正交多极子阵列声波测井在煤田勘探中的应用——以淮南顾桥煤矿补7 井区为例*

韩必武，李栋青，范秦军

（1.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽 淮南232001；2.中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院 地质过程与矿产资源国家重点实验室MWMC 研究组，北京100083；3.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州450003）

引言

目前，在我国煤田测井领域，一般选用自然电位、自然伽玛、伽玛-伽玛和视电阻率这四种方法的测井系列组合，有时也会辅以声波时差测井来进行岩性解释、地层划分，以及煤层定深、定厚、夹矸解释等。随着煤炭开采深度和难度加大，对勘探精度的要求日益提高，顶板垮塌、瓦斯突出等地质灾害问题日益突出，用现有的煤田测井手段难以提供精确的属性参数，限制了这些复杂地质问题的解决。

正交多极子阵列声波测井仪器具有多种测井模式，通过将偶极子技术与单极子技术结合，克服了单极子声源穿透性小，横波测量不准确的问题。1967 年J.E.White[1]首先提出了利用偶极子声源直接激励剪切扰曲波实现横波测井，偶极阵列声波测井在下套管井中可产生管波和弯曲波，在各向异性地层中产生快、慢横波。通过对声波信号处理，运用时间域的方法，例如慢度-时间相关法（STC）、n 次方根法和波形反演法等，在分析全波列中可以提取纵波、横波和斯通利波及进行时差计算；由于岩性不同对横波的影响远远大于对纵波速度的影响，多极子阵列声波资料的横纵波速度比值具有显著优势来区分复杂岩性。例如在煤系地层横纵波比值明显增大，同时对斯通利波的影响十分明显，斯通利波时差明显增大。当地层含气时，气体的富集会降低纵波的速度，进而增大纵波时差，因此利用纵横波速度比和纵波时差的交会图可以有效识别气层，曲线的包容面积可以指示相对地层含气量大小[2]。另一方面，结合密度、孔隙度、泥质含量等常规测井曲线，使用纵、横波时差资料可以快速计算地层的泊松比（Poisson's Ratio，POIS）、杨氏模量（Young's Modulus，YMOD）、切变模量（Shear Modulus，SMOD）、体积弹性模量（Bulk Modulus，BMOD）等岩石力学参数[3]；利用岩石力学参数在煤田勘探中有着诸多优点，如岩石力学参数应用于计算煤层的机械强度，预测岩石破裂压力，为煤田勘探开发的安全性提供预见性建议。

多极子阵列声波技术从各向异性地层中横波分裂现象入手，当地震横波穿过各向异性介质后，横波沿每一条射线路径可以分裂为两种偏振波，它们具有不同的传播速度，且通过由直立裂缝引起的各向异性介质时，快横波偏振方向为沿裂缝方向，慢横波偏振方向垂直于裂缝，两列波之间存在着一个相对的旅行时差[4-5]。在砂泥岩地层中，各向异性往往与地应力不均衡有关，横波分裂后沿最大水平主应力方向的横波传播速度快，而沿最小水平主应力方向的横波传播速度慢，所以横波各向异性参数可以有效确定地应力分布状态和最大水平应力方位。在裂缝性地层中，裂缝系统也会导致横波分裂现象，并会产生速度的各向异性，通过快慢横波的分析来预测裂缝的发育状况[6]。通过声波信息结合成像测井资料，可以对区域煤层气储层进行综合评价，从顶底板质量、煤层气储层内部结构、裂缝发育程度等方面进行分析，结合区域煤层气含气量的变化情况实现煤层气勘探开发区带的评价[7]。因此，正交多极子阵列声波测井在煤田勘探中的有效应用，为应力场研究、预测岩石机械强度和裂缝发育程度、井眼稳定性评价提供了技术支撑，有助于保障煤矿安全生产[8]。

在淮南顾桥煤矿采区，煤系地层主要岩性以砂泥岩和煤层为主，可采煤层集中分布在煤系地层二叠系的中、下部，煤系地层厚约450m，各主采煤层中瓦斯含量较高，瓦斯相对涌出量及绝对涌出量较大，存在岩性复杂、裂缝发育广泛等特点。本文首次将正交多极子阵列声波测井技术应用到顾桥井，在补7 井施测了正交多极子阵列声波测井（XMAC－II），施工井段为500-1028m。在声波时差处理过程中发现，从单极阵列中可以获得较完整的纵波、斯通利波曲线，在局部井段采用偶极阵列中所提取的横波，通过综合处理，利用该测井成果进行岩性解释、弹性参数的计算，并对地层的各向异性进行分析，解决了常规的煤田测井难以解决的问题。

1 方法原理

1.1 偶极子横波测井原理

本次测井仪器采用了ECLIPS－5700 测井系统中的正交多极子阵列声波仪（XMAC-II），原理是将一个单极阵列和一个偶极阵列交叉组合，两个阵列配置完全独立，各自具有不同的传感器。其中，单极阵列包括两个单极声源和8 个接收器，声源发射器发射的声波是全方位的，即是柱状对称的，中心频率为8kHz。偶极阵列是由两个交叉摆放（相差90°）的偶极声源及8 个交叉式偶极接收器组成，接收器间距为0.5 英尺;当偶极子声源振动时，类似一个活塞能使井壁一侧的压力增加，而另一侧压力减小，使井壁产生扰动，形成轻微的扰曲，这种由井眼扰曲运动产生的剪切扰曲波具有频散特性，在低频时传播速度趋近于横波，偶极横波测井实际上是通过对扰曲波的测量来计算地层横波速度的。偶极技术与单极技术结合在一起，能够精确测量地层纵波、横波等全波时差[9]。

本文测井资料处理成果图主要包括地层时差处理成果图、岩石力学参数计算成果图、各向异性成果图。对图中各道信息及单位统一介绍如下：

地层时差处理成果图比例为1：200，BREAKOUT-井眼崩落；GR-自然伽马曲线（单位：API）；BIT-钻头尺寸（单位：in）；CAL-井径曲线（单位：in）；DTC-纵波时差曲线（单位：us/ft）；DTS-横波时差曲线（单位：us/ft）；DTST-斯通利波时差曲线（单位：us/ft）；Vp/Vs-纵横波速度比；POIS-泊松比；BMOD-体积模量（单位：GPa）；CMOD-组合模量（单位：GPa）；YMOD-杨氏模量（单位：GPa）；SMOD-剪切模量（单位：GPa）；DEV-井斜（单位：deg）；AZSH-仪器方位曲线（单位：deg）；ANI-百分比地层各向异性；ANIA-平均百分比地层各向异性；FWV-快横波波形（单位：us）；SWV-慢横波波形（单位：us）；WDST-计算各向异性开窗时间（单位：us）；WEND-计算各向异性关窗时间（单位：us）；FACR-快横波方位角（单位：度）。地层各向异性玫瑰图统计频率为25m。

1.2 岩性解释

根据弹性波动方程纵波速度vp、横波速度vs与岩石的弹性参数公式[10]，纵波可通过岩石基质与流体传播，但是流体的剪切模量为0，横波则只能在岩石基质中传播。当岩石中含有水、气时，流体的存在几乎没有改变岩石的密度，纵波的传播速度会降低，而横波的速度变化不大。但是由于地层的岩性变化也会引起纵波速度的变化，利用单一声波测井资料难以区分导致速度变化的真正原因，而利用纵横波速度比γ=vp/vs解释岩性则兼顾了纵、横波速度两个方面的影响因素，能够获得相对较精确的岩性解释成果。一般煤田勘探来说，煤层纵横波速度比的变化因素主要是煤层中的裂隙发育程度，裂隙的存在不影响横波速度，但会减小纵波速度，较小的纵横波速度比说明煤中裂隙较为发育，较大的纵横波速度比则说明煤层较为致密，裂缝发育程度较弱。当同一煤层速度比变化范围较大时，说明煤层致密程度不均，以局部发育为主，而裂隙地层有利于瓦斯在煤层内部吸附富集，造成安全隐患[11]。

1.3 岩石力学参数计算

根据常规测井曲线提供的密度、孔隙度、泥质含量等参数，结合正交多极子阵列声波测井提取的纵、横波时差资料，可以计算地层的泊松比σ、杨氏模量E、切变模量μ、体积模量K 等岩石力学参数。

式中，ρb，ρma-岩石体积密度及岩石骨架密度，g/cm3；Δtp，Δts-岩石的纵、横波时差，μs/m；vp，vs-岩石的纵、横波速度，m/μs；vmap，vmas-岩石骨架的纵、横波速度，m/μs。

计算岩石力学参数在煤田勘探中以两个方面应用为主，如识别气层时，泊松比是纵横波速度比的函数，在含气地层中，纵波速度降低，横波增加，纵横波速度比明显降低，泊松比变化明显；杨氏模量随孔隙度增加而减小，在含气地层，杨氏模量具有明显的低值特征；由于气体的可压缩性显著大于水层，干层可压缩性最差，体积压缩系数也偏小；另一方面，地层弹性力学参数在应力场研究分析过程中是首要条件，利用上述弹性参数计算岩石压力和破裂压力偏移分析所需的参数，最终可以得出地层最小破裂压力，以及在一定的等效压力递增下，相应压裂缝的纵向延伸高度。这些岩石力学参数的计算结果、非弹性参数等可以用来评价煤层顶板的稳定性[12]。

1.4 井壁稳定性和破裂压力计算

由于钻井过程中井眼的形成，破坏了原地应力的平衡状态，当应力不平衡时，可引起井壁的坍塌或破裂。影响井壁坍塌的因素中，主要以地应力的大小、差异和岩石的剪切强度为主。为了控制井壁稳定，通过寻求泥浆密度、岩石性质和地应力、岩石强度、弹性模量之间平衡的方式，防止在钻井过程中发生井壁的张性破坏。在计算中，通常计算起决定性作用的有效应力，利用弹性理论，当θ=0°和180°时，可求得最大值和最小值，当达到岩石变形的应力状态，地层中井壁径向、周向和轴向有效应力为：

当液压增加到临界破裂压力时，井壁围岩出现张裂缝，有可能出现泥浆漏失，（Hamison）海姆森给出了自然破裂压力pf的计算公式[13]：

井中泥浆柱压力越小，压性周向应力越大，径向压力由压性逐渐转为张性过度，两应力构成的莫尔圆与岩层切变破裂包络线相切时，岩层发生剪切破裂。所以在最小地应力方向最易发生坍塌，这时的井中泥浆柱压力为剪切破裂井柱压力极限值pe（即坍塌压力），由库伦破裂准则可得：

1.5 各向异性分析

正交多极子阵列声波测井资料用于分析方位各向异性时，由于构造应力的作用，岩层中往往发育定向排列的裂隙系统，横波在这些裂隙介质中传播时会分裂成快横波S1波与慢横波S2波，S1波平行裂隙面传播，即最大水平主应力方向；S2波垂直裂隙面传播，即最小水平主应力方向，因此通过各向异性分析可以得到现今最大水平主应力的方向。

同时定义地层的各向异性程度为：

其中，Δvs为快横波速度vs1与慢横波速度vs2的差值[13]。公式（1）可用来对地层的各向异性程度进行定量描述。通常，煤层中的裂隙广泛发育，各向异性程度较强，裂缝隙的总比表面积增大，有利于瓦斯以吸附状态存在于煤层微孔隙、裂隙之间[14]。但如果含煤大套地层均存在较强的各向异性，尤其纵横向裂缝隙发育，且不存在较好的纵横向封堵和盖层时，煤层裂隙中的瓦斯会通过大套地层的裂隙网络扩散出去，进而降低瓦斯突出的可能性；否则容易因为煤层顶板的稳定性和横向封堵形成煤层气的良好储层[15-17]。

2 应用实例

淮南顾桥煤矿位于华北板块东南缘，煤田呈复向斜形态，主体构造线呈北西西走向，轴部具有次一级宽缓褶曲，主要有谢桥古沟向斜，陈桥背斜、潘集背斜和耿村向斜，以石炭二叠纪含煤地层为主，地层倾斜平缓，一般为5～15°，并发育不均匀的次级宽缓摺曲和断层。淮南补7 井测量井段内煤系地层岩性主要为砂泥岩与煤层，在通过测井数据的处理获得如图1 的时差处理成果图，并可对处理成果进行直方图统计分析，如图2。

在全区可采的主要煤层有5 套，上石盒子组的13-1 煤（700.66-706.95m）、11-2 煤（774.63-777.87m），下石盒子组的8 煤（858.9-861.31m）、6 煤（900.62-904.19m），山西组的1煤（1010.1-1018.05m）；纵横波速度比范围分别为1.55-1.71、1.58-2.04、1.52-1.59、1.51-2.07、1.45-1.88，其中13-1 煤有一层炭质泥岩的夹矸表现为速度比的高异常，平均值为2.0。

图1 补7 井地层时差处理成果图

图2 补7 井地层时差统计直方图

纵横波速度的比值R=Vp/Vs作为一个岩性指示参数，理论上，利用该比值可以大致确定地层的岩性。一般情况下，砂岩的纵横波速度比在1.58-1.8 之间，而含水砂岩却表现为该比值随孔隙度、泥质含量的增大和有效应力的降低而增加；对白云岩和灰岩来说该比值几乎是一个常数，分别为1.8 和1.9。在砂泥岩地层中，砂岩的声波时差值会比泥岩低，随着泥质含量增加，声波时差值会增大，随着含砂量的增加时差会相应降低。当地层裂缝和孔洞发育时，声波幅度衰减严重，合理利用偶极子测井技术相关分析法，可以获取准确性更高的纵横波，优势在于无需对物理模型假设和首波检测，可以避免引发周波跳跃的情况[18]。利用多极子阵列声波资料上的不同波形特征，结合横波时差信息，尤其是应用于煤层区域，可以更好地进行复杂岩性识别。分析补7 井时差处理成果图，可知纵波慢度主要在60-95μs/ft 之间，横波慢度主要在110-180μs/ft 之间，纵、横波速度比主要在1.7-2.1 之间。在煤层段，时差有了较明显的变化，煤层纵波慢度主要在90-125μs/ft 之间，横波慢度主要在140-210μs/ft 之间，纵横波速度比主要在1.5-1.8 之间，与砂泥岩地层相比，地层时差明显变大，而纵横波速度比明显减小。

如图3 补7 井岩石力学参数计算成果图，图4 岩石力学参数统计直方图，结合常规岩性分析结果，对该井岩石力学参数统计分析有以下特点：砂泥岩为主的地层体积模量主要分布在15－35GPa、剪切模量主要分布在6－16GPa、杨氏模量主要分布在16－40GPa、泊松比主要分布在0.24－0.36；煤层段体积模量主要分布在4－14GPa、剪切模量主要分布在2－8GPa、杨氏模量主要分布在4－20 GPa、泊松比主要分布在0.16－0.36，煤层段岩石力学参数较砂泥岩段均趋于减小，反映岩石强度减小。

与纵横波速度比解释成果和煤层顶板岩性结果联合对比可知：煤层顶板岩性主要以透气性较差的泥岩和砂质泥岩为主，13-1 煤与8 煤的纵横波速度比不仅比值较小而且变化范围小，纵波受影响衰减程度高，说明煤层中裂隙发育较为均匀；11-2 煤、6 煤与1 煤的纵横波速度比变化范围较大，说明煤层内的裂隙局部发育[19]。

在砂泥岩地层，各向异性往往与地应力不均衡有关，横波分裂后沿最大水平主应力方向的横波传播速度快，而沿最小水平主应力方向的横波传播速度慢，因此各向异性方向可以象征现今最大水平主应力的方向。图5 所示为补7井735-775m 井段各向异性分析成果图，该井段各向异性较强，但是通过对全井段各向异性成果分析得知，该井各向异性在局部井段较弱，甚至各向同性，从而导致不同井段地层的各向异性方位变化不定。该井各向异性较强的井段主要分布在500-585m（第四纪底）、735-775m（包含11-2煤）、825-940m（包含8 煤、6 煤），统计表明各向异性方向以北西西-南东东向、北东东-南西西向（图6），反映现今最大水平主应力方向为近东西向[21]。

图3 补7 井岩石力学参数计算成果图

图4 补7 井岩石力学参数统计直方图

分析煤层各向异性时发现，含11-2 煤、8 煤、6 煤的大套地层各向异性程度相对较高，若封堵和盖层条件有利，有助于瓦斯吸附富集，可作为瓦斯勘探的有利范围。同样，735-775m 井段各向异性较强，包含11-2 煤（774.63-777.87m），各向异性成果图显示出11-2 煤顶板各向异性较强，顶板裂缝发育，对气体封堵条件差，则该地层瓦斯沿裂隙网络扩散可能性增强[22-23]。

正交多极子阵列声波测井在补7 井施测的井段，对裂缝发育、岩性解释、瓦斯富集和各向异性给予了综合评价。对比后续钻孔和采煤揭露情况分析预测结论，实际采煤揭露情况显示13-1 煤的裂缝发育程度较强，裂缝发育区大多是小断层发育区或破碎带，11-2 煤裂隙发育程度明显较差，仅在局部区域发育，且裂缝发育强度远低于13-1 煤层。利用纵横波速度比预测结论与实际情况吻合，纵横波速度比及其变化范围的大小可以应用于表征煤层裂隙的发育程度。在岩性解释上，煤层纵横波速度比与砂泥岩地层相比存在煤层时差增大，纵横波速度比明显减小的特征，如从1 煤时差成果图（1010.1-1018.05m）井段可以看出，横波时差和纵波时差曲线较上覆地层时差明显增大，纵横波速度比曲线贴近1.6，从差异的明显程度上比较，速度时差区别较大，因此提取横波速度信息对识别煤层准确性有所提高。

岩石力学参数的计算主要以评价煤层和顶底板的岩石强度大小为目的，在补7 井施测井段中，定量的表述煤层段岩石力学强度有助于评价稳定性。通过计算，可采五套煤层顶板岩性主要以砂泥岩和泥岩为主，其中13-1 煤、11-2 煤顶板岩石力学参数小，稳定性差，整体可采五套煤层段岩石力学参数较砂泥岩段均趋于减小，岩石强度减小，与实际揭露情况基本吻合。

结合瓦斯实测数据验证[24]，13-1 煤实测瓦斯含量17.28W/m3/t、11 -2 煤14.29W/m3/t、8 煤16.11W/m3/t、6 煤18.24W/m3/t，瓦斯含量整体在趋势上随埋深增加而增加，可以发现11-2 煤瓦斯含量低于13-1 煤层，且低于8 煤、6 煤，从煤层封堵情况、顶板的各向异性分析，考虑由于11-2 煤顶板所处的（735-775m）井段各向异性程度强，造成扩散可能性增强。另一方面，从煤层段的各向异性分析，8 煤、6 煤的煤层区域主要位于（825-940m）各向异性较强井段，封堵条件较好时，煤层的强各向异性显现出该区域为瓦斯富集的有利区域，实测数据中瓦斯含量也有显著增高。因此通过正交多极子阵列声波测井的资料，可以分析不同区域的各向异性强弱程度，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，煤层井段没有显现出更强的各向异性，瓦斯含量仍然较高，因此在对瓦斯富集预测上，不能以单个物理属性参数建立直接联系，需要考虑众多的影响因素造成的瓦斯的储存、运移条件的影响。

图5 补7 井各向异性分析成果图

图6 补7 井各向异性方向统计图

3 结论

（1）通过在淮南顾桥补7 井测量偶极子横波，可以获得较完整的横波曲线资料，提取地层纵横波速度参数。煤层段与砂泥岩地层相比，地层时差增大，纵横波速度比明显减小；结合横波速度信息，正交多极子阵列声波测井可以更准确应用于煤层识别。

（2）结合常规测井资料，多极子阵列测井可以提供横波速度求出泊松比，进而计算剪切模量、体积模量、杨氏模量等弹性力学参数。应用于煤层段时，岩石力学参数较砂泥岩段趋于减小，利用岩石力学参数可以得出煤层顶板破裂压力，提供定量化数据进行稳定性评价。

（3）由于各向异性往往与地应力不均衡有关，分析补7井全井段各向异性成果，通过各向异性方向求出最大水平主应力方向，统计反映现今最大水平主应力方向为近东西向。

（4）包含11-2 煤、8 煤、6 煤的地层各向异性程度相对较高，当由于裂缝引起的地震各向异性较强时，裂缝隙的总比表面积增大，有助于瓦斯的吸附富集，分析各向异性程度有助于煤层气相对可能富集区域的预测。另一方面，以11-2 煤为例，若煤层顶底板各向异性程度强，导致纵横向封堵和盖层条件较差，瓦斯通过大套地层的裂隙网络扩散出去的可能性就会增强，从而降低煤层瓦斯突出的可能性。

致谢：感谢中国地质大学（北京）王赟、芦俊教授对本文的技术指导和提出宝贵修改意见，感谢胜利油田测井公司提供的测井技术支持。