双相介质地震波传播理论在煤层瓦斯含量预测中的应用

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1、双相介质地震波传播理论在煤层瓦斯含量预测中的应用刘俊友1,胡宗正1,林建东2(1.中国煤炭地质总局第-•勘探局物测队，河北邢台054000;2.中国煤炭地质总局物探研究院，河北涿州072750)摘要：通过研究勘查区3#含瓦斯煤层中地蕊波存在的明显变化特征，诸如因双相介质中各频率成份吸收作用不同而衣现出的“低频共振、高频衰减”现象等，利用Biot双相介质中地晨波传播理论，提取了3#煤层地震反射波中所色含的含瓦斯双相特性值，并根据该区钻孔煤样瓦斯含虽检测值进行了标定，预测了该区3#煤层瓦斯含虽:。煤样瓦期含量检测值与地震资料预测值回归方程显示，二者之间呈负相关关系。关键词：瓦斯含屋预测；B

2、iot双相介质理论：煤层地底反射波；3#煤层中图分类号:P631.44;P618.11文献标识码:A瓦斯是储存于煤层及其围岩中与煤伴生的非常规天然气，瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的，这种瓦斯以白由气体状态存在于煤体或围岩的裂缝、孔隙Z屮；吸着状态乂称结合状态，其特点是瓦斯与煤或某些岩石结合成一体，不再以白由气态形式存在。三维地震资料预测瓦斯含：S趋势变化，是基于双和介质中地震波的传播理论。本文以沁水煤田晋城矿区3号煤层为研究对象，通过提取煤层地震反射波中所包含的含瓦斯或相特性，即可定性预测煤层瓦斯含量趋势。然后，禾用钻孔煤样瓦斯含量检测值进行标定，即可定量预测煤层瓦斯含

3、量。1利用地震资料预测瓦斯常集区的理论依据地卜•煤层破碎带和构造发育区是煤炭工业生产屮瓦斯突出的主要危险区，在这些区域由于地下应力已释放，煤体颗粒中吸着的有机气体解析出来，形成游离态气体，因此该类介质在弹性领域表现为X5相介质特征，双相介质中地震波的传播过程可用或相介质理论精确描述。双相介质理论认为地下介质由固体和流体两薄分组成，固体即为岩石的骨架，流体为充填于骨架孑L隙和裂缝屮的液体或气体。当孔隙和裂缝中含有戏种以上的流体时也称为多相介质。传统的地震勘拣理论均是基于单相介质理论的，即认为地下介质止纯固体组成，这在不以寻找流体为目的的应用屮可以满足精度耍求。H前煤炭工业生产屮常做的煤层

4、厚度、深度、煤层顶底板岩性等反演工作可利用传统作者简介：刘俊友(1965-).男，河北唐山人.高级工程师.1992年毕业于长春地丿贞学院勘資地球物理专业.现任中国煤炭地质总局物测队副总工程师兼物探技术屮心主任。的单相介质理论完成。但对于瓦斯富集区预测这一特定问题来说，含瓦斯煤层是典型的双相(或多相)介质，该类介质屮地震波具有独特的传播规律，常颊单相介质理论不能充分描述该类介质的地震波的传播机理，必须采用双相介质中的地震波传播理论来研究瓦斯富集区的地震预测方法。Biot双相介质理论认为地下岩右由固体和流体组成，固体和流体之间有相对运动，Biot推导出的地震波传播所满足运动微分方程如下：

5、N弊u+堺［(a+N)8+Q£莘(pw+pdLJ)+b亀評■,坍(QB+R沪器(pMp^)・b,式中:e表示固相体应变，£表示流相体应变；u为固和位移向量，U为流相位移向量;A和N相当丁•单札各向同性弹性波理论中的拉梅系数；R表示使一定体积的流体流入某集合体而又使该集合体保持总体积不变所需施加在流体上的压力的一种量度；Q反应固体与流体体积变化之间的耦合性质。Pu*Pi2*P22是质量密度参数,其中Pm表不单7C体中固体相对流体运动时固体部分总的等效质量,P22表示单元体中流体相对固体运动吋流体部分总的等效质量，山2表示流体和固体Z间的质量耦合系数•它们满足下面的关系：jP11+2pl2

6、+p22=P>P1+P2

7、)1=2p11+p12(1-(p)ps^2=2Pi2+p22=(PPfP表示流体和固体组成的集合体的总质量密度；ps表示固体的质量密度；Pf表示流体的质量密度卩表示集合体每单位体积固体的质显；P2表示集合体每单位体积流体的质屋；b为耗散系数，其值由责任編辑：葛晓云达西渗透系数k、流体粘滞系数r）和孔隙率cp决定,且满足：从Biot方程出发，我们可以得知地震波在双相介质中传播时会产生两个纵波，即第一类纵波和第二类纵波，其中第二纵波与流体有密切关系，是固怀和流体相互作用和摩擦的产物，也是流体存在的主要标志。综上所述，当地下煤层屮含有瓦斯时，其地震汲场特征相对于不含

8、瓦斯时存在叨显变化，最显著笊标志就是“低频共振、高频衰减”现象，即含瓦斯双柱介质对地震波各个频率成份的吸收作用不同，这一点已在理论研究、数值模型和油气反演中得到验证,含游离态瓦斯的煤层与含天然气地层在介质的相态特征上不存在本质区别，因此可用双相介质理论反演瓦斯富集区。问题的关键在于如何采用适当的数学方法从煤层的强反射屮准确提取出煤层的含瓦期性特征。本文引入信息论的相关思路与方法，采用先迪的数学算法准确提取了煤层强反射波中所包含的含瓦斯双相特性，