應用地震波速度預測煤、巖體物理力學參數方法

2023-05-24 15:11:11

專利名稱：應用地震波速度預測煤、巖體物理力學參數方法
應用地震波速度預測煤、巖體物理力學參數方法技術領域在煤田地簾勘探中，除了要査明採區內構造和煤層分布外，還要反湞巖性及其力學參數，這些已成為 當前國內外許多學者關注,邇。有關煤層及其頂底板巖體物理力學參數分析目前主要處於室內實驗研究 階段，如何從地震信息中提取更多的地質信息，實現煤層及其頂底板巖體物理力學參數預測，對於煤炭開 採巷道支護設計、煤與瓦斯突出和井下突水危險性預測評價具有重要的理論和實際應用意義。背彔技術三維地簾勘探是利用地下地層介質彈性參數變化所引起的地展波場變化進行地質體反演的一種方法 或技術。地展波是地球物理學家用以研究地球深處現場物理性質的最有力的工具,而彈性理論則是地霣學 方法賴以發展的基本理論框架。早在19世紀20年代,Navier、 Cauchy、 Poisson等人就己經建立了彈性力 學的第一個通用的方程組，對彈性波理論的發展作出了傑出的貢獻，直到20世紀70年代，地簾學和地簾 勘探都主要以完全彈性和各向同性的物理假設為基礎。從20世紀70年代開始，由於石油勘探的需要，以 及地展勘探數位化後能提供比以前更為先進的一整套方法技術，就使得地簾波動力學問題的理論研究和實 際應用，取得了較大進展，例如亮點技術、波動方程模擬、波動方程偏移和反演、地霣地層學等就是具有 代表性的幾個方面。隨著地簾波動力學理論和地簾波的正、反演技術在地展勘探中的迅速發展，尤其是地 震地質學的發展進一步推動了各向異性介質中彈性波傳播理論的研究.在我國的煤炭工業中，地簾技術的 採用始於1訴5年，早期主要是尋找新煤田和新的含煤區。直到70 80年代，才在安徵、山東、江蘇、河 南等省採用地豕一鑽探相結合的綜合勘探技術，進行煤炭資源的普査、詳査和精査勘探。卯年代以來，以 高分辨三維地豕勘探為核心的採區物探技術受到普通重視，取得突破性進展，在淮南礦區開展的工作獲得 了髙解析度、髙信噪比、高密度三維數據體，査明了埋深400—700m,落差5tn左右的小斷層和幗度大於 5m的小褶曲。儘管國內外學者在地展資料的處理、解釋取得了很大的進展，但是，地展資料解釋工作仍 然停留在強烈地依賴解釋人員經驗的階段，地展資料中包含的大量信息被白白浪費，如何應用地簾波信息 進行巖性解譯和巖石(體)力學參數分析，目前受到普遍關注。目前測量巖石彈性參數的方法有兩種，一 是測量巖石在靜荷載作用下縱橫向應變，然後計算巖石的靜彈性力學參數的靜態法二是測量巖石縱橫波 速度，根據彈性理論，計算巖石動彈性力學參數的動態法。超聲-時間方法主要利用彈性脈衝，即彈性波在 固體介質中的傳播，由於這種彈性波，即聲波不僅對巖石具有一定的穿透力和分辨力，而且它在介質中傳 播時與介質相互作用，使接收波中攜帶了與巖石物理力學性質相關的各種信息，因此，通常用於材料的無 損檢擁.該技術在巖土特性檢測及混凝土探測中得到了廣泛應用，獲得了有關巖(石)體的動彈性力學參 數，並與靜彈性力學參數進行了一些實驗對比研究，獲得一些經驗公式。但以往的研究僅局限在動彈性模 董和動泊松比與靜彈性模量和靜泊松比之間的相關分析上，但如何應用聲波速度預測其它巖石(體)物理 力學參數(密度、抗壓強度和抗拉強度等)方面的研究涉及不多，且針對的巖石較多的是火成巖和常見的 幾種變質巖，如大理巖、花崗巖等。巖石聲波速度是巖體質^評價的重要指標，受到國內外學者的重視， 含煤巖系是一套在成因上有共生關係並含有煤層(或煤線)的沉積巖系，簡稱煤系。含煤巖系形成是在潮 溼氣候條件下沉積盆地邊緣發生的充填，主要由陸源碎屑巖和煤層構成，巖性多為砂巖、粉砂巖和粘土巖。 由於含煤巖系形成於地殼淺部，其生成和賦存環境與巖漿巖或變質巖顯然不同，巖性較為軟弱，變化較大,基金項目國家重點基礎研究發展計劃資助(973計劃)課題(2007CB20940S),國家自然科學基金項目"0772100〉和全 國優秀博士學位論文作者專項資金(200247 )聯合資助.成分和結構複雜，使得含煤巖系巖石具有不同於其它巖類的變形力學特性，因此對煤系巖石進行聲波速度 (Vp,Vs)測試，並建立煤系巖石力學參數與其聲波速度之間的相關關係和模型，將為三維地簾信息預測巖石(體)力學參數和巖性解譯提供系統的試驗和理論基礎。發明內容(1〉基於彈性波傳播理論,從縱波速度、橫波速度及密度基本參數出發，通過理論分析和試驗研究， 提供了縱、橫波速度轉換的理論模型和試驗模型以及波速與密度轉換的試驗模'型，定量描述了煤系沉積巖石基本物理參數.(2)以聲波速度實驗為基礎，由巖石縱波速度和橫波速度以及巖石密度三參數，並同步 擁試了煤系巖石的靜態力學參數，通過試驗數據進行統計及回歸分析，建立了煤系沉積巖石動彈性力學參 數與靜彈性力學參數之間和煤系巖石物理力學參數與其盧波速度之間的相關關係和模型。(3)提出了採用 波阻抗反演層速度方法獲得地展波層速度參數。(4)開發了基於地展信息的巖石(體)物理力學參數分析 軟體，實現原位煤、巖體物理力學參數計算。
具體實施方式
(一)煤、巖體物理力學參數計算模型 1、基本參數計算基於彈性波傳播理論,從縱波速度、橫波速度及密度基本參數出發，通過理論分析和試驗研究，提供 了縱、橫波速度轉換的理論模型和試驗模型以及波速與密度轉換的試驗模型，定量描述了煤系沉積巖石基 本物理參數和模型。該基本參數模塊是巖石(體)物理力學參數定暈描述的基礎。(l)縱波與橫波速度的轉換模型在地霣信息及多數測井中很少有橫波資料，然而橫波速度在巖性、裂縫和油氣識別等方面具有很多優 越的性能，並且是巖石(體)物理力學參數計算的基本參數之一。閃此由從地展信息中提取的已知的縱波速 度和橫波速度或通過建立縱波速度與橫波速度之間的轉換模型，實現橫波速度預測是必要的.通過對87個不同沉積巖石實驗數據的統計分析表明巖石的橫波速度(Vs)與縱波速度(Vp)之間呈 現出很好的線性相關性，其關係式為K'=0.567^+192.74 (1)理論上橫波和縱波的速度比為^ (2) 由於U的變化範圍為0 丄，因此，K"取值範圍為0 一|=。也就是說，同一介質中橫波的傳播速度總是小於縱波的傳播速度，且最多也只能達到縱波速度的^=倍。因而在地展觀測中總是先記錄到縱波,而後才能記錄到橫波。對許多常見的巖石，泊松比約等於0.25。在這種情況下，=由此可以看出，實驗結果與理論分析完全吻合。由f在地簾勘探中一次爆炸產生的縱波能豕比橫波要 強的多，因此目前在地簾勘探中主要利用縱波。在已知縱波的情況下，根據式(1)和(2)我們可以準確 地計算出橫波速度。(2)密度的轉換模型由於煤系沉積巖石在成分、結構和構造以及成巖作用的不同，導致巖石密度的差異，不同密度的巖石具有不同的聲波速度。實驗結果統計表明，煤系巖石密度/ 與其聲波速度之間為非線性正相關關係，它們 之間的關係可表示如下formula see original document page 5(3)式中p為煤系巖石密度(g/cm'); V為煤系巖石縱波或橫波速度(m/s): kn、 k,和k2為取決於煤系巖石縱波或橫波速度和巖性的參數。2、巖石(體)物理力學參數分析模型根據彈性波傳播理論，以聲波速度實驗為基礎，由巖石縱波jf度和橫波速度以及巖石密度三參數，通過試驗數據進行統計及回歸分析，建立了各種巖石彈性參數之間的關係縱、橫波速度與密度，孔瞎度以 及巖石強度等參數之間的關係，解決了巖石與巖體之間的動、靜彈性模量和動、靜泊松比的轉換問通.這 些試驗分析的結果為巖石(體)物理力學參數分析與預測莫定基礎。(l譯於地霣波速度的動彈性力學參數計算模型根據彈性波傳播理論，若巖石縱波速度,波速度以及巖石密度已知，則按(4)和(5〉式能計算出 巖石的動彈性模S和動泊松比。動彈性模量:動泊松比:式中五rf—動彈性模量(GPa); A——動泊松比巖石試樣的密度(g/cm3);、一縱波iiJS(m/s):F'—橫波速度(m/s): k-取決於單位的常數。(2) 動彈性力學參數與靜彈性力學參數之間的關係模型 巖石的彈性模量和泊松比可以由靜態載荷試驗和動態方法獲得。動彈性力學參數是通過巖石聲波速度實驗測得的縱波速度和橫波速度以及巖石密度計算出動彈性模量和動泊松比。靜彈性力學參數是通過巖石 試樣的強度試驗獲得的橫向和縱向變形數據計算出的完整巖石的靜彈性參數(E, w )。由於測試方法的不 同，煤系沉積巖石的動彈性參數要大於靜彈性參數，也就是動彈性模量ij動泊松比要大於其靜彈性模i與 靜泊松比，它們之間呈線性相關關係。這是由於採用動態方法測試時巖石試樣對瞬間應變或高應變速率和 很低應力作用的響應處於完全彈性狀態所致。沉積巖石動彈性模量與靜彈性模量之間的線性回歸方程為五,0,7632五、+22.604 (6) 式中￡rf為動彈性模量(GPa);五、為靜彈性模量(GPa):相關係數R-0.87,統計數N47。沉積巖石動泊松比與靜泊松比之間的線性回歸方程為〃d= 0.2899〃,+0.1366 (7)式中；^為動泊松比；p，為靜泊松比相關係數R^.61,統計數N《1。(3) 巖石單軸抗壓和抗拉風度與地展波速度之間的關係試驗研究表明，煤系巖石單軸抗壓強度和抗拉強度與其縱波或橫波iE度具有相關性，隨著縱波或橫波速度的增加煤系巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度也增大。回歸分析結果表明，煤系巖石單軸抗壓強度與其縱波或橫波速度之間具有如下指數關係式中及e為煤系巖石單軸抗壓強度(MPa); V為煤系巖石縱波或橫波速度On/s): a和b為取決於煤系巖石縱波或橫波速度和巖性的參數。回歸分析結果表明，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關係及，=6 + flrF (9)式中及,為煤系巖石單軸抗拉強度(MPa); V為煤系巖石縱波或橫波速度(m/s); a和b為取決於煤系 巖石縱波或橫波速度和巖性的參數。(4)巖石內摩據角和凝聚力與地霣波速度之間的關係試驗研究表明，煤系巖石內摩擦角和凝聚力與其縱波或橫波速度具有相關性，隨著縱波或橫波速度的 增加煤系巖石的內庫擦角和凝聚力也增大。統計表明，煤系巖石內 ^1角和凝聚力與其縱波之間較好地服 從冪函數關係,其模型為—fl「A (10)C-W (11) 式中-為煤系巖石內摩擦角(')；C為煤系巖石凝聚力(MPa), V為煤系巖石縱波或橫波速度(m/s): a、 b和k、 x為取決於煤系巖石縱波或橫波速度和巖性的參數。(二)波阻抗反演層速度方法 速度在地霣勘探中是一個重要的參數，它也是進行地展勘探的物理基礎之一。根據上面的計算模型可 以看出，煤、巖體物理力學參數計算的關鍵是獲取準確的地簾波速度. 1、波阻抗反演層速度的原理在求取層速度的過程中，利用測井資料結合三維地簾數據體及其解釋成果進行多井約束下的波阻抗反 演(稀疏脈衝反演結合地簾約束的測井曲線反演)。通過層位標定確定煤層及頂底板所對應的波阻抗層， 然後沿層提取該波阻抗層(煤層及頂底板所對應的)波阻抗值。再除以煤層及頂底板所對應的密度，可得 到層速度。該反演是將測井資料與地展資料緊密結合，二者相互約束，在時間、深度域上通過聲波曲線建立正 確的時深關係，從而對整個地簾數據體進行各類測井曲線反演。其原理如下 地展記錄(S) -反射係數(R) *子波(W)S=F(R，W)=F(Sonic,Den，W)=F(Sonic,Den,Poro,Per, ■ ■ , W)formula see original document page 7.'=l J 其中PCA為主分量，Weight為權重因子.反演地展道-主分ft 1 X權重因子1+主分量2X權重因子2+主分量iX權重因子i+…主分量nX權重 因子n。反演過程中主要有四個嚴格的約束條件，即(1)原始測井曲線與反演出的測井曲線閉合差達ft小 (2)反演出的第i道與i+l道閉合差達最小；(3)實際地展記錄與合成地簾記錄閉合差達最小；(4)反演 出的地簾厚度與鑽井厚度閉合差達最小。 2、反演的基本方法在地簾精細解釋和測井處理的基礎上，運用JASON反演軟體進行反演分析，為了保證反演精度和準 確性，採取了以下方法(1) 層位標定及子波提取層位標定是波阻抗反演的基礎，它能確定地簾反射與地質界面的對應關係，同時也是認識工區地霣資 料波組特徵的關鍵。在標定之前，根據地簾資枓的主頻，我們提取了一系列子波試驗，確定反滇的子波，(2) 地質模型的建立利用解釋的層位和斷層數據，結合地層間接觸關係以及其內部地簾反射特徵和斷裂組合方式，建立了 基本反映研究區沉積體地質特徵的初始模型。在此基礎上輸入時深轉換好的井數據，在初始模型的控制下， 根據反距離加權法對測井數據進行內插和外推，從而得到如波阻抗、電阻率等多種模型數據.(3) 約束稀疏脈衝反演約束稀疏脈衝反演是建立在一個趨勢約束的脈衝反演算法對出之上的。其具體運算過程是從地簾道中 根據稀疏的原理抽取反射係數，再與子波權積生成合成地艉數據，然後比較合成地簾數據與原始地簾數據， 根據它們之間的差值修改反射係數序列，再做合成地簾數據，如此迭代下去，直到合成地震數據與原始地 展數據的殘差達到要求為止，此時就可得到最終的波阻抗數據。(4) 道合併由於約束稀疏脈衝反演所得到的波阻抗數據是以地簾數據為基礎的，所以其結果缺少低頻波阻抗信 息，因此必須對其進行低頻波阻抗的補償。依據對地展數據的頻譜分析，利用jason反演軟體的道合併模 塊，對約束稀疏脈衝反演的結果進行低頻波阻抗補償，從而得到最終的絕對波阻抗數據體和電阻率數據體, (5)煤層及頂底板圍巖的波阻抗提取及層速度求取得到波阻抗數據體後，針對煤層而言，沿所解釋的煤層層位直接可提取全區煤層的絕對波阻抗值，再 除以所在採區煤層的密度，得到了全區沿煤層的層速度資料。針對煤層及其頂底板而言，採用了沿煤層頂板、底板上下各30米範圍內提取並計算波阻抗的均值， 確保30米所包含的巖性信息。再除以30米範圍內所有巖性的密度平均值，得到了全區沿煤層頂板、底板 上下各30米範圍內的層速度資料。要保證最終速度場的精度，需要注意以T^幾點(1) 在資料解釋中要做精細的層位標定，當層位標定不準，或在解J^過程中出現"竄軸"等層位解 釋誤差時，會對目的層位的平均速度場形態產生主要的影響，並造成時深轉換時深度構造圖的誤差.(2) 對於測井資料、鑽井資料、VSP資料，要認真分析它們的來龍去脈，要搞清楚各自的基準面，避免由於基準面不一致造成的速度層位和Tn時間層位不閉合所產生的速度場誤差。(3)建速度場的過程中井資料的使用。硏究表明，由於地展資料(疊加速度,T。數據)的高密度採樣的 優點，利用地簾資料所建的速度場具有平面上速度規律性強、能控制全區速度場的特徵，但與井資料相比, 其縱向解析度較低由VSP資料、聲波測井資料、地展微測井、鑽井資料得到的速度縱向精度高，但控制 速度橫向變化規律的能力較差。因此，將二者結合，採用多井約束下的層速度反湞，既能提ft速度場的糖 度，又能控制速度場的橫向變化規律。
權利要求
1.煤系巖石物理力學參數與聲波速度之間的關係模型；
2. 波阻抗反演層速度方法；
3. 基於地震信息的巖石(體)物理方學參數分析軟體。
全文摘要
基於彈性波傳播理論，從縱波速度、橫波速度及密度基本參數出發，通過理論分析和試驗研究，提供了縱、橫波速度轉換的理論模型和試驗模型以及波速與密度轉換的試驗模型，定量描述了煤系沉積巖石基本物理參數和模型。以聲波速度實驗為基礎，由巖石縱波速度和橫波速度以及巖石密度三參數，並同步測試了煤系巖石的靜態力學參數，通過試驗數據進行統計及回歸分析，建立了煤系沉積巖石動彈性力學參數與靜彈性力學參數之間和煤系巖石物理力學參數與其聲波速度之間的相關關係和模型。提出了採用波阻抗反演層速度方法獲得地震波層速度參數，開發了基於地震信息的巖石(體)物理力學參數分析軟體，實現煤、巖體原位物理力學參數計算。
文檔編號G01V1/28GK101231346SQ200810100900
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月26日 優先權日2008年2月26日
發明者孟召平 申請人:中國礦業大學(北京)