正交多極子陣列聲波測(cè)井在煤田勘探中的應(yīng)用
——以淮南顧橋煤礦補(bǔ)7 井區(qū)為例*

韓必武，李棟青，范秦軍

（1.淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 淮南232001；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MWMC 研究組，北京100083；3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州450003）

引言

目前，在我國(guó)煤田測(cè)井領(lǐng)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(cè)井系列組合，有時(shí)也會(huì)輔以聲波時(shí)差測(cè)井來進(jìn)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(duì)勘探精度的要求日益提高，頂板垮塌、瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害問題日益突出，用現(xiàn)有的煤田測(cè)井手段難以提供精確的屬性參數(shù)，限制了這些復(fù)雜地質(zhì)問題的解決。

正交多極子陣列聲波測(cè)井儀器具有多種測(cè)井模式，通過將偶極子技術(shù)與單極子技術(shù)結(jié)合，克服了單極子聲源穿透性小，橫波測(cè)量不準(zhǔn)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(lì)剪切擾曲波實(shí)現(xiàn)橫波測(cè)井，偶極陣列聲波測(cè)井在下套管井中可產(chǎn)生管波和彎曲波，在各向異性地層中產(chǎn)生快、慢橫波。通過對(duì)聲波信號(hào)處理，運(yùn)用時(shí)間域的方法，例如慢度-時(shí)間相關(guān)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(jìn)行時(shí)差計(jì)算；由于巖性不同對(duì)橫波的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)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(yōu)勢(shì)來區(qū)分復(fù)雜巖性。例如在煤系地層橫縱波比值明顯增大，同時(shí)對(duì)斯通利波的影響十分明顯，斯通利波時(shí)差明顯增大。當(dāng)?shù)貙雍瑲鈺r(shí)，氣體的富集會(huì)降低縱波的速度，進(jìn)而增大縱波時(shí)差，因此利用縱橫波速度比和縱波時(shí)差的交會(huì)圖可以有效識(shí)別氣層，曲線的包容面積可以指示相對(duì)地層含氣量大小[2]。另一方面，結(jié)合密度、孔隙度、泥質(zhì)含量等常規(guī)測(cè)井曲線，使用縱、橫波時(shí)差資料可以快速計(jì)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(xué)參數(shù)[3]；利用巖石力學(xué)參數(shù)在煤田勘探中有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如巖石力學(xué)參數(shù)應(yīng)用于計(jì)算煤層的機(jī)械強(qiáng)度，預(yù)測(cè)巖石破裂壓力，為煤田勘探開發(fā)的安全性提供預(yù)見性建議。

多極子陣列聲波技術(shù)從各向異性地層中橫波分裂現(xiàn)象入手，當(dāng)?shù)卣饳M波穿過各向異性介質(zhì)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(zhì)時(shí)，快橫波偏振方向?yàn)檠亓芽p方向，慢橫波偏振方向垂直于裂縫，兩列波之間存在著一個(gè)相對(duì)的旅行時(shí)差[4-5]。在砂泥巖地層中，各向異性往往與地應(yīng)力不均衡有關(guān)，橫波分裂后沿最大水平主應(yīng)力方向的橫波傳播速度快，而沿最小水平主應(yīng)力方向的橫波傳播速度慢，所以橫波各向異性參數(shù)可以有效確定地應(yīng)力分布狀態(tài)和最大水平應(yīng)力方位。在裂縫性地層中，裂縫系統(tǒng)也會(huì)導(dǎo)致橫波分裂現(xiàn)象，并會(huì)產(chǎn)生速度的各向異性，通過快慢橫波的分析來預(yù)測(cè)裂縫的發(fā)育狀況[6]。通過聲波信息結(jié)合成像測(cè)井資料，可以對(duì)區(qū)域煤層氣儲(chǔ)層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從頂?shù)装遒|(zhì)量、煤層氣儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育程度等方面進(jìn)行分析，結(jié)合區(qū)域煤層氣含氣量的變化情況實(shí)現(xiàn)煤層氣勘探開發(fā)區(qū)帶的評(píng)價(jià)[7]。因此，正交多極子陣列聲波測(cè)井在煤田勘探中的有效應(yīng)用，為應(yīng)力場(chǎng)研究、預(yù)測(cè)巖石機(jī)械強(qiáng)度和裂縫發(fā)育程度、井眼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支撐，有助于保障煤礦安全生產(chǎn)[8]。

在淮南顧橋煤礦采區(qū)，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(duì)涌出量及絕對(duì)涌出量較大，存在巖性復(fù)雜、裂縫發(fā)育廣泛等特點(diǎn)。本文首次將正交多極子陣列聲波測(cè)井技術(shù)應(yīng)用到顧橋井，在補(bǔ)7 井施測(cè)了正交多極子陣列聲波測(cè)井（XMAC－II），施工井段為500-1028m。在聲波時(shí)差處理過程中發(fā)現(xiàn)，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(cè)井成果進(jìn)行巖性解釋、彈性參數(shù)的計(jì)算，并對(duì)地層的各向異性進(jìn)行分析，解決了常規(guī)的煤田測(cè)井難以解決的問題。

1 方法原理

1.1 偶極子橫波測(cè)井原理

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

本文測(cè)井資料處理成果圖主要包括地層時(shí)差處理成果圖、巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算成果圖、各向異性成果圖。對(duì)圖中各道信息及單位統(tǒng)一介紹如下：

地層時(shí)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(shí)差曲線（單位：us/ft）；DTS-橫波時(shí)差曲線（單位：us/ft）；DTST-斯通利波時(shí)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(jì)算各向異性開窗時(shí)間（單位：us）；WEND-計(jì)算各向異性關(guān)窗時(shí)間（單位：us）；FACR-快橫波方位角（單位：度）。地層各向異性玫瑰圖統(tǒng)計(jì)頻率為25m。

1.2 巖性解釋

根據(jù)彈性波動(dòng)方程縱波速度vp、橫波速度vs與巖石的彈性參數(shù)公式[10]，縱波可通過巖石基質(zhì)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(zhì)中傳播。當(dāng)巖石中含有水、氣時(shí)，流體的存在幾乎沒有改變巖石的密度，縱波的傳播速度會(huì)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(huì)引起縱波速度的變化，利用單一聲波測(cè)井資料難以區(qū)分導(dǎo)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(gè)方面的影響因素，能夠獲得相對(duì)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(fā)育程度，裂隙的存在不影響橫波速度，但會(huì)減小縱波速度，較小的縱橫波速度比說明煤中裂隙較為發(fā)育，較大的縱橫波速度比則說明煤層較為致密，裂縫發(fā)育程度較弱。當(dāng)同一煤層速度比變化范圍較大時(shí)，說明煤層致密程度不均，以局部發(fā)育為主，而裂隙地層有利于瓦斯在煤層內(nèi)部吸附富集，造成安全隱患[11]。

1.3 巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)常規(guī)測(cè)井曲線提供的密度、孔隙度、泥質(zhì)含量等參數(shù)，結(jié)合正交多極子陣列聲波測(cè)井提取的縱、橫波時(shí)差資料，可以計(jì)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(xué)參數(shù)。

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(shí)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(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)在煤田勘探中以兩個(gè)方面應(yīng)用為主，如識(shí)別氣層時(shí)，泊松比是縱橫波速度比的函數(shù)，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(shù)也偏?。涣硪环矫?，地層彈性力學(xué)參數(shù)在應(yīng)力場(chǎng)研究分析過程中是首要條件，利用上述彈性參數(shù)計(jì)算巖石壓力和破裂壓力偏移分析所需的參數(shù)，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(yīng)壓裂縫的縱向延伸高度。這些巖石力學(xué)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果、非彈性參數(shù)等可以用來評(píng)價(jià)煤層頂板的穩(wěn)定性[12]。

1.4 井壁穩(wěn)定性和破裂壓力計(jì)算

由于鉆井過程中井眼的形成，破壞了原地應(yīng)力的平衡狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力不平衡時(shí)，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(yīng)力的大小、差異和巖石的剪切強(qiáng)度為主。為了控制井壁穩(wěn)定，通過尋求泥漿密度、巖石性質(zhì)和地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度、彈性模量之間平衡的方式，防止在鉆井過程中發(fā)生井壁的張性破壞。在計(jì)算中，通常計(jì)算起決定性作用的有效應(yīng)力，利用彈性理論，當(dāng)θ=0°和180°時(shí)，可求得最大值和最小值，當(dāng)達(dá)到巖石變形的應(yīng)力狀態(tài)，地層中井壁徑向、周向和軸向有效應(yīng)力為：

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

井中泥漿柱壓力越小，壓性周向應(yīng)力越大，徑向壓力由壓性逐漸轉(zhuǎn)為張性過度，兩應(yīng)力構(gòu)成的莫爾圓與巖層切變破裂包絡(luò)線相切時(shí)，巖層發(fā)生剪切破裂。所以在最小地應(yīng)力方向最易發(fā)生坍塌，這時(shí)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(kù)倫破裂準(zhǔn)則可得：

1.5 各向異性分析

正交多極子陣列聲波測(cè)井資料用于分析方位各向異性時(shí)，由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，巖層中往往發(fā)育定向排列的裂隙系統(tǒng)，橫波在這些裂隙介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)分裂成快橫波S1波與慢橫波S2波，S1波平行裂隙面?zhèn)鞑?，即最大水平主?yīng)力方向；S2波垂直裂隙面?zhèn)鞑?，即最小水平主?yīng)力方向，因此通過各向異性分析可以得到現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力的方向。

同時(shí)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(duì)地層的各向異性程度進(jìn)行定量描述。通常，煤層中的裂隙廣泛發(fā)育，各向異性程度較強(qiáng)，裂縫隙的總比表面積增大，有利于瓦斯以吸附狀態(tài)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(qiáng)的各向異性，尤其縱橫向裂縫隙發(fā)育，且不存在較好的縱橫向封堵和蓋層時(shí)，煤層裂隙中的瓦斯會(huì)通過大套地層的裂隙網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散出去，進(jìn)而降低瓦斯突出的可能性；否則容易因?yàn)槊簩禹敯宓姆€(wěn)定性和橫向封堵形成煤層氣的良好儲(chǔ)層[15-17]。

2 應(yīng)用實(shí)例

淮南顧橋煤礦位于華北板塊東南緣，煤田呈復(fù)向斜形態(tài)，主體構(gòu)造線呈北西西走向，軸部具有次一級(jí)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(jì)含煤地層為主，地層傾斜平緩，一般為5～15°，并發(fā)育不均勻的次級(jí)寬緩摺曲和斷層。淮南補(bǔ)7 井測(cè)量井段內(nèi)煤系地層巖性主要為砂泥巖與煤層，在通過測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的處理獲得如圖1 的時(shí)差處理成果圖，并可對(duì)處理成果進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)分析，如圖2。

在全區(qū)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(zhì)泥巖的夾矸表現(xiàn)為速度比的高異常，平均值為2.0。

圖1 補(bǔ)7 井地層時(shí)差處理成果圖

圖2 補(bǔ)7 井地層時(shí)差統(tǒng)計(jì)直方圖

縱橫波速度的比值R=Vp/Vs作為一個(gè)巖性指示參數(shù)，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(xiàn)為該比值隨孔隙度、泥質(zhì)含量的增大和有效應(yīng)力的降低而增加；對(duì)白云巖和灰?guī)r來說該比值幾乎是一個(gè)常數(shù)，分別為1.8 和1.9。在砂泥巖地層中，砂巖的聲波時(shí)差值會(huì)比泥巖低，隨著泥質(zhì)含量增加，聲波時(shí)差值會(huì)增大，隨著含砂量的增加時(shí)差會(huì)相應(yīng)降低。當(dāng)?shù)貙恿芽p和孔洞發(fā)育時(shí)，聲波幅度衰減嚴(yán)重，合理利用偶極子測(cè)井技術(shù)相關(guān)分析法，可以獲取準(zhǔn)確性更高的縱橫波，優(yōu)勢(shì)在于無需對(duì)物理模型假設(shè)和首波檢測(cè)，可以避免引發(fā)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(jié)合橫波時(shí)差信息，尤其是應(yīng)用于煤層區(qū)域，可以更好地進(jìn)行復(fù)雜巖性識(shí)別。分析補(bǔ)7 井時(shí)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(shí)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(shí)差明顯變大，而縱橫波速度比明顯減小。

如圖3 補(bǔ)7 井巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算成果圖，圖4 巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖，結(jié)合常規(guī)巖性分析結(jié)果，對(duì)該井巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析有以下特點(diǎn)：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(xué)參數(shù)較砂泥巖段均趨于減小，反映巖石強(qiáng)度減小。

與縱橫波速度比解釋成果和煤層頂板巖性結(jié)果聯(lián)合對(duì)比可知：煤層頂板巖性主要以透氣性較差的泥巖和砂質(zhì)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(fā)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(nèi)的裂隙局部發(fā)育[19]。

在砂泥巖地層，各向異性往往與地應(yīng)力不均衡有關(guān)，橫波分裂后沿最大水平主應(yīng)力方向的橫波傳播速度快，而沿最小水平主應(yīng)力方向的橫波傳播速度慢，因此各向異性方向可以象征現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力的方向。圖5 所示為補(bǔ)7井735-775m 井段各向異性分析成果圖，該井段各向異性較強(qiáng)，但是通過對(duì)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(dǎo)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(qiáng)的井段主要分布在500-585m（第四紀(jì)底）、735-775m（包含11-2煤）、825-940m（包含8 煤、6 煤），統(tǒng)計(jì)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(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向[21]。

圖3 補(bǔ)7 井巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算成果圖

圖4 補(bǔ)7 井巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖

分析煤層各向異性時(shí)發(fā)現(xiàn)，含11-2 煤、8 煤、6 煤的大套地層各向異性程度相對(duì)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(qiáng)，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(qiáng)，頂板裂縫發(fā)育，對(duì)氣體封堵條件差，則該地層瓦斯沿裂隙網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散可能性增強(qiáng)[22-23]。

正交多極子陣列聲波測(cè)井在補(bǔ)7 井施測(cè)的井段，對(duì)裂縫發(fā)育、巖性解釋、瓦斯富集和各向異性給予了綜合評(píng)價(jià)。對(duì)比后續(xù)鉆孔和采煤揭露情況分析預(yù)測(cè)結(jié)論，實(shí)際采煤揭露情況顯示13-1 煤的裂縫發(fā)育程度較強(qiáng)，裂縫發(fā)育區(qū)大多是小斷層發(fā)育區(qū)或破碎帶，11-2 煤裂隙發(fā)育程度明顯較差，僅在局部區(qū)域發(fā)育，且裂縫發(fā)育強(qiáng)度遠(yuǎn)低于13-1 煤層。利用縱橫波速度比預(yù)測(cè)結(jié)論與實(shí)際情況吻合，縱橫波速度比及其變化范圍的大小可以應(yīng)用于表征煤層裂隙的發(fā)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(shí)差增大，縱橫波速度比明顯減小的特征，如從1 煤時(shí)差成果圖（1010.1-1018.05m）井段可以看出，橫波時(shí)差和縱波時(shí)差曲線較上覆地層時(shí)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(shí)差區(qū)別較大，因此提取橫波速度信息對(duì)識(shí)別煤層準(zhǔn)確性有所提高。

巖石力學(xué)參數(shù)的計(jì)算主要以評(píng)價(jià)煤層和頂?shù)装宓膸r石強(qiáng)度大小為目的，在補(bǔ)7 井施測(cè)井段中，定量的表述煤層段巖石力學(xué)強(qiáng)度有助于評(píng)價(jià)穩(wěn)定性。通過計(jì)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(xué)參數(shù)小，穩(wěn)定性差，整體可采五套煤層段巖石力學(xué)參數(shù)較砂泥巖段均趨于減小，巖石強(qiáng)度減小，與實(shí)際揭露情況基本吻合。

結(jié)合瓦斯實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證[24]，13-1 煤實(shí)測(cè)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(shì)上隨埋深增加而增加，可以發(fā)現(xiàn)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(qiáng)，造成擴(kuò)散可能性增強(qiáng)。另一方面，從煤層段的各向異性分析，8 煤、6 煤的煤層區(qū)域主要位于（825-940m）各向異性較強(qiáng)井段，封堵條件較好時(shí)，煤層的強(qiáng)各向異性顯現(xiàn)出該區(qū)域?yàn)橥咚垢患挠欣麉^(qū)域，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(cè)井的資料，可以分析不同區(qū)域的各向異性強(qiáng)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(xiàn)出更強(qiáng)的各向異性，瓦斯含量仍然較高，因此在對(duì)瓦斯富集預(yù)測(cè)上，不能以單個(gè)物理屬性參數(shù)建立直接聯(lián)系，需要考慮眾多的影響因素造成的瓦斯的儲(chǔ)存、運(yùn)移條件的影響。

圖5 補(bǔ)7 井各向異性分析成果圖

圖6 補(bǔ)7 井各向異性方向統(tǒng)計(jì)圖

3 結(jié)論

（1）通過在淮南顧橋補(bǔ)7 井測(cè)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(shù)。煤層段與砂泥巖地層相比，地層時(shí)差增大，縱橫波速度比明顯減??；結(jié)合橫波速度信息，正交多極子陣列聲波測(cè)井可以更準(zhǔn)確應(yīng)用于煤層識(shí)別。

（2）結(jié)合常規(guī)測(cè)井資料，多極子陣列測(cè)井可以提供橫波速度求出泊松比，進(jìn)而計(jì)算剪切模量、體積模量、楊氏模量等彈性力學(xué)參數(shù)。應(yīng)用于煤層段時(shí)，巖石力學(xué)參數(shù)較砂泥巖段趨于減小，利用巖石力學(xué)參數(shù)可以得出煤層頂板破裂壓力，提供定量化數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

（3）由于各向異性往往與地應(yīng)力不均衡有關(guān)，分析補(bǔ)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(yīng)力方向，統(tǒng)計(jì)反映現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向。

（4）包含11-2 煤、8 煤、6 煤的地層各向異性程度相對(duì)較高，當(dāng)由于裂縫引起的地震各向異性較強(qiáng)時(shí)，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(duì)可能富集區(qū)域的預(yù)測(cè)。另一方面，以11-2 煤為例，若煤層頂?shù)装甯飨虍愋猿潭葟?qiáng)，導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散出去的可能性就會(huì)增強(qiáng)，從而降低煤層瓦斯突出的可能性。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）王赟、蘆俊教授對(duì)本文的技術(shù)指導(dǎo)和提出寶貴修改意見，感謝勝利油田測(cè)井公司提供的測(cè)井技術(shù)支持。