CN102809761A - 一种获取煤岩的速度特征的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取煤岩的速度特征的控制方法，包括：获取需要勘探的煤岩的密度ρ并进行存储，根据获取的煤岩的密度ρ，通过V_P=aρV_P+b的方式计算得到该煤岩的垂直层理方向纵波速度V_P，其中a=0.416，b=791。本发明解决了当前国内不能在野外的实际煤田勘探中，获取国内不同变质程度煤岩的速度特征的问题。

Description

一种获取煤岩的速度特征的控制方法

技术领域

本发明涉及煤田勘探领域，尤其涉及一种获取煤岩的速度特征的控制方法。

背景技术

随着煤炭资源开采深度的加大，深部高温热害和深层煤岩与瓦斯突出等动力学灾害的危险程度逐渐提高，对煤田地震勘探精度的要求也逐渐提高。目前，煤田勘探不仅要求地震勘探预测小断层，还要求对深层煤顶底板岩性、构造煤分布、瓦斯富集程度等情况进行定性或定量的预测。随着煤层气资源勘探开发力度的加大，水平井技术得以广泛的应用，煤层气开发方案的确定需要提前精确预测煤厚和煤岩中裂缝的发育程度与发育方向。因此，煤田地震与测井约束反演方法逐渐在煤田勘探中得到应用与推广。正如油气田地震反演技术应用一样，煤田地震的反演也需要煤岩密度、速度及其相互换算的定量关系支持，以降低地震反演中的不确定性与多解性。

由于煤岩是典型的软岩，因此取芯和制样难度较大。而且由于以前煤田地震勘探主要以构造勘探为主，对于煤岩的声学弹性模量并无要求，使得国内外对于煤岩的声学特征的研究相对较少。在煤岩弹性参数测量的两种方法中，以静态法较多，主要是利用三轴应力—应变测试技术进行煤岩变形测量与弹性模量计算，目的是通过煤岩的力学参数的测量服务于井下巷道开采工程。由于动态法可以方便地模拟地层条件，从而使得动态法测量的弹性参数对实际地球物理勘探的指导意义更为明显。

由于煤炭并非国外的主要能源，加之国外的煤田构造简单，国际上对煤岩的弹性测量研究较少,而主要通过与测井数据的对比和合成地震记录重点分析煤系地层的地震反射特征及其对油气储层反射特征的影响。

对于国内煤田勘探而言，随着阻抗反演的推广应用，对于煤岩弹性模量特征的研究需求越来越多。但目前通过实验室进行超声测试才能得到煤岩的速度特征，由于涉及设备过多且过程复杂，这样对于国内在野外的实际煤田勘探来说是不现实的，而煤岩的速度特征对于煤田勘探来说是十分重要的参数。

因此当前需要一种获取煤岩的速度特征的技术方案来解决当前国内不能在野外的实际煤田勘探中，获取国内不同变质程度煤岩的速度特征的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种获取煤岩的速度特征的控制方法，解决了当前国内不能在野外的实际煤田勘探中，获取国内不同变质程度煤岩的速度特征的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种获取煤岩的速度特征的控制方法，包括：

获取需要勘探的煤岩的密度ρ并进行存储；

根据获取的煤岩的密度ρ，通过下述方式计算得到该煤岩的垂直层理方向纵波速度V_P：

V_P=aρV_P+b，

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_P为垂直层理方向纵波速度，单位m/s；a与b为统计系数，对于中国国内煤岩，a=0.416，b=791。

进一步地，上述方法还可包括：所述获取需要勘探的煤岩的密度是通过钻孔取芯进行质量和体积测量，获得煤岩的密度；或者是通过野外现场的地球物理密度测井直接获得煤岩的密度。

进一步地，上述方法还可包括：根据得到的垂直层理方向的纵波速度，通过下述方式计算得到垂直层理方向的横波速度：

V_P=a+bV_S，

其中V_P为垂直层理方向的纵波速度，V_S为垂直层理方向的横波速度，单位m/s；a与b为统计系数，对于中国国内煤岩，a=-490，b=2.23。

进一步地，上述方法还可包括：根据获取的煤岩的密度ρ，通过下述方式计算得到该煤岩的垂直层理方向横波速度：

V_S=aρV_S+b，

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_S为垂直层理方向横波速度，单位m/s；a与b为统计系数，对于中国国内煤岩，a=0.342，b=575。

与现有技术相比，应用本发明，通过测得的煤岩的密度，可以较精确地得到煤岩的纵横波速度，不再需要利用煤岩样品进行实验室的超声测量，本发明适合野外的实际煤田勘探的需求；从实际测试中可以看出，对于国内不同变质程度煤岩弹性参数的预测精度较高。

附图说明

图1是本发明实际煤岩测试中煤岩测速示意图；

图2是基于本发明实际煤岩测试的纵波速度与密度关系的示意图；

图3是基于本发明实际煤岩测试的横波速度与密度关系的示意图；

图4是基于本发明实际煤岩测试的纵横波速度间的关系的示意图；

图5是本发明的获取煤岩的速度特征的控制方法的流程图。

具体实施方式

本发明的基于超声测试获取煤岩参数的控制方法在具体实现中要通过系统中各设备之间信息交互来进行信息和/或数据的收集，并通过其内的控制器（可以是CPU等进行控制处理信息和/或数据，本发明对此不作任何限定），其间还可以通过各种存储器（可以是内存、硬盘或其他存储设备）进行信息和/或数据的储存和传送，本发明对此不作任何限定。

真密度（即真相对密度，True Relative Density，TRD），指材料在绝对密实状态下的体积内固体物质的实际体积，不包括内部空隙。多数材料为多孔物质，具有与外部相通的开口孔和不通的闭孔，将含有闭孔材料的密度称为视密度（即视相对密度，Apparent Relativc Density，ARD）。煤的视密度是表示煤物理特性的一项指标，用于煤矿及地勘部门计算煤的埋藏量；在贮煤仓的设计及煤的运输、磨碎和燃烧等过程的计算中，也都需要这项测值。此外视密度还用来计算煤的孔隙率，作为煤层气计量基准。

本发明中所指的密度为视密度，又称视相对密度，即地质勘探行业所使用的密度。

下面通过实际煤岩测试对本发明作进一步说明。

本发明针对采自国内不同地区的不同变质程度煤岩的弹性速度进行了实验室测量，探索煤岩速度－密度、纵波速度－横波速度之间的关系，并通过与经典Gardner公式、Lindseth公式和Castagna公式的对比，尝试总结具有普遍适用性的煤岩速度—密度、纵波速度—横波速度的经验公式，以方便于煤田地震勘探的应用；并着重说明煤岩弹性参数的特殊性及其应用于煤田地震反演需要注意的问题。在本发明中采取下列相对完整数据的8块煤样的超声测试结果与密度数据进行分析。

样品编号	采样地点	煤样变质程度	加工规格
				A	义马煤矿	褐煤	6cm见方
B	平顶山八矿戊组	肥煤	6cm见方
				C1	平顶山八矿己组	焦煤	6cm见方
C2	平顶山八矿己组	焦煤	6cm见方
				D	新疆	气煤	6cm见方
E	鹤壁六矿2143工作面	贫瘦煤	6cm见方
				F1	焦作方庄矿	无烟煤	6cm见方
F2	焦作九里山矿	无烟煤	6cm见方

表1测试样品信息

在实际中，超声测量采用常温常压行波传播—脉冲透射的方法进行测试。整套仪器由脉冲信号发生器、超声换能器、放大器、计数器和示波器组成，实验使用的是压电陶瓷柱状纵横波换能器。为保证样品与换能器耦合良好，测试纵波时采用凡士林进行耦合；测试横波时采用蜂蜜耦合。由于测试煤样为边长6cm的立方体，选用超声的低频段，主频为100KHz；整个测量系统误差小于1%；考虑到煤岩的特殊性，最大误差不超过3%。

本发明中超声测量按两个平行截面分别测量纵波与横波速度，即分别测量了煤样沿煤层走向、倾向和垂向（垂直层理）3个方向的纵横波速度。为与煤田人工地震的观测方式相统一，分别以x、y、z分别代表煤层的走向、倾向和垂直层理的方向。如图3所示，Vx、Vy、Vz分别表示沿煤层走向、倾向和垂直层理的纵波速度。横波振动方向与波前方向垂直，由于煤样中裂隙的存在，横波通过煤样传播会分裂成两个相互垂直的横波，所以横波沿煤样某个方向传播时会有两个速度值。以沿x方向传播为例，沿x方向传播的横波有沿y、z两个方向的偏振，对应两个速度，记作Vxy与Vxz，下标的第一个字母x代表横波传播的方向，第二个字母代表与传播方向垂直的方向（即横波振动方向）。即Vxy表示横波沿x传播，振动方向与y平行；Vxz表示沿x传播，振动方向与z平行。

纵横波速度计算采用

$V_p=\frac{L}{t_p-t_0}$ $\mathrm{Vs}=\frac{L}{t_s-t_0},---\left(1\right)$

其中：V_P为纵波速度，单位m/s；V_S为横波速度，单位m/s；L为发射、接收换能器中心间的距离，单位m；t_p为纵波在样品中的旅行时单位s；t_s为横波在样品中的旅行时，单位s；t₀为仪器系统的零延时，单位s。

在地震数据处理、解释和反演中，速度—密度的关系，尤其纵波速度—密度关系是经常要用到的公式。为此，针对煤岩分析它的纵横波速度与密度的关系，以认识煤岩的特殊性。如图2和图3所示为三方向纵波速度、横波速度与密度之间的试验散点图和线性回归方程。由图2、图3可以看出各个方向上的纵波速度与横波速度都随着密度增大而增大；即纵波速度、横波速度与密度均存在正线性相关性，平均相关系数0.8。但三方向纵波速度-密度相关性与横波速度-密度相关性规律不同：纵波速度与密度的相关性按走向、垂向、倾向三方向划分依次降低，且三方向相关性差异不大，均在80%附近；而横波速度—密度的相关性按垂向、走向、倾向依次降低，且倾向方向的横波速度-密度的相关性比其它2个方向要差得较大。

而且从图2和图3还可以看出，三方向纵波速度与横波速度存在以下的统一性规律：走向速度大于倾向速度，垂向速度最小；走向速度与垂向速度差异较大，倾向速度接近平均速度。

在煤田地震数据处理及与测井数据的联合反演中，经常需要用到密度—速度的关系式，以减少反演参数的数量。此外，由于很多煤田测井缺少声波曲线，还经常需要根据密度曲线进行纵波速度的换算。但到目前为止，按照油气领域井震联合反演的方法和商业软件，工程技术人员还习惯于使用Gardner公式进行两者关系的替换。而且在常规煤田地震勘探中一般是使用纵波勘探地下结构，其中纵波速度是地震勘探需要预测的主要参数之一。

Gardner公式如下：

$\mathrm{\ρ}=a{V}_P^b---\left(2\right)$

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_P为垂向纵波速度，单位m/s；a与b为统计系数，无量纲，一般取a=0.31，b=0.25。

虽然Gardner公式在油气勘探领域的应用得到了广泛的认可，但对于煤岩会产生巨大的误差，平均误差高达78.5%。该公式是由国外专家根据国外的大量沉积岩（主要是砂岩和泥岩）的超声测量结果统计得到的，由于国内外沉积环境和构造条件的差异，该公式并不适合于中国地区的沉积岩使用；更不适合煤这种软岩的速度-密度特征。

在Gardner公式的基础上，针对软岩的沉积特征，Lindseth提出了一个改进的经验公式，对煤岩应用效果较为理想。Lindseth公式如下：

V_P＝aρV_P+b（3）

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_P为垂向纵波速度，单位m/s；a与b为统计系数，无量纲，一般取a=0.308，b=1054。

由于我国煤岩沉积的复杂性，Lindseth公式预测的纵波速度与实际煤样也会产生平均10.5%的相对误差，但该精度已远远高于Gardner公式。

综上所述，根据本发明实测的煤岩垂向纵波速度与密度的关系数据，本发明得到如下的回归经验公式：

V_P=aρV_P+b（4）

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_P为垂向纵波速度，单位m/s；a与b为统计系数，无量纲；针对中国6种典型变质程度煤取a=0.416，b=791。

从表2可以看到，显然该公式的统计系数不同于Lindseth公式，平均相对误差不到10%，远高于Gardner公式的精度，也略高于Lindseth公式的精度。

表2：纵波速度实验室测量值与经验公式估算值对比

从表2中误差对比可以看到，本发明回归公式的精度高于传统方式，平均误差9.9％，基本可以满足地震勘探的精度需要。因此，在缺失声波测井数据，利用密度曲线换算声波速度进行煤田地震与测井的联合反演时，针对我国煤田的纵波速度（垂向）与密度关系，建议采用本发明回归的公式（4）。

在多波地震的联合反演中，由于横波测井数据较少，一般需要利用纵波速度换算横波速度；其中相同方向的纵波速度Vp为变量，横波速度Vs为因变量，Vp与Vs间存在着线性关系，随着纵波速度的增大，横波速度也不断增大，且平均线性相关性大于0.9；其中以倾向和走向方向的纵波速度—横波速度线性相关性最好，大于93%，而垂向的稍差，相关系数为86%。

从三方向纵波速度-横波速度回归公式可以看到：3条直线方程基本可以用平均速度（图4中的Vs）的回归公式代替，说明三方向的纵波速度-横波速度关系总体上一致。

在弹性阻抗反演过程中，由于横波偶极子测井或三分量VSP测井的缺失，还经常用到Castagna公式进行横波速度的求取。

Castagna公式如下：

V_P=a+bV_S（5）

其中V_P为垂向纵波速度，V_S为垂向横波速度，单位m/s；a与b为统计系数，无量纲，一般取a=1360，b=1.16。

但Castagna公式是否适用于煤岩有待于检验。为此，在本实例的基础上，应用Castagna公式在假设纵波速度已知的情况下进行煤岩横波速度的计算。以实际测量横波速度为基准，计算该公式的相对误差，如表3所示。为与煤田地震勘探相匹配，表3中数据计算只考虑了垂直层理方向的横波速度，实例中测量横波速度取快、慢波的均值。

表3实测横波速度与经验公式估算值对比

通过表3中数据可以发现，简单套用Castagna公式将产生大的误差，平均相对误差高达57%；显然，Castagna公式用于煤的横波预测是不合适的。

因此，本发明根据实测的煤的密度、纵波速度与横波速度散点图和拟合曲线，得到如下形式的经验公式：

V_P=a+bV_S             （6）

其中V_P为垂向纵波速度，V_S为垂向横波速度，单位m/s；a与b为统计系数，无量纲；针对中国各种类型的煤岩，一般取a=-490，b=2.23。

进一步地，还可得到如下形式的经验公式：

V_S=aρV_S+b            （7）

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_S为垂向横波速度，单位m/s；a与b为统计系数，无量纲；针对中国各种类型的煤样，一般取a=0.342，b=575。

以实际测量横波速度为基准，计算了公式（6）的相对误差，如表5所示。显然，本发明得到的经验公式误差小于7％，可以满足地球物理勘探的需要。可以进一步测算，本发明所提出的公式（7）的平均误差也在10%以内。因此，建议在煤岩的弹性阻抗反演中，在缺失横波速度的情况下，采用本研究的拟合公式（6）或（7）进行横波速度的估算，效果会好于采用Castagna公式，相关系数可达97%。

因此，对于不同地区、不同变质程度煤岩的井震联合反演，应根据实际岩心的弹性测量结果使用煤岩自身的密度—速度、纵波速度—横波速度的回归公式；在缺失实验室测量结果的情况下，应用煤田测井数据回归的公式或本发明的公式可相对减小反演误差。

在实际中，以常规纵波地震勘探可以获得的垂直层理方向的纵波和横波速度VZ为已知量，分别求取煤层走向与倾向的纵波与横波速度VX、VY；并定义各向异性因子：a=(Vi-Vz)/Vz来表示走向或倾向速度与垂直层理方向速度间的差异。其中a为无量纲量，表示两个方向速度的相对差异，以%表示；i分别取x或y，表示未知的走向与倾向方向的速度，m/s。

在此基础上，获得如下的经验回归公式。

走向纵波速度计算公式：Vpx=(1+a)Vpz+b        (8)

其中Vpx表示走向方向的纵波速度，Vpz表示垂直层理方向的纵波速度，单位：m/s；此时a=2.4%,显示走向速度与垂向速度间的各向异性差异较小，但存在一个明显的整体偏移，即b=350m/s；该公式的相关系数R为89.3%。

倾向纵波速度计算公式：Vpy=(1+a)Vpz       (9)

其中Vpy表示倾向方向的纵波速度，Vpz表示垂直层理方向的纵波速度，单位：m/s；此时a=9.5%,该公式的相关系数R为98%。

对于横波，可以得到如下的经验公式。

走向横波速度计算公式：Vsx=(1+a)Vsz(10)

其中Vsx表示走向方向的横波速度，Vsz表示垂直层理方向的横波速度，单位：m/s；此时a=17.7%,该公式的相关系数R为88.7%；

倾向横波速度计算公式：Vsy=(1+a)Vsz(11)

其中Vsy表示倾向方向的横波速度，Vsz表示垂直层理方向的横波速度，单位：m/s；此时a=11.2%,该公式的相关系数R为95.2%。

即在公式（8）-（9）的基础上，通过常规纵波地震勘探，可以获得垂直层理方向的纵波速度，进而可以获得走向与倾向方向的纵波速度；在公式（6）-（7）的基础上，可以获得垂直层理方向的横波速度，进而在公式（10）-（11）的基础上获得走向与倾向方向的横波速度。这对于各向异性介质的成像是至关重要的参数。

通过上述内容，如图5所示，得到本发明的获取煤岩的速度特征的控制方法，包括以下步骤：

步骤510、获取需要勘探的煤岩的密度ρ并进行存储；

关于煤岩密度的获得方式可以采用钻孔取芯，进行质量和体积测量，计算得到煤岩的密度；或通过野外现场的地球物理密度测井直接获得煤岩的密度，本发明对此不作限定。

步骤520、根据获取的煤岩的密度ρ，通过下述方式计算得到该煤岩的垂直层理方向纵波速度V_P：

V_P=aρV_P+b，

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_P为垂直层理方向纵波速度，单位m/s；a与b为统计系数，无量纲，对于中国国内煤岩，a=0.416，b=791。

还包括：根据得到的垂直层理方向的纵波速度，通过下述方式计算得到垂直层理方向的横波速度：

V_P=a+bV_S，

其中V_P为垂直层理方向的纵波速度，V_S为垂直层理方向的横波速度，单位m/s；a与b为统计系数，无量纲，对于中国国内煤岩，a=-490，b=2.23。

进一步包括：根据获取的煤岩的密度ρ，通过下述方式计算得到该煤岩的垂直层理方向横波速度：

V_S=aρV_S+b，

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_S为垂直层理方向横波速度，单位m/s；a与b为统计系数，无量纲，对于中国国内煤岩，a=0.342，b=575。

综上所述，本发明通过6种不同变质程度煤岩走向、倾向、垂直层理（垂向）方向的超声测量结果分析，可以获得如下的结论：

1）不同变质程度煤岩的纵波速度、横波速度均与密度存在较好的相关性，平均线性正相关的系数在80%以上。其中走向与垂直层理方向的纵波速度—密度、横波速度—密度的相关性好于倾向方向的速度—密度相关性，这与沉积的物源方向是相吻合的；除倾向方向的速度—密度关系外，横波速度—密度的相关性要好于纵波速度—密度的相关性，这与横波沿骨架传播，不受流体影响也是吻合的。

2）三方向的纵波速度、横波速度与密度的关系均表现为相同的变化规律，即走向方向速度最大，垂向速度最小，倾向方向速度接近于三方向速度的均值。

3）相同方向的纵波速度与横波速度存在良好的线性正相关性，其中走向与倾向的相关性好于垂向；三方向的平均纵波速度与平均横波速度的线性相关性高达96%。

4）煤岩三方向纵波速度与横波速度均存在差异，总体表现为纵波的速度各向异性大于横波的速度各向异性；其中以走向与垂向速度之间的差异最大，纵波平均各向异性可达20%；横波平均可达15%；另外2个方向速度的各向异性在10%左右。针对煤的强各向异性发育特征，

本发明所提出的速度与密度换算公式（4）、（6）、（7）显然只适用于垂直层理方向的速度。由于目前煤田与煤层气地震勘探只用到了纵波和垂直速度，因此，这些公式对于指导实际的煤炭与煤层气资源的勘探与开发是有意义的。

5）通过与地震勘探领域的经典纵波速度—密度经验公式和纵波速度—横波速度公式对比发现，Gardner公式描述煤岩纵波速度—密度的关系存在巨大误差；对中国6种不同变质程度煤岩，在缺少足够钻孔和测井数据的情况下，建议使用本发明回归公式或Lindseth公式，可将误差控制在10%左右；Castagna公式也不适合于描述煤岩的纵波速度—横波速度关系，建议使用本发明回归的公式，可将误差控制在10%以内。这些是在井震联合反演中需要特别注意的。

6）在各向异性煤田地震数据的成像处理中，由于煤层速度强各向异性的存在，必须进行基于强各向异性假设的偏移，其中需要用到的不同方向速度，在缺失钻孔和实验室岩石物理实验数据提供的各向异性因子的情况下，可以采用公式(8)-(11)获得相对精确的估算。

随着井震联合反演应用于煤田勘探的精度要求越来越高，对煤岩纵波速度-密度、纵波速度-横波速度的规律性认识是十分重要的。尽管本发明超声测试的岩样偏少，且受温压条件和超声测量频段的影响会使地下真实的煤层速度与实验室测量值存在一定的平移误差，但在不同地区、不同变质程度煤岩的速度-密度一般性规律认识缺少，甚至套用油气领域公式存在巨大误差的前提下，本发明提出的公式对于煤田的精细勘探还是具有较好参照价值的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种获取煤岩的速度特征的控制方法，其特征在于，包括：

获取需要勘探的煤岩的密度ρ并进行存储；

根据获取的煤岩的密度ρ，通过下述方式计算得到该煤岩的垂直层理方向纵波速度V_P：

V_P=aρV_P+b，

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_P为垂直层理方向纵波速度，单位m/s；a与b为统计系数，对于中国国内煤岩，a=0.416，b=791。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述获取需要勘探的煤岩的密度是通过钻孔取芯进行质量和体积测量，获得煤岩的密度；或者是通过野外现场的地球物理密度测井直接获得煤岩的密度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

还包括：根据得到的垂直层理方向的纵波速度，通过下述方式计算得到垂直层理方向的横波速度：

V_P=a+bV_S，

其中V_P为垂直层理方向的纵波速度，V_S为垂直层理方向的横波速度，单位m/s；a与b为统计系数，对于中国国内煤岩，a=-490，b=2.23。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

进一步包括：根据获取的煤岩的密度ρ，通过下述方式计算得到该煤岩的垂直层理方向横波速度：

V_S=aρV_S+b，

其中ρ为密度，单位g/cm³；V_S为垂直层理方向横波速度，单位m/s；a与b为统计系数，对于中国国内煤岩，a=0.342，b=575。

Images