王 赟，張玉貴，許小凱

1中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，貴陽 550002

2河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)研究所，焦作 454003

1 引 言

煤變質(zhì)程度是在溫度、壓力等因素作用下，煤的物理、化學(xué)性質(zhì)變化的程度.煤在變質(zhì)過程中，其物理特征、化學(xué)組成和工藝性能等均呈有規(guī)律的變化.因此，通過測定煤的揮發(fā)分、鏡質(zhì)組反射率、碳含量、氫含量、水分、發(fā)熱量等煤級指標(biāo)（亦稱煤化作用參數(shù)），可確定煤的變質(zhì)程度或煤化程度［1］.目前各國大多使用干燥無灰基揮發(fā)分（Vdaf）來表示煤化程度，這是因為干燥無灰基揮發(fā)分隨煤化程度的變化呈規(guī)律性變化，能夠較好地反映煤化程度的高低，而且揮發(fā)分測定方法簡單，標(biāo)準(zhǔn)程度高［2－3］.實際上，煤的揮發(fā)分不僅與煤化程度有關(guān)，同時還受煤的巖石組成影響，具有不同巖石組成的同一種煤，其揮發(fā)分可以不同；具有不同巖石組成的煤化程度不同的兩種煤卻可能有相同的揮發(fā)分產(chǎn)率.所以，近些年提出用鏡質(zhì)組最大反射率（R0max）作為反映煤化程度的指標(biāo)，而且這一指標(biāo)被大多數(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)所接受［4－6］.研究表明，鏡質(zhì)組反射率隨煤化程度的增高而增大，而且鏡質(zhì)組反射率與揮發(fā)分、碳含量等可反映煤化程度的指標(biāo)相比較，它受煤的礦物組分及結(jié)構(gòu)的影響小，是判定煤化程度的比較理想的指標(biāo)；用于判定中、高煤化程度的煙煤最好，無煙煤的判定效果也較好.例如如圖1所示，根據(jù)我國大量的煤統(tǒng)計分析，總結(jié)出了鏡質(zhì)組最大反射率與干燥無灰基揮發(fā)分、碳含量之間存在較好的單調(diào)相關(guān)性，尤其在中、高階煤明顯［7］.

一般煤的鏡質(zhì)組反射率通過巖樣的實驗室測量獲得，是一種直接的方法.受鉆孔和巷道的限制，效率較低，控制范圍有局限；尤其隨著煤層氣勘探開發(fā)的發(fā)展需要［8－10］，由于中國煤層沉積的橫向變化較大，單純通過鉆孔間插值控制預(yù)測的煤鏡質(zhì)組反射率平面分布誤差較大.若能通過區(qū)域性的地震勘探反演的參數(shù)與鏡質(zhì)組反射率建立統(tǒng)計規(guī)律，就可以間接、定量、高精度地預(yù)測鏡質(zhì)組反射率，為煤礦的開采設(shè)計和資源高效利用提供一種快捷、準(zhǔn)確的探測方法.

截至目前對于煤鏡質(zhì)組反射率的研究主要還是如何進行實驗室的測定，和探索反射率與微觀組分等的關(guān)系.例如，李文華［4］等人利用600個煙煤煤樣進行了煤鏡質(zhì)組反射率與煤種關(guān)系的分析與討論；蔣建平等人［11］通過顯微鏡下反射率測試，探索了利用鏡質(zhì)組反射率各向異性推測構(gòu)造應(yīng)力場的方法；Ch.E.Barker［12］通過分析鏡質(zhì)組反射率與有機組分關(guān)系，探索了鏡質(zhì)組與埋藏深度和溫度的相關(guān)性；張守仁等［13］研究了高階煤的鏡質(zhì)組最大反射率所呈現(xiàn)的階躍性特點；Alena KOZUSNIKOVA［14］通過實驗室的微壓力試驗測試了煤鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組的硬度及其與泊松比等彈性模量的關(guān)系，從微觀尺度角度探索煤不同組分的力學(xué)性質(zhì)及其與煤裂縫的關(guān)系.而對于建立煤鏡質(zhì)組反射率與煤的地震彈性參數(shù)間關(guān)系的研究與討論還未見報道.

為此，本文對采自不同礦區(qū)6種不同變質(zhì)程度煤樣進行了最大鏡質(zhì)組反射率的實驗室測量；同時進行了煤樣超聲測試，經(jīng)過換算獲得了煤樣縱橫波速度、楊氏模量等彈性參數(shù)；嘗試通過煤鏡質(zhì)組最大反射率與彈性模量的回歸統(tǒng)計，探索利用地震可反演的屬性預(yù)測煤最大鏡質(zhì)組反射率的可能性，為利用井震聯(lián)合反演進行煤最大鏡質(zhì)組反射率的三維預(yù)測提供物理與試驗基礎(chǔ).

圖1 中國煤的鏡質(zhì)組最大反射率與干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf和碳含量Wdaf（C）的關(guān)系［7］Fig.1 The relationships between maximum vitrinite reflectance and dry ＆ash－free basis volatile matter（Vdaf）and carbon content（Wdaf）（Yu，2000）

2 試驗樣品測試

2.1 鏡質(zhì)組反射率測量

試驗所采取的樣品來自8個不同的礦區(qū)［15］，代表了6種不同變質(zhì)程度的煤樣，如表1所示.采樣過程中為測試不同方向的煤樣彈性參數(shù)，分別對采樣煤層標(biāo)明了垂直層理方向、傾向與走向.為滿足彈性測試的需要煤樣被加工成邊長6cm的立方體，共25塊，如圖2所示.煤樣樣品鏡質(zhì)組最大反射率及揮發(fā)分、視密度的測試結(jié)果如表1所示，其中相同變質(zhì)程度、不同煤樣的參數(shù)給出的是平均值.

圖2 待測試驗樣品Fig.2 Photos of coal samples

表1 測試樣品信息Table 1 Coal samples′information

從表1中的平均鏡質(zhì)組最大反射率與平均揮發(fā)份含量的近似關(guān)系可以看到，它們之間所反映的規(guī)律基本與圖1類似，隨著煤變質(zhì)程度的提高，其平均鏡質(zhì)組最大反射率與平均揮發(fā)份含量均呈遞增的趨勢.值得說明的是：本文所指的密度為視密度，又稱視相對密度，即地勘行業(yè)所使用的密度或體密度［16］.密度、平均鏡質(zhì)組最大反射率、平均揮發(fā)分的測量按照國家行業(yè)規(guī)范［17］由河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)實驗室測量.

2.2 超聲測量

本次超聲試驗采用常溫常壓（室溫、一個大氣壓）行波傳播—脈沖透射的方法進行測試［18－19］.整套儀器由脈沖信號發(fā)生器、超聲換能器、放大器、計數(shù)器和示波器組成［20］.實驗使用的是壓電陶瓷柱狀縱橫波換能器；為保證樣品與換能器耦合良好，測試縱波時采用凡士林進行耦合，測試橫波時采用蜂蜜耦合.由于測試煤樣為邊長6cm的立方體，選用超聲的低頻段，P波主頻為100KHz，S波主頻為250KHz；整個測量系統(tǒng)誤差小于1%；考慮到煤的特殊性，最大誤差不超過3%.

本次超聲測量從25塊煤樣中選取相對較完整、具有平整平面的樣品，分別測量了煤樣沿煤層走向、傾向和垂向3個方向的縱橫波速度，如圖3所示.

圖3 煤樣測速示意圖Fig.3 Schematic diagram of ultra－sonic measurement of coal sample

為與煤田人工地震的觀測方式相統(tǒng)一，分別以x、y、z代表煤層的走向、傾向和垂直層理的方向.如圖4所示，Vx、Vy、Vz分別表示沿煤層走向、傾向和垂直層理的縱波速度.橫波振動方向與波前方向垂直，由于煤樣中裂隙的存在，橫波通過煤樣傳播會分裂成兩個相互垂直的橫波，所以橫波沿煤樣某個方向傳播時會有兩個速度值.以沿x方向傳播為例，沿x方向傳播的橫波有Vxy與Vxz，下標(biāo)的第一個字母x代表橫波傳播的方向，第二個字母代表與傳播方向垂直的方向（即橫波振動方向），即Vxy表示橫波沿x傳播，振動方向與y平行；Vxz表示沿x傳播，振動方向與z平行.

縱橫波速度計算采用［19］

其中：VP為縱波速度，單位m·s－1；VS為橫波速度，單位m·s－1；L為發(fā)射、接收換能器中心間的距離，單位m；tP為縱波在樣品中的走時，單位s；tS為橫波在樣品中的走時，單位s；t0為儀器系統(tǒng)的零延時，單位s.

2.3 測量結(jié)果與彈性參數(shù)換算

六種不同變質(zhì)程度煤樣品的平均超聲測量結(jié)果如表2所示.為充分分析煤鏡質(zhì)組最大反射率與煤樣除速度、密度外其它參數(shù)的關(guān)系，根據(jù)已知的密度與縱橫波速度，進行了體積模量（K／GPa）、楊氏模量（E／GPa）、剪切模量（G／GPa）的理論換算［21］，如表2所示.為突出說明煤變質(zhì)程度與彈性參數(shù)的關(guān)系，表1和表2分別對同一變質(zhì)程度不同煤樣品的測量結(jié)果進行了平均［20］，其中由于橫波在一個方向上存在快波與慢波兩個速度，取平均值作為這個傳播方向的橫波速度；彈性模量的換算采用的是三個方向縱橫波速度的均值，而沒有考慮彈性模量的方向各向異性.而關(guān)于煤的彈性模量的各向異性我們將在另一篇文章中討論.

表2 六種變質(zhì)程度煤的超聲測量結(jié)果與理論彈性模量Table 2 Ultra－sonic testing results and calculated elastic modulus of 6kinds of coals

3 煤樣鏡質(zhì)組最大反射率與彈性模量間的關(guān)系

3.1 煤樣鏡質(zhì)組最大反射率與密度及彈性模量間的關(guān)系

煤的最大鏡質(zhì)組反射率是表征煤化度的重要指標(biāo).各種煤顯微組分的反射率均隨煤化度加深而增大，這反映了煤的內(nèi)部由芳香稠環(huán)化合物組成的核的縮聚程度在增長，碳原子的密度在增大［2］.本次試驗發(fā)現(xiàn)：煤樣最大鏡質(zhì)組發(fā)射率隨煤樣視密度的增加而增大，二者之間冪指數(shù)正相關(guān)度高達98%，見圖4.煤質(zhì)實驗室測量中的視密度即為地震勘探中的體密度.

在測定煤樣密度和縱橫波速度的基礎(chǔ)上，根據(jù)表2換算的煤樣平均楊氏模量（E）、體積模量（K）、剪切模量（G）結(jié)果可以給出彈性模量與煤樣鏡質(zhì)組最大反射率的散點關(guān)系圖，如圖5所示.從圖中可見：三個彈性模量與煤樣鏡質(zhì)組最大反射率均線性正相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)82%；楊氏模量、剪切模量、體積模量與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性依次降低.

圖4 鏡質(zhì)組最大反射率（R0max）與視密度（ARD）的關(guān)系Fig.4 R0maxversus apparent density

3.2 煤樣鏡質(zhì)組反射率與縱、橫波波速的關(guān)系

通過煤樣的鏡質(zhì)組最大反射率分別與煤樣縱、橫波波速回歸分析，可以發(fā)現(xiàn)煤樣鏡質(zhì)組最大反射率與波速存在一定程度的相關(guān)性，波速隨煤樣鏡質(zhì)組反射率的增加而增大，見圖6和圖7.從圖中可見，走向、傾向和垂直層理三個方向的縱波、橫波速度與鏡質(zhì)組最大反射率均存在較好的線性正相關(guān)關(guān)系.其中，三個方向縱波速度與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性類似，平均相關(guān)程度77%，以垂直層理方向的縱波速度與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性最好；而三個方向橫波速度與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性差異較大，以走向為最好；若考慮橫波速度在z方向上的測量數(shù)據(jù)點缺失，垂直方向的橫波速度與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性最差，這與煤巖發(fā)育平行的層理是有關(guān)系的（注：若以同樣類型的其它樣品測量的垂向橫波速度均值代替缺失的數(shù)據(jù)點，垂向橫波速度與R0max的線性相關(guān)系數(shù)不足50%）.

3.3 煤樣鏡質(zhì)組反射率與縱橫波波阻抗的關(guān)系

速度和密度是煤田測井可以提供的物理參數(shù)，是建立鉆孔地質(zhì)與地震之間橋梁的必須地震屬性.在井震聯(lián)合反演中，直接的反演結(jié)果一般是波阻抗［22－24］，因此，統(tǒng)計波阻抗與鏡質(zhì)組最大反射率之間的關(guān)系就可以利用地震數(shù)據(jù)實現(xiàn)鏡質(zhì)組最大反射率的三維預(yù)測.根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算可以得到如圖8所示的縱波阻抗、橫波阻抗與平均鏡質(zhì)組最大反射率之間的統(tǒng)計關(guān)系.鑒于目前煤田地震反演只能提供垂向縱波阻抗和橫波阻抗的技術(shù)水平，為討論問題的方便，此處換算只考慮垂向速度與密度的乘積，不考慮不同方向阻抗變化，而只考慮縱橫波阻抗的差異及其與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)程度.

從圖8上縱橫波垂向阻抗與鏡質(zhì)組最大反射率的散點分布和趨勢線可以看出，阻抗與反射率的相關(guān)性較好，平均可達86%；其中縱波阻抗相關(guān)性好于橫波，相關(guān)系數(shù)為92%；而橫波阻抗相關(guān)系數(shù)為80%，這主要是由于垂向橫波速度與鏡質(zhì)組反射率的相關(guān)性較差傳遞引起的.此外，從圖上還可以看到，橫波阻抗隨R0max遞增的幅度遠小于縱波阻抗的增量，說明了橫波阻抗對R0max的敏感程度不如縱波阻抗.

4 認(rèn)識與討論

綜合上述分析，不同變質(zhì)程度煤的鏡質(zhì)組最大反射率與煤的視密度、彈性模量、縱橫波速度及阻抗均存在較好的相關(guān)性，平均相關(guān)性在80%左右.其中：

1）煤鏡質(zhì)組最大反射率與煤密度、縱波阻抗的相關(guān)性最好，在90%以上.

2）煤鏡質(zhì)組最大反射率與煤橫波速度、橫波阻抗的相關(guān)性不如與縱波速度、縱波阻抗的相關(guān)性.

3）不同方向煤速度與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性存在差異，從另外一個側(cè)面反映了煤沉積不同方向上的各向異性特征，而變質(zhì)程度由于缺少方向性測量難以建立與速度對應(yīng)的各向異性.

4）在煤田井震聯(lián)合反演煤層鏡質(zhì)組最大反射率的過程中，使用密度和縱波阻抗比其它參數(shù)可靠，也為常規(guī)縱波地震技術(shù)預(yù)測煤變質(zhì)程度提供了依據(jù).

同時我們也認(rèn)識到：

1）由于煤樣的易碎性，本次實驗采樣和制樣的數(shù)量有限，也未能就某一種變質(zhì)程度煤樣進行大量的巖樣測試，從而使得總結(jié)的規(guī)律只能給出煤變質(zhì)程度與彈性參數(shù)關(guān)系的大的趨勢認(rèn)識，與我國煤類型的多樣性和復(fù)雜性不完全匹配.

2）由于煤節(jié)理、割理和裂縫的發(fā)育使得橫波初至的拾取困難［25－26］，因此在橫波速度計算中缺失了一些樣品的數(shù)據(jù)，而使得數(shù)據(jù)點偏少.

3）由于煤樣實驗室的超聲測量是在常溫壓和高頻條件下實現(xiàn)的，對于實際地層條件和地震頻帶的差異［27］，本文的結(jié)果只具有相對的指導(dǎo)意義.

對于具體的礦區(qū)，合理的方法還是要在大量采樣與模擬地層溫壓條件、采用地震頻帶信號測試的前提下，建立地震屬性參數(shù)與煤鏡質(zhì)組最大反射率之間的關(guān)系，從而達到利用煤田地震、地球物理測井的聯(lián)合反演高精度預(yù)測煤階空間變化特征的目的.致謝 感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的伍向陽研究員和中國石油大學(xué)（北京）的魏建新研究員在煤樣超聲測量中給予的指導(dǎo)和幫助，感謝申振華和成林碩士所做的樣品制備和實驗室測量工作.

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