Seismic rock physics characteristics of water-rich roof sandstone in the Shendong mining area

XianGui LIU; Chao FU; HaiYang YIN; TongJun CHEN

doi:10.6038/pg2024HH0386

Progress in Geophysics >

2024 , Vol. 39 >Issue 5: 1850 - 1856

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2024HH0386

Seismic rock physics characteristics of water-rich roof sandstone in the Shendong mining area

XianGui LIU ^,¹ ,
Chao FU ¹ ,
HaiYang YIN ² ,
TongJun CHEN ^,²^,*

Expand

¹ CHN Energy Shendong Coal Group Co., Ltd., Shenmu 719315, China
² School of Resource and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

Received date: 2023-11-01

Online published: 2024-12-19

Copyright

Fold

Abstract

Water enrichment in roof sandstones affects the mining safety of coalbeds. In order to improve the interpretation accuracy and reliability, the authors have taken the water-rich roof sandstone of the 1^-2 coalbed of Zhiluo Formation in the Shendong mining area as an example and studied its petrophysical characteristics and seismic interpretation methods, incorporating X-ray powder diffraction analysis, wireline-log constrained petrophysical modeling, and cross-plot analysis. The results show that the mineral composition of the sandstone is complex and mainly includes quartz (35.6%), calcite (28.5%), kaolinite (19.1%), albite (11.0%), and illite (5.8%). Following the proposed rock physical modeling strategy, the modeled P-wave velocity and density of water-saturated roof sandstone are consistent with the corresponding measured wireline logs. These consistencies have mutually verified the proposed rock physical modeling strategy and the wireline logging. With the strategy, one can use the modeled petrophysical parameters to analyze the porosity variations and water-saturation states. Generally, both porosity and water-saturation states significantly affect the petrophysical parameters. Seismic velocities, moduli, impedances, and density gradually decrease with increasing porosity, while velocity and modulus ratios show opposite trends. In the low porosity range (< 0.1), seismic velocity, moduli, and impedances vary rapidly with porosity change, while velocity and modulus ratios change slowly. In contrast, the variation trends in the high porosity range (>0.2) are completely different. The petrophysical parameters under the water-saturated state have higher magnitudes and variation ranges than the dry state. Among all petrophysical parameters, acoustic impedances and velocity ratio are probably the preferred parameters for analyzing roof sandstone. In the P-wave impedance vs. velocity ratio cross-plot, the scattered points of roof sandstone are distributed in radial partitions, and the interpretation template made from the cross-plot can quantitatively and simultaneously interpret the porosity variation and water-saturation states. The research results can provide parameter support and theoretical guidance for analyzing petrophysical characteristics and water-rich interpretation of coalbed roof sandstones.

Key words： Roof sandstone; Water enrichment; Quantitative interpretation; Petrophysical modeling; Parameter variation; Cross-plot analysis

Cite this article

XianGui LIU , Chao FU , HaiYang YIN , TongJun CHEN . Seismic rock physics characteristics of water-rich roof sandstone in the Shendong mining area[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(5) : 1850 -1856 . DOI: 10.6038/pg2024HH0386

0 引言

煤层顶板砂岩水是矿井水害防治的重要研究内容.长期以来，主要通过地面电磁法进行探测(Love et al., 2005; 程建远等, 2016; 胡雄武等, 2021).虽然取得了一定的应用效果，但由于电磁法勘探的体积效应影响，探测顶板富水砂岩的分辨率和可靠性仍然不能满足矿井水害防治的需求.相对于电磁法勘探来说，三维地震勘探具有更高的分辨率和可靠性，在煤层构造和岩性勘探中已取得了重大成功(Xu et al., 2022; 陈同俊等, 2007; 陈中山等, 2022; 管永伟等, 2016; 阚雪冬, 2023; 刘慧等, 2019; 朱建刚, 2022).如果能够利用三维地震勘探成果解译煤层顶板砂岩的富水性，必将能为矿井顶板砂岩水害的防治提供一大助力.

理论上来说，如果顶板砂岩层和围岩间存在波阻抗差异，就可以观测到砂岩层反射波.波阻抗差异越大，反射波振幅越强.为此，顶板砂岩层的孔隙度和水饱和状态变化能否导致其弹性参数差异，是能否利用反射波解译顶板砂岩富水性的一大关键(彭刘亚等, 2013; 袁峰等, 2017).为了查明煤层顶板砂岩的物性参数和岩石物理参数，业界已开展了相关实验测试.对于华北石炭二叠系顶板砂岩来说，业界测试了其动静弹性模量、纵横波速度、泊松比等岩石物理参数(金解放等, 2019; 孟召平等, 2006).发现富水砂岩的相关参数与泥岩和砂质泥岩等围岩有所区别，矿物成分及含量、围压、含水饱和度等是主要影响因素.相对来说，鄂尔多斯盆地侏罗系煤层顶板砂岩的相关研究较少，但发现顶板砂岩的波速与其平均粒径、分选性、密度和埋深有关(陈江峰等, 2018; 左建平等, 2021).

除实验测试，岩石物理建模也是研究地层岩石物理参数及特征的重要手段.其通过表征岩石物质组成及细观特征，构建数学模型，研究岩石弹性特征与物性参数之间的关系，是联系地层弹性参数与物性参数之间的桥梁(Mavko et al., 2020; 巴晶等, 2023).在油气勘探领域，业界已利用岩石物理建模，研究了砂岩、致密砂岩、页岩、碳酸盐和煤层气等常规和非常规储层的岩石物理参数特征，主要包括体积模量、剪切模量、纵横波速度、纵横波阻抗、品质因子、泊松比和各向异性系数等(Gurevich et al., 2009; Karimpouli et al., 2018; Neto et al., 2014; Zhao et al., 2022).在煤田勘探领域，业界已利用岩石物理建模，研究了煤阶与纵横波速度及各向异性系数间的相关关系，煤层气吸附量与煤体密度和体积模量间的相关关系等(王赟等, 2012; Zhao et al., 2023; Zou et al., 2019).相对于油气勘探领域，煤田勘探领域的相关研究系统性仍有不足.

本文以鄂尔多斯盆地神东矿区侏罗系1^-2煤的直罗组顶板富水砂岩层为研究目标，综合样品X射线粉末衍射分析、测井曲线约束岩石物理建模和交会图分析等技术方法，研究神东矿区煤层顶板富水砂岩的地震岩石物理特征及解译方法.

1 地质概况

神东矿区位于鄂尔多斯盆地东北部的东胜煤田，所处构造单元为华北地台、鄂尔多斯台坳、东胜隆起.总体上，地层呈单斜构造，走向约NW20°, 倾向约SW70°, 倾角一般小于5°.区内构造简单，仅发育少量落差较小的正断层和宽缓波状起伏褶曲.区内地层由老到新发育有：三叠系上统延长组、侏罗系中下统延安组、侏罗系中统直罗组、侏罗系中统安定组、白垩系下统志丹群、新近系上新统和第四系等地层(焦养泉等, 2020).其中，侏罗系中下统延安组为主要含煤地层，发育有1^-2、2^-2、4^-2和5^-2煤等主采煤层.

区内水文地质条件较复杂，地下水补给水源主要包含直罗组底部含水层、志丹群含水层和地表水系，地下水输导通道主要包括规模较大的骨架砂体、不整合界面、断裂系统和人工采动裂隙系统等(焦养泉等, 2020).在煤层回采过程中，由于原生和次生导水通道的影响，可能发生顶板水害，危及采矿安全(王双明等, 2022).相对于其他含水层来说，直罗组底部砂岩含水层距离下覆含煤地层近(平均35.9 m)，厚度大(平均17.5 m)，孔隙度高(平均15.2%)，富水性强，对煤层回采影响大.为此，本次以1^-2煤顶板直罗组砂岩含水层为研究目标，揭示其地震岩石物理特征，开发其孔隙度及水饱和状态解译方法.

2 研究方法

为了研究神东矿区煤层顶板砂岩的地震岩石物理特征，以区内布尔台矿1^-2煤的直罗组顶板砂岩为例，综合样品采集、X射线粉末衍射(XRD)分析和测井曲线约束岩石物理建模等多种方法(Ba et al., 2021; Chen and Song, 2022; Dai et al., 2012)，综合研究顶板砂岩孔裂隙发育和富水性对其岩石物理参数的影响，岩石物理建模流程如图 1所示.

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图1 测井曲线约束顶板砂岩岩石物理建模流程图

Figure 1 Wireline log constrained petrophysical modeling flow chart of roof sandstone

岩石物理建模过程中，首先用Voigt-Reuss-Hill(V-R-H)平均求取石英、方解石、纳长石和伊利石混合物的等效模量.其次，利用差分等效介质模型(DEM)将高岭石嵌入到硬矿物混合物中，计算砂岩骨架等效模量(Ba et al., 2021; Mavko et al., 2020).第三，利用DEM模型依次将硬孔和软孔嵌入到砂岩骨架，计算干砂岩等效模量；并通过Gassmann流体替代计算水饱和砂岩等效模量(Mavko et al., 2020).第四，通过均匀各向同性介质的模量与纵横波速度关系式，计算干砂岩和水饱和砂岩的纵横波速度、速度比和纵横波阻抗.最后，将岩石物理建模结果与相应测井曲线相对比，优化相关建模参数，验证岩石物理建模方法的有效性.

3 结果及讨论

3.1 样品矿物组成分析

采集布尔台矿1^-2煤的直罗组顶板富水砂岩样品，制备为直径小于200目的粉末，利用XRD测试样品的衍射谱.利用Jade软件，将相应衍射谱与已查明矿物的标准谱图进行对比，确定样品的主要矿物组成及含量(Dai et al., 2012)，结果如表 1所示.在所有矿物中，石英和方解石含量最高，高岭石和钠长石含量次之，伊利石含量最低.根据Cosenza等(2023)和Mavko等(2020)的研究成果，确定如表 1所示的各矿物模量和密度参数.结合实测矿物组成及含量，进行岩石物理建模研究.

表1 直罗组顶板砂岩的矿物组成、含量、密度及模量

Table 1 Mineral composition, content, density and modulus of roof sandstone of the Zhiluo Formation

矿物组成	含量/%	密度/(g·cm^-3)	体积模量/GPa	剪切模量/GPa
石英	35.6	2.65	37	44
方解石	28.5	2.71	76.8	32
钠长石	11.0	2.62	37.5	15
伊利石	5.8	2.7	60	25.3
高岭石	19.1	2.44	44	22

3.2 岩石物理建模方法有效性验证

为了验证图 1所示岩石物理建模方法的有效性，将建模结果与布尔台矿BK23井实测测井曲线相对比.由于测井时井孔受清水钻井液长期浸泡，井孔附近砂岩孔隙近似水饱和，所测得的测井曲线为水饱和时值.因此，在验证岩石物理建模方法有效性时，将实测测井曲线与计算的水饱和砂岩岩石物理参数相对比.由于验证井有纵波速度、密度和孔隙度等测井曲线，将其与相应岩石物理建模结果相对比，如图 2所示.

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图2 水饱和时孔隙度对测井与岩石物理建模的速度与密度影响

Figure 2 The effect of porosity on wireline-logged and petrophysical-modeled P-wave velocity and density under a water saturated state

图 2中，在测井孔隙度范围内(14-18%)，测井纵波速度散点(黑色)与岩石物理建模的纵波曲线(黑实线)吻合，测井密度散点(灰色)与岩石物理建模的密度曲线(灰实线)吻合.因此，本次所提出的顶板砂岩岩石物理建模方法可行，建模使用的岩石物理参数可靠，建模结果可用于分析顶板砂岩的地震岩石物理特征.

3.3 纵横波速度及速度比变化规律

为了分析纵横波速度及速度比随孔隙度、水饱和状态的变化规律，绘制如图 3所示交会图.图中，随着孔隙度的增大，纵横波速度逐渐减小，纵横波速度比逐渐增大，呈相反变化趋势.同等条件下，纵波速度明显大于横波速度.当孔隙度较小时(< 0.1)，纵横波速度的变化速率快，纵横波速度比的变化速率慢.反之，纵横波速度的变化速率慢，纵横波速度比的变化速率快.相对于干砂岩来说，水饱和砂岩的纵波速度和纵横波速度比明显较大，孔隙度越大，现象越明显.需要注意的是，水饱和砂岩的横波速度略小干砂岩，并且两者差异受孔隙度影响较小.总之，纵横波速度和速度比随孔隙度和水饱和状态的变化规律明显，可以利用其解译顶板砂岩的孔隙度和水饱和状态.

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

3 孔隙度对纵横波速度(a)及速度比(b)的影响

The effect of porosity on the velocity (a) and velocity ratio (b) of P-and S-waves

3.4 纵横波阻抗变化规律

为了分析纵横波阻抗随孔隙度和水饱和状态的变化规律，绘制如图 4所示交会图.随着孔隙度的增大，纵横波阻抗逐渐减小.当孔隙度较小时(< 0.1)，纵横波阻抗的变化速率快；反之，纵横波阻抗的变化速率慢.相对于干砂岩来说，水饱和砂岩的纵波阻抗明显较大，孔隙度越大，现象越明显.区别于纵横波速度，水饱和砂岩的横波阻抗略大干砂岩，并且两者差异受孔隙度影响小.需要注意的是，纵横波阻抗比等于纵横波速度比，两者变化规律完全相同.总之，纵横波阻抗随孔隙度和水饱和状态的变化规律明显，可以利用纵横波阻抗解译顶板砂岩的孔隙度和水饱和状态.

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图4 孔隙度对纵横波阻抗的影响

Figure 4 The effect of porosity on the P-and S-wave impedances

相对于纵横波速度来说，纵横波阻抗的幅值和幅值变化范围明显较大.随着砂岩水饱和状态的变化，纵横波阻抗的变化趋势一致，而纵横波速度的变化趋势相反.为此，相较于纵横波速度来说，利用纵横波阻抗解译砂岩孔隙度和水饱和状态更有利.

3.5 模量及模量比变化规律

为了分析体积模量和剪切模量随孔隙度、水饱和状态的变化规律，绘制如图 5所示交会图.图中，随着孔隙度的增大，体积模量和剪切模量逐渐减小，模量比逐渐增大，呈相反变化趋势.当孔隙度较小时(< 0.1)，模量的变化速率快，模量比的变化速率慢.反之，模量的变化速率慢，模量比的变化速率快.相对于干砂岩来说，水饱和砂岩的体积模量和模量比明显较大，孔隙度越大，现象越明显.水饱和砂岩和干砂岩的剪切模量相同，不受水饱和状态的影响.总之，模量和模量比随孔隙度和水饱和状态的变化规律明显，可以利用其解译顶板砂岩的孔隙度和水饱和状态.

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图5 孔隙度对模量(a)和模量比(b)的影响

Fig 5 The effect of porosity on the modulus (a) and modulus ratio (b) of P-and S-waves

相对于纵横波速度和阻抗来说，砂岩模量和模量比的幅值和幅值变化范围最大.随着砂岩状态的变化，模量的变化趋势和波阻抗一致，明显优于纵横波速度.为此，模量和纵横波阻抗一样，有利于解译顶板砂岩的孔隙度和水饱和状态.

3.6 交会图分布规律

由3.3~3.5节可知，模量和纵横波阻抗都有利于解译顶板砂岩的孔隙度和水饱和状态.相对于模量来说，波阻抗反演和测井可以直接获得顶板砂岩的纵横波阻抗信息.用纵横波阻抗解译顶板砂岩的孔隙度和水饱和状态时，无需进行参数换算，累计误差相对较小(Guo et al., 2021; 巴晶等, 2023).为此，绘制如图 6所示交会图，分析散点在交会图中的分布规律，制作顶板砂岩孔隙度与水饱和状态的解译模板.

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图6 纵波阻抗-纵横波速度比交会图

Figure 6 The cross plot of P-wave impedance vs. V_P/V_S ratio

总体来说，干砂岩和水饱和砂岩散点在交会图中呈放射状分区分布，干砂岩散点靠近坐标原点，水饱和砂岩远离坐标原点.特别是孔隙度较大时，干砂岩散点远离水饱和砂岩散点，分区分布特征明显.依据散点放射状分区分布特征，以坐标原点为中心，向外绘制如图所示射线，发现同等孔隙度散点位于同一射线上.为此，制作如图所示的解译模板，用于解译砂岩孔隙度和水饱和状态.相对于传统定性解译方法来说，所制作的解译模板除能定性区分干砂岩和水饱和砂岩外，还能定量解译顶板砂岩的孔隙度，优势明显.

4 结论

本次综合XRD分析、测井曲线约束岩石物理建模和交会图分析等方法，研究了适合神东矿区顶板富水砂岩的岩石物理建模流程，并在此基础上分析了顶板砂岩的地震岩石物理特征和解译方法.取得主要结论如下：

(1) 岩石物理建模的纵波速度和密度与测井实测值一致性高，验证了本次所提出的岩石物理建模流程有效、可靠.利用岩石物理建模结果，能有效分析顶板砂岩的岩石物理参数变化规律.

(2) 顶板砂岩纵横波速度、纵横波阻抗、体积模量、剪切模量、纵横波速度比和模量比等岩石物理参数随孔隙度和水饱和状态的变化规律明显，但各参数的变化幅值和趋势又有所区别.相较于纵横波速度，利用纵横波阻抗和模量解译顶板砂岩时效果较优.

(3) 在纵波阻抗-纵横波速度比交会图中，顶板砂岩散点呈放射状分区分布，孔隙度越大分区分布特征越明显.利用此特征，可以制定解译模板，定量解译顶板砂岩的孔隙度和水饱和状态.

(4) 本次研究成果能为神东矿区顶板富水砂岩的探测和解译提供关键参数支撑和理论指导，同时也能为其他具有相似地质条件的顶板富水砂岩探测提供借鉴.

感谢审稿专家提出的建设性修改意见和编辑部的大力支持！

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within

, Hu

, Tan

W H

. Brittle mineral prediction based on rock-physics modelling for tight oil reservoir rocks. Journal of Geophysics and Engineering, 2021, 18(6 970 983.

模态框（Modal）标题

Abstract

Cite this article

0 引言

1 地质概况

2 研究方法

图1 测井曲线约束顶板砂岩岩石物理建模流程图

3 结果及讨论

3.1 样品矿物组成分析

表1 直罗组顶板砂岩的矿物组成、含量、密度及模量

3.2 岩石物理建模方法有效性验证

图2 水饱和时孔隙度对测井与岩石物理建模的速度与密度影响

3.3 纵横波速度及速度比变化规律

3 孔隙度对纵横波速度(a)及速度比(b)的影响

3.4 纵横波阻抗变化规律

图4 孔隙度对纵横波阻抗的影响

3.5 模量及模量比变化规律

图5 孔隙度对模量(a)和模量比(b)的影响

3.6 交会图分布规律

图6 纵波阻抗-纵横波速度比交会图

4 结论

References