裂隙带高度及含水性确定方法、存储介质和计算机设备与流程

1.本发明属于地震勘探应用技术领域，具体涉及一种裂隙带高度及含水性确定方法、存储介质和计算机设备。


背景技术：

2.我国是煤炭消费大国，未来一定时间内煤炭消耗在石化能源需求中仍占据主要地位。煤矿开采后，由于上覆岩体被破坏，在采空区上方形成“三带”，其中，若裂隙带发育在具有导水性的沿层中时，会形成导水裂隙带，对煤矿安全开采不利。另一方面，导水裂隙带对建设煤矿地下水库，充分利用水资源也是非常重要的。因此，研究导水裂隙带发育高度和含水性对煤矿的安全和绿色开采重要意义。
3.目前，针对导水裂隙带的研究方法包括：力学解析法、数值模拟法、相似材料模拟法、统计学分析法和现场实测法等方法。力学解析法通过研究煤层采动对覆岩力学性质的影响，分析导水裂隙带发育分布特征；相似材料模拟法和数值模拟法采用物理和数学模拟技术，模拟煤层开采对覆岩的影响，预测地下导水裂隙带特征；统计分析法通过统计以往与导水裂隙带发育相关的数据与资料，采用数学手段建立数学模型或经验公式，进而对导水裂隙带信息进行研究；现场实测法通过钻探、地震等地球物理方法，直接探测裂隙发育情况。地震类方法主要指基于三维地震叠后属性(如曲率等)，进行覆岩裂隙发育解释。
4.然而，非地震类方法基于数值或物理模拟，其实际应用价值不强；现场实测法针对性较强，效果较好，但由于钻探的高费用和电磁法的体积效应影响，其应用也受到了限制。
5.现在亟须一种裂隙带高度及含水性确定方法、存储介质和计算机设备。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种裂隙带高度及含水性确定方法、存储介质和计算机设备。
7.第一方面，本发明提供了一种裂隙带高度及含水性确定方法，包括以下步骤：
8.对于地震数据中每一个采样点执行以下步骤：
9.根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；
10.结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；
11.基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；
12.根据各采样点的裂缝各向异性参数确定裂隙带高度及含水性。
13.根据本发明的实施例，优选地，所述反射系数计算模型为以下表达式：
14.r＝-a-1ip
15.其中，r为反射、透射系数向量；i
p
为入射向量；a为系数矩阵，与反射界面两侧物性参数有关。
16.根据本发明的实施例，优选地，所述反演目标函数为以下表达式：
[0017][0018]
其中，m为模型参数向量；f为正演算子；d为实际地震记录。
[0019]
根据本发明的实施例，优选地，所述基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数，包括：
[0020]
基于所述反演目标函数采用粒子群算法进行avaz反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数。
[0021]
根据本发明的实施例，优选地，所述裂缝各向异性参数包括：垂向弱度和切向弱度，所述根据各采样点的裂缝各向异性参数确定裂隙带高度及含水性，包括：
[0022]
根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水；
[0023]
根据各采样点的裂缝带和含水情况以及已知的采样点的位置信息确定裂缝带高度及含水性。
[0024]
根据本发明的实施例，优选地，所述根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水，包括：
[0025]
当采样点的垂向弱度和切向弱度均为0时，判定当前采样点属于无裂缝发育的地带。
[0026]
根据本发明的实施例，优选地，所述根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水，包括：
[0027]
当采样点的垂向弱度和切向弱度均不为0时，判定当前采样点属于裂缝带且部分含水。
[0028]
根据本发明的实施例，优选地，所述根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水，包括：
[0029]
当采样点的垂向弱度为0，且切向弱度均不为0时，判定当前采样点属于导水裂隙带。
[0030]
第二方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述裂隙带高度及含水性确定方法的步骤。
[0031]
第三方面，本发明提供了一种计算机设备，其包括存储器和处理器，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述裂隙带高度及含水性确定方法的步骤。
[0032]
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
[0033]
应用本发明的裂隙带高度及含水性确定方法，对于地震数据中每一个采样点，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；根据各采样点的裂缝各向异性参数确定裂隙带高度及含水性，能够反演研究导水裂隙带的空间特征及演化规律，为研究煤矿地下水库库容变化、水库水源等提供支撑。
[0034]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得
显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0035]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0036]
图1示出了本发明实施例一裂隙带高度及含水性确定方法的流程图；
[0037]
图2示出了本发明实施例二裂隙带高度及含水性确定方法的流程图。
具体实施方式
[0038]
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0039]
实施例一
[0040]
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种裂隙带高度及含水性确定方法。
[0041]
参照图1，本实施例的裂隙带高度及含水性确定方法，包括以下步骤：
[0042]
s1，对于地震数据中每一个采样点，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；
[0043]
s2，结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；
[0044]
s3，基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；
[0045]
s4，根据各采样点的裂缝各向异性参数确定裂隙带高度及含水性。
[0046]
在本实施例中，步骤s1中，所述反射系数计算模型为以下表达式：
[0047]
r＝-a-1ip
[0048]
其中，r为反射、透射系数向量，r＝[r
pp
,r
psv
,r
psh
,t
pp
,t
psv
,t
psh
]
t
，r
pp
为纵波反射系数，r
psv
为快横波反射系数，r
psh
为慢横波反射系数；i
p
为入射向量；a为系数矩阵，与反射界面两侧物性参数有关，a的表达式如下：
[0049]
a＝a
1-ba2[0050]
其中，
[0051]
[0052][0053]
b＝t(0)t-1
(h)
[0054][0055]
d＝-c
13sx
α-c
23
syβ-c
33
szγ
[0056]
e＝-c
55
(szα+s
x
γ)
[0057]
f＝-c
44
(szβ+syγ)
[0058]
其中，s
x
、sy和sz为水平和垂直慢度，其值与入射角、方位角、和介质速度有关；i2＝-1；(α,β,γ)是平面波极化矢量，由下式计算：
[0059]
[0060]
其中，v为相速度；g
ij
＝c
ijkl
nkn
l
，其中，为波的传播方向；c为弹性刚度矩阵的元素，与介质的介质物性、各向异性参数有关。
[0061][0062]
式中，mb＝λb+2μb，λb和μb为背景介质拉梅常数，有为背景介质拉梅常数，有
[0063]
在本实施例中，步骤s2中，所述反演目标函数为以下表达式：
[0064][0065]
其中，m为模型参数向量，其表达式为：
[0066]
m＝[v
p1
,v
p2
,...v
pn
,v
s1
,v
s2
,...v
sn
,ρ1,ρ2,...ρn,s
n1
,s
n2
,...s
nn
,s
t1
,s
t2
,...s
tn
]；
[0067]
其中，v
p
为纵波速度，vs为横波速度，ρ为质量密度，sn和s
t
为裂缝参数。
[0068]
f为正演算子，f＝f-1
(w(ω,θ)
·rpp
(ω,θ,m))，w为频率域子波，r
pp
为纵波反射系数，ω为圆频率；θ为入射角；f-1
为逆傅里叶变换算子；d为实际地震记录。
[0069]
在本实施例中，步骤s3中，所述基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数，包括：
[0070]
基于所述反演目标函数采用粒子群算法进行avaz反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数。
[0071]
在煤矿开采前，覆岩表现为宏观各向同性，随着煤矿开采，“三带”形成，其中，裂隙带地层表现出方位各向异性特点，在裂隙带顶界面处，反射波表现为avaz(振幅随入射角、方位角变化)规律，通过avaz分析反演确定裂隙带顶界面高度，同时，裂隙带avaz性质与裂隙含水性有关，利用avaz反演研究导水裂隙带的空间特征及演化规律，为研究煤矿地下水库库容变化、水库水源等提供支撑。
[0072]
实施例二
[0073]
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例基于实施例一提供了一种裂隙带高度及含水性确定方法，其中，本发明实施例的方法对实施例一中步骤s4进行改进，在本实施例中，所述裂缝各向异性参数包括：垂向弱度和切向弱度。
[0074]
参照图2，本实施例的裂隙带高度及含水性确定方法，包括以下步骤：
[0075]
s1，对于地震数据中每一个采样点，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；
[0076]
s2，结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；
[0077]
s3，基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；
[0078]
s41，根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水；
[0079]
s42，根据各采样点的裂缝带和含水情况以及已知的采样点的位置信息确定裂缝带高度及含水性。
[0080]
在本实施例中，步骤s41中，所述根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水，包括：
[0081]
当采样点的垂向弱度和切向弱度均为0时，判定当前采样点属于无裂缝发育的地带。
[0082]
在本实施例中，步骤s41中，所述根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水，包括：
[0083]
当采样点的垂向弱度和切向弱度均不为0时，判定当前采样点属于裂缝带且部分含水。
[0084]
在本实施例中，步骤s41中，所述根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水，包括：
[0085]
当采样点的垂向弱度为0，且切向弱度均不为0时，判定当前采样点属于导水裂隙带。
[0086]
实施例三
[0087]
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例为实施例二的应用实例。
[0088]
本实施例的裂隙带高度及含水性确定方法，包括以下步骤：
[0089]
第一步，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程，建立如下hti型薄煤层反射、透射系数精确计算公式：
[0090]
r＝-a-1ip
[0091]
其中，r＝[r
pp
,r
ps
,t
pp
,t
ps
]
t
，为反射、透射系数向量；i
p
为入射向量；a为系数矩阵，与反射界面两侧物性参数有关，其中，所述系数矩阵包括裂缝各向异性参数
△n和
△
t
，分别为垂向弱度和切向弱度。
[0092]
在本实施例中，利用上述hti型薄煤层反射、透射系数精确计算公式，能够在已知入射角、方位角、介质物性、各向异性参数情况下，计算纵波入射时的反射系数，并且上述公式针对三层介质且中间介质厚度为薄层的情况。
[0093]
第二步，建立反演目标函数，进行全局最优化粒子群反演。
[0094]
反演目标函数为实际地震记录与合成记录的二范数，即：
[0095][0096]
其中，m为模型参数向量，包括速度、密度和各向异性参数；f为正演算子，作用为利用模型参数向量进行合成地震记录，由上述hti型薄煤层反射、透射系数精确计算公式推导得到；d为实际地震记录。
[0097]
在本实施例中，针对上述反演目标函数的多极值特点，常规线性方法易陷入局部极值，而粒子群算法是一种非线性全局优化算法，其算法原理直观、全局寻优能力强，适于
进行地震avaz反演。其中，粒子群算法的核心是粒子的速度和位移更新公式。第i个粒子，第n次迭代，第m维的速度v
im
和位置x
im
的更新方程如下
[0098][0099][0100]
其中，v为粒子的速度；m为粒子的位置；pbest为历史最优位置；gbest为全局最优位置；c1、c2为学习因子；r1、r2为两个随机数；ω称为惯性权重。
[0101]
第三步，基于avaz的导水裂隙带高度及含水性分析。
[0102]
avaz反演结果中，各向异性参数
△n和
△
t
的数据体可用于预测导水裂隙带高度及含水性。当反演结果中某一时间深度上
△n＝
△
t
＝0时，说明不存在各向异性，即无裂缝发育；当
△n≠0、
△
t
≠0时，说明裂缝发育，该地层为裂隙带，但部分含水；当
△n＝0、
△
t
≠0时，说明裂隙带饱和含水，为导水裂隙带。
[0103]
本实施例的裂隙带高度及含水性确定方法，采用粒子群非线性反演技术比常规线性方法的反演精度高。
[0104]
本实施例的裂隙带高度及含水性确定方法，通过avaz反演的各向异性参数
△n和
△
t
，能够定性预测裂隙含水性。
[0105]
本实施例的裂隙带高度及含水性确定方法，以叠前地震数据为基础，结合钻孔、测井资料对地震数据体进行avaz反演，获取各向异性参数
△n和
△
t
的数据体；并综合分析各向异性参数，定性描述裂隙带含水性，能够在煤炭开发中，提供导水裂隙带高度及含水性avaz反演方法，为煤炭安全和绿色开发提供地质保障。
[0106]
实施例四
[0107]
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例还提供了一种存储介质。
[0108]
本实施例的存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例中裂隙带高度及含水性确定方法的步骤：
[0109]
s1，对于地震数据中每一个采样点，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；
[0110]
s2，结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；
[0111]
s3，基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；
[0112]
s4，根据各采样点的裂缝各向异性参数确定裂隙带高度及含水性。
[0113]
本实施例的存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时还实现上述实施例中裂隙带高度及含水性确定方法的步骤：
[0114]
s1，对于地震数据中每一个采样点，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；
[0115]
s2，结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；
[0116]
s3，基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；
[0117]
s41，根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水；
[0118]
s42，根据各采样点的裂缝带和含水情况以及已知的采样点的位置信息确定裂缝带高度及含水性。
[0119]
本实施例的存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时又实现上述实施例中裂隙带高度及含水性确定方法的步骤：
[0120]
第一步，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程，建立如下hti型薄煤层反射、透射系数精确计算公式；
[0121]
第二步，建立反演目标函数，进行全局最优化粒子群反演；
[0122]
第三步，基于avaz的导水裂隙带高度及含水性分析。
[0123]
实施例五
[0124]
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例还提供了一种计算机设备。
[0125]
本实施例的计算机设备，其包括存储器和处理器，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述裂隙带高度及含水性确定方法的步骤：
[0126]
s1，对于地震数据中每一个采样点，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；
[0127]
s2，结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；
[0128]
s3，基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；
[0129]
s4，根据各采样点的裂缝各向异性参数确定裂隙带高度及含水性。
[0130]
本实施例的计算机设备，其包括存储器和处理器，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述裂隙带高度及含水性确定方法的步骤：
[0131]
s1，对于地震数据中每一个采样点，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；
[0132]
s2，结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；
[0133]
s3，基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；
[0134]
s41，根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水；
[0135]
s42，根据各采样点的裂缝带和含水情况以及已知的采样点的位置信息确定裂缝带高度及含水性。
[0136]
本实施例的计算机设备，其包括存储器和处理器，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述裂隙带高度及含水性确定方法的步骤：
[0137]
第一步，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程，建立如下hti型薄煤层反射、透射系数精确计算公式；
[0138]
第二步，建立反演目标函数，进行全局最优化粒子群反演；
[0139]
第三步，基于avaz的导水裂隙带高度及含水性分析。
[0140]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种裂隙带高度及含水性确定方法，其特征在于，包括以下步骤：对于地震数据中每一个采样点执行以下步骤：根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；根据各采样点的裂缝各向异性参数确定裂隙带高度及含水性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射系数计算模型为以下表达式：r＝-a-1
i
p
其中，r为反射、透射系数向量；i
p
为入射向量；a为系数矩阵，与反射界面两侧物性参数有关。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反演目标函数为以下表达式：其中，m为模型参数向量；f为正演算子；d为实际地震记录。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数，包括：基于所述反演目标函数采用粒子群算法进行avaz反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述裂缝各向异性参数包括：垂向弱度和切向弱度，所述根据各采样点的裂缝各向异性参数确定裂隙带高度及含水性，包括：根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水；根据各采样点的裂缝带和含水情况以及已知的采样点的位置信息确定裂缝带高度及含水性。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水，包括：当采样点的垂向弱度和切向弱度均为0时，判定当前采样点属于无裂缝发育的地带。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水，包括：当采样点的垂向弱度和切向弱度均不为0时，判定当前采样点属于裂缝带且部分含水。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据各采样点的垂向弱度和切向弱度判断当前采样点是否属于裂隙带以及是否含水，包括：当采样点的垂向弱度为0，且切向弱度均不为0时，判定当前采样点属于导水裂隙带。9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。10.一种计算机设备，其包括存储器和处理器，其特征在于，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种裂隙带高度及含水性确定方法、存储介质及计算机设备，所述方法包括：对于地震数据中每一个采样点，根据界面处位移及应力连续边界条件，结合地震波平面波方程建立反射系数计算模型；结合所述反射系数计算模型和实际地震记录数据建立反演目标函数；基于所述反演目标函数进行反演，得到各采样点的裂缝各向异性参数；根据各采样点的裂缝各向异性参数确定裂隙带高度及含水性，能够反演研究导水裂隙带的空间特征及演化规律，为研究煤矿地下水库库容变化、水库水源等提供支撑。水库水源等提供支撑。水库水源等提供支撑。


技术研发人员：李全生 卢勇旭 方杰 杨英明 邢朕国
受保护的技术使用者：北京低碳清洁能源研究院 国家能源投资集团有限责任公司
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23