綜合地球物理測井多參數(shù)地質(zhì)解譯方法與應(yīng)用

0 引言

地球物理測井最早被應(yīng)用于石油、天然氣和礦產(chǎn)勘探等領(lǐng)域[1-4]，后逐漸在鐵路、煤礦、凍土等環(huán)境地質(zhì)和工程地質(zhì)領(lǐng)域得到實踐[5-7]，近年來有學(xué)者利用機器學(xué)習(xí)方法，從綜合地球物理測井數(shù)據(jù)中預(yù)測礦物組成[8-9]。目前地球物理測井以聲波應(yīng)用最為普遍[10]，井溫、井徑、井斜、自然電位、電阻率等測井方法在工程勘察中應(yīng)用較少。影響工程巖體分級的因素除了巖體完整性，地下水、地應(yīng)力、巖石組成都會對工程巖體的穩(wěn)定性及地下施工安全產(chǎn)生重要影響[]，而電阻率、自然電位、鹽化擴散、自然伽馬等測井方法能夠?qū)Φ貙雍浴r性、泥質(zhì)含量等進行評判。

此外，隨著施工地質(zhì)條件的復(fù)雜化，單一測井方法對地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的判定存在較大的不確定性，這是地球物理多解性造成的，如聲波測井對巖性接觸面和構(gòu)造破碎帶有敏感響應(yīng)，能夠準確定位和判識構(gòu)造。然而，在擴孔和巖體破碎的情況下，可能會引起波形異常，且無法區(qū)分巖性分界面。聲波測井技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于地層分析，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下，信號解譯仍存在困難。電阻率測井適用于探測裂隙破碎帶、斷層破碎帶和巖性分界面等地質(zhì)構(gòu)造，其測得的軟硬薄互層的視電阻率值呈高低起伏變化，但在破碎程度較弱的地段，敏感性降低；電阻率測井在工程勘察中應(yīng)用較少，受地層水分影響較大，需要結(jié)合其他方法進行綜合分析。自然電位測井用于判斷巖層滲透性和地層水電阻率，對破碎帶和巖性分界面呈現(xiàn)負幅值異常，但對多數(shù)構(gòu)造無明顯幅值變化，單獨使用效果有限；自然電位測井作為輔助方法，與其他測井方法結(jié)合使用，技術(shù)上對復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的判別能力有限。井徑測井適合判斷破碎程度劇烈及空洞發(fā)育的地層，通過井徑增大程度判斷巖體破碎程度，對弱構(gòu)造發(fā)育段，其敏感性降低甚至無變化；井徑測井用于巖體完整性評估，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下，數(shù)據(jù)解譯復(fù)雜。井斜測井用于確定鉆孔軸線的空間位置，對金屬套管存在敏感，其在鉆孔方向和位置的精確測量中應(yīng)用廣泛，但在金屬套管存在時，測量精度受限。

為了彌補地球物理測井方法本身的局限性，有必要開展多方法多參數(shù)的綜合地球物理測井研究。綜合地球物理測井是采用兩種或兩種以上的地球物理測井技術(shù)，測量鉆孔中介質(zhì)物理特性的綜合探測方法。目前，在工程地質(zhì)勘察中雖然有利用綜合地球物理測井探測地質(zhì)條件的研究[12-16]，但并未對如何解譯復(fù)雜地質(zhì)情況下，產(chǎn)生畸變的綜合地球物理測井信號進行研究，如不能區(qū)分有效信號與干擾信號特征，明確綜合測井解譯原則，則易造成對地質(zhì)情況的誤判。為此，本文對綜合測井中不同方法的測試條件進行了系統(tǒng)的歸納總結(jié)，并以某工程勘察的綜合地球物理測井實測數(shù)據(jù)為例，解析不同構(gòu)造類型下的綜合測井曲線變化規(guī)律及局限性，旨在為提高綜合地球物理測井解譯準確性提供參考。

1綜合地球物理測井方法

地球物理測井方法在不同行業(yè)有不同的技術(shù)要求，具體測試技術(shù)細節(jié)可參照相應(yīng)行業(yè)規(guī)范[17-20]。電阻率、自然電位、自然伽馬、聲波測井方法的原理、探測范圍及影響因素等可參見文獻[1，21]。

1.1 電阻率測井

電阻率測井指沿著井身測量井周圍地層電阻率的變化，為此，需要向井中供應(yīng)電流，在地層中形成電場，研究地層中電場的變化，求得地層電阻率。圖1為梯度電極系電阻率測井示意，不成對電極的距離 （AB） 遠大于成對電極間距離（MN）。

不同巖石的電阻率范圍見表1。通過測量地層巖石的視電阻率，能夠識別巖性，確定孔隙度、含水層等信息，但同時也應(yīng)注意地層巖石電阻率具有多解性，巖石電阻率高可能是由巖性變化或孔隙引起。

1.2 自然電位

自然電位在井內(nèi)的分布直接決定自然電位曲線的形態(tài)。自然電動勢通過泥槳、巖層和圍巖等導(dǎo)電介質(zhì)放電，形成自然電流回路，用 r_m，r_s，r_t 分別表示泥漿、圍巖、巖層的等效電阻率，則總電動勢 E_da 為

E_da=Ir_m+Ir_s+Ir_t

式中： I 為自然電流; Ir_m 為自然電流通過泥漿電阻 r_m 時產(chǎn)生的電位降，即自然電位測井的實際測量信號（自然電位幅度）； Ir_s 為自然電流通過圍巖電阻 r_s 時的電位降； Ir_t 為自然電流通過目標巖層電阻 r_t 時的電位降。

式中： U_sp 為自然電位。一般滲透性好或破碎的地層，在地層水礦化度大于泥漿礦化度情況下，自然電位為較大負異常；滲透性差、致密的地層或完整巖石，自然電位為較小負異常。

1.3 自然伽馬測井

自然伽馬測井儀分為地面儀器和下井儀器兩部分。下井儀器的基本組成是伽馬射線探測器、放大器和高壓電源等。伽馬射線探測器是感知伽馬射線并把其轉(zhuǎn)變成電脈沖的裝置，放大器把這些脈沖放大，以便電纜傳輸。

從表2＼～3可以看出，泥巖的自然伽馬的幅值最大，隨著泥質(zhì)含量的減少，其幅值逐漸降低。因此可以根據(jù)自然伽馬測井幅值，定性判斷泥質(zhì)含量。

1.4 聲波測井

目前比較常用的為一發(fā)雙收聲波測井，其T發(fā)射器是一種電一聲轉(zhuǎn)換器，常由壓電陶瓷、壓電石英組成，即發(fā)射器把電能轉(zhuǎn)化為聲能，并以聲波的形式發(fā)射，發(fā)射器每秒間歇性地發(fā)射10～20次，每次發(fā)射頻率為 20kHz 的聲波。R接收器是一種聲一電能轉(zhuǎn)換器，組成與發(fā)射換能器相同，通過接收到的聲能轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。

聲波測井原理示意如圖2所示，單發(fā)雙收測量的是T發(fā)射高頻聲波信號后，同一初至波（滑行縱波）觸發(fā)兩個接收器R1、R2的時間之差，定義為聲波時差Δt 。

Δt=t₂-t₁

式中： t₁ 為首波到達第一個接收器的時間； t₂ 為首波到達第二個接收器的時間。

式中： L₂ 為兩個接收器間的距離； V₂ 為巖體波速。

1.5 井液電阻率

液體電阻率大小與其含鹽量高低成反比（含鹽量達到飽和前），即液體含鹽濃度越低，其液體電阻率值越大。當向鉆孔內(nèi)投入鹽袋后，如果孔內(nèi)有含水地層（流動水），這些含水段就是出水點，水流的流動導(dǎo)致井液鹽濃度降低，隨著投鹽時間的增加，液體電阻率值逐漸增大，通過測試不同時間段的井液電阻率，可以看到井液電阻率數(shù)值明顯增大，根據(jù)鉆孔相應(yīng)深度處電阻率數(shù)值增大的指示方向，可判斷鉆孔的漏水部位；此外，根據(jù)數(shù)值增大的速度，可判斷涌水量[20]

1.6綜合地球物理測井特征

根據(jù)每種測井方法的原理、測試參數(shù)特征，對每種方法的測試范圍、測試條件總結(jié)如表4所示。

開展綜合測井時，井溫、自然電位和井液電阻率測試應(yīng)從上至下測試；對于聲波測井、電阻率測井、自然伽馬測井，上、下均可測試;井徑、井斜等測試方法應(yīng)從下至上測試。

綜合測井順序：井溫（防止探頭擾動井液）、井徑、井斜、自然伽馬、自然電位、電阻率、聲波、井液電阻率測試。

2 應(yīng)用實例

本文以湖北省某工程地質(zhì)勘察項目為例。該項目全境皆山，屬新華夏構(gòu)造系隆起帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動頻繁，斷層、褶皺較為發(fā)育，山體滑坡、坍塌、崩落等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，地質(zhì)條件相對復(fù)雜。測區(qū)穿越地層巖性為泥質(zhì)砂巖、板巖、砂質(zhì)板巖、灰?guī)r等，測區(qū)發(fā)育破碎帶、薄互層、斷層等典型地質(zhì)異常體。通過對鉆孔ZK1、ZK2、ZK3分別開展電阻率、自然電位、自然伽馬、聲波速度、井液電阻率、井溫、井徑和井斜等測試工作，分析不同地質(zhì)構(gòu)造的綜合地球物理測井信號變化規(guī)律。

2.1不同地質(zhì)構(gòu)造類型綜合測井成果

2.1.1 裂隙破碎帶

根據(jù)ZK1（圖3）綜合測井曲線變化，可劃分2個地質(zhì)構(gòu)造段： ① 孔深 145～155m 。根據(jù)電阻率測井曲線顯示，本段視電阻率值并無顯著降低，單純從視電阻率曲線很難判斷該位置為構(gòu)造帶。從自然電位測井曲線，發(fā)現(xiàn)該段自然電位值降低顯著，可推斷該段巖體滲透性好或巖體破碎。自然伽馬幅值在該段無明顯增大，因此推斷該段泥質(zhì)含量低。井徑曲線顯示，井徑在該段增大，推斷由巖體破碎掉塊引起，說明該段巖體破碎。從聲波測井曲線可以看出，該段的聲波速度總體降低，可以進一步推斷該段巖體破碎，聲波曲線局部存在起伏變化是因為巖體破碎產(chǎn)生的周波跳躍現(xiàn)象。綜合聲波、自然電位以及井徑測井曲線分析認為，孔深145～155m 為破碎帶。 ② 孔深 184～190m 。電阻率測井曲線在該段明顯降低，根據(jù)視電阻率幅值變化可判斷為構(gòu)造帶。由自然電位測井曲線可以發(fā)現(xiàn)其電位值降低比較明顯，因此可推斷該段巖體滲透性好或巖體破碎。自然伽馬曲線顯示該段泥質(zhì)含量低。井徑曲線顯示井徑存在單點增大現(xiàn)象，推斷可能發(fā)育一條結(jié)構(gòu)面。聲波測井曲線顯示存在單點波速值降低現(xiàn)象，之后波速值開始升高，因此推斷為巖性接觸面。

巖芯揭示地質(zhì)情況。根據(jù)鉆孔資料，揭示孔深145～155m 段為破碎帶，孔深 184～190m 位置為頁巖與灰?guī)r的巖性接觸面。巖芯揭露地質(zhì)情況與綜合測井分析結(jié)果一致。

2.1.2 薄互層

從ZK2（圖4）綜合測井曲線可以發(fā)現(xiàn)，電阻率、自然電位以及聲波測井曲線變化較為復(fù)雜，不良地質(zhì)分段較難統(tǒng)一，為此分別對電阻率、自然電位、自然伽馬、井徑、聲波測井（井液電阻率測井曲線不做分析）曲線異常段進行分析，最后通過綜合分析，確定最終不良地質(zhì)段。

電阻率。縱觀全測段電阻率曲線，發(fā)現(xiàn)視電阻率值變化較劇烈，可能是相鄰地層產(chǎn)生的減阻屏蔽和增阻屏蔽現(xiàn)象，如果單純從最小電阻率值劃分構(gòu)造段，可以將孔深 112～126m 和 230～248m 劃分為構(gòu)造帶。另外，根據(jù)曲線包絡(luò)變化趨勢，在孔深 151～165，170 ～180m 和 190～205m 存在較明顯的局部低阻，可初步判斷為構(gòu)造發(fā)育段。

自然電位。自然電位曲線變化較劇烈，按自然電位的高低起伏較難劃分構(gòu)造段，如果按曲線包絡(luò)的最低幅值劃分，則可將 112～126m 和 240～254m 劃分為構(gòu)造帶，另外由于薄互層影響，導(dǎo)致利用幅值判斷構(gòu)造發(fā)育段難度增大。

自然伽馬。由于自然伽馬存在統(tǒng)計漲落現(xiàn)象，因此將超過3倍平均幅值的自然伽馬曲線變化段作為不良地質(zhì)段描述，即孔深 112～126m 劃分為構(gòu)造帶，根據(jù)巖性可初步推斷為泥質(zhì)灰?guī)r。

井徑。井徑曲線顯示，在孔深 239m 附近存在變徑情況，由于該孔巖性為灰?guī)r，變徑可能是因為溶蝕或小溶洞發(fā)育。

聲波。由聲波測井曲線發(fā)現(xiàn)，孔深 112～126m ，151～164m 和 240～254m 聲波速度降低明顯，推斷聲波速度降低主要是溶蝕裂隙或小溶洞發(fā)育引起。

巖芯揭示地質(zhì)情況。根據(jù)鉆孔資料，揭示孔深112～127m 為炭質(zhì)灰?guī)r；孔深 151～159，163～165 ，173.7～174.3，175～178，190.3～191.7，239～240m 段溶蝕發(fā)育，巖芯較破碎；孔深 105.2～110.5，245～ 250m 段存在裂隙炭質(zhì)侵染及炭質(zhì)條帶分布。

通過圖4的電阻率和自然電位測井曲線，發(fā)現(xiàn)112～126m 和 230～248m 與不良地質(zhì)段較為對應(yīng)，自然電位在 151～159，163～165，173.7～174.3，175 ～178m 段并未異常變化，電阻率測井曲線存在異常變化，類比于 151～165m 段電阻率變化特征，也可將孔深 190～205m 段判斷為構(gòu)造發(fā)育段，而實際這段并無構(gòu)造發(fā)育，即為假異常信號。自然伽馬和井徑均有1處與實際構(gòu)造發(fā)育段較吻合。聲波測井有3處與實際地質(zhì)情況相對應(yīng)，但在 173.7～174.3 ，175～178，190.3～191.7m 段波速并無明顯降低，因此聲波測井對上述段落的地質(zhì)構(gòu)造判識失效，可能的原因是溶蝕裂隙發(fā)育尺度較小，并未引起聲波速度足夠的變化。

2.1.3 斷層破碎帶

根據(jù)ZK3（圖5）綜合測井曲線變化，分別對該孔的電阻率、自然電位、自然伽馬、井徑、聲波、鹽化擴散測井曲線進行分析。

孔深 30～65m 。電阻率測井曲線顯示，該段視電阻率曲線呈起伏跳躍變化，可以推斷該段局部巖芯破碎，尤其在孔深 48～63m 范圍，巖芯破碎范圍較大。自然伽馬幅值在該段無明顯增大，推斷該段巖體泥質(zhì)含量低。井徑曲線顯示，井徑局部增大，推斷該段巖體局部破碎掉塊。該段的聲波速度曲線出現(xiàn)周波跳躍現(xiàn)象，推斷是由巖體破碎引起。鹽化擴散曲線在孔深40～50m 段，隨著鹽化時間的增長，井液電阻率值呈逐漸增大趨勢，推斷該段可能為發(fā)育較小的涌水層。

孔深 65～125m 。電阻率測井曲線在該段明顯降低，因此判斷該段為構(gòu)造破碎帶。由自然電位測井曲線可以發(fā)現(xiàn)其電位幅值呈正向增大，說明該段正電荷累積、負電荷流向地層，推斷該段發(fā)育構(gòu)造破碎帶，且存在地下水流動，鹽化擴散曲線也證明了這一觀點。鹽化擴散曲線顯示，隨著時間的增大，孔深 70～90m 井液電阻率值逐漸增大，即存在地下水補給的可能。自然伽馬曲線在孔深 65～125m 段的幅值增大明顯，因此推斷該段泥質(zhì)含量增加。井徑曲線顯示，該段的井徑起伏變化劇烈，并總體呈增大趨勢，該段擴徑明顯，可能為巖體松散破碎引起局部脫空。聲波測井曲線在該段波速值總體偏低，聲波測井曲線變化劇烈，一方面是由于擴孔導(dǎo)致聲波速度出現(xiàn)跳躍變化，另一方面是巖體破碎引起的周波跳躍，由此判斷該段巖體破碎。

綜合電阻率、自然電位、自然伽馬、井徑、聲波及鹽化擴散測井曲線特征，推斷孔深 65～125m 段巖體松散破碎，泥質(zhì)含量增大，發(fā)育涌水層。

巖芯揭示地質(zhì)情況。根據(jù)鉆孔資料，孔深 30～ 65m 段，巖芯局部破碎;孔深 65～125m 段為松散破碎帶，泥質(zhì)含量增加。

不同地質(zhì)構(gòu)造類型綜合測井成果分析見表5。

2.2 規(guī)律分析

（1）電阻率測井能有效探測破碎帶、巖性接觸面、薄互層等不良地質(zhì)構(gòu)造，但當遇到無充填干裂隙的破碎巖體時，電阻率測井方法對其敏感性降低，不易通過電阻率值的大小識別構(gòu)造發(fā)育情況。對局部發(fā)育的溶蝕裂隙、薄互層等構(gòu)造，由于薄層或似薄層結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致電阻率測井曲線呈劇烈跳躍變化的特點，畸變的視電阻率曲線使構(gòu)造識別變得困難。為解決這個問題，可采用包絡(luò)法去除曲線細節(jié)，但同時會損失對小構(gòu)造探測的分辨率。對巖性界面、構(gòu)造破碎帶電阻率測井曲線呈明顯的低阻形態(tài)，曲線變化特征易辨識。

（2）巖性分界面和破碎帶的自然電位測井曲線呈正負幅值增大形態(tài)，正負幅值的產(chǎn)生與正負離子移動方向有關(guān)，當井液向地層擴散時，負電荷會累積到井壁，正電荷會聚集到地層，從而導(dǎo)致測試的自然電位呈負值；當?shù)貙拥叵滤蜚@孔內(nèi)流動時，鉆孔井壁聚集正電荷，從而產(chǎn)生正幅值。但自然電位對多數(shù)構(gòu)造無明顯的幅值變化，因此對構(gòu)造發(fā)育段，不宜采用單一自然電位測井方法。鹽化擴散測井方法與自然電位測井相輔相成，鹽化擴散對涌水層具有較好的探測效果。

（3）自然伽馬測井能有效探測含泥質(zhì)地層，但對不含泥質(zhì)的構(gòu)造帶判別具有較大局限性。松散破碎巖體的井徑曲線變化較強烈，對弱構(gòu)造發(fā)育段，其敏感性降低，甚至無變化，因此井徑測井適用于強構(gòu)造破碎帶的探測。

（4）聲波測井對巖性接觸面、構(gòu)造破碎帶均有敏感響應(yīng)，對構(gòu)造的定位及判識相對更準確可靠，但需注意擴孔、巖體破碎引起的正負波速及周波跳躍現(xiàn)象。

（5）選擇綜合測井測試方法時，應(yīng)以聲波和電阻率測井為主，針對探測的目標，輔助不同的測試方法，如對含水構(gòu)造判識，可采用電阻率（聲波） + 自然電位+ 鹽化擴散測井，如需進一步判斷構(gòu)造是否含泥時，可補充自然伽馬測井；如要識別巖性接觸面，可采用電阻率 + 自然電位 + 聲波測井。

3結(jié)論

（1）電阻率測井曲線對斷層破碎帶、巖性分界面、充填型溶洞等構(gòu)造呈低阻異常形態(tài)，對軟硬薄互層，視電阻率值呈高低起伏變化，對該類地質(zhì)結(jié)構(gòu)解譯容易誤判，需謹慎處理，對裂隙破碎程度相對較弱地段，視電阻率曲線的敏感性降低；聲波測井曲線對破碎帶、薄互層、溶洞等構(gòu)造成跳躍（波速高低變化）或低速異常形態(tài)，聲波測井對巖性分界面無法區(qū)分。自然電位曲線對破碎帶、巖性分界面呈現(xiàn)負幅值異常，對薄互層敏感性較低，泥質(zhì)充填型溶洞的自然電位曲線變化平穩(wěn)，其作為基線無法有效判斷地質(zhì)構(gòu)造類型。自然伽馬測井曲線對泥質(zhì)含量增加地層呈高幅值異常，對其他無泥質(zhì)充填的構(gòu)造敏感性低。井徑曲線適合判斷破碎程度劇烈及空洞發(fā)育地層，根據(jù)井徑增大程度判斷巖體破碎程度。井液電阻率僅對涌水地層有良好反應(yīng)，當?shù)貙哟嬖诘叵滤a給時，井液電阻率曲線隨著鹽化時間的增大，視電阻率值逐漸增大。

（2）開展綜合地球物理測井數(shù)據(jù)綜合分析時，應(yīng)以電阻率和聲波測井曲線解譯為主，其他測井方法結(jié)果作為參考數(shù)據(jù)；參考數(shù)據(jù)的異常應(yīng)綜合其他方法綜合分析，而不能單獨依靠某一種方法對地層構(gòu)造發(fā)育情況進行判斷。

（3）應(yīng)以探測體地球物理特征為目標導(dǎo)向，選擇合適的測井方法或組合。如電阻率測井適用于探測裂隙破碎帶（裂隙發(fā)育密集，巖體切割程度劇烈）、斷層破碎帶、巖性分界面、薄互層等地質(zhì)構(gòu)造，聲波測井適用于探測裂隙破碎帶、斷層破碎帶、巖溶、薄互層等地質(zhì)構(gòu)造，自然電位適用于破碎帶、巖性分界面等構(gòu)造，自然伽馬適用于探測含泥質(zhì)地層，并液電阻率適用于存在地下水補給地層。針對不同的探測目標，選擇性地開展最優(yōu)組合綜合測井探測，既可提高工作效率，又能改善解譯的準確性。

（4）由于不同測井方法對不同地質(zhì)體的敏感性差異，多種方法對同一地質(zhì)體表現(xiàn)出不同的異常特征，因此，開展復(fù)雜地質(zhì)條件下的多方法聯(lián)合約束反演，可以提高不良地質(zhì)體的解譯精度和水平。此外，隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，開展地球物理信號特征智能識別研究，有助于提高測井數(shù)據(jù)解譯的智能化水平，增強對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)能力。

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（編輯：高小雲(yún)）