專利名稱：一種獲取煤巖的速度特征的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤田勘探領(lǐng)域，尤其涉及一種獲取煤巖的速度特征的控制方法。
背景技術(shù)：
隨著煤炭資源開采深度的加大，深部高溫?zé)岷蜕顚用簬r與瓦斯突出等動力學(xué)災(zāi)害的危險(xiǎn)程度逐漸提高，對煤田地震勘探精度的要求也逐漸提高。目前，煤田勘探不僅要求地震勘探預(yù)測小斷層，還要求對深層煤頂?shù)装鍘r性、構(gòu)造煤分布、瓦斯富集程度等情況進(jìn)行定性或定量的預(yù)測。隨著煤層氣資源勘探開發(fā)力度的加大，水平井技術(shù)得以廣泛的應(yīng)用，煤層氣開發(fā)方案的確定需要提前精確預(yù)測煤厚和煤巖中裂縫的發(fā)育程度與發(fā)育方向。因此，煤田地震與測井約束反演方法逐漸在煤田勘探中得到應(yīng)用與推廣。正如油氣田地震反演技術(shù)應(yīng)用一樣，煤田地震的反演也需要煤巖密度、速度及其相互換算的定量關(guān)系支持，以降低地震反演中的不確定性與多解性。
由于煤巖是典型的軟巖，因此取芯和制樣難度較大。而且由于以前煤田地震勘探主要以構(gòu)造勘探為主，對于煤巖的聲學(xué)彈性模量并無要求，使得國內(nèi)外對于煤巖的聲學(xué)特征的研究相對較少。在煤巖彈性參數(shù)測量的兩種方法中，以靜態(tài)法較多，主要是利用三軸應(yīng)力一應(yīng)變測試技術(shù)進(jìn)行煤巖變形測量與彈性模量計(jì)算，目的是通過煤巖的力學(xué)參數(shù)的測量服務(wù)于井下巷道開采工程。由于動態(tài)法可以方便地模擬地層條件，從而使得動態(tài)法測量的彈性參數(shù)對實(shí)際地球物理勘探的指導(dǎo)意義更為明顯。由于煤炭并非國外的主要能源，加之國外的煤田構(gòu)造簡單，國際上對煤巖的彈性測量研究較少，而主要通過與測井?dāng)?shù)據(jù)的對比和合成地震記錄重點(diǎn)分析煤系地層的地震反射特征及其對油氣儲層反射特征的影響。對于國內(nèi)煤田勘探而言，隨著阻抗反演的推廣應(yīng)用，對于煤巖彈性模量特征的研究需求越來越多。但目前通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行超聲測試才能得到煤巖的速度特征，由于涉及設(shè)備過多且過程復(fù)雜，這樣對于國內(nèi)在野外的實(shí)際煤田勘探來說是不現(xiàn)實(shí)的，而煤巖的速度特征對于煤田勘探來說是十分重要的參數(shù)。因此當(dāng)前需要一種獲取煤巖的速度特征的技術(shù)方案來解決當(dāng)前國內(nèi)不能在野外的實(shí)際煤田勘探中，獲取國內(nèi)不同變質(zhì)程度煤巖的速度特征的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種獲取煤巖的速度特征的控制方法，解決了當(dāng)前國內(nèi)不能在野外的實(shí)際煤田勘探中，獲取國內(nèi)不同變質(zhì)程度煤巖的速度特征的問題。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種獲取煤巖的速度特征的控制方法，包括獲取需要勘探的煤巖的密度P并進(jìn)行存儲；根據(jù)獲取的煤巖的密度P，通過下述方式計(jì)算得到該煤巖的垂直層理方向縱波速度Vp:VP=a P Vp+b,
其中P為密度，單位g/cm3 ；VP為垂直層理方向縱波速度，單位m/s ;a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù)，對于中國國內(nèi)煤巖，a=0. 416，b=791。進(jìn)一步地，上述方法還可包括所述獲取需要勘探的煤巖的密度是通過鉆孔取芯進(jìn)行質(zhì)量和體積測量，獲得煤巖的密度；或者是通過野外現(xiàn)場的地球物理密度測井直接獲得煤巖的密度。進(jìn)一步地，上述方法還可包括根據(jù)得到的垂直層理方向的縱波速度，通過下述方式計(jì)算得到垂直層理方向的橫波速度VP=a+bVs,其中Vp為垂直層理方向的縱波速度，Vs為垂直層理方向的橫波速度，單位m/s ；a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù)，對于中國國內(nèi)煤巖，a=-490, b=2. 23。進(jìn)一步地，上述方法還可包括根據(jù)獲取的煤巖的密度P，通過下述方式計(jì)算得 到該煤巖的垂直層理方向橫波速度Vs=a P Vs+b,其中P為密度，單位g/cm3 ；VS為垂直層理方向橫波速度，單位m/s ;a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù)，對于中國國內(nèi)煤巖，a=0. 342，b=575。與現(xiàn)有技術(shù)相比，應(yīng)用本發(fā)明，通過測得的煤巖的密度，可以較精確地得到煤巖的縱橫波速度，不再需要利用煤巖樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的超聲測量，本發(fā)明適合野外的實(shí)際煤田勘探的需求；從實(shí)際測試中可以看出，對于國內(nèi)不同變質(zhì)程度煤巖彈性參數(shù)的預(yù)測精度較聞。


圖I是本發(fā)明實(shí)際煤巖測試中煤巖測速示意圖；圖2是基于本發(fā)明實(shí)際煤巖測試的縱波速度與密度關(guān)系的示意圖；圖3是基于本發(fā)明實(shí)際煤巖測試的橫波速度與密度關(guān)系的示意圖；圖4是基于本發(fā)明實(shí)際煤巖測試的縱橫波速度間的關(guān)系的示意圖；圖5是本發(fā)明的獲取煤巖的速度特征的控制方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基于超聲測試獲取煤巖參數(shù)的控制方法在具體實(shí)現(xiàn)中要通過系統(tǒng)中各設(shè)備之間信息交互來進(jìn)行信息和/或數(shù)據(jù)的收集，并通過其內(nèi)的控制器(可以是CPU等進(jìn)行控制處理信息和/或數(shù)據(jù)，本發(fā)明對此不作任何限定)，其間還可以通過各種存儲器(可以是內(nèi)存、硬盤或其他存儲設(shè)備)進(jìn)行信息和/或數(shù)據(jù)的儲存和傳送，本發(fā)明對此不作任何限定。真密度(即真相對密度，True Relative Density，TRD)，指材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積內(nèi)固體物質(zhì)的實(shí)際體積,不包括內(nèi)部空隙。多數(shù)材料為多孔物質(zhì),具有與外部相通的開口孔和不通的閉孔，將含有閉孔材料的密度稱為視密度(即視相對密度，ApparentRelative Density,ARD)。煤的視密度是表示煤物理特性的一項(xiàng)指標(biāo),用于煤礦及地勘部門計(jì)算煤的埋藏量；在貯煤倉的設(shè)計(jì)及煤的運(yùn)輸、磨碎和燃燒等過程的計(jì)算中，也都需要這項(xiàng)測值。此外視密度還用來計(jì)算煤的孔隙率，作為煤層氣計(jì)量基準(zhǔn)。本發(fā)明中所指的密度為視密度，又稱視相對密度，即地質(zhì)勘探行業(yè)所使用的密度。
下面通過實(shí)際煤巖測試對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明針對采自國內(nèi)不同地區(qū)的不同變質(zhì)程度煤巖的彈性速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測量，探索煤巖速度一密度、縱波速度一橫波速度之間的關(guān)系，并通過與經(jīng)典Gardner公式、Lindseth公式和Castagna公式的對比，嘗試總結(jié)具有普遍適用性的煤巖速度一密度、縱波速度一橫波速度的經(jīng)驗(yàn)公式，以方便于煤田地震勘探的應(yīng)用；并著重說明煤巖彈性參數(shù)的特殊性及其應(yīng)用于煤田地震反演需要注意的問題。在本發(fā)明中采取下列相對完整數(shù)據(jù)的8塊煤樣的超聲測試結(jié)果與密度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
樣品編號采樣地點(diǎn)煤樣變質(zhì)程度加工規(guī)格
A義馬煤礦褐煤6cm見方 ~平頂山八礦戊組IeI6cm見方~
~~Cl平頂山八礦己組β6cm見方~
~~C2平頂山八礦己組β6cm見方~
D新疆氣煤6cm見方
~鶴壁六礦2143工作面貧瘦煤6cm見方~
~~Fl焦作方莊礦無煙煤6cm見方~
~~F2焦作九里山礦無煙煤6cm見方~表I測試樣品信息在實(shí)際中，超聲測量采用常溫常壓行波傳播一脈沖透射的方法進(jìn)行測試。整套儀器由脈沖信號發(fā)生器、超聲換能器、放大器、計(jì)數(shù)器和示波器組成，實(shí)驗(yàn)使用的是壓電陶瓷柱狀縱橫波換能器。為保證樣品與換能器耦合良好，測試縱波時(shí)采用凡士林進(jìn)行耦合；測試橫波時(shí)采用蜂蜜耦合。由于測試煤樣為邊長6cm的立方體，選用超聲的低頻段，主頻為IOOKHz ;整個(gè)測量系統(tǒng)誤差小于1% ;考慮到煤巖的特殊性，最大誤差不超過3%。本發(fā)明中超聲測量按兩個(gè)平行截面分別測量縱波與橫波速度，即分別測量了煤樣沿煤層走向、傾向和垂向(垂直層理)3個(gè)方向的縱橫波速度。為與煤田人工地震的觀測方式相統(tǒng)一，分別以X、I、z分別代表煤層的走向、傾向和垂直層理的方向。如圖3所示，Vx,Vy>Vz分別表示沿煤層走向、傾向和垂直層理的縱波速度。橫波振動方向與波前方向垂直，由于煤樣中裂隙的存在，橫波通過煤樣傳播會分裂成兩個(gè)相互垂直的橫波，所以橫波沿煤樣某個(gè)方向傳播時(shí)會有兩個(gè)速度值。以沿X方向傳播為例，沿X方向傳播的橫波有沿I、z兩個(gè)方向的偏振，對應(yīng)兩個(gè)速度，記作Vxy與Vxz,下標(biāo)的第一個(gè)字母X代表橫波傳播的方向，第二個(gè)字母代表與傳播方向垂直的方向(即橫波振動方向)。即Vxy表不橫波沿X傳播，振動方向與I平行；Vxz表示沿X傳播，振動方向與z平行?？v橫波速度計(jì)算采用T, L ,, LVp =-=--,( I )
tp - to ts-to其中VP為縱波速度，單位m/s ；VS為橫波速度，單位m/s ；L為發(fā)射、接收換能器中心間的距離，單位m ；tp為縱波在樣品中的旅行時(shí)單位s ；ts為橫波在樣品中的旅行時(shí)，單位s ；t0為儀器系統(tǒng)的零延時(shí)，單位S。在地震數(shù)據(jù)處理、解釋和反演中，速度一密度的關(guān)系，尤其縱波速度一密度關(guān)系是經(jīng)常要用到的公式。為此，針對煤巖分析它的縱橫波速度與密度的關(guān)系，以認(rèn)識煤巖的特殊性。如圖2和圖3所示為三方向縱波速度、橫波速度與密度之間的試驗(yàn)散點(diǎn)圖和線性回歸方程。由圖2、圖3可以看出各個(gè)方向上的縱波速度與橫波速度都隨著密度增大而增大；即縱波速度、橫波速度與密度均存在正線性相關(guān)性，平均相關(guān)系數(shù)O. 8。但三方向縱波速度-密 度相關(guān)性與橫波速度-密度相關(guān)性規(guī)律不同縱波速度與密度的相關(guān)性按走向、垂向、傾向三方向劃分依次降低，且三方向相關(guān)性差異不大，均在80%附近；而橫波速度一密度的相關(guān)性按垂向、走向、傾向依次降低，且傾向方向的橫波速度-密度的相關(guān)性比其它2個(gè)方向要差得較大。而且從圖2和圖3還可以看出，三方向縱波速度與橫波速度存在以下的統(tǒng)一性規(guī)律走向速度大于傾向速度，垂向速度最?。蛔呦蛩俣扰c垂向速度差異較大，傾向速度接近平均速度。在煤田地震數(shù)據(jù)處理及與測井?dāng)?shù)據(jù)的聯(lián)合反演中，經(jīng)常需要用到密度一速度的關(guān)系式，以減少反演參數(shù)的數(shù)量。此外，由于很多煤田測井缺少聲波曲線，還經(jīng)常需要根據(jù)密度曲線進(jìn)行縱波速度的換算。但到目前為止，按照油氣領(lǐng)域井震聯(lián)合反演的方法和商業(yè)軟件，工程技術(shù)人員還習(xí)慣于使用Gardner公式進(jìn)行兩者關(guān)系的替換。而且在常規(guī)煤田地震勘探中一般是使用縱波勘探地下結(jié)構(gòu)，其中縱波速度是地震勘探需要預(yù)測的主要參數(shù)之
OGardner 公式如下p=cl( 2 )其中P為密度,單位g/cm3 ;VP為垂向縱波速度,單位m/s ;a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù),無量綱，一般取 a=0.31，b=0. 25。雖然Gardner公式在油氣勘探領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的認(rèn)可，但對于煤巖會產(chǎn)生巨大的誤差，平均誤差高達(dá)78. 5%。該公式是由國外專家根據(jù)國外的大量沉積巖(主要是砂巖和泥巖)的超聲測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到的，由于國內(nèi)外沉積環(huán)境和構(gòu)造條件的差異，該公式并不適合于中國地區(qū)的沉積巖使用；更不適合煤這種軟巖的速度-密度特征。在Gardner公式的基礎(chǔ)上,針對軟巖的沉積特征，Lindseth提出了一個(gè)改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)公式，對煤巖應(yīng)用效果較為理想。Lindseth公式如下Vp = a P Vp+b (3)其中P為密度,單位g/cm3 ;VP為垂向縱波速度,單位m/s ;a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù),無量綱，一般取 a=0. 308，b=1054。由于我國煤巖沉積的復(fù)雜性，Lindseth公式預(yù)測的縱波速度與實(shí)際煤樣也會產(chǎn)生平均10. 5%的相對誤差,但該精度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Gardner公式。綜上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)測的煤巖垂向縱波速度與密度的關(guān)系數(shù)據(jù)，本發(fā)明得到如下的回歸經(jīng)驗(yàn)公式VP=aP Vp+b (4)其中P為密度,單位g/cm3 ;VP為垂向縱波速度,單位m/s ;a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù),無量綱；針對中國6種典型變質(zhì)程度煤取a=0. 416，b=791。從表2可以看到，顯然該公式的統(tǒng)計(jì)系數(shù)不同于Lindseth公式，平均相對誤差不到10%,遠(yuǎn)高于Gardner公式的精度,也略高于Lindseth公式的精度。
權(quán)利要求
1.一種獲取煤巖的速度特征的控制方法，其特征在于，包括 獲取需要勘探的煤巖的密度P并進(jìn)行存儲； 根據(jù)獲取的煤巖的密度P，通過下述方式計(jì)算得到該煤巖的垂直層理方向縱波速度Vp: VP=a P Vp+b， 其中P為密度，單位g/cm3 ;VP為垂直層理方向縱波速度,單位m/s ;a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù)，對于中國國內(nèi)煤巖，a=0. 416，b=791。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 所述獲取需要勘探的煤巖的密度是通過鉆孔取芯進(jìn)行質(zhì)量和體積測量，獲得煤巖的密度；或者是通過野外現(xiàn)場的地球物理密度測井直接獲得煤巖的密度。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 還包括根據(jù)得到的垂直層理方向的縱波速度，通過下述方式計(jì)算得到垂直層理方向的橫波速度VP=a+bVs, 其中Vp為垂直層理方向的縱波速度，Vs為垂直層理方向的橫波速度，單位m/s ;a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù)，對于中國國內(nèi)煤巖，a=-490, b=2. 23。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于， 進(jìn)一步包括根據(jù)獲取的煤巖的密度P，通過下述方式計(jì)算得到該煤巖的垂直層理方向橫波速度 Vs=a P Vs+b, 其中P為密度，單位g/cm3 ;VS為垂直層理方向橫波速度,單位m/s ;a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù)，對于中國國內(nèi)煤巖，a=0. 342，b=575。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種獲取煤巖的速度特征的控制方法，包括獲取需要勘探的煤巖的密度ρ并進(jìn)行存儲，根據(jù)獲取的煤巖的密度ρ，通過VP=aρVP+b的方式計(jì)算得到該煤巖的垂直層理方向縱波速度VP，其中a=0.416，b=791。本發(fā)明解決了當(dāng)前國內(nèi)不能在野外的實(shí)際煤田勘探中，獲取國內(nèi)不同變質(zhì)程度煤巖的速度特征的問題。
文檔編號G01V1/30GK102809761SQ20121025684
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者王赟 申請人:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所