CN101231346A

CN101231346A - 应用地震波速度预测煤、岩体物理力学参数方法

Info

Publication number: CN101231346A
Application number: CNA2008101009008A
Authority: CN
Inventors: 孟召平
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2008-07-30

Abstract

基于弹性波传播理论，从纵波速度、横波速度及密度基本参数出发，通过理论分析和试验研究，提供了纵、横波速度转换的理论模型和试验模型以及波速与密度转换的试验模型，定量描述了煤系沉积岩石基本物理参数和模型。以声波速度实验为基础，由岩石纵波速度和横波速度以及岩石密度三参数，并同步测试了煤系岩石的静态力学参数，通过试验数据进行统计及回归分析，建立了煤系沉积岩石动弹性力学参数与静弹性力学参数之间和煤系岩石物理力学参数与其声波速度之间的相关关系和模型。提出了采用波阻抗反演层速度方法获得地震波层速度参数，开发了基于地震信息的岩石(体)物理力学参数分析软件，实现煤、岩体原位物理力学参数计算。

Description

应用地震波速度预测煤、岩体物理力学参数方法

技术领域

在煤田地震勘探中，除了要查明采区内构造和煤层分布外，还要反演岩性及其力学参数，这些已成为当前国内外许多学者关注的课题。有关煤层及其顶底极岩体物理力学参数分析目前主要处于室内实验研究阶段，如何从地震信息中提取更多的地质信息，实现煤层及其顶底板岩体物理力学参数预测，对于煤炭开采巷道支护设计、煤与瓦斯突出和井下突水危险性预测评价具有重要的理论和实际应用意义。

背景技术

三维地震勘探是利用地下地层介质弹性参数变化所引起的地震波场变化进行地质体反演的一种方法或技术。地震波是地球物理学家用以研究地球深处现场物理性质的最有力的工具，而弹性理论则是地震学方法赖以发展的基本理论框架。早在19世纪20年代，Navier、Cauchy、Poisson等人就已经建立了弹性力学的第一个通用的方程组，对弹性波理论的发展作出了杰出的贡献，直到20世纪70年代，地震学和地震勘探都主要以完全弹性和各向同性的物理假设为基础。从20世纪70年代开始，由于石油勘探的需要，以及地震勘探数字化后能提供比以前更为先进的一整套方法技术，就使得地震波动力学问题的理论研究和实际应用，取得了较大进展，例如亮点技术、波动方程模拟、波动方程偏移和反演、地震地层学等就是具有代表性的几个方面。随着地震波动力学理论和地震波的止、反演技术在地震勘探中的迅速发展，尤其是地震地质学的发展进一步推动了各向异性介质中弹性波传播理论的研究。在我国的煤炭工业中，地震技术的采用始于1955年，早期主要是寻找新煤田和新的含煤区。直到70～80年代，才在安徽、山东、江苏、河南等省采用地震一钻探相结合的综合勘探技术，进行煤炭资源的普查、详查和精查勘探。90年代以来，以高分辨三维地震勘探为核心的采区物探技术受到普遍重视，取得突破性进展，在淮南矿区开展的工作获得了高分辨率、高信噪比、高密度三维数据体，查明了埋深400-700m，落差5m左右的小断层和幅度大于5m的小褶曲。尽管国内外学者在地震资料的处理、解释取得了很大的进展，但是，地震资料解释工作仍然停留在强烈地依赖解释人员经验的阶段，地震资料中包含的大量信息被白白浪费，如何应用地震波信息进行岩性解译和岩石(体)力学参数分析，目前受到普遍关注。目前测量岩石弹性参数的方法有两种，一是测量岩石在静荷载作用下纵横向应变，然后计算岩石的静弹性力学参数的静态法；二是测量岩石纵横波速度，根据弹性理论，计算岩石动弹性力学参数的动态法。超声-时间方法主要利用弹性脉冲，即弹性波在固体介质中的传播。由于这种弹性波，即声波不仅对岩石具有一定的穿透力和分辨力，而且它在介质中传播时与介质相互作用，使接收波中携带了与岩石物理力学性质相关的各种信息，因此，通常用于材料的无损检测。该技术在岩土特性检测及混凝土探测中得到了广泛应用，获得了有关岩(石)体的动弹性力学参数，并与静弹性力学参数进行了一些实验对比研究，获得一些经验公式。但以往的研究仅局限在动弹性模量和动泊松比与静弹性模量和静泊松比之间的相关分析上，但如何应用声波速度预测其它岩石(体)物理力学参数(密度、抗压强度和抗拉强度等)方面的研究涉及不多，且针对的岩石较多的是火成岩和常见的几种变质岩，如大理岩、花岗岩等。岩石声波速度是岩体质量评价的重要指标，受到国内外学者的重视。含煤岩系是一套在成因上有共生关系并含有煤层(或煤线)的沉积岩系，简称煤系。含煤岩系形成是在潮湿气候条件下沉积盆地边缘发生的充填，主要由陆源碎屑岩和煤层构成，岩性多为砂岩、粉砂岩和粘土岩。由于含煤岩系形成于地壳浅部，其生成和赋存环境与岩浆岩或变质岩显然不同，岩性较为软弱，变化较大，——————————————————

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助(973计划)课题(2007CB209405)，国家自然科学基金项目(40772100)和全国优秀博士学位论文作者专项资金(200247)联合资助。成分和结构复杂，使得含煤岩系岩石具有不同于其它岩类的变形力学特性，因此对煤系岩石进行声波速度(V_P，V_S)测试，并建立煤系岩石力学参数与其声波速度之间的相关关系和模型，将为三维地震信息预测岩石(体)力学参数和岩性解译提供系统的试验和理论基础。

发明内容

(1)基于弹性波传播理论，从纵波速度、横波速度及密度基本参数出发，通过理论分析和试验研究，提供了纵、横波速度转换的理论模型和试验模型以及波速与密度转换的试验模型，定量描述了煤系沉积岩石基本物理参数。(2)以声波速度实验为基础，由岩石纵波速度和横波速度以及岩石密度三参数，并同步测试了煤系岩石的静态力学参数，通过试验数据进行统计及回归分析，建立了煤系沉积岩石动弹性力学参数与静弹性力学参数之间和煤系岩石物理力学参数与其声波速度之间的相关关系和模型。(3)提出了采用波阻抗反演层速度方法获得地震波层速度参数。(4)开发了基于地震信息的岩石(体)物理力学参数分析软件，实现原位煤、岩体物理力学参数计算。

具体实施方式

(一)煤、岩体物理力学参数计算模型

1、基本参数计算

基于弹性波传播理论，从纵波速度、横波速度及密度基本参数出发，通过理论分析和试验研究，提供了纵、横波速度转换的理论模型和试验模型以及波速与密度转换的试验模型，定量描述了煤系沉积岩石基本物理参数和模型。该基本参数模块是岩石(体)物理力学参数定量描述的基础。

(1)纵波与横波速度的转换模型

在地震信息及多数测井中很少有横波资料，然而横波速度在岩性、裂缝和油气识别等方面具有很多优越的性能，并且是岩石(体)物理力学参数计算的基本参数之一。因此由从地震信息中提取的已知的纵波速度和横波速度或通过建立纵波速度与横波速度之间的转换模型，实现横波速度预测是必要的。

通过对87个不同沉积岩石实验数据的统计分析表明岩石的横波速度(V_S)与纵波速度(V_P)之间呈现出很好的线性相关性，其关系式为：

V_s＝0.567V_p+192.74 (1)

理论上横波和纵波的速度比为：

\frac{V_{S}}{V_{P}} = \sqrt{\frac{1 - 2 μ}{2 (1 - μ)}} - - - (2)

由于μ的变化范围为

因此，V_S/V_P取值范围为也就是说，同一介质中横波的传播速度总是小于纵波的传播速度，且最多也只能达到纵波速度的

倍。因而在地震观测中总是先记录到纵波，而后才能记录到横波。对许多常见的岩石，泊松比约等于0.25。在这种情况下，

V_{s} / V_{p} = \frac{1}{\sqrt{3}} .

由此可以看出，实验结果与理论分析完全吻合。由于在地震勘探中一次爆炸产生的纵波能量比横波要强的多，因此目前在地震勘探中主要利用纵波。在已知纵波的情况下，根据式(1)和(2)我们可以准确地计算出横波速度。

(2)密度的转换模型

由于煤系沉积岩石在成分、结构和构造以及成岩作用的不同，导致岩石密度的差异，不同密度的岩石具有不同的声波速度。实验结果统计表明，煤系岩石密度ρ与其声波速度之间为非线性正相关关系，它们之间的关系可表示如下：

ρ＝k₂V²+k₁V+k₀ (3)

式中：ρ为煤系岩石密度(g/cm³)；V为煤系岩石纵波或横波速度(m/s)；k₀、k₁和k₂为取决于煤系岩石纵波或横波速度和岩性的参数。

2、岩石(体)物理力学参数分析模型

根据弹性波传播理论，以声波速度实验为基础，由岩石纵波速度和横波速度以及岩石密度三参数，通过试验数据进行统计及回归分析，建立了各种岩石弹性参数之间的关系；纵、横波速度与密度，孔隙度以及岩石强度等参数之间的关系，解决了岩石与岩体之间的动、静弹性模量和动、静泊松比的转换问题。这些试验分析的结果为岩石(体)物理力学参数分析与预测奠定基础。

(1)基于地震波速度的动弹性力学参数计算模型

根据弹性波传播理论，若岩石纵波速度和横波速度以及岩石密度已知，则按(4)和(5)式能计算出岩石的动弹性模量和动泊松比。

动弹性模量：

E_{d} = kρ V_{s}^{2} \frac{(3 V_{p}^{2} - 4 V_{s}^{2})}{(V_{p}^{2} - V_{s}^{2})} - - - (4)

动泊松比：

μ_{d} = \frac{(V_{p}^{2} - 2 V_{s}^{2})}{2 (V_{p}^{2} - V_{s}^{2})} - - - (5)

式中：E_d-动弹性模量(GPa)；μ_d-动泊松比；ρ-岩石试样的密度(g/cm3)；V_p-纵波速度(m/s)；V_s-横波速度(m/s)；k-取决于单位的常数。

(2)动弹性力学参数与静弹性力学参数之间的关系模型

岩石的弹性模量和泊松比可以由静态载荷试验和动态方法获得。动弹性力学参数是通过岩石声波速度实验测得的纵波速度和横波速度以及岩石密度计算出动弹性模量和动泊松比。静弹性力学参数是通过岩石试样的强度试验获得的横向和纵向变形数据计算出的完整岩石的静弹性参数(E，μ)。由于测试方法的不同，煤系沉积岩石的动弹性参数要大于静弹性参数，也就是动弹性模量与动泊松比要大于其静弹性模量与静泊松比，它们之间呈线性相关关系。这是由于采用动态方法测试时岩石试样对瞬间应变或高应变速率和很低应力作用的响应处于完全弹性状态所致。

沉积岩石动弹性模量与静弹性模量之间的线性回归方程为：

E_d＝0.7632E_s+22.604 (6)

式中：E_d为动弹性模量(GPa)；E_s为静弹性模量(GPa)；相关系数R＝0.87，统计数N＝47。

沉积岩石动泊松比与静泊松比之间的线性回归方程为：

μ_d＝0.2899μ_s+0.1366 (7)

式中：μ_d为动泊松比；μ_s为静泊松比；相关系数R＝0.61，统计数N＝21。

(3)岩石单轴抗压和抗拉强度与地震波速度之间的关系

试验研究表明，煤系岩石单轴抗压强度和抗拉强度与其纵波或横波速度具有相关性，随着纵波或横波速度的增加煤系岩石的单轴抗压强度和抗拉强度也增大。

回归分析结果表明，煤系岩石单轴抗压强度与其纵波或横波速度之间具有如下指数关系：

R_c＝ae^bV (8)

式中：R_c为煤系岩石单轴抗压强度(MPa)；V为煤系岩石纵波或横波速度(m/s)；a和b为取决于煤系岩石纵波或横波速度和岩性的参数。

回归分析结果表明，煤系岩石单轴抗拉与其纵波或横波速度之间具有如下线性相关关系：

R_t＝b+aV (9)

式中：R_t为煤系岩石单轴抗拉强度(MPa)；V为煤系岩石纵波或横波速度(m/s)；a和b为取决于煤系岩石纵波或横波速度和岩性的参数。

(4)岩石内摩擦角和凝聚力与地震波速度之间的关系

试验研究表明，煤系岩石内摩擦角和凝聚力与其纵波或横波速度具有相关性，随着纵波或横波速度的增加煤系岩石的内摩擦角和凝聚力也增大。统计表明，煤系岩石内摩擦角和凝聚力与其纵波之间较好地服从幂函数关系，其模型为：

φ＝aV^b (10)

C＝kV^x (11)

式中：φ为煤系岩石内摩擦角(°)；C为煤系岩石凝聚力(MPa)，V为煤系岩石纵波或横波速度(m/s)；a、b和k、x为取决于煤系岩石纵波或横波速度和岩性的参数。

(二)波阻抗反演层速度方法

速度在地震勘探中是一个重要的参数，它也是进行地震勘探的物理基础之一。根据上面的计算模型可以看出，煤、岩体物理力学参数计算的关键是获取准确的地震波速度。

1、波阻抗反演层速度的原理

在求取层速度的过程中，利用测井资料结合三维地震数据体及其解释成果进行多井约束下的波阻抗反演(稀疏脉冲反演结合地震约束的测井曲线反演)。通过层位标定确定煤层及顶底板所对应的波阻抗层，然后沿层提取该波阻抗层(煤层及顶底板所对应的)波阻抗值。再除以煤层及顶底板所对应的密度，可得到层速度。

该反演是将测井资料与地震资料紧密结合，二者相互约束，在时间、深度域上通过声波曲线建立正确的时深关系，从而对整个地震数据体进行各类测井曲线反演。其原理如下：

地震记录(S)＝反射系数(R)*子波(w)

S = F (R, W)

= F (Sonic, Den, W)

= F (Sonic, Den, Poro, Per, \cdot \cdot \cdot, W)

= F {Σ_{i = 1}^{N} [Log (i) * Weight (i)]}

= F {Σ_{i = 1}^{N} [PCA (i) * Weight (i)]}

其中：PCA为主分量，Weight为权重因子。

反演地震道＝主分量1×权重因子1+主分量2×权重因子2+主分量i×权重因子i+…主分量n×权重因子n。

反演过程中主要有四个严格的约束条件，即(1)原始测井曲线与反演出的测井曲线闭合差达最小；(2)反演出的第i道与i+1道闭合差达最小；(3)实际地震记录与合成地震记录闭合差达最小；(4)反演出的地震厚度与钻井厚度闭合差达最小。

2、反演的基本方法

在地震精细解释和测井处理的基础上，运用JASON反演软件进行反演分析，为了保证反演精度和准确性，采取了以下方法：

(1)层位标定及子波提取

层位标定是波阻抗反演的基础，它能确定地震反射与地质界面的对应关系，同时也是认识工区地震资料波组特征的关键。在标定之前，根据地震资料的主频，我们提取了一系列子波试验，确定反演的子波。

(2)地质模型的建立

利用解释的层位和断层数据，结合地层间接触关系以及其内部地震反射特征和断裂组合方式，建立了基本反映研究区沉积体地质特征的初始模型。在此基础上输入时深转换好的井数据，在初始模型的控制下，根据反距离加权法对测井数据进行内插和外推，从而得到如波阻抗、电阻率等多种模型数据。

(3)约束稀疏脉冲反演

约束稀疏脉冲反演是建立在一个趋势约束的脉冲反演算法基础之上的。其具体运算过程是从地震道中根据稀疏的原理抽取反射系数，再与子波褶积生成合成地震数据，然后比较合成地震数据与原始地震数据，根据它们之间的差值修改反射系数序列，再做合成地震数据，如此迭代下去，直到合成地震数据与原始地震数据的残差达到要求为止，此时就可得到最终的波阻抗数据。

(4)道合并

由于约束稀疏脉冲反演所得到的波阻抗数据是以地震数据为基础的，所以其结果缺少低频波阻抗信息，因此必须对其进行低频波阻抗的补偿。依据对地震数据的频谱分析，利用jason反演软件的道合并模块，对约束稀疏脉冲反演的结果进行低频波阻抗补偿，从而得到最终的绝对波阻抗数据体和电阻率数据体。

(5)煤层及顶底板围岩的波阻抗提取及层速度求取

得到波阻抗数据体后，针对煤层而言，沿所解释的煤层层位直接可提取全区煤层的绝对波阻抗值，再除以所在采区煤层的密度，得到了全区沿煤层的层速度资料。

针对煤层及其顶底板而言，采用了沿煤层顶板、底板上下各30米范围内提取并计算波阻抗的均值，确保30米所包含的岩性信息。再除以30米范围内所有岩性的密度平均值，得到了全区沿煤层顶板、底板上下各30米范围内的层速度资料。

要保证最终速度场的精度，需要注意以下几点：

(1)在资料解释中要做精细的层位标定，当层位标定不准，或在解释过程中出现“窜轴“等层位解释误差时，会对目的层位的平均速度场形态产生主要的影响，并造成时深转换时深度构造图的误差。

(2)对于测井资料、钻井资料、VSP资料，要认真分析它们的来龙去脉，要搞清楚各自的基准面，避免由于基准面不一致造成的速度层位和T₀时间层位不闭合所产生的速度场误差。

(3)建速度场的过程中井资料的使用。研究表明，由于地震资料(叠加速度，T₀数据)的高密度采样的优点，利用地震资料所建的速度场具有平面上速度规律性强、能控制全区速度场的特征，但与井资料相比，其纵向分辨率较低；由VSP资料、声波测井资料、地震微测井、钻井资料得到的速度纵向精度高，但控制速度横向变化规律的能力较差。因此，将二者结合，采用多井约束下的层速度反演，既能提高速度场的精度，又能控制速度场的横向变化规律。

Claims

1.煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系模型；

2.波阻抗反演层速度方法；

3.基于地震信息的岩石(体)物理力学参数分析软件。