专利名称：应用地震波速度预测煤、岩体物理力学参数方法
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簾勘探中，除了要査明采区内构造和煤层分布外，还要反湞岩性及其力学参数，这些已成为 当前国内外许多学者关注,邇。有关煤层及其顶底板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。背彔技术三维地簾勘探是利用地下地层介质弹性参数变化所引起的地展波场变化进行地质体反演的一种方法 或技术。地展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,而弹性理论则是地霣学 方法賴以发展的基本理论框架。早在19世纪20年代,Navier、 Cauchy、 Poisson等人就己经建立了弹性力 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，地簾学和地簾 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 及地展勘探数字化后能提供比以前更为先进的一整套方法技术，就使得地簾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、地霣地层学等就是具有 代表性的几个方面。随着地簾波动力学理论和地簾波的正、反演技术在地展勘探中的迅速发展，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，地簾技术的 采用始于1诉5年，早期主要是寻找新煤田和新的含煤区。直到70 80年代，才在安徵、山东、江苏、河 南等省采用地豕一钻探相结合的综合勘探技术，进行煤炭资源的普査、详査和精査勘探。卯年代以来，以 高分辨三维地豕勘探为核心的采区物探技术受到普通重视，取得突破性进展，在淮南矿区开展的工作获得 了髙分辨率、髙信噪比、高密度三维数据体，査明了埋深400—700m,落差5tn左右的小断层和帼度大于 5m的小褶曲。尽管国内外学者在地展资料的处理、解释取得了很大的进展，但是，地展资料解释工作仍 然停留在强烈地依赖解释人员经验的阶段，地展资料中包含的大量信息被白白浪费，如何应用地簾波信息 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測量岩石纵横波 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 损检拥.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 董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^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(2007CB20940S),国家自然科学基金项目"0772100〉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 (Vp,Vs)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，将为三维地簾信息预測岩石(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 拥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卢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展波层速度参数。(4)开发了基于地展信息的岩石(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)物理力学参数定暈描述的基础。(l)纵波与横波速度的转换模型在地霣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。闪此由从地展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(Vs)与纵波速度(Vp)之间呈 现出很好的线性相关性，其关系式为K'=0.567^+192.74 (1)理论上横波和纵波的速度比为^ (2) 由于U的变化范围为0 丄，因此，K"取值范围为0 一|=。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。因而在地展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，=由此可以看出，实验结果与理论分析完全吻合。由f在地簾勘探中一次爆炸产生的纵波能豕比横波要 强的多，因此目前在地簾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/ 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<formula>formula see original document page 5</formula>(3)式中p为煤系岩石密度(g/cm'); V为煤系岩石纵波或横波速度(m/s): kn、 k,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jf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，孔瞎度以 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、静泊松比的转换问通.这 些试验分析的结果为岩石(体)物理力学参数分析与预测莫定基础。(l译于地霣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,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S和动泊松比。动弹性模量:动泊松比:式中五rf—动弹性模量(GPa); A——动泊松比岩石试样的密度(g/cm3);、一纵波iiJS(m/s):F'—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測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, w )。由于測试方法的不 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ij动泊松比要大于其静弹性模i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五,0,7632五、+22.604 (6) 式中￡rf为动弹性模量(GPa);五、为静弹性模量(GPa):相关系数R-0.87,统计数N47。沉积岩石动泊松比与静泊松比之间的线性回归方程为〃d= 0.2899〃,+0.1366 (7)式中；^为动泊松比；p，为静泊松比相关系数R^.61,统计数N《1。(3) 岩石单轴抗压和抗拉風度与地展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iE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式中及e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On/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及，=6 + flrF (9)式中及,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)岩石内摩據角和凝聚力与地霣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 增加煤系岩石的内庫擦角和凝聚力也增大。统计表明，煤系岩石内 ^1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—fl「A (10)C-W (11) 式中-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 速度在地霣勘探中是一个重要的参数，它也是进行地展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簾波速度. 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簾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簾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展资料紧密结合，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，从而对整个地簾数据体进行各类测井曲线反演。其原理如下 地展记录(S) -反射系数(R) *子波(W)S=F(R，W)=F(Sonic,Den，W)=F(Sonic,Den,Poro,Per, ■ ■ , W)<formula>formula see original document page 7</formula>.'=l J 其中PCA为主分量，Weight为权重因子.反演地展道-主分ft 1 X权重因子1+主分量2X权重因子2+主分量iX权重因子i+…主分量nX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測井曲线闭合差达ft小 (2)反演出的第i道与i+l道闭合差达最小；(3)实际地展记录与合成地簾记录闭合差达最小；(4)反演 出的地簾厚度与钻井厚度闭合差达最小。 2、反演的基本方法在地簾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，它能确定地簾反射与地质界面的对应关系，同时也是认识工区地霣资 料波组特征的关键。在标定之前，根据地簾资枓的主频，我们提取了一系列子波试验，确定反滇的子波，(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簾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對出之上的。其具体运算过程是从地簾道中 根据稀疏的原理抽取反射系数，再与子波權积生成合成地艉数据，然后比较合成地簾数据与原始地簾数据， 根据它们之间的差值修改反射系数序列，再做合成地簾数据，如此迭代下去，直到合成地震数据与原始地 展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簾数据为基础的，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。依据对地展数据的频谱分析，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T^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J^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Tn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。硏究表明，由于地展资料(叠加速度,T。数据)的高密度采样的 优点，利用地簾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、地展微测井、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湞，既能提ft速度场的糖 度，又能控制速度场的横向变化规律。
权利要求
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)物理方学参数分析软件。
全文摘要
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。
文档编号G01V1/28GK101231346SQ200810100900
公开日2008年7月30日 申请日期2008年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者孟召平 申请人:中国矿业大学(北京)