測井在水文地質(zhì)鉆探中劃分咸淡水分界面的應(yīng)用

于建叢，張永澤，黃文龍

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局國土資源勘查中心(河北省礦山和地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中心)，石家莊 050081)

0 引言

為了響應(yīng)黨中央、國務(wù)院加快京津冀協(xié)同發(fā)展的戰(zhàn)略和《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》提出的河北省“三區(qū)一基地”定位，河北省國土資源廳決定開展基礎(chǔ)性的地質(zhì)環(huán)境勘查與研究工作。2017年，我單位承擔(dān)了京津冀協(xié)同發(fā)展文安、任丘、大城、青縣1∶50000環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項目，項目共布置探采結(jié)合孔30眼，孔深30～500 m，全孔取心后成井。

河北平原沿海地區(qū)由于常年海水入侵，咸水在淺層水當(dāng)中普遍存在，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和居民日常生活造成了嚴(yán)重影響。進(jìn)一步查清含水層的位置和咸淡水分界面，確定水文地質(zhì)探采井的淡水利用層位，不僅可以直接服務(wù)于當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)發(fā)展及居民生活，降低咸水帶來的不良影響，還可以為建設(shè)儲備用水源地提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

目前，對咸淡水分界面的探測常用方法主要有水化學(xué)指標(biāo)法、同位素指標(biāo)法和物探法[1]。水化學(xué)指標(biāo)法和同位素指標(biāo)法過程比較復(fù)雜，測試費用較高，對以生產(chǎn)和使用為主要目的的水文地質(zhì)鉆井不適用。相對而言，物探法較廉價，可以實時監(jiān)測，同時不會破壞場地環(huán)境。

國外對咸淡水分界面的劃分問題有很多研究。Moore Y H 等[2]采用解析法研究了地下水系統(tǒng)中的咸淡水分界面，Al-Garni M A 等[3]利用瞬變電磁法對沿海地區(qū)的海水入侵情況和咸淡水分界面進(jìn)行了研究，這些研究均取得了很好的效果，且為科學(xué)測定咸淡水分界面提供了參考價值和理論依據(jù)。

國內(nèi)相關(guān)研究雖然起步較晚，但是目前同樣取得了豐碩的成果。呂賢弼[4]采用邊界元法和Hcle-Shaw模型對水動力彌散效應(yīng)相對較弱的海水入侵咸淡水分界面進(jìn)行了研究；劉雪友[5]進(jìn)行了河北平原中東部黑龍港流域淺層咸水入侵深層淡水及三維水流模型研究；張奇[6]模擬了海水入侵界面的動態(tài)變化，揭示了地下咸淡水區(qū)域的分布特征；宋海波[7]研究了華北平原典型區(qū)地下水質(zhì)和咸淡水分界面的變化；劉曉紅等[8]研究了不同影響因素對咸淡水分界面發(fā)展變化的影響；靳開民[9]深入分析了電測法在咸淡水分界面當(dāng)中的應(yīng)用；陳松等[10]分析了北部灣咸淡水分界面劃分當(dāng)中的電法應(yīng)用，并且取得了較好的應(yīng)用效果；劉全剛[11]研究了自然電位曲線在水文礦井劃分咸淡水分界面當(dāng)中的應(yīng)用；崔相飛等[12]研究了闡述了海岸帶咸淡水分界面的研究進(jìn)展；束龍倉等[13]分析了確定咸淡水分界面的綜合方法及應(yīng)用。

1 水文地質(zhì)背景

SK深1鉆孔位于任丘市長豐鎮(zhèn)南張村，水文地質(zhì)鉆探取心411.48 m。依據(jù)巖心描述，地層巖性主要為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂層。地層年代總體上可劃分為全新統(tǒng)(Qh)、上更新統(tǒng)(Qp3)、中更新統(tǒng)(Qp2)、下更新統(tǒng)(Qp1)四段。以第四紀(jì)沉積物巖性為基礎(chǔ)，以水文地質(zhì)條件為依據(jù)，將河北平原的第四系含水巖系自上而下劃分為4個含水層組。SK深1鉆孔所在的中部平原區(qū)，在第二含水層組中段或底面以上賦存著厚度30～100 m的咸水體[14]。

1.1 全新統(tǒng)(Qh)

第一含水層組，0～31.00 m，包括上中下三段，厚度31.00 m。地層為黏土、粉質(zhì)黏土和粉土層，顏色以黃色為主，中段部分呈灰黑色淤泥質(zhì)，整層見鈣質(zhì)結(jié)核、銹染，中段見貝殼殘片。

1.2 上更新統(tǒng)(Qp3)

第二含水巖組，31.00～140.00 m，包括上中下三段，厚度109.00 m。地層為粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂、粗砂層。粉質(zhì)黏土層，褐黃色，可見大量銹染，含鐵錳染，鈣質(zhì)結(jié)核，大小為2～15 mm；粉土層，黃褐色，可見銹染，可見鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑2～30 mm，最大70 mm；粉細(xì)砂層，褐黃色，透水性較差，可見水平層理，輕銹染，鐵錳染；中砂，灰褐色，含繡染，分選性較好，透水性較好，47.60～ 47.80 m和48.52～48.62 m段富含貝殼及其殘片，大小約為20～70 mm；粗砂層，分選性較好，透水性好，可見銹染，偶見膠結(jié)砂塊。

1.3 中更新統(tǒng)(Qp2)

第三含水巖組，140.00～337.20 m，包括上下兩段，厚度197.20 m。地層為粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂層。粉質(zhì)黏土層，以黃褐色為主，局部可見鈣質(zhì)結(jié)核，偶見灰綠染及錳染；黏土層，顏色以黃褐色、棕褐色為主，可見鈣質(zhì)結(jié)核，見輕灰綠染及銹染，偶見錳染，巖性不均一；粉土層，可見鈣質(zhì)結(jié)核，最大為20～30 mm，見灰綠色染，偶見錳染，巖性不均一，上細(xì)下粗；粉砂層，透水性較差，風(fēng)化較大，局部可見錳染，風(fēng)化較重，重銹染，含土質(zhì)較多；細(xì)砂層，灰黃色為主，分選性好，透水性較好，見斜層理，局部可見銹染，可見粉質(zhì)黏土膠結(jié)，下部可見鈣質(zhì)結(jié)核、膠結(jié)砂互層，最厚110 mm；中砂層，分選性中等，透水性較好，可見斜層理，局部見斑狀銹染，可見鈣質(zhì)結(jié)核，大小為5～10 mm。

1.4 下更新統(tǒng)(Qp1)

第四含水層組，337.20 m至本層未揭穿，包括上下兩段。地層為粉質(zhì)黏土、黏土層、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂層。粉質(zhì)黏土層，以黃褐色為主，可見鈣質(zhì)結(jié)核，見鐵錳染，可見少量青綠條帶，局部含砂質(zhì)較多，約10%，可見灰綠侵染、點狀銹染；黏土層，以褐黃色為主，局部呈棕—棕黃色，可見錳染、偶見繡染，可見鈣質(zhì)結(jié)核；粉土層，可見銹染，局部灰綠色侵染，巖性不均一，上細(xì)下粗，局部夾粉砂薄層，可見貝殼殘片；粉砂層，分選性差，透水性較差，可見斜層理，含土質(zhì)較多，見中度銹染，局部夾粉質(zhì)黏土薄層；細(xì)砂層，以灰黃色為主，分選性較差，透水性較差，可見斜層理，巖性不均一，兩邊細(xì)中間粗，366.00 m以上含粉質(zhì)黏土團(tuán)塊夾粉質(zhì)黏土薄層，可見貝殼殘片；中砂層，灰白色，分選性較好，透水性較好，巖性不均一，局部夾鈣質(zhì)膠結(jié)層。

2 物探測井

2.1 儀器選擇

本次測井使用的儀器為河北力時力拓地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的KH-3S型綜合數(shù)字測井系統(tǒng)，在測井之前對儀器進(jìn)行了全面檢查，各項技術(shù)指標(biāo)均符合中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水文測井工作規(guī)范》(DZ/T0181-1997)相關(guān)條款要求。

2.2 技術(shù)要求

為確保物探測井的準(zhǔn)確度，測井工作是在完成水文地質(zhì)鉆探取心，并通孔換漿以后進(jìn)行的。物探測井過程技術(shù)要求：

(1)測井前要調(diào)整泥漿性能，使其密度和黏度均符合測井要求；

(2)連續(xù)測量記錄，根據(jù)儀器不同可以一次測量全部數(shù)據(jù)，也可分次采集；

(3)探管在井內(nèi)上提和下放速度不可過快或過慢，要符合儀器使用規(guī)定；

(4)儀器采樣間隔設(shè)置不可過大，一般不應(yīng)大于5 cm；

(5)B電極及電位電阻率測量的N電極可放在泥漿池或固定在孔口套管上，但二者不可直接接觸；

(6)自然電位數(shù)據(jù)偏離嚴(yán)重時，可進(jìn)行人工補償；

(7)測量時應(yīng)進(jìn)行曲線初步分析，出現(xiàn)異常時應(yīng)查找原因，有疑問時應(yīng)重測；

(8)測井完畢，應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)解譯，編制文字報告及相關(guān)曲線圖表。

2.3 電阻率測井方法

電阻率測井法是以研究介質(zhì)導(dǎo)電性為物理基礎(chǔ)的一系列方法，基本理論是根據(jù)視電阻率曲線形態(tài)劃分地層、確定其厚度，定量估算地層的電阻率和孔隙度等。

觀測方法是在鉆孔中放置與方法相應(yīng)裝置的電極系，通過供電電極向孔內(nèi)地層通入電流產(chǎn)生電場，記錄測量電極之間的電位差，當(dāng)電極系沿著孔底向上以一定速度移動，就可測出鉆孔整個剖面地層的視電阻值，圖1為視電阻率測井原理圖。

圖1 視電阻率測井原理圖Fig.1 Schematic diagram of apparent resistivity logging

圖1中，A、B為供電極，M、N為測量電極。通過供電電路將強度為I的電流供入A電極，在地下介質(zhì)中形成電位差計量測MN電極之間的電位差，求取地層視電阻率值。咸水相較于淡水屬低阻，從而可以通過曲線劃定咸淡水分界面[15]。

2.4 自然電位測井方法

自然電位測井是利用孔內(nèi)自然電位曲線研究鉆孔地質(zhì)剖面的方法。

觀測方法是將一電極M放入井中，另一個電極N置于地面接地，在不存在任何人工電場的情況下，在井中移動M電極，用儀器測量其相對于N電極間的電位差數(shù)值變化，圖2為自然電位測井原理圖。

圖2 自然電位測井原理圖Fig.2 Schematic diagram of spontaneous potential logging

利用自然電位求地層水電阻率的兩個假設(shè)條件：自然電位只是由電化學(xué)作業(yè)產(chǎn)生的；地層為含水純砂層。礦化度P與地層水電阻率Rw之間的關(guān)系為

(1)

式中：P為地層水的礦化度；t為地層溫度(℃)。通過式(1)可知，地層水電阻率越低，水的礦化度越高[15]。

3 物探結(jié)果

根據(jù)物探測井結(jié)果可知咸水底界分界線在104.30 m處，即咸水段的視電阻率值低于15 Ω·m，屬異常低值，自然電位值低于50 mV，屬異常低值；咸淡水過渡段為104.30～123.05 m，視電阻率值15～17 Ω·m，自然電位值51～52 mV；淡水段視電阻率值高于18 Ω·m，自然電位值高于55 mV；個別薄層測量值存在一定誤差。部分測井曲線及原始數(shù)據(jù)見圖3，從曲線上自然電位及視電阻率可直觀看出淡水段(123.05～142.10 m)均為峰值，及咸水與淡水的過渡段(104.30～123.05 m)。

表1 各代表含水層測井?dāng)?shù)值對比Table 1 Logging value comparison of representative aquifers

圖3 SK深1鉆孔部分測井曲線及原始數(shù)據(jù)Fig.3 Part logging curves and original data of SK-1 deep borehole

4 結(jié)論

(1)經(jīng)物探測井結(jié)果可知咸水底界分界線在104.30 m處，咸淡水過渡段為104.30～123.05 m，淡水段為123.05 m～142.10 m。

(2)通過物探測井結(jié)果并結(jié)合水文地質(zhì)鉆探可以較準(zhǔn)確地劃分出咸淡水分界面，可直接服務(wù)于當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)發(fā)展及生活應(yīng)用，降低咸水給生活和經(jīng)濟(jì)造成的負(fù)面影響，還可以對于在建設(shè)儲備用水源地鉆探成井時如何進(jìn)行分層止水提供了可靠的依據(jù)。

(3)物探測井可作為重要手段輔助判定咸淡水界限，對進(jìn)一步規(guī)劃好各類水資源的開發(fā)利用有重要意義。