利用衰減特征預測鄂爾多斯盆地Ycw煤礦直羅組砂巖富水性

黃忠正，莫仕林，鄒冠貴*，張釗基

(1.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，銀川 750011；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

在煤系地層富水性預測中，早期研究將富水巖層作為單相介質進行分析，其核心觀點是將流體對于巖石性質的影響，通過一系列近似假設，等效為巖石基質對于巖石性質的影響[1-2]。由于固相和液相本質上存在較大差異，這種等效近似方法往往與實際情況有很大偏差。

隨著巖石物理學的發展，大量學者開始認為巖石基質組成的固體組分、巖石內流體組分以及固相與流相之間的耦合作用，三者分別對地震波的傳播有影響。基于此，Biot[3-7]提出了大量與實際介質更為接近的孔隙介質理論,通過考慮介質中存在的固相基質顆粒與流相孔隙流體，進一步較為準確地描述巖石中地震波的衰減現象。部分學者基于Biot理論研究成果，結合地震資料和測井，進行了資源儲層含流體性預測。張慧星[8]基于無耗散機制的Biot理論，對比孔隙介質與各向同性彈性介質的頻譜區別，結合區域三維地震資料將上述差異應用于油氣檢測，取得了成功。宗兆云等[9]構建了不同跨尺度模型，建立了相對統一的三尺度地震波衰減巖石物理模型，求解其中的波動方程，得到了相應的地震波衰減和頻散曲線。李全貴等[10]對彈性波在層狀煤巖、純煤、純砂巖中傳播的衰減特性進行了試驗研究，并總結了彈性波在不同類型煤巖體結構衰減規律。

但在缺乏相關物探資料情況下，以往煤系地層富水性預測則主要依賴于水文地質方法。針對侏羅系煤層頂板的突水問題，周振方等[11]選取合適的評價巖性結構的地質指標，對富水煤層的頂板——復合砂巖層進行了有效的富水性預測分區。但由于該方法理論基礎較為缺乏，此類方法難以獲得較為精確有效的結果。針對寧夏Ycw煤礦補充勘探區水文地質特征，米萬隆[12]采用主流的水文地質調查方法綜合分析研究，進一步查清了該區域的基本水文地質特征，并在此基礎上，評價該區域主要的水文地質類型為二類一型特征。劉小明[13]基于地質踏勘與鉆孔抽水資料，研究了復雜地質條件下煤礦水害形成機理。席政等[14]從礦區的水文地質資料劃分含水層，確定礦區地下水補給、徑流、排泄、礦床充水等因素，針對特定水文地質條件，健全礦山防治水措施，取得了良好的效果。總的來說，基于水文地質調查和勘探獲得的富水性預測結果，其趨勢整體而言是可靠的，但其預測精度和準確性有待進一步提高。

鄒冠貴[15]研究認為，在缺乏測井與水文地質資料的區域，依靠地震資料的衰減信息，有效預測煤系地層的富水性具有很大的研究價值。鑒于此，基于物理模型，結合各向同性介質的物性參數特征分析方法，分析獲得相應物性參數值，并對含單相介質和孔隙介質的砂巖地層進行正演模擬，總結其表現的地震頻譜特征。在模擬數據的基礎上，通過對比單相介質與孔隙介質在地震波頻譜上的差異，建立差異評價指標，利用正演建模，模擬驗證評價指標的可靠性。以Ycw區實際資料特征與地質條件等基本情況，利用縱波衰減特征進行砂巖地層富水性預測，與已有地質資料結果進行對比。以期在煤系地層中應用所提方法預測富水性，圈定富水區域，為預防煤層頂板突水事故的發生，確保煤礦安全生產提供科學依據。

1 構建含流體地層的衰減評價指標

分析各向同性單相介質和孔隙介質的物性參數特征，并通過正演模擬提取出模擬的縱、橫波頻譜特征，分析縱、橫波頻譜的異同點，提出初步的砂巖地層富水性評價指標。

1.1 各向同性孔隙介質的物性參數特征分析

根據單相介質波動理論可知，單相介質是不具有衰減特征機理的，而根據孔隙介質的波動理論，孔隙流體與巖石骨架之間的相對運動會導致巖石介質中的地震波產生衰減。因此單相介質與孔隙介質的頻譜在理論上具備可觀測的差異。

基于上述孔隙介質的衰減現象，認為建立正演模型分析孔隙介質地震波的衰減特征，前提是對構建模型的一系列物性參數進行假設或依據經典理論較為準確地計算其值。從單相介質性質、孔隙流體性質及孔隙介質性質3個方面進行參數設置或計算，具體如下。

首先，對于單相介質，假設其為單相純砂巖，取值如表 1所示，其主要參考《巖石物理手冊》[16]中給出的單相純砂巖性質，并以此為基礎，計算獲得孔隙介質參數。

其次，對于孔隙流體，假設其均為純水，并給出純水的基本物性參數，設置流體物性參數如表 1所示。值得注意的是，上述流體參數的設置在后續研究中對孔隙介質物性參數的計算產生影響。

表1 單相介質與孔隙介質正演參數

最后，對于孔隙介質物性參數的分析如下。

(1)對于孔隙介質中存在的固體骨架和孔隙流體基本物性參數，其質量密度分別為ρs和ρf。根據孔隙中流體相對于固體的相對移動特征，引入動態質量密度ρ11、ρ12、ρ22，也稱為等效質量密度[17]。3個質量密度參數的表達式為

(1)

τ=1-r(1-1/β)

(2)

式中：τ為彎曲參數，與表征孔隙形狀的參數r和孔隙度β有關;ρ11為固體相對于流體移動時動態質量密度；ρ12為流相和固相之間的質量耦合參數；ρ22為流體相對于固體移動時的動態質量密度。

(2)對于耗散系數b的計算，認為固體骨架和孔隙流體之間的相對運動滿足廣義達西定律，它包含一個新的參數：耗散系數b，其值由滲透率K、流體黏滯系數η和孔隙度β決定。耗散系數表示孔隙介質的耗散作用，如內摩擦等。如果要分析介質中彈性波在高頻范圍內傳播，則還需要黏滯性校正因子F(ω)[3-4]。

b=b11=b22=b33=ηβ2/K

(3)

(4)

式(4)中：ω為圓頻率；Δ為層面長度，假定該值為10-6m。

在低頻范圍內，F(ω)的實部趨向1，虛部趨向0；在高頻范圍內，F(ω)的實部和虛部都大于1。本次研究的頻帶范圍主要是在地震頻帶內，屬于低頻范圍，因此黏滯性校正因子的計算結果接近于1。

(3)對于孔隙介質的彈性系數，根據Biot[5]構建的各向同性孔隙介質的胡克定律，如果已知如下5個相互獨立的量：介質的孔隙度β、固體骨架的體積模量KM(孔隙介質中流體不能自由流動情況下測量的體積模量)、顆粒的體積模量Kun(孔隙介質中流體能自由流動情況下測量的體積模量)、剪切模量μm、流體含量系數γ(單位壓力下進入孔隙介質的流體體積)，就可以構建三元一次方程組，求得各向同性孔隙介質彈性參數的表達式為

(5)

計算過程中涉及的孔隙介質基本參數如下。

KM=0.2Ks

(6)

式(6)中:Ks為單相純砂巖顆粒體積模量。

KM的表達式來源于經驗公式[16]，基本表達式為

KM=(1-β/βc)Ks

(7)

式(7)中：βc砂巖臨界孔隙度，此處對于上述兩個表征孔隙度的參數取值，認為應對應高孔隙度砂巖層孔隙特征，即β=0.24，βc=0.3。

根據式(5)～式(7)可知，固體骨架和流體之間存在相互依存的關系。上述各向同性孔隙介質彈性參數類似于彈性波理論中的拉梅常數A，若不考慮流體(Kun=KM)，則A=KM-2μm/3，剛性系數A和N就是不考慮流體時固體的拉梅系數。如果固體骨架沒有孔隙(β=0),則系數A和N就是固體骨架的拉梅常數。而大量研究表明，對于流體飽和情況下，孔隙介質中的A和N一般大于等于各向同性介質的拉梅系數，意味著流體的存在，反而增加了孔隙骨架的剛度[18]。此外，R反映流相的獨立參數，Q則反映固流耦合作用。

綜上，通過對于上述參數的分析計算獲得表 1所示正演建模參數值，進一步建模進行正演模擬，以獲得砂巖富水性衰減特征評價指標。

1.2 衰減特征評價的指標體系建立

由于現場情況復雜，需要簡化模型，在這里只考慮富水情況對地震波頻散衰減的影響來預測富水性。基于上述物性參數，設計單層的孔隙介質和單相介質的正演模型，結合表 1所示參數，并采用如下模擬觀測系統：其中模型網格為200×200，網格大小為10×10，震源為縱波震源，設計震源主頻為20 Hz，模型中震源位置坐標為(400, 1 000)，模型中檢波點坐標位置為(0，2 000,1 400)，時間采樣頻率設計為1 ms，空間和時間精度分別為10階和2階，匹配層厚度為30個網格。以此進行正演模擬。得到正演地震數據后，基于傅里葉變換進行頻譜分析，結果歸一化后，縱橫波衰減特征分析結果分別如圖1、圖2所示。

圖1 縱波衰減的頻譜特征

圖2 橫波衰減的頻譜特征

由圖1和圖2可以看出，孔隙介質的頻譜特征和單相介質的差異明顯，如果以孔隙介質的極大值為中心，極大值的左端為低頻端，極大值的右端為高頻端，則孔隙介質在低頻端，幅值較單相介質大，而在高頻端，幅值較單相介質小。

觀察頻譜特征還發現，其出現了頻譜“向低頻移動”的現象，如果以單相介質的頻譜減去孔隙介質的頻譜，則表現出低頻端為負值，高頻端為正值的現象。同時，對比可見這兩種介質條件下橫波衰減量大于縱波。

分析獲得兩種介質基本的頻譜特征差異后，建立并測試能準確反映上述頻譜差異特征的評價指標。

1.3 基于正演模擬測試衰減指標

基于 “向低頻移動”這一基本特征，為分析衰減特征評價指標，建立以下地質模型，模型示意圖如圖3所示，該模型主要由3種介質組成：背景介質，流體介質1和孔隙介質2，各介質中物性參數如表2所示。

圖3 孔隙介質模型示意圖

表2 砂巖地層模型物性參數

表2中，背景介質物性參數：Vp=3 500 m/s、Vs=2 020 m/s、密度ρ=2 275 kg/m3，上述參數為泥巖基本參數。介質1取砂巖的物性參數，并再次基于上述分析的各向同性孔隙介質的地震波傳播特征，計算得到表2所示的含飽和水砂巖的介質物性參數。

基于上述模型參數，完成正演模擬獲得地震數據，并依據頻譜曲線，進行衰減特征分析。從圖4可以明顯看出，孔隙介質位置的頻譜主頻降低，頻譜主頻的均值在60 Hz；取50、60、70 Hz的分頻屬性，在低頻范圍內，孔隙介質的頻譜為高值，其低頻高值基本特征在圖4藍色線和圖5中均有所顯示；在高頻范圍內，可以看到孔隙介質的頻譜為低值，其高頻低值基本特征在圖4深藍色線和圖6也有顯示；在其主頻范圍內，則表現為低值，如圖4黃色線和圖7所示。

圖4 砂巖孔隙介質數值模擬測試結果

圖5 砂巖孔隙介質在50 Hz的分頻屬性

圖6 砂巖孔隙介質在70 Hz的分頻屬性

圖7 砂巖孔隙介質的頻譜主頻特征

為了更加顯著地凸顯低頻高值和高頻低值的特征，采用高頻低值去除以低頻高值，再乘以主頻低值，獲得更加顯著的頻譜差異，并認為其值越低的位置，地層富水性越強，以此作為衰減特征評價指標。基于實際地震數據進行頻譜分析并預測地層富水性。

至此，通過分析計算含水砂巖的物性參數，利用這一系列物性參數進行頻譜分析和正演模擬分析，識別并驗證了含水砂巖層與周圍不含水砂巖層相比，頻譜表現出低頻高值、高頻低值和主頻低值的基本巖石物理特征，并基于此建立了衰減特征評價指標。接下來，基于此評價指標，利用Ycw礦區實際地震數據開展富水性預測，驗證上述設計的“低頻高值除以高頻低值，再乘以主頻值”這一富水性指標的實際應用效果。

2 Ycw區域資料分析

2.1 Ycw區域直羅組地層地質情況

Ycw煤礦位于鄂爾多斯盆地西緣寧東煤田靈武礦區內，區內煤炭資源豐富，是寧夏境內最重要的煤炭生產基地之一[19]。已有地質踏勘資料表明，作為Ycw區2號煤層的頂板地層，該地區侏羅統直羅組地層是一套半干旱-干旱條件下的河流-湖泊相沉積巖，據以往鉆孔揭露，厚度最小372 m，最大528 m，平均417 m，而該組含水層多集中在“七里鎮砂巖”內，據鉆探結果顯示其范圍約為2號煤層向上100 m范圍內，厚48～86 m，平均65 m。分析過程中，計算時窗是基于上述“七里鎮砂巖”最大厚度不超過100 m設計的，以較為可靠的包含完全該套地層。七里鎮砂巖主要成分為石英和長石，含有少量的酸性巖漿巖屑，還含有一些微量的副礦物，膠結物為黏土質，結合上述巖性特征以及前人研究表明該地層富水性強[12]。

為了有效預測Ycw礦區侏羅系直羅組裂隙承壓含水層的富水性，在完成對該礦區內直羅組地層的巖性、物性特征進行分析的基礎上，結合以往解釋結果與鉆孔信息，確定了勘探區內2號煤層的構造發育和展布特征；結合地質踏勘資料，進一步確定了直羅組地層層位與已完成構造解釋的2號煤層層位之間的地震信號對應關系。

2.2 Ycw區域煤層構造地質概況

如圖8所示，Ycw區2號煤及其上部直羅組地層，整體表現為NE向展布的一組斷裂帶；全區共精細解釋斷層27條，其中北東向斷層17條，上述27條斷層錯斷的主要可采煤層為2號煤和8下號煤，也錯段了包括2號煤頂板直羅組砂巖在內的大量煤系地層；所發現的斷層以北東向正斷層為主，表明該地區以拉張應力為主；根據二號煤煤層底板等高線所展示的地層起伏，可知全區煤層整體呈現北東向高，南西向低的趨勢，結合構造解釋成果，認為該區域屬于北東高，南西低的背斜形地層；據此初步判斷在其地層地勢較低處，如南西向和南向局部位置容易形成富水區。結合以往地質資料可知，在Df-24斷層(原礦方提供資料命名為Df-5斷層)所在位置附近，富水性較強[12]。對這一點的認識，可作為后續富水性預測結果準確性的驗證依據。

圖8 2號煤底板等高線示意圖

2.3 Ycw區的地震資料頻譜分析

根據上述正演分析獲得的認識，認為砂巖富水強的位置，對應著“主頻表現為低值，低頻表現為高值，高頻表現為低值”的地震衰減特征，接下來基于實際地震數據對Ycw直羅組砂巖富水性進行預測。

結合全區地震資料，對全區的主頻屬性進行分析。從圖9(a)可以看出，低頻區域大部分位于構造帶附近，表明勘探區內的砂巖富水性與構造關系密切，還分析圖示數據，發現礦區的主頻平均值約為 40 Hz，主頻的最小值為15～25 Hz，最大值為 75～85 Hz。因此，認為 40 Hz以下為低頻區域，40 Hz以上為高頻區域，進行分頻屬性提取。獲得 30 Hz 的低頻分頻屬性[圖9(b)]和70 Hz 的高頻分頻屬性[圖9(c)]，以及40 Hz的主頻分頻屬性(圖10)。基于上述驗證獲得的富水性預測評價指標——“高頻屬性低值除以低頻屬性高值，再乘以主頻屬性低值”計算獲得圖10所示結果，根據上述的砂巖富水強的位置具有 “主頻低，低頻高，高頻低”的特征可知，低值區域即表征本礦區富水性較強的位置。

圖9 提取Ycw區不同分頻屬性值

黑線為基于富水性分析獲得的斷層走向形態

2.4 Ycw區直羅組地層富水性預測結果分析

依據上述分析，獲得結果如圖13所示，可以看出，低值分布主要是沿著構造帶，分析認為構造帶附近斷層較多，裂隙發育，存在流體富集的地質條件，是一個砂巖地層富水的有力區，因此認為預測結果與地質認識是基本相符的[20]。其中對于Df-24(對應原始資料Df-5)，Df-07和Df-02(對應原始資料Df-4)三條大正斷層的富水性位置特征，可作為預測結果的驗證特征。根據前文及文獻[12]所述，結合基于實際地震資料完成構造解釋獲得的斷層展布特征，認為Df-24斷層附近所在位置是富水區域，完成數據歸一化后，以此處計算結果“4”，作為基本富水與否的閾值，選擇值小于4的區域為富水區，得到圖10所示結果；對于Df-07斷層，其富水性整體偏低，這與其作為正斷層，易形成導水通道的地質認識相符，且由于其所在位置的地層標高變化最為劇烈，因此該正斷層在大多數情況下，是作為導水通道，使得北東向標高較高的地層水，流向南西向標高較低地層；對于Df-02斷層，其北東方向富水性較弱，可能的原因是該位置的標高較高，使得富水性整體較低，這也與全區標高較高的位置比標高較低的位置富水性弱的基本特征相吻合。

基于上述預測結果準確性的基本分析，認為該預測結果填補了Ycw區富水性預測的空白，預測結果與地質資料相比，精度更高。同時認為通過構造解釋獲得Df-24斷層走向(圖8)，與基于上述富水性分析獲得的斷層走向形態(圖10中黑線所示)基本一致，認為上述預測結果與實際基本相符。

3 結論

鄂爾多斯盆地Ycw井田2號煤層，采掘過程中發現其頂板直羅組砂巖富水性較強，對煤礦安全開采有較為嚴重的影響。基于孔隙介質與單相介質在地震頻譜上的特征差異，并依據該差異，提出一種砂巖富水性評價指標；通過正演模擬分析，驗證了評價指標的有效性；并依據實際地震數據完成該區直羅組砂巖富水性預測，得出如下主要結論。

(1)孔隙介質的地震波頻譜與單相介質相比，表現出 “往低頻移動”的差異。

(2)可以利用“頻譜的主頻和分頻衰減機制屬性不同”來綜合識別頻譜差異，建立流體衰減機制的評價指標；針對砂巖地層，利用正演模擬驗證了指標的有效性。

(3)通過分析和實踐應用表明，利用地震波的衰減特征預測砂巖富水區是可行的。基于正演模擬分析認為，直羅組砂巖層的縱波衰減特征，符合“主頻低值，低頻高值，高頻低值”。并基于此建立衰減評價指標，對礦區內直羅組地層富水性進行預測，分析認為預測結果準確性較高。該應用實踐表明，雖然地下地質情況是復雜多變的，然而基于衰減分析獲得的結果與已知資料吻合很好，且與地質資料分析結果相比，精度更高，能為該礦安全開采提供更有價值的參考。