2. 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083;
3. 河南理工大学瓦斯地质研究所, 河南 焦作 454000
2. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China;
3. Institute of Coalbed Gas Geology, Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China
煤田地震勘探在较大尺度上的煤系地层构造识别、煤层赋存形态控制等方面得到了成熟应用,也形成了较系统的理论与技术,成为矿井工程地质条件勘探的最直接、有效的地球物理手段(方正等,1997).然而,小尺度甚至微观尺度的煤岩物质组分、结构及煤层中水、气、固体多相介质相互作用所表现的地球物理异常一直是煤田地球物理勘探的挑战之一;也是煤矿瓦斯致灾机理和煤层气排采效率低下迟迟未能突破的一个重要原因(Hou et al.,2012;Zhang et al.,2013).虽然测井技术在识别流体、岩性、煤层结构、煤质、含气量、含水性、渗透性等方面发展迅速(赵保中等,2008;张松扬,2009),但测井解译的信息毕竟是受单个钻孔控制的“点”信息.在钻孔约束下的测井与地震的联合勘探才是实现区域煤层微观精细结构与物性评价的现实手段,其中煤岩的岩石物理实验是实现井震联合反演的基础之一.虽然超声波与实际地震频带差异较大,但是超声测量对于实际低频地震勘查的借鉴意义无疑是十分明显的(陈颙等,2009).
煤岩超声波实验测试研究一般可分为以单相固体煤岩和含流体介质的多相固流耦合煤岩为实验对象的两大类,其中单相固体煤岩的研究是多相态研究的基础.不少学者对煤岩的物理力学性质进行了大量研究,获得了一些重要的弹性认识,包括速度、衰减及其方位各向异性特征.例如,孟召平等(2008) 对五个矿区的石炭和二叠纪煤系地层的岩芯进行了实验室超声波测试,讨论了煤层及围岩样品的波速特征,发现煤系岩石的密度与横波速度、纵波速度之间均呈良好的线性相关性;煤岩密度相对于围岩小,使煤表现出明显的低速特点.周枫(2012) 对沁水盆地煤样品进行模拟煤层埋藏压力条件下的超声波速度测试,发现:纵波和横波速度随围压的增大而增高,但当围压增大到10 MPa以后,大部分裂隙被压实闭合,裂隙对超声波速度的影响迅速减弱,此时煤的波速由自身矿物成分的性质决定,趋于稳定;超声波速度的变化与裂缝的分布具有很好的对应关系:沿着裂隙方向,超声波传播速度最大,垂直裂隙方向,超声波传播速度变小.吕绍林(1995) 对不同煤体结构类型的煤样进行了超声波测试,结果表明:不同煤体结构类型的超声波速具有很大差别,随着煤体结构破坏程度的升高,波速值降低.郭德勇等(1998) 在高压下对原生结构煤不同方向进行了超声波测试,结果表明:煤层中波速存在各向异性,平行层理的波速高于垂直层理的波速.闫立宏(2006) 对淮北煤田杨庄煤矿5、6煤层煤样的纵波速度进行了系统的测试,结果显示:平行层理方向的纵波速与垂直层理方向的纵波速不同,平行层理两个方向的波速也存在一定差异.赵群和郝守玲(2006) 通过将煤岩加工成特定形状的模型,研究了典型的平行、定向排列的裂隙对超声波速度和衰减的影响,主要实验结果为:煤岩的超声波速度与衰减存在方位各向异性;纵波衰减随裂隙方位的变化明显大于横波.
Krzesinska(1997) 在实验室分析了瓦斯突出与非突出煤岩的化学组成,并进行了纵波超声实验.通过瓦斯突出煤与非瓦斯突出煤的物质成分分析、对比及其与纵波速度、密度的关系,指明了突出煤体在矿物组分上与非瓦斯突出煤体的差异使得突出煤体难以承受围岩的挤压和孔隙中瓦斯的压力而发生突出.Morcote等(2010) 通过实验室不同压力条件下的四种变质程度煤样超声测量获得了与赵群和郝守玲(2006) 、王赟等(2012) 所研究相似的结论,但更有意义的是,通过压力的变化,他们证明了煤样在5MPa以下压力时煤样的纵横波速度与弹性模量均表现随压力增加而增大,但变化幅度只有5%左右,且超过此压力后几乎不再变化,这与孔隙与裂缝的闭合是紧密相关的.Cai等(2014) 通过三轴压力实验、超声实验以及X射线扫描成像分析了随压力变化时煤样裂缝隙的扩展特征及其对渗透率的影响,并揭示了这一压力变化、裂缝发展过程中所表现的P波速度各向异性.
总之,在上述的单相固体煤超声波测试实验中,尽管分别从密度、裂缝、煤体结构、围压、地应力等影响因素的角度对超声波传播的影响进行了观测实验,但总的研究显示的仅是将煤作为一种沉积岩所获得的弹性波传播影响因素的宏观、共性认识,缺乏与煤岩组分、变质程度等的关联性;尤其针对中国煤样的实验样品仅分布于一、二个不同的矿区,不存在采样的系统性和可对比性,故难以获得对中国复杂煤岩各种类的共性、完备弹性认识.鉴于此,我们曾系统采集了中国5个矿区的6种8块不同变质程度的煤样,并进行了常温常压条件下的超声波测量,获得了一些有意义的认识(王赟等,2012,2013;许小凯等,2014).但已有研究尚存在如下问题:
(1) 煤岩实验样品数量较少,所获得的结论性认识对于各种变质程度煤岩的代表性有待于更多实验的支持;
(2) 前述实验中,由于横波信号淹没在纵波及其转换波信号中,横波初至拾取和波形的提取并未采取针对性的解决方法,关于横波速度、品质因子的计算可能会存在一定误差;
(3) 由于煤岩层理、割理、端理、裂缝等极其发育,超声测量中纵波初至的拾取与品质因子计算也存在一定的误差.
因此,在前期已加工制作的8块煤样的基础上,我们又采集了中国淮南、平顶山、鹤壁和焦作4个矿区的5种不同变质程度的原煤样,成品样为22个,合计30块原煤样,代表6种不同变质程度的煤岩,重新对煤样进行了常温常压条件下的超声波测量实验;并在此基础上,重点分析煤岩纵波与横波的波速和吸收衰减特征,及其与煤岩密度、变质程度的关系,包括煤岩弹性模量特征及其各向异性.
2 煤的超声波测量 2.1 待测样品信息考虑到煤岩易碎性及超声测量对样品尺寸的要求,参考国际岩石力学学会试验委员会(ISRM)对力学试件尺寸和采样的建议(Ulusay and Hudson,2007),井下采样时标定样品所在煤层的走向、倾向和垂直层理方向,在实验室按这三个方向将其切割加工成边长为6cm的立方体;并将六个端面打磨光滑以使其与超声波换能器耦合良好(GB/474\|) 成品样如图 1,加工好的样品个数为22个,加上之前采集的来自8个不同矿区、代表6种变质程度的煤岩8块(王赟等,2012),共计30块.总计这些样品来自8个不同的煤矿区、代表了6种变质程度,样品基本信息如表 1所示;其中Ro,max代表煤镜质组最大反射率,是常用的表征煤化程度的指标(虞继舜,2000;李文华等,2006;GB/T212\|) 由合作单位河南理工大学瓦斯地质研究所测量.
煤超声测量在常温(25 ℃)、常压(1个大气压)条件下进行.测量方法采用行波传播——脉冲透射法,此方法主要依据国际岩石力学学会在1978年推荐的、用脉冲传输法原理测量波速度的仪器工作原理(何元金和马兴坤,2003;伍向阳,2000).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,如图 2所示.具体测试实验条件如下.
① 测试频率
由于测试煤样为边长6 cm的立方体,为了避免高频波的强衰减,样品适宜选用超声波的低频段测试.由于样品数量较多,测试的周期跨越了6个年度,不同时期的实验超声测量采用了不同的频率.在本文所涉及样品的实验中,先前的8块样品测试使用的是:纵波主频为100 kHz,横波主频为250 kHz; 此次对先前的8块样品及新采集的22块样品进行了统一条件下的超声实验测试,纵横波主频均选用250 kHz.
② 水分条件控制
从煤样的井下采集到加工成样,煤岩原始的水分(含游离水、化合水和结晶水)赋存状态必然受到破坏.由于水分对煤岩的弹性影响较大,为了保证样品测试时水分条件一致,本次实验暂不考虑储层水分状态以及不同的水含量对煤岩弹性的影响.即实验中统一将加工好的煤样暴露在自然空气条件下7 天,之后将样品浸泡水中24 h,再将其取出晾干5 h.
③ 加载方案
实验室超声测量时,为了保持不同样品加载条件的一致性,专门采用夹持器以相同的压力将探头和煤样两端夹持固定,使得探头与煤样端面耦合良好.考虑到煤样硬度低的特点,夹持器施加压力确定为10 kPa.
④横波测量
在使用横波换能器时,传感器接收到的信号不是单纯的透射横波,而是透射横波、转换纵波以及多次反射或转换波的混合波形.王赟等(2012,2013)和许小凯等(2014) 实验时直接在透射波形上凭经验读取横波初至,存在一定的误差.本次实验中,为了获得较准确的透射横波初至与较纯净波形,采用了两个正交方向分别激发横波,在传感器端分别记录两次波形,再根据纵横波偏振差异拾取横波初至;并进一步通过宽带滤波滤除高频纵波和低频多次波干扰,得到消除干扰的、较纯净的透射横波波形,从而提高了横波波速及品质因子Q值的计算精度(张建利等,2013).
2.3 测量结果与弹性参数计算煤样波速计算方法与王赟等(2012) 采用的方法相同;不同的是,许小凯等(2014) 对品质因子Q值的计算采用谱比法(孙进忠等,1988;Tonn,1991),本次实验对所有样品均采用振幅衰减法进行了重新计算(郝召兵等,2009).纵波波速VP、品质因子QP计算结果见表 2;横波波速VS、品质因子QS见表 3;其中样品A、B、C1、C2、D、E、F1、F2是沿用了王赟等(2012,2013)和许小凯等(2014) 所做实验中的8块样品编号.
由已知的密度ρ与各方向VP、VS,可计算出沿煤层走向、倾向、垂直层理三个方向上的常用五种动弹性力学参数:拉梅常数(λ)、剪切模量(μ)、泊松比(ν)、体积模量(K)、杨氏模量(E)(陈颙等,2009;胡德绥,1989).由于目前的煤田勘探主要利用纵波地震技术,因此,本文的大部分分析以垂直层理方向(以下简称垂向)的弹性参数为主,计算结果见表 4,其他两个方向的弹性模量计算结果参附表 1和附表 2.
实验结果显示在常温压条件下相同变质程度的不同样品的弹性存在差异;尽管密度差异较小,一般都小于10%,但速度差异却可达30%.这说明速度的影响因素并非单一的体积密度,沉积变质作用、结构破坏程度(裂缝与层理、割理发育程度)的差异也会对煤岩速度产生明显的影响.为此,以下将从煤田地震勘探需求的角度对实验获得的弹性模量及其与煤岩组分、变质程度等的关系展开讨论.
3.1 煤岩速度与密度的关系及其各向异性 3.1.1 速度与密度的关系由于在煤田井震联合反演中煤岩的密度\|速度关系是个基本的转换公式,因此,王赟等(2012) 通过8块煤样的超声测量和与经典Gardener公式(Gardner et al.,1974)的对比,给出了近似程度相对较高的、6种变质程度煤的密度与垂向纵波速度的换算公式:V=1803.9ρ-580.82,记为王式(1) 王赟等,2012).但根据此次实验30块样品所获得的表 2和图 3a所示的数据,显然,垂向纵波速度与密度之间并不是简单的线性相关;虽然总体上随着密度的增加,垂向纵波速度也增大.需要说明的是,图 3a是相同变质程度煤样没有采用平均的垂直层理方向纵波速度与视密度的散点分布,而两个理论公式计算的结果是对相同变质程度煤的垂向纵波速度值进行了平均.对于垂向纵波速度与密度关系,当采用平均值时可以反映速度\|密度之间存在较好的线性规律性;而实际上由于相同变质程度煤样在煤体结构上存在差异,这30块样品的关系尽管在一定的区间内呈现总体的变化趋势,但较为分散.而且,由图 3a可知:利用Gardener公式估算的垂向纵波速度仍然误差远大于王式(1) 也远低于实际值.
在实际井震联合反演中,由于直接反演结果是波阻抗,所以一般使用速度与阻抗之间的关系公式进行速度换算.对照类似于Lindseth公式(Lindseth,1979)所描述的垂向纵波速度与其阻抗之间的关系,根据表 2数据的换算可以获得如图 3b所示的散点分布.可以发现垂向纵波阻抗与其速度之间存在较好的线性相关性.因此,针对中国具有代表性的6种变质程度煤,在王赟等(2012) 前期研究的基础上,我们建议使用如下的拟合公式用于密度与垂向纵波速度之间的换算关系:
(1) |
式中,V是垂向纵波速度,单位m·s-1,ρ是煤岩视密度,也称体积密度,单位g·cm-3;该拟合式近似程度为95.13%.
而且,根据表 2的数据对每一个样品求取P波阻抗,每种变质程度煤样取平均值,可知一般P波阻抗走向最大,倾向次之,垂直层理方向上最小;纵波与横波速度也存在上述规律,这与王赟等(2012) 的描述是相同的.
3.1.2 煤岩纵横波速度间的关系在煤田弹性波勘探中,还需要知道横波速度.在偶极子测井缺失的情况下,一般需要借助实验室岩石物理测试给出纵波与横波速度的转换关系,其中Castagna公式(Castagna and Smith,1994)是沉积岩地区经常使用的、被化石能源界广泛认可的公式.为此,根据表 2和表 3数据对同一块岩样的纵波速度与横波速度进行回归分析,图 4显示了垂向纵横波速度之间的关系.显然,二者之间存在较好的线性相关性,且VS=0.3775VP+264.03,记为公式(2) 王赟等(2012) 给出的公式具有远高于Castagna公式的拟合精度.鉴于王赟等(2012) 只测试了8块岩样,根据本次实验30块岩样的结果,建议修正王式(2) 如下形式:
(2) |
式中VP为纵波速度,VS为横波速度,单位m·s-1;该公式相关系数可达93.2%.由于目前的地震勘探只限于垂向纵波与横波速度的应用,故对于另外两个方向的速度关系我们不予展开讨论.
3.1.3 煤岩速度的各向异性从表 2与表 3不同方向测得的纵波与横波速度对比不难发现:对于同一样品,三个方向的速度存在差异,如图 5所示为纵波速度与横波速度相对于体积密度的散点图.显然,走向、倾向、垂向的速度各不相同,且一般的,走向速度最大,垂向最小.
为便于分析,将表 2与表 3中各个变质程度煤所对应的所有煤样速度值取平均,统计可以发现:走向、倾向VP与垂向VP平均比值分别为1.5和1.2,VP各向异性特征明显;以垂向速度作为基准,三方向的纵波速度各向异性平均可达50%和20%;横波沿煤层走向、倾向、垂直层理三个方向的速度也逐渐减小,但相差并不大.VP各向异性较VS大,说明VP是识别煤层各向异性的敏感参数.
3.2 煤岩品质因子及其与速度的关系在煤田地震勘探中,由于煤层含水或瓦斯等的影响,以及煤体结构的破坏均可产生煤的非弹性特征,因此,分析煤岩样品的品质因子特征对于了解煤岩对地震波的衰减是有意义的.从表 2与表 3不同样品、不同方向的品质因子对比可见:煤岩的粘性较强,品质因子普遍为低值,远低于一般的沉积岩(Nie et al.,2007).如图 6所示,垂向纵横波速度与品质因子的关系可总结为:) 波在煤样中衰减比较严重,品质因子QP普遍不高,都在1左右,明显低于一般岩石的QP值;) 波Q值一般大于纵波的品质因子,说明煤层对纵波的吸收衰减作用强于横波.显然,这一规律与许小凯等(2014) 采用谱比法所获得的结论完全相反,表 2与表 3中的加粗字体所代表的个别异常点数据均来自先期测量的样品.考虑到测试频率的差异和品质因子的频率依赖性(Futterman,1962),这一现象也是不难解释的;而本次实验结果与横波的偏振特征及其沿骨架传播的特点是吻合的.
为此,在以下品质因子的分析中,为消除不同频率激发信号的衰减差异,只统计纵横波均采用250 kHz激发频率的样点进行分析.
3.2.1 品质因子与速度之间的关系在地震数据的处理与反演中,品质因子需要根据其与速度的关系获得一个相对的指示范围,以提高衰减补偿和频谱拓宽的效果,为此,建立波速与品质因子之间的关系对于煤田地震勘探是有益的.如图 7a所示为垂向纵横波速度比与品质因子比的散点分布,显然,本实验中QP/QS与VP/VS的分布特征并未表现如Wang等(2009) 所推导的双曲函数关系4/QS≈3γ2/QP(其中,γ=VP/VS),记为王式(3) . 利用王式(3) 预测横波品质因子都明显地低于实测值,如图 7b所示.考虑到本实验是常温压条件,而根据实际地层的温压校正作用,尤其是压力的作用和品质因子的频率依赖性,可以推测本文所揭示的纵横波品质因子转换关系难以推广至地震频带范围.
采用与许小凯等(2014) 相同的分析模式可以发现:品质因子也存在各向异性,表 2与表 3中数据的统计分析可知,走向与倾向QP值相近,垂向相对较小,说明纵波沿煤层垂直层理方向相对于水平方向衰减严重;QS值在走向、倾向、垂直层理方向上没有明显的大小关系,但各向异性是十分明显的,如图 8所示,与许小凯等(2014) 所获得的结论相同.
对比三个方向上的不同泊松比和弹性模量,如 图 9所示.可以总结以下煤岩弹性特征:) 体上看,相比其他沉积岩(如页岩、砂岩、石灰岩等),煤岩的弹性模量均较小,显示了较低的力学强度;) 松比(ν)及弹性模量走向值与倾向值相近,垂向值明显减小;) 性模量与密度、变质程度正相关,但没有明显的单调关系.) 泊松比(ν)大都集中在0.3附近.
在煤层气资源评价和煤变质程度分析中,镜质组反射率(Ro,max)是主要的指示参数,如果地震反演可实现Ro,max的定量预测,那么煤与煤层气资源勘探和开发将大为受益.为此,王赟等(2013) 和许小凯等(2014) 曾专门对煤岩镜质组反射率与弹性参数的关系进行了讨论,并发现了一些有意义的规律.进一步的,在本实验增加样品数量的基础上,将煤样最大镜质组反射率(Ro,max)分别与其三个方向的λ、μ、K、E均值进行回归分析,如图 10a所示,线性拟合依序排列,显然以剪切与杨氏模量相关性最好,可达90%以上.且Ro,max与垂向纵横波阻抗线性关系也较好,如图 10b所示.
进一步将煤样三个方向的QP、QS均值分别与其最大镜质组反射率(Ro,max)进行回归分析,可以发现QP、QS与Ro,max呈较强线性相关性,随着Ro,max的增大,QP、QS相应增加,与许小凯等(2014) 所得结论吻合.
4 结论与认识根据此次更多煤样的超声测试与分析,相比于已有的关于煤岩样品弹性特征的认识(王赟等,2012,2013; Wang et al.,2014;许小凯等,2014),有以下结论值得重点提及:
(1) 业界广泛使用的描述沉积岩垂向纵波速度与体密度的经验公式——Gardener公式不适用于描述中国一般煤岩的速度\|密度特征,而应参考本文给出的公式(1) 为以后中国煤田地震反演所依据的基本公式.
(2) 在煤田弹性波勘探中,在缺少实测横波速度的条件下,使用本文给出的公式(2) 具有较好的指示意义和精度.
(3) 沿煤层走向、倾向、垂直层理方向上VP、VS均呈递减趋势,且水平向速度远大于垂直层理的速度;VP各向异性较VS大,通常高出10%,不满足弱各向异性介质假设,也使得基于Thomsen弱各向异性介质假设的等效介质理论(Thomsen,1986)应用于中国的煤层存在适用性问题.
(4) 纵横波的品质因子在三个方向上各不相同,存在各向异性,较速度各向异性更加明显;不同于许小凯等(2014) 所获得的结论,QS普遍比QP大,说明煤层对纵波的吸收衰减作用大于横波.在煤层地震参数反演中选择横波作为对比将具有一定的优势.
(5) 煤岩的常温压条件下弹性模量明显低于其它类型的沉积岩,且拉梅常数(λ)、剪切模量(μ)、体积模量(K)和杨氏模量(E)在走向、倾向和垂直层理三方向上对应各值依次减小.弹性模量表现出各向异性.
(6) 在四种弹性模量中,以剪切模量、杨氏模量以及垂向纵横波阻抗与煤岩变质程度的反映因子——最大镜质组反射率Ro,max存在较好的线性相关性.因此,利用地震反演定量预测煤变质程度是可行的.
由于煤岩在沉积、变质过程中环境条件的不同使得煤岩的物性存在较大差异;而由于成煤同期与后期构造运动的影响使得煤岩的结构,包括层理、割理、端理、节理、裂缝隙发育存在巨大差异,从而造成了即使对于相同变质程度的煤岩,物性与结构的差异会直接反映在各种弹性参数上.例如,对于品质因子与速度的关系,在本文所测的30块样品中就没有表现出许小凯等(2014) 所总结的规律,也与Wang等(2009) 所给出的理论公式不符.由于本实验中所使用频率与以前实验存在差异,对此,这一规律总结不宜就此落实,需要以后更多实验的积累和支持.
为促进煤田地震反演技术应用于煤田地质勘探与开发过程,本文在分析了6种不同变质程度煤样常温常压下弹性特征的基础上,将煤的超声波弹性参数与煤岩的变质程度、物性等相关联,试图总结一些有意义的规律为利用地震波反演煤层物性提供理论指导;但相对于本文所依赖的超声频率和常温压条件,显然这一指导意义将还是初步的、需要不断修正的(Chen等,2013).
该系列实验工作历时五年多,期间多位研究生——申振华、成林、张建利等参与了采样、制样和超声测量以及信号处理工作;中国石油大学(北京)的魏建新研究员、中国科学院地质与地球物理研究所的伍向阳研究员在实验过程中给予了诸多指导,在此一并致谢.
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