綜合地球物理測井技術(shù)在滇中引水隧洞工程勘察中的應(yīng)用

付代光,周黎明,肖國強,王法剛

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢　430010)

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綜合地球物理測井技術(shù)在滇中引水隧洞工程勘察中的應(yīng)用

付代光,周黎明,肖國強,王法剛

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢430010)

摘要：為判定滇中引水隧洞工程勘察鉆孔內(nèi)巖體完整性，采用將聲波測井與鉆孔成像相結(jié)合的綜合地球物理測井技術(shù)對鉆孔情況進行綜合分析判斷。闡述了聲波測井與鉆孔成像測井的方法原理及特點，根據(jù)鉆孔ZGZK2和XLZK7的聲波測井曲線的波速跳躍劇烈程度和鉆孔成像的節(jié)理裂隙發(fā)育特性(方位、傾角和發(fā)育密度等)等信息，給出了鉆孔內(nèi)較為準確可靠的巖體完整情況。針對2種測井方法對判定巖體完整性提供參數(shù)的側(cè)重點不同，對比分析了聲波測井與鉆孔成像測試結(jié)果對判定節(jié)理裂隙發(fā)育程度的差異，通過對比分析有助于提高單一測井方法對鉆孔內(nèi)巖體地質(zhì)情況判定的全面性和精確性，實踐證明綜合地球物理測井技術(shù)在進行深部巖體勘察具有很好的效果，可為指導(dǎo)工程施工提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地球物理測井技術(shù)；聲波測井；鉆孔成像；對比分析；綜合測井成果分析

1研究背景

在跨流域調(diào)水工程中，引水隧洞正逐漸朝深埋、超長、特大方向發(fā)展。這些隧洞穿山越嶺，經(jīng)過不同的地質(zhì)單元，除具有一般淺埋隧洞的地質(zhì)問題外，還將遇到一系列的特殊地質(zhì)問題，例如：高地應(yīng)力、高外水壓力和涌水、高地溫、有害氣體等。為保證隧洞施工順利進行，在隧洞開挖前需進行物探測試來判斷隧洞所在位置的地質(zhì)情況。地球物理測井技術(shù)作為一種最為直觀可靠的地球物理勘查方法，能為引水隧洞巖體級別的判定提供較為準確、可靠的信息。聲波測井能通過計算巖體波速值而得出巖體完整性系數(shù)(BQ)。鉆孔成像測井能通過定量統(tǒng)計分析巖體節(jié)理、裂隙和斷層等發(fā)育情況而定性判斷巖體完整性。而將聲波測井與鉆孔成像相結(jié)合的綜合測井方法能使對地下巖體地質(zhì)情況了解得更為全面，從而能保證巖體級別判斷的準確性。

聲波測井在工程選址、地鐵建設(shè)以及地基灌漿質(zhì)量檢測等[1-3]方面都有廣泛應(yīng)用，其方法主要是通過測試巖體波速與深度關(guān)系曲線中的異常變化來判別巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育狀況。鉆孔成像屬于孔中成像方法，其在地應(yīng)力量測、圍巖穩(wěn)定性計算以及核廢物處置的地下選址等[4-6]方面都已經(jīng)有了大量應(yīng)用。鉆孔成像能對鉆孔內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育方位、傾角和發(fā)育程度等狀況進行描述與分析。單一測井方法有時受限于場地測試條件的限制，對鉆孔內(nèi)巖體地質(zhì)情況判定模糊，通過開展地球物理測井方法研究，對比分析不同方法測試結(jié)果在同一孔深段內(nèi)測試結(jié)果存在的差異，由此可提高單一測井方法在工程應(yīng)用中解譯的精確性。

本文采用綜合地球物理測井方法對滇中引水隧洞工程中的鉆孔ZGZK2和XLZK7進行測試，對鉆孔內(nèi)巖體的波速、節(jié)理裂隙的發(fā)育密度、方位、傾角等進行了計算、分析和評價。從測試結(jié)果中選取了2個結(jié)構(gòu)面發(fā)育段，對比分析了聲波測井與鉆孔成像測試結(jié)果的異同，有效提高了單一測井方法解譯精度，并且保證了調(diào)水工程地質(zhì)勘察結(jié)果的準確性，具有一定的工程應(yīng)用意義。

2聲波測井與鉆孔成像原理

2.1聲波測井測試及解譯原理

聲波測井由1個發(fā)射探頭和2個接收探頭組成(見圖1)，通過聲波沿鉆孔巖壁傳播到2個接收探頭的時間差來計算巖體波速。同時利用巖石物性差異，獲取鉆孔內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育信息[1]。

圖1　聲波測井原理示意圖

聲波測井利用聲波測井曲線解譯的依據(jù)是：新鮮完整的巖體波速高、波幅大、頻率高，而巖石風(fēng)化后的波速、波幅和頻率均會降低；在巖體破碎及節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，當(dāng)聲波在巖體中傳播時，由于這種不連續(xù)界面中往往富含有液體使其波阻抗降低，且在這種界面上傳播的聲波會發(fā)生不同程度的反射、繞射，致使聲波的能量大大衰減，導(dǎo)致波速降低，波幅變小，頻率變低，反映在聲波波形上會出現(xiàn)聲波異常區(qū)。

2.2鉆孔成像基本原理(1) 光學(xué)鉆孔成像：光學(xué)鉆孔成像中的RG光學(xué)井下成像由1個65 mm平面和斜向測井照相機，1個44 mm“雙向照相”和1個42 mm的基準相孔構(gòu)成。前兩者保證了向前和側(cè)向照相能力、照相方向、聚焦和光線強度等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集由RG-OPTV軟件控制，這個軟件是運行在地面測井單元上一個操作簡單的應(yīng)用程序，能實時顯示、記錄、攝像并以JPEG的標準形式存儲?？梢赃M行裂隙識別和定向、巖心定向等方面的地質(zhì)勘察工作。

(2) 聲學(xué)鉆孔成像：聲學(xué)鉆孔成像的探頭應(yīng)用固定的聲波發(fā)生器和旋轉(zhuǎn)聲波發(fā)射鏡并以聚焦的超聲射線對井壁進行掃描。從井壁發(fā)射回來的聲波信號振幅和反射時間被同時記錄下來。裂隙等特征會降低反射幅度并在測井結(jié)果中顯示為暗色的正弦軌跡。旅行時測井相當(dāng)于高精度的一臂井徑測井，并可顯示開放裂隙和破裂內(nèi)的直徑變化。所記錄的方向信息可用以實時修正圖像解釋軟件，具有人工和自動識別選擇功能，可以人機交換進行構(gòu)造方位(傾向/走向和方位)計算。顯示選擇包括帶軸立體投影，方位頻度圖以及可與實際巖芯數(shù)據(jù)相對比的“人造巖芯”數(shù)據(jù)(synthetic cores)。

3工程實例

3.1聲波測井

利用地勘鉆孔ZGZK2和XLZK7進行了聲波測井測試，其測試結(jié)果見圖2至圖3。

圖2　ZGZK2鉆孔波速-孔深曲線和鉆孔波速統(tǒng)計分布

圖3　XLZK7鉆孔波速-孔深曲線和鉆孔波速統(tǒng)計分布

由圖2(a)可知：ZGZK2鉆孔在孔深460～488 m段波速跳躍劇烈，且波速降低明顯，推斷該段孔深范圍內(nèi)節(jié)理裂隙相對發(fā)育，巖體較破碎-破碎；孔深538～632 m段波速跳躍較劇烈，但其跳躍幅度相對較小，推斷該段孔深范圍內(nèi)節(jié)理裂隙相對較發(fā)育，巖體較破碎；孔深450～460 m、488～538 m和632～640 m段波速變化較平穩(wěn)，波速值較大，推斷該段孔深范圍內(nèi)巖體較完整。

通過對ZGZK2鉆孔在孔深450～640 m范圍內(nèi)波速計算可知，鉆孔內(nèi)巖體波速最大值為5.98 km/s，最小值為2.22 km/s，平均波速為4.94 km/s。從圖2(b)各區(qū)間波速分布情況可知：5～6 km/s的波速占44%，4.5～5 km/s占35%，3～4.5 km/s占21%。因此，小于平均波速的巖體所占比例>50%，由此推斷該段孔深范圍內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。

由圖3(a)可知：XLZK7鉆孔在孔深190～330 m段波速跳躍較劇烈，推斷該深度范圍內(nèi)節(jié)理裂隙相對較發(fā)育，巖體較破碎；孔深330～450 m段波速跳躍劇烈，且波速明顯降低，推斷該深度范圍內(nèi)節(jié)理裂隙相對發(fā)育，巖體較破碎-破碎；孔深450～590 m段波速跳躍劇烈，推斷該深度范圍內(nèi)節(jié)理裂隙相對發(fā)育，巖體較破碎。

通過對XLZK7鉆孔在孔深190～590 m范圍內(nèi)波速計算可知：巖體波速最大值為5.93 km/s，最小值為2.65 km/s，平均波速為4.41 km/s。從圖3(b)可以看出，波速>4.5 km/s的巖體占50%，推斷該段孔深范圍內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整-較破碎。

3.2鉆孔成像

鉆孔成像測試在上述鉆孔ZGZK2和XLZK7中進行，主要測試結(jié)果見圖4至圖5以及表1和表2。

圖4　鉆孔ZGZK2節(jié)理統(tǒng)計圖和玫瑰花圖

由圖4和表1可知：在孔深450～560 m范圍內(nèi)，節(jié)理裂隙主要發(fā)育在NW57°方位，其節(jié)理裂隙傾角為48°，該方位的節(jié)理裂隙發(fā)育密集，巖體較破碎-破碎。節(jié)理裂隙在SE58°方位發(fā)育較少，且節(jié)理裂隙傾角較大，傾角為72°，該方位的巖體較完整。

圖5　鉆孔XLZK7節(jié)理統(tǒng)計圖和玫瑰花圖

由圖5和表2可知：在孔深190～407 m，節(jié)理裂

表1　鉆孔ZGZK2節(jié)理統(tǒng)計(聲學(xué)鉆孔成像)Table 1　Statistics of fractures of borehole ZGZK2 (acoustic borehole imaging)

表2　鉆孔XLZK7節(jié)理統(tǒng)計(光學(xué)鉆孔成像)Table 2　Statistics of fractures of borehole XLZK7 (optical borehole imaging)

隙主要發(fā)育在SW62°方位，其傾角為36°，該方位的節(jié)理裂隙發(fā)育密集，巖體較破碎-破碎；在SE37°和NW17°方位節(jié)理裂隙較發(fā)育-發(fā)育，其傾角分別為42°和49°，巖體較破碎；在NE65°方位節(jié)理裂隙較發(fā)育，其傾角為55°，巖體較完整-較破碎。

3.3對比分析

為了驗證聲波測井與鉆孔成像對節(jié)理裂隙、斷裂等構(gòu)造的特征響應(yīng)結(jié)果的一致性，本文將鉆孔ZGZK2(孔深459～464m)和鉆孔XLZK7(孔深248～253 m)聲波測井曲線與鉆孔成像結(jié)果進行對比分析(見圖6和圖7)。

從圖6(a)聲波速度曲線可以看出：孔深460～464 m巖體波速降低，且波速跳躍劇烈，推斷該段孔深內(nèi)節(jié)理裂隙相對發(fā)育，巖體較破碎；由圖6(b)聲學(xué)鉆孔成像結(jié)果可知孔深460.8～463.7 m節(jié)理裂隙發(fā)育較密集(4～7條/m)。通過對比圖6(a)與(b)發(fā)現(xiàn)，聲波測井與聲學(xué)鉆孔成像對節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育的響應(yīng)能很好吻合，但聲波測井的聲波跳躍頻次與聲學(xué)鉆孔成像確定的節(jié)理裂隙發(fā)育數(shù)不一致，聲學(xué)鉆孔成像確定的節(jié)理裂隙發(fā)育數(shù)要大于或等于聲波測井判斷的節(jié)理裂隙發(fā)育數(shù)，這是由于節(jié)理裂隙間傳播的聲波時差要小于2接收探頭傳播的聲波時差，從而導(dǎo)致儀器無法分辨，這與地震勘探中的“薄層效應(yīng)”有相似之處。

圖6 鉆孔ZGZK2聲波測井和聲學(xué)鉆孔成像結(jié)果Fig.6 ResultsofacousticloggingandacousticboreholeimagingforboreholeZGZK2圖7 鉆孔XLZK7聲波測井和光學(xué)鉆孔成像結(jié)果Fig.7 ResultsofacousticloggingandopticalboreholeimagingforboreholeXLZK7

由鉆孔XLZK7的聲波速度曲線(圖7(a))可以看出孔深248～253 m巖體波速跳躍較劇烈，推斷該段孔深內(nèi)節(jié)理裂隙相對較發(fā)育，巖體較破碎-破碎；由圖7(b)光學(xué)鉆孔成像結(jié)果可知孔深248～253 m節(jié)理裂隙發(fā)育密集(5～8條/m)。通過對比圖7(a)與(b)發(fā)現(xiàn)，聲波測井與光學(xué)鉆孔成像對節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育的響應(yīng)也能很好吻合。

3.4綜合測井結(jié)果分析

綜合聲波測井和鉆孔成像測試結(jié)果對鉆孔ZGZK2和XLZK7內(nèi)地質(zhì)情況判斷如下： ZGZK2鉆孔(孔深450～640 m)的巖體波速最大值為5.98 km/s，最小值為2.22 km/s，平均波速為4.94 km/s，其中小于平均波速的巖體所占比例>50%。在孔深460～488 m和538～632 m段節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙主要發(fā)育在NW57°方位，其傾角為48°，巖體較破碎-破碎。XLZK7鉆孔(孔深190～590 m)的巖體波速最大值為5.93 km/s，最小值為2.65 km/s，平均波速為4.41 km/s，其中波速<4.5 km/s的占50%。在SW62°方位節(jié)理裂隙發(fā)育，其傾角為36°，巖體較破碎-破碎；在SE37°和NW17°方位節(jié)理裂隙較發(fā)育-發(fā)育，其傾角分別為42°和49°，巖體較破碎；在NE65°方位節(jié)理裂隙較發(fā)育，其傾角為55°，巖體較完整-較破碎。

4結(jié)論

(1) 聲波測井與鉆孔成像的巖體判定結(jié)果基本吻合，可以相互進行有效的對比驗證。

(2) 聲波測井對巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育數(shù)的響應(yīng)(波速跳躍頻次)較弱，要少于鉆孔成像統(tǒng)計的節(jié)理裂隙發(fā)育數(shù)。

(3) 應(yīng)用綜合地球物理測井技術(shù)在調(diào)水工程中進行深部巖體勘察具有很好的效果，能夠克服單一測井方法的不足，并能進行有效互補。

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(編輯：曾小漢)

收稿日期：2015-01-16；修回日期：2015-03-27

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(41202223)

作者簡介：付代光(1987-)，男，內(nèi)蒙古扎賚特旗人，碩士，主要從事工程物探方面的工作，(電話)027-82926549(電子信箱)fudaiguang@163.com。 通訊作者：周黎明(1977-)，男，吉林輝南人，高級工程師，博士，主要從事巖土工程地球物理技術(shù)方面的研究工作，(電話)027-82926549(電子信箱)brian5396@126.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150057

中圖分類號：TU459.3

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)04-0067-04

Application of Comprehensive Geophysical Well Logging Technologyto the Engineering Exploration of Water Diversion Tunnelin Central Yunnan

FU Dai-guang, ZHOU Li-ming, XIAO Guo-qiang, WANG Fa-gang

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:The integrity of rock from borehole of engineering investigation of the water diversion tunnel in Central

Yunnan province is comprehensively ascertained and analyzed by the combination of acoustic logging and borehole imaging. The principles and the features of acoustic logging and borehole imaging are expounded. Furthermore, accurate and reliable rock integrity information is given according to the acoustic velocity jumping intensity of acoustic logging curve and the fracture characteristics (position, inclination and development intensity) of borehole imaging for borehole ZGZK2 and borehole XLZK7. The emphasis of rock integrity parameters obtained by acoustic logging differs from those by borehole imaging, in view of this, differences in the results of fracture development by the two methods are compared and analyzed, which is beneficial to improving comprehensive and accurate rock integrity assessment for a single logging method. Practices prove that the comprehensive geophysical well logging technology has good efficiency in deep rock exploration.

Key words:geophysical well logging technology; acoustic logging; borehole imaging; comparative analysis; analysis of comprehensive logging result

2016,33(04):67-70，77