獅子洋主航道水平勘察孔測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究與應(yīng)用

李 軍，李 勇，謝小國(guó)，王軍朝，李 維，羅 兵，莫家齊

（1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510635；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；3.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川成都 610081；4.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川成都 610081）

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)軌道交通、引水干線、輸油氣管線等重大建設(shè)項(xiàng)目的大力推進(jìn)，定向鉆探技術(shù)在服務(wù)重大國(guó)家項(xiàng)目上得到了廣泛的應(yīng)用［1］。川藏鐵路沿線地形、地質(zhì)及氣候條件復(fù)雜，開(kāi)展水平定向鉆探有助于提高隧道勘察效率、真實(shí)了解隧道地質(zhì)情況［2-3］。城市市政管線工程建設(shè)、油氣管道定向穿越勘察等領(lǐng)域受城市密集建（構(gòu)）筑物的影響，采用非開(kāi)挖定向鉆技術(shù)，具有環(huán)保、高效、低成本等優(yōu)點(diǎn)［4-5］。斷層、富水區(qū)、陷落柱、溶（裂）隙等地質(zhì)問(wèn)題嚴(yán)重制約著礦產(chǎn)資源的勘探開(kāi)發(fā)與利用，采用水平定向鉆探探測(cè)地質(zhì)問(wèn)題、超前注漿加固，有效地防治礦災(zāi)發(fā)生［6-7］。頁(yè)巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，水平井鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用廣泛，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益［8-9］，水平井測(cè)井技術(shù)的工藝、采集、處理、解釋與評(píng)價(jià)技術(shù)也日趨成熟［10-14］。但是在工程勘察領(lǐng)域，測(cè)井工藝、評(píng)價(jià)內(nèi)容多集中于直孔勘察［15-17］，對(duì)于定向鉆探勘察的測(cè)井研究較少，付天池等采用水平定向鉆探技術(shù)對(duì)巖溶區(qū)進(jìn)行勘探，并采用存儲(chǔ)區(qū)測(cè)井系統(tǒng)采集了電阻率、自然伽馬、聲波時(shí)差等參數(shù)，分析了鉆遇地層巖性、巖溶發(fā)育規(guī)律等［18］。但對(duì)于定向鉆探勘察的測(cè)井工藝、測(cè)井評(píng)價(jià)內(nèi)容及應(yīng)用鮮有研究。本文以珠江三角洲資源配置工程獅子洋主航道定向鉆探勘察與科學(xué)研究試驗(yàn)項(xiàng)目［19］為例，結(jié)合工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征，在水利工程勘察領(lǐng)域首次開(kāi)展了定向鉆探勘察測(cè)井與評(píng)價(jià)研究，分析了鉆遇地層的巖性與構(gòu)造、巖體完整程度、風(fēng)化程度及滲透性等地質(zhì)問(wèn)題，以期為后續(xù)類似項(xiàng)目提供借鑒與參考。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程是國(guó)務(wù)院部署的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，是廣東省歷史投資額最大、輸水線路最長(zhǎng)、受水區(qū)域最廣的水資源調(diào)配工程，它對(duì)保障珠江三角洲地區(qū)城市供水安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要作用，同時(shí)也將對(duì)粵港澳大灣區(qū)發(fā)展推供戰(zhàn)略支撐。因此本工程主要采用地下空間深埋盾構(gòu)方式建造。

本項(xiàng)目穿越獅子洋國(guó)際水道段寬約2.4 km，最大水深約27 m；以東為珠江口東岸三角洲平原，沿線地表為道路和濕地公園，高程約2.4～4.5 m；以西為沖積平面，地表多為農(nóng)田魚塘，高程約0～2 m。獅子洋地區(qū)斷裂構(gòu)造主要為北北西向，斷裂面傾角較陡，斷層破碎帶發(fā)育［20-21］；主要巖土包括人工填土、淤泥質(zhì)土、砂卵石、細(xì)砂以及細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等，巖體風(fēng)化程度高，破碎、透水性強(qiáng)，分化差異大，這些工程地質(zhì)問(wèn)題易造成突泥涌水、開(kāi)挖失穩(wěn)等盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)［22-23］。因此為更好地了解獅子洋水道下伏地層、構(gòu)造及其巖土體性質(zhì)，在獅子洋水道東岸，廣龍高速以北實(shí)施水平定向勘察鉆孔SZYSD-1S，鉆孔基本垂直水道向西進(jìn)行定向鉆進(jìn)，完鉆孔深936.20 m，并采用存儲(chǔ)式測(cè)井儀對(duì)該孔進(jìn)行綜合測(cè)井。工作區(qū)位置見(jiàn)圖1。

圖1 工作區(qū)位置Fig.1 Location of the work area

2 定向測(cè)井工藝

油氣測(cè)井領(lǐng)域常用的定向測(cè)井工藝包括濕接頭式測(cè)井、泵出式測(cè)井、存儲(chǔ)式測(cè)井等。濕接頭式測(cè)井系統(tǒng)為電纜測(cè)井系統(tǒng)，所獲數(shù)據(jù)具有精度高的特點(diǎn)，但其接頭容易損壞、測(cè)速慢，承壓能力和安全性較差都制約了其在深部測(cè)井中的應(yīng)有，泵出式測(cè)井則因工藝流程較為復(fù)雜、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)亦主要應(yīng)用在投入較大的石油鉆井中，而存儲(chǔ)式測(cè)井工藝具有操作簡(jiǎn)單、時(shí)效短、質(zhì)量高等特點(diǎn)［24-25］，張鈺［25］在井況復(fù)雜和存在井控風(fēng)險(xiǎn)的井中試驗(yàn)表明了存儲(chǔ)式測(cè)井系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。定向鉆探工程勘察領(lǐng)域因其鉆探工藝的差異，接頭式、泵出式測(cè)井具有風(fēng)險(xiǎn)大、成本高等困難，因而存儲(chǔ)式測(cè)井系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

2.1 系統(tǒng)組成

定向鉆探工程勘察存儲(chǔ)式測(cè)井儀器為西安瑞達(dá)物探設(shè)備有限公司生產(chǎn)的存儲(chǔ)式組合測(cè)井系統(tǒng)（型號(hào)：RDML3CSX），該系統(tǒng)由井下測(cè)井儀器、地面深度采集系統(tǒng)、地面處理軟件構(gòu)成，該儀器通過(guò)電池供電。測(cè)井前地面深度采集系統(tǒng)與井下儀器時(shí)間同步，然后依靠鉆桿將井下儀器輸送到井內(nèi)；測(cè)井完成后通過(guò)數(shù)據(jù)線將井下測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和地面深度數(shù)據(jù)讀出，地面處理軟件以時(shí)間為標(biāo)尺，將井下測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和地面深度數(shù)據(jù)合并成測(cè)井曲線。該測(cè)井系統(tǒng)采集的測(cè)井參數(shù)包括電阻率、自然伽馬、井溫、井斜等參數(shù)，可根據(jù)需要增減相應(yīng)測(cè)井短節(jié)。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

本次井下測(cè)井儀器最高工作溫度125℃，最大工作壓力80 MPa，最大工作時(shí)間100 h，儀器外徑70 mm，儀器供電24～32 V，存儲(chǔ)容量1 G，深度計(jì)量范圍≤9999.99 m，深度分辨率0.01 m；測(cè)井參數(shù)精度誤差為：自然伽馬±5%、側(cè)向電阻率±5%、井溫±0.2℃、井斜角±0.3°、方位角±3°。

獅子洋定向鉆探SZYSD-1S孔定向測(cè)井時(shí)間為2021年1月13日，有效測(cè)井時(shí) 間 為10：40至20：50，時(shí)長(zhǎng)10 h 10 min，測(cè)井速率約為1.5 m/s。定向測(cè)井工作現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

圖2 定向測(cè)井工作現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Directional logging site

3 測(cè)井評(píng)價(jià)研究

3.1 地層結(jié)構(gòu)與構(gòu)造劃分

區(qū)內(nèi)出露地層主要包括上覆第四系全新世桂洲組（Q4g）和下伏的更新世禮樂(lè)組（Q3l）的三角洲相淤泥質(zhì)土和泥質(zhì)粉砂層，結(jié)構(gòu)松軟、強(qiáng)度低；下伏基巖為白堊系下統(tǒng)百足山組（K1b）泥質(zhì)粉砂巖為主，夾粉砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥質(zhì)含礫砂巖、泥巖、鈣質(zhì)泥巖等，產(chǎn)狀N20°～30°W/NE∠10°～15°，厚層-中厚層結(jié)構(gòu)，較軟-較硬巖。鉆孔布置及揭示地層情況見(jiàn)圖3。

圖3 SZYSD-1S井水平剖面Fig.3 Plan and cross-section of SZYSD-1S

結(jié)合定向鉆孔和已有垂直鉆孔的巖心巖性，自然伽馬與電阻率相結(jié)合，可有效地劃分出鉆遇地層的基本屬性。從表1和圖4可以看出，不同巖土體的測(cè)井響應(yīng)特征差異明顯。第四系自然伽馬變化較大，有機(jī)質(zhì)含量與自然伽馬呈正相關(guān)；泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、含礫砂巖等，隨著泥質(zhì)含量增加，自然伽馬增大，同時(shí)受風(fēng)化程度、含水性等影響，同一巖性電阻率差異較大，但總體的測(cè)井響應(yīng)差異仍取決于巖性的差異。如圖5所示，基于測(cè)井響應(yīng)差異，對(duì)水平定向鉆孔SZYSD-1S進(jìn)行巖土體劃分，共劃分了8個(gè)層位4種巖土體，測(cè)井解釋結(jié)果與定向鉆遇地層基本吻合。

表1 典型巖土體測(cè)井響應(yīng)特征值Table 1 Logging response values of typical rocks and soils

圖4 自然伽馬與電阻率測(cè)井交匯圖Fig.4 Correlation of natural gamma and resistivity

從圖3、圖5中可見(jiàn)，ZK5鉆孔36.84 m、ZK6鉆孔35.50 m以下為一套含礫砂巖，與兩側(cè)的其它鉆孔同一深度范圍內(nèi)巖性差異較大，同時(shí)SZYSD-1S孔297.4 m處電阻率從43 Ω·m陡然下降至23 Ω·m，在380.0 m處電阻率有一明顯抬升界線。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，推斷ZK5、ZK6鉆孔兩側(cè)存在斷層，斷層為北北東向，傾角較陡，巖體破碎，這也是297.4～380.0 m電阻率整體表現(xiàn)為變化較小的低值的原因之一。

圖5 SZYSD-1S井綜合測(cè)井解釋成果Fig.5 Integrated logging interpretation results of SZYSD-1S

總體來(lái)看，定向鉆孔揭示的巖體分化差異大，且存在斷層破碎帶的影響，巖土體軟硬不均，對(duì)后續(xù)盾構(gòu)帶來(lái)一定的不利影響。

3.2 巖石質(zhì)量評(píng)價(jià)與分級(jí)

巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與分級(jí)是工程勘察的基礎(chǔ)性工作，巖體完整性（級(jí)別）包括完整（Ⅰ）、較完整（Ⅱ）、較破碎（Ⅲ）、破碎（Ⅳ）、極破碎（Ⅴ）5類，巖石風(fēng)化程度包括未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化5類。目前對(duì)巖體完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有RQD、巖體完整性指數(shù)Kv、巖體體積節(jié)理數(shù)Jv等［26-28］，其中巖體完整性指數(shù)Kv是波速測(cè)試評(píng)價(jià)巖體完整性常用指標(biāo)。在缺少波速測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，化希瑞等［28］提出了基于巖體電阻率定量表征巖體完整性指標(biāo)的參數(shù)Kr：

式中：Kr——巖體完整性系數(shù)；Rmax——巖石骨架電阻率，取未風(fēng)化地層電阻率最大值，Ω·m；R——巖體電阻率，取地層電阻率平均值，Ω·m；Rmin——巖體中軟弱介質(zhì)電阻率，取地層電阻率最小值，Ω·m。

Kr、Kv均為巖體完整性指標(biāo)參數(shù)，兩者量化指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 Kr劃分巖體完整性及分級(jí)參數(shù)[29]Table 2 Using Kr to divide rock mass integrity and classification parameters[29]

根據(jù)測(cè)井結(jié)果，全井基巖的骨架電阻率Rmax為151 Ω·m，泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖的Rmin為9 Ω·m。計(jì)算獲得B-G層段不同巖性的Kr，全孔Kr為6%～82%，共劃分出極破碎（Ⅴ）、破碎（Ⅳ）、較破碎（Ⅲ）、較完整（Ⅱ）4個(gè)級(jí)別的巖體質(zhì)量。巖石風(fēng)化程度與波速比、風(fēng)化系數(shù)具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系［29］，基于Kr與Kv的相關(guān)性，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001（2009年版））［30］，可獲得巖石風(fēng)化程度與Kr的相關(guān)關(guān)系，因此B-G層段不同巖性的風(fēng)化程度包括全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、弱風(fēng)化等4類。不同巖石具有不同的電阻率，相同巖石因巖體完整性、風(fēng)化程度以及富水情況也不盡相同，結(jié)合鉆井井身位置及工況條件分析，SZYSD-1S井電阻率的影響因素主要包括巖體的風(fēng)化程度、斷層破碎帶、地下水礦化度、巖石成分等影響。SZYSD-1S井巖石質(zhì)量評(píng)價(jià)與分級(jí)見(jiàn)表3和圖5。

表3 SZYSD-1S井巖石質(zhì)量評(píng)價(jià)與分級(jí)表Table 3 Evaluation and classification of rock quality of SZYSD-1S

3.3 滲透系數(shù)估算

滲透系數(shù)是表征含水層特性的一個(gè)關(guān)鍵因素，目前主要采用壓水試驗(yàn)、水流數(shù)值模擬、滲流試驗(yàn)等方式確定，這些方法精度高，但是成本高、工藝繁瑣。研究表明，電阻率與滲透系數(shù)之間存在合理的轉(zhuǎn)化關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用電阻率分析地層滲透系數(shù)取得了較好的應(yīng)用效果［31-34］，最常用的方法是利用Archie公式與Kozeny-Carman公式結(jié)合，建立電阻率與滲透系數(shù)的相關(guān)關(guān)系：

Archie公式：

式中：a——巖性系數(shù)；m——膠結(jié)指數(shù)；n——飽和度指數(shù)；Sw——巖石含水飽和度；Rw——地層水電阻率，Ω·m；R——地層電阻率，Ω·m；φ——巖石有效孔隙度，小數(shù)。

Kozeny-Carman公式：

式中：K——滲透系數(shù)，m/s；δw——流體密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2；d——粒徑，m；μ——運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，kg/（m·s）。

百足山組為飽和含水層，Sw=1。地層水電阻率（Rw）與礦化度、溫度相關(guān)，謝偉民［35］分析工區(qū)地層水為Cl-Na型，礦化度≤21.70 g/L；根據(jù)測(cè)井資料，基巖段溫度為25.6～26.4℃，平均為26.1℃；利用“NaCl溶液電阻率與其礦化度及溫度的關(guān)系圖版”查詢［35］，Rw約0.3 Ω·m。由于本地區(qū)缺少百足山組地層相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，其它參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，a=1、m=2、δw=1000 kg/m3、g=9.8 m/s2、μ=0.0014 kg/（m·s）［36-39］，根據(jù)《巖石分類和命名方案 沉積巖巖石分類和命名方案》（GB/T 17412.1—1998）［40］，本次粉砂巖粒徑取0.0001 m、含礫砂巖粒徑取0.0025 m。

謝偉民［35］、付新喜［39］、洪開(kāi)榮等［41］對(duì)獅子洋地區(qū)百足山組砂泥巖的滲透系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，滲透系數(shù)一般為3.82×10-7～6.39×10-4m/s，泥質(zhì)粉砂巖透水性為弱透水，砂巖透水性為中等透水—強(qiáng)透水。SZYSD-1S井巖體滲透系數(shù)估算及滲透性評(píng)價(jià)見(jiàn)表4，全井巖石孔隙度為0.04～0.25，平均為0.11；滲透 系 數(shù) 為1.01×10-7～1.18×10-3m/s，平 均 為1.69×10-4m/s，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）［42］，全井滲透性為弱透水—強(qiáng)透水，平均為中等透水。其中粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖滲透系數(shù)為1.01×10-7～1.00×10-5m/s，滲透性為弱透水-中等透水；含礫砂巖滲透系數(shù)為2.36×10-5～1.18×10-3m/s，滲透性為中等透水-強(qiáng)透水。測(cè)井分析結(jié)果與試驗(yàn)分析及前人研究成果基本吻合。

表4 SZYSD-1S井巖體滲透性評(píng)估分級(jí)Table 4 Assessment and classification of permeability of rock mass in SZYSD-1S

4 結(jié)論

（1）綜合分析對(duì)比，定向鉆探工程勘察領(lǐng)域因其鉆探工藝的差異，濕接頭式、泵出式測(cè)井具有風(fēng)險(xiǎn)大、成本高等困難，因而存儲(chǔ)式測(cè)井系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

（2）結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)情況，綜合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析了鉆遇地層巖（土）性、構(gòu)造，基于電阻率參數(shù)開(kāi)展了巖石完整性計(jì)算、圍巖分級(jí)、巖石風(fēng)化程度評(píng)價(jià)，分析了影響測(cè)井電阻率的各類因素，半定量估算了鉆遇地層的滲透系數(shù)，并進(jìn)行了滲透性評(píng)價(jià)。分析計(jì)算結(jié)果與鉆遇地層基本吻合，有效解決了獅子洋主航道洋底深埋長(zhǎng)隧洞精準(zhǔn)勘探難題，為粵港澳大灣區(qū)重大工程建設(shè)提供了技術(shù)支持。

（3）通過(guò)在水利工程領(lǐng)域首次實(shí)踐，本文系統(tǒng)地描述了定向（水平）工程測(cè)井系統(tǒng)組成與技術(shù)指標(biāo)，有助于明確類似項(xiàng)目定向測(cè)井工法，能夠滿足對(duì)地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的判識(shí)，具有原位測(cè)試研究的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)定向鉆探勘察有效的技術(shù)補(bǔ)充，能夠?yàn)楣こ炭辈煸O(shè)計(jì)、盾構(gòu)施工、關(guān)鍵問(wèn)題識(shí)別提供基本依據(jù)。