn)為高值，高頻表現(xiàn)為低值”的地震衰減特征，接下來基于實際地震數(shù)據(jù)對Ycw直羅組砂巖富水性進行預(yù)測。

結(jié)合全區(qū)地震資料，對全區(qū)的主頻屬性進行分析。從圖9(a)可以看出，低頻區(qū)域大部分位于構(gòu)造帶附近，表明勘探區(qū)內(nèi)的砂巖富水性與構(gòu)造關(guān)系密切，還分析圖示數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)的主頻平均值約為 40 Hz，主頻的最小值為15～25 Hz，最大值為 75～85 Hz。因此，認為 40 Hz以下為低頻區(qū)域，40 Hz以上為高頻區(qū)域，進行分頻屬性提取。獲得 30 Hz 的低頻分頻屬性[圖9(b)]和70 Hz 的高頻分頻屬性[圖9(c)]，以及40 Hz的主頻分頻屬性(圖10)?；谏鲜鲵炞C獲得的富水性預(yù)測評價指標——“高頻屬性低值除以低頻屬性高值，再乘以主頻屬性低值”計算獲得圖10所示結(jié)果，根據(jù)上述的砂巖富水強的位置具有 “主頻低，低頻高，高頻低”的特征可知，低值區(qū)域即表征本礦區(qū)富水性較強的位置。

圖9 提取Ycw區(qū)不同分頻屬性值

黑線為基于富水性分析獲得的斷層走向形態(tài)

2.4 Ycw區(qū)直羅組地層富水性預(yù)測結(jié)果分析

依據(jù)上述分析，獲得結(jié)果如圖13所示，可以看出，低值分布主要是沿著構(gòu)造帶，分析認為構(gòu)造帶附近斷層較多，裂隙發(fā)育，存在流體富集的地質(zhì)條件，是一個砂巖地層富水的有力區(qū)，因此認為預(yù)測結(jié)果與地質(zhì)認識是基本相符的[20]。其中對于Df-24(對應(yīng)原始資料Df-5)，Df-07和Df-02(對應(yīng)原始資料Df-4)三條大正斷層的富水性位置特征，可作為預(yù)測結(jié)果的驗證特征。根據(jù)前文及文獻[12]所述，結(jié)合基于實際地震資料完成構(gòu)造解釋獲得的斷層展布特征，認為Df-24斷層附近所在位置是富水區(qū)域，完成數(shù)據(jù)歸一化后，以此處計算結(jié)果“4”，作為基本富水與否的閾值，選擇值小于4的區(qū)域為富水區(qū)，得到圖10所示結(jié)果；對于Df-07斷層，其富水性整體偏低，這與其作為正斷層，易形成導(dǎo)水通道的地質(zhì)認識相符，且由于其所在位置的地層標高變化最為劇烈，因此該正斷層在大多數(shù)情況下，是作為導(dǎo)水通道，使得北東向標高較高的地層水，流向南西向標高較低地層；對于Df-02斷層，其北東方向富水性較弱，可能的原因是該位置的標高較高，使得富水性整體較低，這也與全區(qū)標高較高的位置比標高較低的位置富水性弱的基本特征相吻合。

基于上述預(yù)測結(jié)果準確性的基本分析，認為該預(yù)測結(jié)果填補了Ycw區(qū)富水性預(yù)測的空白，預(yù)測結(jié)果與地質(zhì)資料相比，精度更高。同時認為通過構(gòu)造解釋獲得Df-24斷層走向(圖8)，與基于上述富水性分析獲得的斷層走向形態(tài)(圖10中黑線所示)基本一致，認為上述預(yù)測結(jié)果與實際基本相符。

3 結(jié)論

鄂爾多斯盆地Ycw井田2號煤層，采掘過程中發(fā)現(xiàn)其頂板直羅組砂巖富水性較強，對煤礦安全開采有較為嚴重的影響?；诳紫督橘|(zhì)與單相介質(zhì)在地震頻譜上的特征差異，并依據(jù)該差異，提出一種砂巖富水性評價指標；通過正演模擬分析，驗證了評價指標的有效性；并依據(jù)實際地震數(shù)據(jù)完成該區(qū)直羅組砂巖富水性預(yù)測，得出如下主要結(jié)論。

(1)孔隙介質(zhì)的地震波頻譜與單相介質(zhì)相比，表現(xiàn)出 “往低頻移動”的差異。

(2)可以利用“頻譜的主頻和分頻衰減機制屬性不同”來綜合識別頻譜差異，建立流體衰減機制的評價指標；針對砂巖地層，利用正演模擬驗證了指標的有效性。

(3)通過分析和實踐應(yīng)用表明，利用地震波的衰減特征預(yù)測砂巖富水區(qū)是可行的?；谡菽M分析認為，直羅組砂巖層的縱波衰減特征，符合“主頻低值，低頻高值，高頻低值”。并基于此建立衰減評價指標，對礦區(qū)內(nèi)直羅組地層富水性進行預(yù)測，分析認為預(yù)測結(jié)果準確性較高。該應(yīng)用實踐表明，雖然地下地質(zhì)情況是復(fù)雜多變的，然而基于衰減分析獲得的結(jié)果與已知資料吻合很好，且與地質(zhì)資料分析結(jié)果相比，精度更高，能為該礦安全開采提供更有價值的參考。