正交多極子陣列聲波測井在煤田勘探中的應用
——以淮南顧橋煤礦補7 井區為例*

韓必武，李棟青，范秦軍

（1.淮南礦業（集團）有限責任公司，安徽 淮南232001；2.中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院 地質過程與礦產資源國家重點實驗室MWMC 研究組，北京100083；3.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州450003）

引言

目前，在我國煤田測井領域，一般選用自然電位、自然伽瑪、伽瑪-伽瑪和視電阻率這四種方法的測井系列組合，有時也會輔以聲波時差測井來進行巖性解釋、地層劃分，以及煤層定深、定厚、夾矸解釋等。隨著煤炭開采深度和難度加大，對勘探精度的要求日益提高，頂板垮塌、瓦斯突出等地質災害問題日益突出，用現有的煤田測井手段難以提供精確的屬性參數，限制了這些復雜地質問題的解決。

正交多極子陣列聲波測井儀器具有多種測井模式，通過將偶極子技術與單極子技術結合，克服了單極子聲源穿透性小，橫波測量不準確的問題。1967 年J.E.White[1]首先提出了利用偶極子聲源直接激勵剪切擾曲波實現橫波測井，偶極陣列聲波測井在下套管井中可產生管波和彎曲波，在各向異性地層中產生快、慢橫波。通過對聲波信號處理，運用時間域的方法，例如慢度-時間相關法（STC）、n 次方根法和波形反演法等，在分析全波列中可以提取縱波、橫波和斯通利波及進行時差計算；由于巖性不同對橫波的影響遠遠大于對縱波速度的影響，多極子陣列聲波資料的橫縱波速度比值具有顯著優勢來區分復雜巖性。例如在煤系地層橫縱波比值明顯增大，同時對斯通利波的影響十分明顯，斯通利波時差明顯增大。當地層含氣時，氣體的富集會降低縱波的速度，進而增大縱波時差，因此利用縱橫波速度比和縱波時差的交會圖可以有效識別氣層，曲線的包容面積可以指示相對地層含氣量大小[2]。另一方面，結合密度、孔隙度、泥質含量等常規測井曲線，使用縱、橫波時差資料可以快速計算地層的泊松比（Poisson's Ratio，POIS）、楊氏模量（Young's Modulus，YMOD）、切變模量（Shear Modulus，SMOD）、體積彈性模量（Bulk Modulus，BMOD）等巖石力學參數[3]；利用巖石力學參數在煤田勘探中有著諸多優點，如巖石力學參數應用于計算煤層的機械強度，預測巖石破裂壓力，為煤田勘探開發的安全性提供預見性建議。

多極子陣列聲波技術從各向異性地層中橫波分裂現象入手，當地震橫波穿過各向異性介質后，橫波沿每一條射線路徑可以分裂為兩種偏振波，它們具有不同的傳播速度，且通過由直立裂縫引起的各向異性介質時，快橫波偏振方向為沿裂縫方向，慢橫波偏振方向垂直于裂縫，兩列波之間存在著一個相對的旅行時差[4-5]。在砂泥巖地層中，各向異性往往與地應力不均衡有關，橫波分裂后沿最大水平主應力方向的橫波傳播速度快，而沿最小水平主應力方向的橫波傳播速度慢，所以橫波各向異性參數可以有效確定地應力分布狀態和最大水平應力方位。在裂縫性地層中，裂縫系統也會導致橫波分裂現象，并會產生速度的各向異性，通過快慢橫波的分析來預測裂縫的發育狀況[6]。通過聲波信息結合成像測井資料，可以對區域煤層氣儲層進行綜合評價，從頂底板質量、煤層氣儲層內部結構、裂縫發育程度等方面進行分析，結合區域煤層氣含氣量的變化情況實現煤層氣勘探開發區帶的評價[7]。因此，正交多極子陣列聲波測井在煤田勘探中的有效應用，為應力場研究、預測巖石機械強度和裂縫發育程度、井眼穩定性評價提供了技術支撐，有助于保障煤礦安全生產[8]。

在淮南顧橋煤礦采區，煤系地層主要巖性以砂泥巖和煤層為主，可采煤層集中分布在煤系地層二疊系的中、下部，煤系地層厚約450m，各主采煤層中瓦斯含量較高，瓦斯相對涌出量及絕對涌出量較大，存在巖性復雜、裂縫發育廣泛等特點。本文首次將正交多極子陣列聲波測井技術應用到顧橋井，在補7 井施測了正交多極子陣列聲波測井（XMAC－II），施工井段為500-1028m。在聲波時差處理過程中發現，從單極陣列中可以獲得較完整的縱波、斯通利波曲線，在局部井段采用偶極陣列中所提取的橫波，通過綜合處理，利用該測井成果進行巖性解釋、彈性參數的計算，并對地層的各向異性進行分析，解決了常規的煤田測井難以解決的問題。

1 方法原理

1.1 偶極子橫波測井原理

本次測井儀器采用了ECLIPS－5700 測井系統中的正交多極子陣列聲波儀（XMAC-II），原理是將一個單極陣列和一個偶極陣列交叉組合，兩個陣列配置完全獨立，各自具有不同的傳感器。其中，單極陣列包括兩個單極聲源和8 個接收器，聲源發射器發射的聲波是全方位的，即是柱狀對稱的，中心頻率為8kHz。偶極陣列是由兩個交叉擺放（相差90°）的偶極聲源及8 個交叉式偶極接收器組成，接收器間距為0.5 英尺;當偶極子聲源振動時，類似一個活塞能使井壁一側的壓力增加，而另一側壓力減小，使井壁產生擾動，形成輕微的擾曲，這種由井眼擾曲運動產生的剪切擾曲波具有頻散特性，在低頻時傳播速度趨近于橫波，偶極橫波測井實際上是通過對擾曲波的測量來計算地層橫波速度的。偶極技術與單極技術結合在一起，能夠精確測量地層縱波、橫波等全波時差[9]。

本文測井資料處理成果圖主要包括地層時差處理成果圖、巖石力學參數計算成果圖、各向異性成果圖。對圖中各道信息及單位統一介紹如下：

地層時差處理成果圖比例為1：200，BREAKOUT-井眼崩落；GR-自然伽馬曲線（單位：API）；BIT-鉆頭尺寸（單位：in）；CAL-井徑曲線（單位：in）；DTC-縱波時差曲線（單位：us/ft）；DTS-橫波時差曲線（單位：us/ft）；DTST-斯通利波時差曲線（單位：us/ft）；Vp/Vs-縱橫波速度比；POIS-泊松比；BMOD-體積模量（單位：GPa）；CMOD-組合模量（單位：GPa）；YMOD-楊氏模量（單位：GPa）；SMOD-剪切模量（單位：GPa）；DEV-井斜（單位：deg）；AZSH-儀器方位曲線（單位：deg）；ANI-百分比地層各向異性；ANIA-平均百分比地層各向異性；FWV-快橫波波形（單位：us）；SWV-慢橫波波形（單位：us）；WDST-計算各向異性開窗時間（單位：us）；WEND-計算各向異性關窗時間（單位：us）；FACR-快橫波方位角（單位：度）。地層各向異性玫瑰圖統計頻率為25m。

1.2 巖性解釋

根據彈性波動方程縱波速度vp、橫波速度vs與巖石的彈性參數公式[10]，縱波可通過巖石基質與流體傳播，但是流體的剪切模量為0，橫波則只能在巖石基質中傳播。當巖石中含有水、氣時，流體的存在幾乎沒有改變巖石的密度，縱波的傳播速度會降低，而橫波的速度變化不大。但是由于地層的巖性變化也會引起縱波速度的變化，利用單一聲波測井資料難以區分導致速度變化的真正原因，而利用縱橫波速度比γ=vp/vs解釋巖性則兼顧了縱、橫波速度兩個方面的影響因素，能夠獲得相對較精確的巖性解釋成果。一般煤田勘探來說，煤層縱橫波速度比的變化因素主要是煤層中的裂隙發育程度，裂隙的存在不影響橫波速度，但會減小縱波速度，較小的縱橫波速度比說明煤中裂隙較為發育，較大的縱橫波速度比則說明煤層較為致密，裂縫發育程度較弱。當同一煤層速度比變化范圍較大時，說明煤層致密程度不均，以局部發育為主，而裂隙地層有利于瓦斯在煤層內部吸附富集，造成安全隱患[11]。

1.3 巖石力學參數計算

根據常規測井曲線提供的密度、孔隙度、泥質含量等參數，結合正交多極子陣列聲波測井提取的縱、橫波時差資料，可以計算地層的泊松比σ、楊氏模量E、切變模量μ、體積模量K 等巖石力學參數。

式中，ρb，ρma-巖石體積密度及巖石骨架密度，g/cm3；Δtp，Δts-巖石的縱、橫波時差，μs/m；vp，vs-巖石的縱、橫波速度，m/μs；vmap，vmas-巖石骨架的縱、橫波速度，m/μs。

計算巖石力學參數在煤田勘探中以兩個方面應用為主，如識別氣層時，泊松比是縱橫波速度比的函數，在含氣地層中，縱波速度降低，橫波增加，縱橫波速度比明顯降低，泊松比變化明顯；楊氏模量隨孔隙度增加而減小，在含氣地層，楊氏模量具有明顯的低值特征；由于氣體的可壓縮性顯著大于水層，干層可壓縮性最差，體積壓縮系數也偏小；另一方面，地層彈性力學參數在應力場研究分析過程中是首要條件，利用上述彈性參數計算巖石壓力和破裂壓力偏移分析所需的參數，最終可以得出地層最小破裂壓力，以及在一定的等效壓力遞增下，相應壓裂縫的縱向延伸高度。這些巖石力學參數的計算結果、非彈性參數等可以用來評價煤層頂板的穩定性[12]。

1.4 井壁穩定性和破裂壓力計算

由于鉆井過程中井眼的形成，破壞了原地應力的平衡狀態，當應力不平衡時，可引起井壁的坍塌或破裂。影響井壁坍塌的因素中，主要以地應力的大小、差異和巖石的剪切強度為主。為了控制井壁穩定，通過尋求泥漿密度、巖石性質和地應力、巖石強度、彈性模量之間平衡的方式，防止在鉆井過程中發生井壁的張性破壞。在計算中，通常計算起決定性作用的有效應力，利用彈性理論，當θ=0°和180°時，可求得最大值和最小值，當達到巖石變形的應力狀態，地層中井壁徑向、周向和軸向有效應力為：

當液壓增加到臨界破裂壓力時，井壁圍巖出現張裂縫，有可能出現泥漿漏失，（Hamison）海姆森給出了自然破裂壓力pf的計算公式[13]：

井中泥漿柱壓力越小，壓性周向應力越大，徑向壓力由壓性逐漸轉為張性過度，兩應力構成的莫爾圓與巖層切變破裂包絡線相切時，巖層發生剪切破裂。所以在最小地應力方向最易發生坍塌，這時的井中泥漿柱壓力為剪切破裂井柱壓力極限值pe（即坍塌壓力），由庫倫破裂準則可得：

1.5 各向異性分析

正交多極子陣列聲波測井資料用于分析方位各向異性時，由于構造應力的作用，巖層中往往發育定向排列的裂隙系統，橫波在這些裂隙介質中傳播時會分裂成快橫波S1波與慢橫波S2波，S1波平行裂隙面傳播，即最大水平主應力方向；S2波垂直裂隙面傳播，即最小水平主應力方向，因此通過各向異性分析可以得到現今最大水平主應力的方向。

同時定義地層的各向異性程度為：

其中，Δvs為快橫波速度vs1與慢橫波速度vs2的差值[13]。公式（1）可用來對地層的各向異性程度進行定量描述。通常，煤層中的裂隙廣泛發育，各向異性程度較強，裂縫隙的總比表面積增大，有利于瓦斯以吸附狀態存在于煤層微孔隙、裂隙之間[14]。但如果含煤大套地層均存在較強的各向異性，尤其縱橫向裂縫隙發育，且不存在較好的縱橫向封堵和蓋層時，煤層裂隙中的瓦斯會通過大套地層的裂隙網絡擴散出去，進而降低瓦斯突出的可能性；否則容易因為煤層頂板的穩定性和橫向封堵形成煤層氣的良好儲層[15-17]。

2 應用實例

淮南顧橋煤礦位于華北板塊東南緣，煤田呈復向斜形態，主體構造線呈北西西走向，軸部具有次一級寬緩褶曲，主要有謝橋古溝向斜，陳橋背斜、潘集背斜和耿村向斜，以石炭二疊紀含煤地層為主，地層傾斜平緩，一般為5～15°，并發育不均勻的次級寬緩摺曲和斷層?；茨涎a7 井測量井段內煤系地層巖性主要為砂泥巖與煤層，在通過測井數據的處理獲得如圖1 的時差處理成果圖，并可對處理成果進行直方圖統計分析，如圖2。

在全區可采的主要煤層有5 套，上石盒子組的13-1 煤（700.66-706.95m）、11-2 煤（774.63-777.87m），下石盒子組的8 煤（858.9-861.31m）、6 煤（900.62-904.19m），山西組的1煤（1010.1-1018.05m）；縱橫波速度比范圍分別為1.55-1.71、1.58-2.04、1.52-1.59、1.51-2.07、1.45-1.88，其中13-1 煤有一層炭質泥巖的夾矸表現為速度比的高異常，平均值為2.0。

圖1 補7 井地層時差處理成果圖

圖2 補7 井地層時差統計直方圖

縱橫波速度的比值R=Vp/Vs作為一個巖性指示參數，理論上，利用該比值可以大致確定地層的巖性。一般情況下，砂巖的縱橫波速度比在1.58-1.8 之間，而含水砂巖卻表現為該比值隨孔隙度、泥質含量的增大和有效應力的降低而增加；對白云巖和灰巖來說該比值幾乎是一個常數，分別為1.8 和1.9。在砂泥巖地層中，砂巖的聲波時差值會比泥巖低，隨著泥質含量增加，聲波時差值會增大，隨著含砂量的增加時差會相應降低。當地層裂縫和孔洞發育時，聲波幅度衰減嚴重，合理利用偶極子測井技術相關分析法，可以獲取準確性更高的縱橫波，優勢在于無需對物理模型假設和首波檢測，可以避免引發周波跳躍的情況[18]。利用多極子陣列聲波資料上的不同波形特征，結合橫波時差信息，尤其是應用于煤層區域，可以更好地進行復雜巖性識別。分析補7 井時差處理成果圖，可知縱波慢度主要在60-95μs/ft 之間，橫波慢度主要在110-180μs/ft 之間，縱、橫波速度比主要在1.7-2.1 之間。在煤層段，時差有了較明顯的變化，煤層縱波慢度主要在90-125μs/ft 之間，橫波慢度主要在140-210μs/ft 之間，縱橫波速度比主要在1.5-1.8 之間，與砂泥巖地層相比，地層時差明顯變大，而縱橫波速度比明顯減小。

如圖3 補7 井巖石力學參數計算成果圖，圖4 巖石力學參數統計直方圖，結合常規巖性分析結果，對該井巖石力學參數統計分析有以下特點：砂泥巖為主的地層體積模量主要分布在15－35GPa、剪切模量主要分布在6－16GPa、楊氏模量主要分布在16－40GPa、泊松比主要分布在0.24－0.36；煤層段體積模量主要分布在4－14GPa、剪切模量主要分布在2－8GPa、楊氏模量主要分布在4－20 GPa、泊松比主要分布在0.16－0.36，煤層段巖石力學參數較砂泥巖段均趨于減小，反映巖石強度減小。

與縱橫波速度比解釋成果和煤層頂板巖性結果聯合對比可知：煤層頂板巖性主要以透氣性較差的泥巖和砂質泥巖為主，13-1 煤與8 煤的縱橫波速度比不僅比值較小而且變化范圍小，縱波受影響衰減程度高，說明煤層中裂隙發育較為均勻；11-2 煤、6 煤與1 煤的縱橫波速度比變化范圍較大，說明煤層內的裂隙局部發育[19]。

在砂泥巖地層，各向異性往往與地應力不均衡有關，橫波分裂后沿最大水平主應力方向的橫波傳播速度快，而沿最小水平主應力方向的橫波傳播速度慢，因此各向異性方向可以象征現今最大水平主應力的方向。圖5 所示為補7井735-775m 井段各向異性分析成果圖，該井段各向異性較強，但是通過對全井段各向異性成果分析得知，該井各向異性在局部井段較弱，甚至各向同性，從而導致不同井段地層的各向異性方位變化不定。該井各向異性較強的井段主要分布在500-585m（第四紀底）、735-775m（包含11-2煤）、825-940m（包含8 煤、6 煤），統計表明各向異性方向以北西西-南東東向、北東東-南西西向（圖6），反映現今最大水平主應力方向為近東西向[21]。

圖3 補7 井巖石力學參數計算成果圖

圖4 補7 井巖石力學參數統計直方圖

分析煤層各向異性時發現，含11-2 煤、8 煤、6 煤的大套地層各向異性程度相對較高，若封堵和蓋層條件有利，有助于瓦斯吸附富集，可作為瓦斯勘探的有利范圍。同樣，735-775m 井段各向異性較強，包含11-2 煤（774.63-777.87m），各向異性成果圖顯示出11-2 煤頂板各向異性較強，頂板裂縫發育，對氣體封堵條件差，則該地層瓦斯沿裂隙網絡擴散可能性增強[22-23]。

正交多極子陣列聲波測井在補7 井施測的井段，對裂縫發育、巖性解釋、瓦斯富集和各向異性給予了綜合評價。對比后續鉆孔和采煤揭露情況分析預測結論，實際采煤揭露情況顯示13-1 煤的裂縫發育程度較強，裂縫發育區大多是小斷層發育區或破碎帶，11-2 煤裂隙發育程度明顯較差，僅在局部區域發育，且裂縫發育強度遠低于13-1 煤層。利用縱橫波速度比預測結論與實際情況吻合，縱橫波速度比及其變化范圍的大小可以應用于表征煤層裂隙的發育程度。在巖性解釋上，煤層縱橫波速度比與砂泥巖地層相比存在煤層時差增大，縱橫波速度比明顯減小的特征，如從1 煤時差成果圖（1010.1-1018.05m）井段可以看出，橫波時差和縱波時差曲線較上覆地層時差明顯增大，縱橫波速度比曲線貼近1.6，從差異的明顯程度上比較，速度時差區別較大，因此提取橫波速度信息對識別煤層準確性有所提高。

巖石力學參數的計算主要以評價煤層和頂底板的巖石強度大小為目的，在補7 井施測井段中，定量的表述煤層段巖石力學強度有助于評價穩定性。通過計算，可采五套煤層頂板巖性主要以砂泥巖和泥巖為主，其中13-1 煤、11-2 煤頂板巖石力學參數小，穩定性差，整體可采五套煤層段巖石力學參數較砂泥巖段均趨于減小，巖石強度減小，與實際揭露情況基本吻合。

結合瓦斯實測數據驗證[24]，13-1 煤實測瓦斯含量17.28W/m3/t、11 -2 煤14.29W/m3/t、8 煤16.11W/m3/t、6 煤18.24W/m3/t，瓦斯含量整體在趨勢上隨埋深增加而增加，可以發現11-2 煤瓦斯含量低于13-1 煤層，且低于8 煤、6 煤，從煤層封堵情況、頂板的各向異性分析，考慮由于11-2 煤頂板所處的（735-775m）井段各向異性程度強，造成擴散可能性增強。另一方面，從煤層段的各向異性分析，8 煤、6 煤的煤層區域主要位于（825-940m）各向異性較強井段，封堵條件較好時，煤層的強各向異性顯現出該區域為瓦斯富集的有利區域，實測數據中瓦斯含量也有顯著增高。因此通過正交多極子陣列聲波測井的資料，可以分析不同區域的各向異性強弱程度，有助于判定瓦斯富集程度。但值得注意，在13-1 煤所在（700.66-706.95m）井段，煤層井段沒有顯現出更強的各向異性，瓦斯含量仍然較高，因此在對瓦斯富集預測上，不能以單個物理屬性參數建立直接聯系，需要考慮眾多的影響因素造成的瓦斯的儲存、運移條件的影響。

圖5 補7 井各向異性分析成果圖

圖6 補7 井各向異性方向統計圖

3 結論

（1）通過在淮南顧橋補7 井測量偶極子橫波，可以獲得較完整的橫波曲線資料，提取地層縱橫波速度參數。煤層段與砂泥巖地層相比，地層時差增大，縱橫波速度比明顯減??；結合橫波速度信息，正交多極子陣列聲波測井可以更準確應用于煤層識別。

（2）結合常規測井資料，多極子陣列測井可以提供橫波速度求出泊松比，進而計算剪切模量、體積模量、楊氏模量等彈性力學參數。應用于煤層段時，巖石力學參數較砂泥巖段趨于減小，利用巖石力學參數可以得出煤層頂板破裂壓力，提供定量化數據進行穩定性評價。

（3）由于各向異性往往與地應力不均衡有關，分析補7井全井段各向異性成果，通過各向異性方向求出最大水平主應力方向，統計反映現今最大水平主應力方向為近東西向。

（4）包含11-2 煤、8 煤、6 煤的地層各向異性程度相對較高，當由于裂縫引起的地震各向異性較強時，裂縫隙的總比表面積增大，有助于瓦斯的吸附富集，分析各向異性程度有助于煤層氣相對可能富集區域的預測。另一方面，以11-2 煤為例，若煤層頂底板各向異性程度強，導致縱橫向封堵和蓋層條件較差，瓦斯通過大套地層的裂隙網絡擴散出去的可能性就會增強，從而降低煤層瓦斯突出的可能性。

致謝：感謝中國地質大學（北京）王赟、蘆俊教授對本文的技術指導和提出寶貴修改意見，感謝勝利油田測井公司提供的測井技術支持。