靜力觸探表層結(jié)構(gòu)調(diào)查在富安地區(qū)的試驗(yàn)

丁建榮

(中國石化江蘇油田分公司科技處，江蘇 揚(yáng)州 225009)

靜力觸探表層結(jié)構(gòu)調(diào)查在富安地區(qū)的試驗(yàn)

丁建榮

(中國石化江蘇油田分公司科技處，江蘇 揚(yáng)州 225009)

表層結(jié)構(gòu)調(diào)查是地震采集的基礎(chǔ)性工作，常用的小折射和微測井等方法存在一定不足。通過在富安地區(qū)的靜力觸探表層結(jié)構(gòu)調(diào)查的試驗(yàn)工作，表明了靜力觸探技術(shù)能夠比較準(zhǔn)確地解釋近地表的土層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，初步顯示土層的阻力與炸藥激發(fā)的地震子波之間具有一定的對應(yīng)關(guān)系。

蘇北盆地 地震采集 靜力觸探 表層結(jié)構(gòu)調(diào)查

小折射和微測井是地震采集時(shí)進(jìn)行表層結(jié)構(gòu)調(diào)查的主要方法。微測井又分為雙井微測井、井中接收微測井和折射微測井。小折射最主要的問題是無法刻畫地層的速度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。微測井通過鉆井來克服速度倒轉(zhuǎn)問題，但限制了探測深度、降低了施工效率。蘇北平原存在流沙層，鉆井井身質(zhì)量和時(shí)效很低。靜力觸探是工程勘察中常用的原位測試技術(shù)，利用壓力裝置將有觸探頭的觸探桿壓入土層，根據(jù)探頭所受阻力大小，能夠比較準(zhǔn)確地判定土層的力學(xué)剖面。運(yùn)用靜力觸探技術(shù)進(jìn)行表層結(jié)構(gòu)調(diào)查在地震采集工作應(yīng)用較少[1-2]，2012年江蘇油田在富安地區(qū)進(jìn)行了靜力觸探表層結(jié)構(gòu)調(diào)查試驗(yàn)工作，以檢驗(yàn)該方法在表層結(jié)構(gòu)調(diào)查的應(yīng)用效果。

1 工區(qū)概況

富安三維地震工區(qū)滿覆蓋面積140 km2，位于江蘇省東臺市境內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造上屬于海安凹陷。根據(jù)以往微測井資料，該區(qū)低降速帶變化不大，一般低速帶深度為0～4 m，降速帶深度為4～10 m，潛水面埋深3～4 m，激發(fā)巖性多為流沙。表層結(jié)構(gòu)調(diào)查采用井中接收地面重錘敲擊的微測井方法，布點(diǎn)密度為2 km×4 km，井中檢波點(diǎn)間距0.5～2 m，探測深度20～30 m。作為對比試驗(yàn)，在兩條地震炮線上布置了一定數(shù)量的靜力觸探試驗(yàn)工作。

2 靜力觸探試驗(yàn)

2.1靜力觸探試驗(yàn)概況

靜力觸探的工作過程是用壓力將探頭壓到土層中去，在貫入過程中，由于土層中的各種土的物理力學(xué)性質(zhì)不同，探頭所受阻力也不同。常用靜力觸探探頭有三種：單橋探頭、雙橋探頭和孔壓觸探頭。

富安靜力觸探試驗(yàn)采用的是15 cm I2雙橋探頭和KE-U310型自動(dòng)記錄儀，在6217和6721炮線上分別采集27和11個(gè)靜力觸探點(diǎn)，探測孔深40～80 m。其中，有7個(gè)靜力觸探點(diǎn)位置同步進(jìn)行了微測井調(diào)查對比。雙橋靜力觸探獲得兩條土層的阻力曲線，即錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs。該方法每隔0.1 m自動(dòng)記錄對應(yīng)深度土層的錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力，其數(shù)值大小的變化，反映了所在深度土層的物理力學(xué)性質(zhì)的變化(圖1)。

圖1 C8靜力觸探阻力曲線及土類分層

在工程勘查中，可以根據(jù)土層的靜力觸探參數(shù)進(jìn)行近地表土層的力學(xué)分層。根據(jù)靜力觸探貫入曲線特征和參數(shù)大小，再結(jié)合其它工程原位測試資料，進(jìn)行工程地質(zhì)分層解釋。按照《巖土工程勘察規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，土主要分砂土、粉土和黏性土三大類。一般砂土類土層錐尖阻力qc數(shù)值明顯高于粉土類和粘土類，qc-H曲線變化的頻率與幅度也較大(H為埋深)。粘性土類，尤其是淤泥質(zhì)的粘性土類，錐尖阻力qc數(shù)值很低，qc-H曲線平滑，靠近零線。粉土介于砂土和粘性土之間。當(dāng)有夾層或混合土質(zhì)時(shí)，錐尖阻力qc數(shù)值變化和qc-H曲線形態(tài)變化就較為復(fù)雜，主要與不同性質(zhì)的土的含量有關(guān)。

在富安地區(qū)靜力觸探試驗(yàn)時(shí)，沒有進(jìn)行詳細(xì)的工程原位測試工作，結(jié)合鉆探取樣資料和周圍經(jīng)驗(yàn)情況，依據(jù)靜力觸探貫入曲線特征和參數(shù)大小，進(jìn)行了靜力觸探單孔的地質(zhì)分層解釋(圖1)。

2.2靜力觸探與微測井對比

微測井調(diào)查是通過檢波器在不同深度檢測井口振動(dòng)波在近地表地層中的傳播時(shí)間，檢波器的間隔在0.5～2 m，通過對接收傳播時(shí)間的解釋可以進(jìn)行近地表地層的速度分層(圖2)。對比可見，靜力觸探對土層的縱向分辨率明顯高于微測井。

圖2 微測井時(shí)深關(guān)系及速度解釋

不同巖性的激發(fā)條件對地震記錄影響較大[3-4]。微測井調(diào)查鉆井時(shí)，輔之以取心或上返泥漿的錄井描述，可在獲得速度分層信息的同時(shí)，掌握近地表的巖性分布情況。靜力觸探可用以劃分土層或土質(zhì)[5-8]，不同探頭劃分精度有所差別，可測參數(shù)越多，劃分精度越高。同時(shí)取樣比較和經(jīng)驗(yàn)對精度影響也較大，本次雙橋靜力觸探?jīng)]有鉆探取樣對比，具體劃分土層和土質(zhì)時(shí)結(jié)合了一定的區(qū)域經(jīng)驗(yàn)。從圖1和圖2可以看到，靜力觸探解釋的巖性分層比微測井的錄井巖性描述要精確得多。

2.3剖面解釋成果

將多個(gè)探孔的靜力觸探曲線按相應(yīng)特征分層連接起來就是力學(xué)分層剖面，地質(zhì)分層解釋連接起來就得到工程地質(zhì)分層剖面。圖3是6217線靜力觸探工程地質(zhì)剖面部分段，顯示近地表巖性變化明顯、分層較多，自淺而深主要?jiǎng)澐钟兴靥钔?、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、粉砂夾粉土和粉質(zhì)黏土夾粉土。

而6217線微測井解釋的速度分層顯示，近地表速度分層比較簡單：淺層為500 m/s左右的低速層，中間為1 200 m/s左右的降速層，之后在30 m探測深度內(nèi)為1 500 m/s以上的高速層(表1)。

可見靜力觸探方法對近地表土層結(jié)構(gòu)的調(diào)查精度遠(yuǎn)高于微測井方法。

圖3 6217線(部分段)靜力觸探工程地質(zhì)剖面

3 地震對比試驗(yàn)分析

富安地區(qū)地震采集施工中，井深設(shè)計(jì)主要依據(jù)微測井調(diào)查的速度分層結(jié)果。6217線2630-2560段位置，設(shè)計(jì)的正常激發(fā)井深為12 m。為檢驗(yàn)利用靜力觸探方法進(jìn)行激發(fā)井深設(shè)計(jì)的可行性，選擇了6217線2630、2582和2560三個(gè)正常炮點(diǎn)位置，各設(shè)計(jì)了一個(gè)不同的激發(fā)深度進(jìn)行對比試驗(yàn)。

從圖3靜力觸探解釋的工程地質(zhì)剖面上可以看出，三個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)激發(fā)深度主要依據(jù)微測井調(diào)查，炸藥藥柱在工程地質(zhì)剖面上往往跨越不同巖性的土層，而三個(gè)對比試驗(yàn)的設(shè)計(jì)激發(fā)深度都保證炸藥藥柱在同一巖性的土層中。生產(chǎn)和對比試驗(yàn)均采用6 kg相同成型震源炸藥，藥柱高度約1.8 m。表2是藥柱高度所對應(yīng)圍巖巖性、土層平均阻力值和單炮記錄所提取的子波情況。

表2 不同巖性/深度炸藥激發(fā)地震子波對比

說明:土層阻力統(tǒng)計(jì)藥柱高度(1.8 m)段內(nèi)的平均阻力值；2582點(diǎn)采用相距20 m的C8靜力觸探點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

圖4、5和6，是2630、2582和2560三個(gè)位置對比試驗(yàn)的靜力觸探曲線、炸藥位置、單炮記錄和所提取的地震子波數(shù)據(jù)，單炮記錄為8條排列中最靠近炮點(diǎn)的一條，地震子波提取采用雙邊對稱自相關(guān)方法，自相關(guān)半長度取128 ms。在地震子波提取前，對原始記錄經(jīng)過剔道、去噪、幾何擴(kuò)散補(bǔ)償和面波衰減等簡單處理，盡量保持子波真實(shí)性。通過頻譜分析，讀取地震子波的最大振幅及其對應(yīng)的頻率。

圖4 C9/2560點(diǎn)單炮記錄對比

圖5 C8/2582點(diǎn)單炮記錄對比

圖6 C5/2630點(diǎn)單炮記錄對比

三個(gè)位置的激發(fā)深度為12 m，炸藥藥柱圍巖巖性不同，2630和2582點(diǎn)跨粉砂和粉質(zhì)黏土，2560點(diǎn)跨粉砂和粉質(zhì)黏土。試驗(yàn)炮的炸藥藥柱圍巖巖性就選擇了單一巖性，激發(fā)深度分別為21 m、20 m和24 m，圍巖巖性為粉砂夾粉土。

對比可見，同一點(diǎn)位不同阻力值土層中，炸藥激發(fā)產(chǎn)生的單炮記錄和子波存在明顯的差異，當(dāng)炸藥激發(fā)圍巖的錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力增加時(shí)，地震子波的最大振幅增加，對應(yīng)頻率降低。

4 結(jié)論與建議

富安地區(qū)靜力觸探表層結(jié)構(gòu)調(diào)查試驗(yàn)初步結(jié)論：

(1)靜力觸探方法適用于地震采集的近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查工作，在探測深度和巖性解釋精度上比微測井方法有較大的優(yōu)勢。

(2)炸藥激發(fā)時(shí)圍巖土層的阻力(錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力)與地震子波(振幅和頻率)存在一定的對應(yīng)關(guān)系。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)問題值得后續(xù)深入：

(1)靜力觸探裝備體積和施工場地面積較大，尤其是探測深度較大時(shí)，不太適合快速經(jīng)濟(jì)的要求，靜力觸探裝備與施工的便捷性有待提高。

(2)炸藥激發(fā)產(chǎn)生的震源子波頻率和振幅與土層的性質(zhì)密切相關(guān)，應(yīng)探索通過靜力觸探參數(shù)直接估算炸藥震源子波振幅和頻率的方法。

致謝：文中的地震資料的處理分析工作由中國石化江蘇油田分公司物探研究院郭廷超和陶長江高工幫助完成，在此表示感謝！

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(編輯 韓 楓)

Static cone penetration test for near-surface structure survey in Fu'an area

Ding Jianrong

(ScientificandTechnicalDepartmentofJiangsuOilfieldCompany，SINOPEC，Yangzhou225009，China)

Near-surface structure survey is the basic work for the seismic acquisition.But there are some problems in the common methods such as small refraction，micro-log，and so on. According to static cone penetration tests for near-surface structure survey in Fu'an area，it is indicated that the static cone penetration can more accurately explain the near-surface structure，and there is a certain corresponding relationship between soil resistance and the seismic wavelet of explosive source.

Subei Basin；seismic acquisition；static cone penetration；near-surface structure survey

TE323

A

10.16181/j.cnki.fzyqc.2015.03.007

2015-02-26；改回日期2015-04-14。

丁建榮(1970—)，高級工程師,從事石油地球物理技術(shù)工作,電話:0514-87762121, E-mail:dingjr.jsyt@sinopec.com。

攻關(guān)項(xiàng)目:江蘇油田分公司(JS14007)。