CN109254138B - 一种基于砂岩微观特征的富水性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于砂岩微观特征的富水性评价方法，首先确定富水性评价的目标含水层，建立含水层富水性评价指标体系，获取岩性结构指数、冲洗液消耗量、孔隙度、渗透率和孔径分布，借助GIS软件绘制步骤二中各评价指标专题图；根据专家经验，通过绘制专家打分表，计算各评价指标对富水性的贡献程度，得到各评价指标的权重系数；将各专题图按照对应评价指标的权重系数进行叠加，利用GIS软件绘制砂岩富水性评价图，进行砂岩富水性评价。本发明采用5个指标，增加了富水性评价准确性；首次从微观角度研究砂岩含水层富水性，反映含水介质在空间上的连续性变化与结构性变异。

Description

一种基于砂岩微观特征的富水性评价方法
技术领域
本发明属于矿井防治水领域，具体涉及一种基于砂岩微观特征的富水性 评价方法。
背景技术
随着能源战略西移步伐的加快，高强度、大规模开采、水文地质条件研 究程度低呈现的突出问题是生产矿井涌水量明显较前期勘探阶段评价预测结 果大，也就是说基于均质介质渗流理论的矿井涌水量预测与实际情况严重不 符。一方面增加井下排水费用，给煤矿带来严重经济损失；另一方面造成地 下水资源流失，加剧缺水地区用水紧张的局面。因此，如何科学评价煤层上 覆含水层富水性是矿井防治水工作必须急需解决的重要问题，具有重大的理 论意义与经济意义。
现阶段，含水层富水性评价的方法主要有野外钻孔抽(放)水试验直接 获取钻孔单位涌水量q、地球物理勘探方法解译、采用“三图—双预测法” 将多源地学信息复合叠加。以上方法存在如下问题：
(1)采用钻孔抽(放)水试验直接获取钻孔单位涌水量q评价富水性 是最直接的方法，但是耗时长、费用高，煤炭资源开采区域单位涌水量q数 量有限，属于“点”上数据，较难准确评价富水性；
(2)运用地球物理勘探方法获得含水层电阻率，通过电阻率大小反演 含水层富水性，反演存在多解性，可靠性差；
(3)“三图—双预测法”评价富水性中，富水性指标普遍选取岩性、钻 孔冲洗液消耗量、含水层厚度、构造，以上指标均从宏观角度进行研究，尚 未从岩石内部结构出发探讨砂岩富水性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于砂岩微观特征的富水 性评价方法，简单，评价结果准确性和可靠性高。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于砂岩微观特征的富水性评价方法，包括下述步骤：
步骤一，确定富水性评价的目标含水层：目标含水层的钻孔单位涌水量 q是煤层上覆含水层中最大者，且煤层与目标含水层之间的距离与煤层开采 后导水裂隙发育高度相差±80m；
步骤二，确定煤层顶板砂岩含水层富水性评价指标体系，包括5个评价 指标，分别为岩性结构指数、冲洗液消耗量、孔隙度、渗透率和孔径分布； 分别获取得到岩性结构指数、冲洗液消耗量、孔隙度、渗透率和孔径分布；
步骤三，借助GIS软件绘制步骤二中各评价指标专题图；
步骤四，根据专家经验，通过绘制专家打分表，计算步骤二中各评价指 标对富水性的贡献程度，得到各评价指标的权重系数；
步骤五，将步骤三的各专题图按照步骤四得到的对应评价指标的权重系 数进行叠加，利用GIS软件绘制砂岩富水性评价图，进行砂岩富水性评价。
优选的，孔径分布通过压汞和核磁共振联合测试获得。
进一步的，孔径分布具体通过如下方法得到：通过核磁共振测得核磁共 振横向弛豫时间累积分布曲线，通过压汞测得压汞孔喉半径累积分布曲线， 将两曲线进行对比，建立横向弛豫时间与喉道半径的关系；将核磁共振横向 弛豫时间累积分布曲线转换为孔喉半径分布曲线。
再进一步的，建立横向弛豫时间与喉道半径的关系的具体方法为：横向 弛豫时间与孔隙半径的关系为式(6)，
Figure BDA0001836992160000021
式中，T2为横向弛豫时间，ms；ρ2为横向表面弛豫强度，μm/ms；rc为孔隙半径，μm；n为幂指数；Fs为孔隙形状因子；
将rc＝c1rt代入式(6)，可得到横向弛豫时间与喉道半径的关系为式(7)，
Figure BDA0001836992160000031
式中，c1为平均孔喉比；rt为喉道半径，μm；
令
Figure BDA0001836992160000032
则
Figure BDA0001836992160000033
通过核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线与压汞孔喉半径累积分布曲线 对比，求得C和n的值。
再进一步的，通过核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线与压汞孔喉半径 累积分布曲线对比，求得C和n的值，具体方法为：绘制核磁共振横向弛 豫时间累积分布曲线与压汞孔喉半径累积分布曲线，在累积分布频率＜ SHgmax的区域，任意喉道半径为rt(i)时累积分布频率为S(i)，取S＝S(i) 对核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线进行插值，得到累积分布频率为S (i)时的横向弛豫时间T2(i)；SHgmax为最大进汞饱和度对应的累积分布频 率；
对式(8)两边同时取对数得
Figure BDA0001836992160000034
根据线性最小二乘原理，求解式(8)中拟合参数C和n的值，转化为 求拟合参数C和n使方程
Figure BDA0001836992160000035
达到最小值，得到喉 道半径与横向弛豫时间T2的拟合公式。
进一步的，将核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线转换为孔喉半径分布 曲线的方法具体为：孔径分布取值为公式(3)：
Figure BDA0001836992160000041
式中：A—孔径分布取值；B—分布频率；rt—喉道半径；a—某取样岩 心喉道半径分布曲线对应的测试点；b—某取样岩心喉道半径分布曲线测试 点总数；
将喉道半径与核磁共振横向弛豫时间的拟合公式代入公式(3)，即得到 孔喉半径分布曲线。
优选的，岩性结构指数通过统计计算得到，计算方法为：将中砂岩、细 砂岩、灰岩、断层破碎带的厚度分别乘以一个等效系数，然后再乘以结构 系数。
进一步的，岩性结构指数计算公式如公式(2)所示：
L＝(a×1+b×0.8+c×0.6+d×0.4+e×0.2+f×1)×g (2)
式中：L为岩性结构指数；a、b、c、d、e、f分别为粗砂岩、中砂岩、 细砂岩、灰岩、岩浆岩和断层破碎带的厚度；g为结构系数。
进一步的，当岩层中砂岩总厚度大于80％时，结构系数为1；当砂岩总 厚度大于55％，小于等于80％时，结构系数为0.8；当砂岩总厚度大于45％， 小于等于55％时，结构系数为0.6；当砂岩总厚度大于20％，小于等于45％ 时，结构系数为0.4；当砂岩总厚度小于等于20％时，结构系数为0.2。
优选的，还包括步骤六：根据煤层开采区钻孔单位涌水量q校正步骤五 中砂岩富水性评价图。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的评价方法首先确定富水性评价的目标含水层，建立含水层富水 性评价指标体系，获取岩性结构指数、冲洗液消耗量、孔隙度、渗透率和孔 径分布，根据这5个指标评价富水性。具有如下优点：(1)由于影响富水性 的因素很多，以往是按照某个钻孔的单位涌水量q评价的，以一个点一个值 概括一个区域富水性，可信度不高，或者采用本发明中前2个指标评价，指 标太少准确度也不高，而本发明采用5个指标，增加了富水性评价准确性；(2)可在无抽水试验钻孔的情况下评价含水层富水性，减少富水性探查工 程，降低了煤矿生产投资，增加了收入；(3)首次从微观角度研究砂岩含水 层富水性，反映含水介质在空间上的连续性变化与结构性变异。
进一步的，孔径分布通过压汞和核磁共振联合测试获得，以往研究基本 思路都是将孔隙半径直接等同于喉道半径，忽略了二者之间的差异，而实际 中孔隙半径和喉道半径有明显差别，本发明选取与压汞孔喉半径分布对应的 部分T2谱与压汞孔喉半径分布进行对比，提高了准确性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为铸体薄片图像分析测试结果，(a)为孔隙半径分布图，(b)为铸 体薄片图像；
图3为核磁共振曲线图，(a)为核磁共振T2谱分布图，(b)为核磁共 振T2衰减曲线；
图4为压汞法测试结果，(a)为毛细管压力曲线，(b)为孔喉半径分布；
图5为核磁共振T2与孔喉半径转换曲线图；
图6为核磁孔喉分布与压汞孔喉分布对比图；
图7为各专题图及富水性分区图，(a)为岩性结构指数专题图，(b)为 冲洗液消耗量专题图，(c)为孔隙度专题图，(d)为渗透率专题图，(e)为 孔隙分布专题图，(f)富水性分区图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。
如图1所示，本发明所述的基于砂岩微观特征的富水性评价方法，包括 下述步骤：
步骤一：初步确定富水性评价的目标含水层。目标含水层需同时满足两 个条件，一是目标含水层为煤层开采区主要含水层，即该含水层的钻孔单位 涌水量q是煤层上覆含水层中最大者；二是煤层与目标含水层之间的距离与 煤层开采后导水裂隙发育高度相差±80m。
导水裂隙带高度确定有两种方法：①采用公式法、数值模拟、物理模拟、 现场实测的最大值，公式法可选用《矿区水文地质工程地质勘探规范》 (GB12719－91)、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规 程》中导水裂隙带计算公式；②该煤层开采区根据方法①总结的经验公式， 例如，公式(1)
H＝22.586M+15.733 (1)
式中，M—采厚(m)，H—导水裂隙带高度(m)。
步骤二：确定煤层顶板砂岩含水层富水性评价指标体系。富水性评价指 标体系包括6个评价指标，分别为岩性结构指数、冲洗液消耗量、孔隙度、 渗透率和孔径分布。
岩性结构指数：综合反映煤层顶板一定范围内的岩性、厚度及砂泥岩组 合(结构)特点。砂岩指粗砂岩、中砂岩、细砂岩、灰岩、断层破碎带等含 水介质的统称。岩性结构指数的计算方法：将中砂岩、细砂岩、灰岩、断层 破碎带等的厚度分别乘以一个等效系数，从而折算成粗砂岩的厚度，然后再 乘以结构系数。结构系数是指由岩层砂泥组合结构所决定的系数。当岩层中 砂岩总厚度大于80％时，结构系数为1；当砂岩总厚度大于55％，小于等于80％时，结构系数为0.8；当砂岩总厚度大于45％，小于等于55％时，结构 系数为0.6；当砂岩总厚度大于20％，小于等于45％时，结构系数为0.4； 当砂岩总厚度小于等于20％时，结构系数为0.2。岩性结构指数计算公式如 公式(2)所示：
L＝(a×1+b×0.8+c×0.6+d×0.4+e×0.2+f×1)×g (2)
式中：L—岩性结构指数；a、b、c、d、e、f—含水介质厚度，分别为粗 砂岩、中砂岩、细砂岩、灰岩、岩浆岩和断层破碎带的厚度；g—结构系数。
孔径分布：孔隙空间是连续的毛管网络系统，该连续性可用孔径分布特 征来描述。孔径分布通过铸体薄片图像分析(如图2)、核磁共振(如图3)、 压汞(如图4)联合测试获得。
孔径分布取值公式：
Figure BDA0001836992160000071
式中：A—孔径分布取值；B—分布频率；rt—喉道半径；a—某取样岩 心喉道半径分布曲线对应的测试点；b—某取样岩心喉道半径分布曲线测试 点总数。见图6。
根据核磁共振理论分析，岩石饱和单相流体的核磁共振T2谱可以反映其 内部孔隙结构，均匀磁场中饱和水的单个孔道内的原子弛豫时间可近似表示 为公式(4)所示：
Figure BDA0001836992160000072
式中，T2为横向弛豫时间，ms；ρ2为横向表面弛豫强度，取决于孔隙 表面性质和矿物组成的大小和饱和流体性质，μm/ms；S/V为单个孔隙的比 表面，μm2/μm3。由式(4)可看出，观测到的横向弛豫时间T2和多孔介质 的比表面有关。对于简化成球状和柱状的孔隙结构，其比表面与孔径的关系 为
Figure BDA0001836992160000081
则有
Figure BDA0001836992160000082
式中，Fs为孔隙形状因子(对球形孔隙Fs＝3；对柱状孔隙Fs＝2)；rc为 孔隙半径，μm。
实际地层中孔隙结构复杂，通过对大量试验结果的分析发现，T2分布与 孔隙半径呈幂函数关系
Figure BDA0001836992160000083
式中，n为幂指数。
由压汞法测毛管力曲线的原理可知，压汞毛管力曲线可以得到储层岩石 孔隙喉道的大小及与其联通的孔隙体积分布，而岩心100％饱和水的核磁共 振T2谱可以评价孔隙大小和对应的孔隙体积分布。
对于砂岩储层，砂粒粒径决定了孔隙和喉道尺寸。两种测量反映出的孔 隙分布的几何形态相同，建立横向弛豫时间T2与喉道半径的关系就可以将 核磁共振T2分布曲线转换为孔喉半径分布曲线。
孔隙半径等于喉道半径与孔喉比的乘积，即：rc＝c1rt，代入式(6)，可 得到横向弛豫时间T2与喉道半径的关系为公式(7)所示：
Figure BDA0001836992160000084
式中，c1为平均孔喉比；rt为喉道半径，μm。
令
Figure BDA0001836992160000085
则
Figure BDA0001836992160000091
求得C和n的值即可将岩心100％饱和水的核磁共振T2分布曲线转换为 孔喉半径分布曲线。
核磁孔喉分布曲线的转化：
如图5(a)所示，在进行计算时，只选取与压汞孔喉半径分布对应的部 分T2谱与压汞孔喉半径分布进行对比。绘制核磁共振横向弛豫时间累积分 布曲线和高压压汞孔喉半径累积分布曲线，在累积分布频率＜SHgmax区域， 任意喉道半径为rt(i)时累积分布频率为S(i)，取S＝S(i)对核磁共振 横向弛豫时间累积分布曲线进行插值，得到累积分布频率为S(i)时的横 向弛豫时间T2(i)。SHgmax为最大进汞饱和度对应的累积分布频率。
对式(8)两边同时取对数得
Figure BDA0001836992160000092
根据线性最小二乘原理，求解式(8)中拟合参数C和n的值，转化为 求拟合参数C和n使方程
Figure BDA0001836992160000093
达到最小值。从而得 到喉道半径rt与核磁共振横向弛豫时间T2的拟合公式，如图5(b)为示例 性压汞喉道半径与核磁共振横向弛豫时间的拟合结果。再将喉道半径与核磁 共振横向弛豫时间的拟合结果代入公式(3)，即得到岩心核磁共振T2谱换 算的孔喉分布曲线，如图6所示为岩心核磁共振T2谱换算的孔喉分布与压 汞孔喉分布的对比图。
步骤三：借助GIS软件绘制步骤二中各评价指标专题图。
步骤四：根据专家经验，通过绘制专家打分表，计算步骤一中各评价指 标对富水性的贡献程度，即权重系数。
步骤五：将步骤三的专题图按照步骤四得到的各评价指标的分级标准的 权重进行叠加，利用GIS软件绘制砂岩富水性评价图，进行砂岩富水性评 价。
步骤六：根据煤层开采区钻孔单位涌水量q校正步骤五中砂岩富水性评 价图。
应用实例：
某煤矿主采2号煤层，煤层厚度4.5m，煤层上覆含水层有含水层1、含 水层2、含水层3、含水层4，平均钻孔单位涌水量分别为0.010879L/(s·m)、 0.286878L/(s·m)、0.087894L/(s·m)、0.272235L/(s·m)，煤层顶板距含水层 1顶板100m，距含水层2顶板150m，距含水层3顶板200m，距含水层4 顶板160m。采用以下步骤对该煤矿煤层顶板含水层进行了富水性评价，保 障了安全回采。
步骤一：该煤矿含水层2钻孔单位涌水量最大，导水裂隙带发育高度经 验公式为H＝21M+13，经计算得107.5m，煤层距含水层2顶板150m与导 水裂隙带高度相减得42.5m≤80m，因此，确定含水层2为目标含水层。
步骤二：收集该矿64个钻孔柱状图，统计煤层上覆各岩层岩性、厚度， 按照式(2)计算出岩性结构指数，应用GIS软件编绘图7(a)；统计64个 钻孔冲洗液消耗量，应用GIS软件编绘图7(b)；平均选取该煤矿含水层2 岩样，进行孔隙度、渗透率测试，应用GIS软件编绘图7(c)、图7(d)； 对孔隙度、渗透率测试后的岩样进行铸体薄片图像分析、压汞、核磁共振测 试，联合公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)获得孔径分布，应用 GIS软件编绘图7(e)。
步骤三：根据专家经验，绘制专家打分表，计算步骤一中各评价指标对 富水性的贡献程度，即权重系数，见表1。
表1各评价指数权重系数
Figure BDA0001836992160000111
步骤四：将图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)、图7(e)按照 表1权重进行叠加，即图7(a)×W1、图7(b)×W2、图7(c)×W3、 图7(d)×W4、图7(e)×W5，利用GIS软件绘制砂岩富水性评价图7 (f)。
步骤五：根据煤层开采区钻孔单位涌水量q校正图7，进行砂岩富水性 评价。

Claims (6)

1.一种基于砂岩微观特征的富水性评价方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一，确定富水性评价的目标含水层：目标含水层的钻孔单位涌水量q是煤层上覆含水层中最大者，且煤层与目标含水层之间的距离与煤层开采后导水裂隙发育高度相差±80m；
步骤二，确定煤层顶板砂岩含水层富水性评价指标体系，包括5个评价指标，分别为岩性结构指数、冲洗液消耗量、孔隙度、渗透率和孔径分布；分别获取得到岩性结构指数、冲洗液消耗量、孔隙度、渗透率和孔径分布；
步骤三，借助GIS软件绘制步骤二中各评价指标专题图；
步骤四，根据专家经验，通过绘制专家打分表，计算步骤二中各评价指标对富水性的贡献程度，得到各评价指标的权重系数；
步骤五，将步骤三的各专题图按照步骤四得到的对应评价指标的权重系数进行叠加，利用GIS软件绘制砂岩富水性评价图，进行砂岩富水性评价；
步骤六：根据煤层开采区钻孔单位涌水量q校正步骤五中砂岩富水性评价图；
步骤二中，孔径分布通过压汞和核磁共振联合测试获得；岩性结构指数通过统计计算得到，计算方法为：将中砂岩、细砂岩、灰岩、断层破碎带的厚度分别乘以一个等效系数，然后再乘以结构系数；
其中，孔径分布具体通过如下方法得到：通过核磁共振测得核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线，通过压汞测得压汞孔喉半径累积分布曲线，将两曲线进行对比，建立横向弛豫时间与喉道半径的关系；将核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线转换为孔喉半径分布曲线；
所述基于砂岩微观特征的富水性评价方法，适用于含水层富水性不均一的煤矿区。
2.根据权利要求1所述的基于砂岩微观特征的富水性评价方法，其特征在于，建立横向弛豫时间与喉道半径的关系的具体方法为：横向弛豫时间与孔隙半径的关系为式(6)，
Figure FDA0003154413270000021
式中，T2为横向弛豫时间，ms；ρ2为横向表面弛豫强度，μm/ms；rc为孔隙半径，μm；n为幂指数；Fs为孔隙形状因子；
将rc＝c1rt代入式(6)，可得到横向弛豫时间与喉道半径的关系为式(7)，
Figure FDA0003154413270000022
式中，c1为平均孔喉比；rt为喉道半径，μm；
令
Figure FDA0003154413270000023
则
rt＝CT2 1/n (8)
通过核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线与压汞孔喉半径累积分布曲线对比，求得C和n的值。
3.根据权利要求2所述的基于砂岩微观特征的富水性评价方法，其特征在于，通过核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线与压汞孔喉半径累积分布曲线对比，求得C和n的值，具体方法为：绘制核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线与压汞孔喉半径累积分布曲线，在累积分布频率＜SHgmax的区域，任意喉道半径为rt(i)时累积分布频率为S(i)，取S＝S(i)对核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线进行插值，得到累积分布频率为S(i)时的横向弛豫时间T2(i)；SHgmax为最大进汞饱和度对应的累积分布频率；
对式(8)两边同时取对数得
Figure FDA0003154413270000031
根据线性最小二乘原理，求解式(8)中拟合参数C和n的值，转化为求拟合参数C和n使方程
Figure FDA0003154413270000032
达到最小值，得到喉道半径与横向弛豫时间T2的拟合公式。
4.根据权利要求1所述的基于砂岩微观特征的富水性评价方法，其特征在于，将核磁共振横向弛豫时间累积分布曲线转换为孔喉半径分布曲线的方法具体为：孔径分布取值为公式(3)：
Figure FDA0003154413270000033
式中：A—孔径分布取值；B—分布频率；rt—喉道半径；a—某取样岩心喉道半径分布曲线对应的测试点；b—某取样岩心喉道半径分布曲线测试点总数；
将喉道半径与核磁共振横向弛豫时间的拟合公式代入公式(3)，即得到孔喉半径分布曲线。
5.根据权利要求1所述的基于砂岩微观特征的富水性评价方法，其特征在于，岩性结构指数计算公式如公式(2)所示：
L＝(a×1+b×0.8+c×0.6+d×0.4+e×0.2+f×1)×g (2)
式中：L为岩性结构指数；a、b、c、d、e、f分别为粗砂岩、中砂岩、细砂岩、灰岩、岩浆岩和断层破碎带的厚度；g为结构系数。
6.根据权利要求1所述的基于砂岩微观特征的富水性评价方法，其特征在于，当岩层中砂岩总厚度大于80％时，结构系数为1；当砂岩总厚度大于55％，小于等于80％时，结构系数为0.8；当砂岩总厚度大于45％，小于等于55％时，结构系数为0.6；当砂岩总厚度大于20％，小于等于45％时，结构系数为0.4；当砂岩总厚度小于等于20％时，结构系数为0.2。
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