綜合地球物理測(cè)井參數(shù)評(píng)價(jià)地下水方法研究

張福彬

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 引 言

1927年9月5日，Conrad Schlumberger和Marcel Schlumberger兩兄弟在法國(guó)Pechlbrom油田488 m深的井中得到了世界上第一條測(cè)井曲線,測(cè)井技術(shù)從此誕生。1939年12月，我國(guó)著名地球物理學(xué)家翁文波在四川石油溝1號(hào)井中測(cè)量了鉆孔地層的自然電位和電阻率參數(shù)，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定了氣層的位置，這也是我國(guó)現(xiàn)代測(cè)井事業(yè)的開端。相對(duì)鐵路來(lái)說(shuō)，近年來(lái)隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，綜合地球物理測(cè)井技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于鐵路隧道勘察中，如石太客運(yùn)專線太行山隧道、張集線舊堡隧道等,這些綜合測(cè)井勘察成果為勘察設(shè)計(jì)提供了詳實(shí)的基礎(chǔ)資料[1-4]。其對(duì)于含水層的劃分采用流體電阻率法、自然電位法等能大致定性分析地層的含水性；擴(kuò)散法可以確定明顯含水層的位置、水的補(bǔ)給方向等，但是擴(kuò)散法外業(yè)測(cè)試比較復(fù)雜,且成功率低，方法實(shí)施受到較大限制[5-7]。本文在前人的基礎(chǔ)上，綜合研究總結(jié)井溫、井液電阻率、電阻率、自然電位、聲波速度、自然伽馬等測(cè)井參數(shù)的相互關(guān)系，為進(jìn)行含水層的劃分提供了新的判定原則，取得了良好的效果。

2 方法原理與研究總結(jié)的異常判定原則

本文中含水層劃分用到的測(cè)井方法主要有井溫測(cè)井、井液電阻率測(cè)井、視電阻率測(cè)井、自然電位測(cè)井、聲波速度測(cè)井、自然伽馬測(cè)井[8-12]。

2.1 方法原理

2.1.1 井溫測(cè)井

井溫測(cè)井是基于鉆孔地層是一個(gè)熱穩(wěn)定體的基本假定，在已經(jīng)成井的勘探鉆孔中，將鉆孔中的地下水作為測(cè)溫介質(zhì)，利用井溫探管測(cè)得的溫度，實(shí)際是鉆孔中的水溫。如果地層中存在地下水，地下水在鉆孔所在地層運(yùn)移的過(guò)程中不斷地與鉆孔圍巖產(chǎn)生熱量交換，從而發(fā)生溫度變化，產(chǎn)生局部的相對(duì)高溫或低溫異常。井溫測(cè)井通過(guò)測(cè)量鉆孔內(nèi)的局部溫度異常和溫度梯度來(lái)反映這些變化，從而根據(jù)這些變化來(lái)推斷地下水的運(yùn)移情況。

2.1.2 井液電阻率測(cè)井

自然狀態(tài)下測(cè)得的井液電阻率能直接反映鉆孔中井液導(dǎo)電性能，鉆孔中井液的導(dǎo)電性能與井液的濃度、化學(xué)成分及溫度等因素密切相關(guān)。當(dāng)鉆孔中地層不存在地下水時(shí)，井液中的礦化度不會(huì)變化，測(cè)得的井液電阻率曲線會(huì)是一條直線；當(dāng)鉆孔中地層存在地下水，從而造成井液礦化度變化時(shí)，測(cè)得的井液電阻率曲線會(huì)在含水層界面上產(chǎn)生明顯的異常幅值。當(dāng)鉆孔穿過(guò)含水層時(shí)，井液與含水層之間形成一種相互補(bǔ)給的關(guān)系，含水層位置井液的礦化度會(huì)出現(xiàn)變化，從而使井液電阻率曲線出現(xiàn)變化，根據(jù)這種變化可以推斷地下水的運(yùn)移情況。

2.1.3 視電阻率測(cè)井

視電阻率測(cè)井是通過(guò)設(shè)置在電阻率探頭中的不同供電極距的電極來(lái)連續(xù)測(cè)量鉆孔中地層電阻率的一種方法，視電阻率曲線也是通過(guò)連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)形成的。鉆孔中不同巖性地層的視電阻率各不相同，當(dāng)電阻率探頭經(jīng)過(guò)含水地層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相對(duì)低阻異常，從而可以根據(jù)不同巖性地層的圍巖背景值與所測(cè)得視電阻率曲線實(shí)測(cè)值的差異來(lái)確定含水地層，因此將視電阻率測(cè)井曲線與其他測(cè)井參數(shù)曲線相結(jié)合來(lái)劃分含水地層界面，并根據(jù)電阻率曲線的這種變化推斷地下水的運(yùn)移情況。

2.1.4 自然電位測(cè)井

自然電位測(cè)井是通過(guò)自然電位探頭測(cè)量鉆孔中巖層的天然電場(chǎng)電位即自然電位的變化的一種測(cè)井分支方法。鉆孔中自然電位的形成主要是由于電離子的擴(kuò)散及吸附，同一鉆孔中相同巖性的沒(méi)有地下水的地層的自然電位曲線變化不大,近乎于一條直線，當(dāng)自然電位探頭經(jīng)過(guò)含水地層時(shí)，地層中的水會(huì)對(duì)電離子產(chǎn)生吸附作用,從而造成電場(chǎng)的變化，表現(xiàn)在自然電位曲線上就是會(huì)使平緩的曲線長(zhǎng)生突變，出現(xiàn)局部的自然電位異常。根據(jù)自然電位曲線的這種變化可以推斷地下水的運(yùn)移情況。

2.1.5 聲波速度測(cè)井

聲波速度測(cè)井是通過(guò)聲波測(cè)井探頭測(cè)量聲波速度在鉆孔地層中的傳播速度來(lái)研究各地層完整性等特性的一種測(cè)井分支方法[5]。鉆孔中各地層的聲波速度大小主要取決于各地層巖體的孔隙度膠結(jié)程度以及巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育情況等。根據(jù)聲波速度數(shù)值的大小及相同巖性的聲波速度曲線，可以確定鉆孔中各巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育情況和斷層破碎帶。巖體破碎的斷層破碎帶以及節(jié)理裂隙較發(fā)育的地層也是富含水層的重要標(biāo)志，聲波速度測(cè)井曲線可以輔助劃分含水層的位置，推斷地下水的運(yùn)移情況。

2.1.6 自然伽馬測(cè)井

自然伽馬測(cè)井是通過(guò)自然伽馬探頭沿鉆孔孔壁測(cè)量各地層巖體自然伽馬射線強(qiáng)度的一種測(cè)井分支方法[13]。不同巖性的巖體都含有數(shù)量不一的放射性元素，這些放射性元素的放射性大小可以通過(guò)自然伽馬探頭中的傳感器相對(duì)準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)，其放射性強(qiáng)度的大小主要取決于各地層巖體的泥質(zhì)含量及含水性。因此可以根據(jù)自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)值的大小確定鉆孔中各地層巖體的泥質(zhì)含量和判斷各地層的滲透性，從而確定含水層界面。

2.2 研究總結(jié)的異常判定原則

2.2.1 含水層井溫曲線特征

鉆孔內(nèi)井液的溫度主要取決于不同溫度地下水的運(yùn)移。異常的判別原則是通過(guò)對(duì)比正常的地溫增長(zhǎng)規(guī)律與實(shí)測(cè)井溫曲線，來(lái)尋找相對(duì)高溫異?；蛘叩蜏禺惓?，進(jìn)而判別是來(lái)自淺層的低溫水還是來(lái)自深層的高溫水。與鉆孔中各地層正常溫度相比，鉆孔中淺層含水層地層的溫度會(huì)明顯地降低，表現(xiàn)在井溫測(cè)井曲線上會(huì)出現(xiàn)明顯的低值異常；反之，鉆孔中深層水含水地層的溫度會(huì)明顯地升高，表現(xiàn)在井溫測(cè)井曲線上會(huì)出現(xiàn)明顯的高值異常。

2.2.2 含水層井液電阻率曲線特征

鉆孔內(nèi)不同層位井液電阻率數(shù)值的大小主要取決于其井液的礦化程度，鉆孔中相同巖性的不含水地層的井液礦化度相差很小，所測(cè)得的井液電阻率曲線近乎為一條直線。含水層段的水會(huì)與該層段的井液進(jìn)行混合，從而造成該層段礦化度出現(xiàn)變化，表現(xiàn)在井液電阻率曲線上會(huì)出現(xiàn)明顯的異常變化，產(chǎn)生相對(duì)高值或低值異常，可以利用井液電阻率曲線出現(xiàn)的異常變化來(lái)確定含水層段的位置。

2.2.3 含水層視電阻率曲線特征

鉆孔內(nèi)不同層位相同巖性地層的視電阻率數(shù)值大小基本相同，不會(huì)出現(xiàn)明顯變化，其背景值大小主要取決于各巖性體中的不同礦物含量的多少。含水層段(裂隙水、斷層水)視電阻率會(huì)明顯降低，表現(xiàn)在視電阻率曲線上會(huì)出現(xiàn)明顯的低阻異常。

2.2.4 含水層自然電位曲線特征

鉆孔內(nèi)含水地層與不含水地層的井液礦化度存在明顯差異，這樣就會(huì)造成明顯的電離子遷移、吸附，從而造成自然電場(chǎng)出現(xiàn)明顯的變化，當(dāng)探頭經(jīng)過(guò)含水層段時(shí)，表現(xiàn)在自然電位曲線上會(huì)出現(xiàn)偏離基線(背景值)明顯上升或下降。自然電位出現(xiàn)正異常還是負(fù)異常，主要決定于含水層段和不含水層段之間井液礦化度之間的大小差異。

2.2.5 含水層聲波速度曲線特征

當(dāng)鉆孔中的地層為斷層破碎帶，聲波速度探頭發(fā)射的聲波在這種巖體中傳播，能量會(huì)衰減得很快，反映在聲速曲線上會(huì)出現(xiàn)明顯的低速異常；當(dāng)聲波在有節(jié)理裂隙較發(fā)育的巖體中傳播時(shí)，聲速曲線往往呈鋸齒狀，但聲波速度不會(huì)明顯降低；地下水的發(fā)育往往是在斷層破碎帶及節(jié)理裂隙較發(fā)育的巖層，可以利用聲波速度曲線輔助確定含水層位置。

2.2.6 含水層自然伽馬曲線特征

自然伽馬數(shù)值大小主要取決于鉆孔內(nèi)地層巖性以及該地層的泥質(zhì)含量，對(duì)于相同巖性地層而言，含水層由于水流的作用泥質(zhì)含量會(huì)出現(xiàn)明顯變化，自然伽馬曲線也會(huì)出現(xiàn)相對(duì)高值或低值異常，因此可以利用自然伽馬測(cè)井曲線輔助確定含水層位置。

3 工程實(shí)例

含水層(裂隙水、斷層水)的劃分是利用多個(gè)綜合測(cè)井參數(shù)曲線的實(shí)測(cè)值進(jìn)行綜合分析的結(jié)果。首先需要分析視電阻率曲線與聲波速度曲線，這兩種參數(shù)曲線形態(tài)基本相同是得到一組好的綜合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的前提。在這兩種參數(shù)曲線形態(tài)基本相同的前提下，首先要通過(guò)聲波測(cè)井曲線確定裂隙水和斷層水，并通過(guò)視電阻率曲線與自然電位曲線找出大致的異常范圍，然后通過(guò)井液電阻率曲線以及自然伽馬曲線精確劃分含水層，最后通過(guò)井溫曲線確定是淺部的低溫水還是深部的高溫水。

3.1 杭州經(jīng)紹興至臺(tái)州鐵路某隧道GDZ-147孔綜合測(cè)井解釋成果

圖1為GDZ-147孔綜合測(cè)井解釋成果，從圖1中可看出，視電阻率曲線與聲波速度曲線形態(tài)基本相同，視電阻率曲線和聲波速度曲線出現(xiàn)異常的部位，井溫、井液電阻率、自然電位及自然伽馬曲線也有相應(yīng)的異常反應(yīng)。具體解釋如下：

圖1 杭州經(jīng)紹興至臺(tái)州鐵路某隧道GDZ-147孔綜合測(cè)井解釋成果Fig.1 Comprehensive logging interpretation results of GDZ-147 hole in a tunnel of Hangzhou-Shaoxing-Taizhou railway

1)在28.5～31.1 m段各測(cè)井曲線均出現(xiàn)明顯異常，為復(fù)合異常，聲波速度為3 440 m/s，聲速曲線呈鋸齒狀、速度無(wú)明顯降低，相對(duì)較完整；視電阻率為365 Ω·m，該段電阻率相對(duì)低阻；自然電位為148 mV，該段自然電位相對(duì)高值；井溫、井液電阻率、自然伽馬出現(xiàn)低值異常。推斷該異常為圍巖裂隙較發(fā)育引起，地層中有淺部的少量低溫水溢出。

2)在49～55 m段各測(cè)井曲線均出現(xiàn)明顯異常，為復(fù)合異常，聲波速度為2 810 m/s，聲速曲線呈鋸齒狀、速度明顯降低，相對(duì)較破碎；視電阻率為62 Ω·m，該段電阻率相對(duì)低阻；自然電位為221 mV，該段自然電位相對(duì)高值；井溫、井液電阻率、自然伽馬出現(xiàn)明顯低值異常。推斷該異常為斷層破碎帶引起，地層中有大量淺層低溫水溢出。

3.2 新建沈陽(yáng)至白河鐵路工程某隧道18-ZD-2816孔綜合測(cè)井解釋成果

圖2為18-ZD-2816孔綜合測(cè)井解釋成果，從圖2中可看出，視電阻率曲線與聲波速度曲線形態(tài)基本相同，視電阻率曲線和聲波速度曲線出現(xiàn)異常的部位，井溫、井液電阻率、自然電位及自然伽馬曲線也有相應(yīng)的異常反應(yīng)。具體解釋如下：

圖2 新建沈陽(yáng)至白河鐵路工程某隧道18-ZD-2816孔綜合測(cè)井解釋成果Fig.2 Comprehensive logging interpretation results of 18-ZD-2816 hole in a tunnel of new railway project from Shenyang to Baihe

1)在30.4～32.3 m段各測(cè)井曲線均出現(xiàn)明顯異常，為復(fù)合異常，聲波速度為2 074 m/s，聲速曲線呈鋸齒狀、速度明顯降低，相對(duì)破碎；視電阻率為2 291 Ω·m，該段電阻率相對(duì)低阻；自然電位為-37 mV，該段自然電位相對(duì)高值；井液電阻率、自然伽馬出現(xiàn)低值異常；井溫沒(méi)有出現(xiàn)明顯異常。推斷該異常為斷層破碎帶引起，地層中有淺部的少量低溫水溢出。

2)在49～54 m段各測(cè)井曲線均出現(xiàn)明顯異常，為復(fù)合異常，聲波速度為3 135 m/s，聲速曲線呈鋸齒狀、速度明顯降低，相對(duì)較破碎；視電阻率為2 043 Ω·m，該段電阻率相對(duì)低阻；自然電位為-7 mV，該段自然電位相對(duì)高值；井液電阻率、自然伽馬出現(xiàn)明顯低值異常；井溫出現(xiàn)高溫異常。推斷該異常為斷層破碎帶引起，地層中有深部的高溫水溢出。

3.3 新建沈陽(yáng)至白河鐵路工程某隧道18-ZD-8420孔綜合測(cè)井解釋成果

圖3為18-ZD-8420孔綜合測(cè)井解釋成果，從圖3中可看出，視電阻率曲線與聲波速度曲線形態(tài)基本相同，視電阻率曲線和聲波速度曲線出現(xiàn)異常的部位，井溫、井液電阻率、自然電位及自然伽馬曲線也有相應(yīng)的異常反應(yīng)。

圖3 新建沈陽(yáng)至白河鐵路工程某隧道18-ZD-8420孔綜合測(cè)井解釋成果Fig.3 Comprehensive logging interpretation results of 18-ZD-8420 hole in a tunnel of new railway project from Shenyang to Baihe

1)在91.8～95.2 m段各測(cè)井曲線均出現(xiàn)明顯異常，為復(fù)合異常，聲波速度為3 939 m/s，聲速曲線鋸齒狀，相對(duì)較破碎；視電阻率為2 717 Ω·m，該段電阻率相對(duì)低阻；自然電位為47 mV，該段自然電位相對(duì)高值；井溫、井液電阻率、自然伽馬出現(xiàn)低值異常。推斷該異常為斷層破碎帶引起，地層中有淺部的低溫水溢出。

2)在115.6～120 m段各測(cè)井曲線均出現(xiàn)明顯異常，為復(fù)合異常，聲波速度為3 895 m/s，聲速曲線鋸齒狀，相對(duì)較破碎；視電阻率為507 Ω·m， 該段電阻率相對(duì)低阻；自然電位為144 mV， 該段自然電位相對(duì)高值；井液電阻率、自然伽馬出現(xiàn)低值異常；井溫出現(xiàn)高溫異常。推斷該異常為斷層破碎帶引起，地層中有深部的高溫水溢出。

4 結(jié) 論

通過(guò)綜合地球物理測(cè)井工程實(shí)例分析研究總結(jié)如下：

4.1 裂隙水評(píng)價(jià)方法

裂隙水含水地層綜合測(cè)井異常為各參數(shù)的復(fù)合異常，聲波速度曲線呈鋸齒狀、聲速無(wú)明顯降低；視電阻率出現(xiàn)相對(duì)低阻異常；自然電位曲線偏離背景值線上升或下降，出現(xiàn)相對(duì)高值或低值異常；自然伽馬、井液電阻率曲線在含水層界面上會(huì)產(chǎn)生明顯的突變異常，出現(xiàn)相對(duì)高值或低值異常；如果井溫曲線增長(zhǎng)規(guī)律不符合該區(qū)域正常的地溫增長(zhǎng)規(guī)律，出現(xiàn)相對(duì)低值異常，該層段裂隙水為淺部的低溫水，反之，如果出現(xiàn)相對(duì)高值異常，該層段裂隙水為深部的高溫水。

4.2 斷層水評(píng)價(jià)方法

斷層水含水地層往往為斷層破碎帶，綜合測(cè)井異常為多個(gè)綜合測(cè)井參數(shù)的復(fù)合異常，聲波速度曲線呈鋸齒狀、聲速明顯降低；視電阻率出現(xiàn)相對(duì)低阻異常；自然電位曲線偏離背景值上升或下降，出現(xiàn)相對(duì)高值或低值異常；自然伽馬、井液電阻率曲線在含水層界面上會(huì)產(chǎn)生明顯的突變異常，出現(xiàn)相對(duì)高值或低值異常；如果井溫曲線增長(zhǎng)規(guī)律不符合該區(qū)域正常的地溫增長(zhǎng)規(guī)律，出現(xiàn)相對(duì)低值異常，該層段斷層水為淺部的低溫水，反之，如果出現(xiàn)相對(duì)高值異常，該層段斷層水為深部的高溫水。