硬岩层区工程地球物理测井简要技术及应用

硬岩层区工程地球物理测井简要技术及应用杨坤彪应用范围·水电、核电工程勘探：水坝、水电站、核电站选址·铁路、公路、桥梁、隧道工程勘探·港口、机场的基础地质条件勘探·城市高层建筑地基工程勘探·矿区工程水文勘探一、工程地球物理测井主要方法及其物理基础（一）岩石强度分析1岩石强度参量2岩石强度动态测定的物理基础3地球物理测井确定弹性模量的关系式（二）评价岩石均一性和稳定性1均一性评价2稳定性评价二工程测井的主要方法技术措施(一)密度测井(二)声速测井主要技术要求三弹性模量计算程序四、实例一、工程地球物理测井主要方法及其物理基础主要介绍利用测井资料进行岩石强度分析的物理基础，和测井工作中应进行的刻度、井径校正、误点剔除等主要方法技术措施。并列举实例介绍测井资料的运用，进行工程地质评价的基本方法。在工程地质勘察工作中，应用现代测井技术较为有效可行的是：划分井剖面，确定软弱岩层，查明并圈定裂隙破碎带；进行岩石强度分析提供岩石物理力学工程参量；分析岩石的均一性和稳定性。（一）岩石强度分析1岩石强度参量岩石强度参量是表征岩石抵抗外荷作用而不致损坏的能力大小的物理量。主要用岩石的弹性模量来表征。可以通过应用地球物理方法测定岩石自然状态下原位原体的描述岩石强度的弹性参量。2岩石强度动态测定的物理基础由岩石力学可知：固态物体的强度，取决于介质受力产生的应力与应变的关系。在物体弹性形变范围内，应力与应变之比值称为弹性模量。固体物质的相对强度，是由弹性模量来定义的，它表征固体物质在失去弹性或破碎之前，所能承受的应力大小。因受不同的力，产生不同的应变，而有不同的弹性模量。（1）杨氏模量E当力F作用于弹性体长度L方向，其截面为S，伸长△L时，纵向应力比相对弹性伸长，称为杨氏模量，以E表示。FSELL（2）体积模量K当力F作用于表面积为A、体积为V的弹性体表面，体积变化△V时，应力比体积相对变化，称为体积模量，以K表示。FAKVV（3）切变模量G当切力Ft作用于与作用平行的面积（S）切变角为φ时，切变力比相对切变角的正切，称为切变模量，以G表示。tantFSG（4）泊松比μ当弹性体在轴向应力的拉伸下，产生纵向伸长的同时，会形成横向压缩，其横向相对压缩与其相对伸长之比，称为泊松比，以μ表示。ddLLddLL各弹性模量之间的关系式为：只要得出任意两个模量，就可求得其余两个模量。93KGEKG21G312K3地球物理测井确定弹性模量的关系式介质质点在不同介质中所作的弹性振动的传播，它取决于介质的密度和弹性性质。因此，地球物理测井方法求取钻孔岩石的弹性模量，是以介质密度ρ、纵波速度VP、横波速度VS等参量与弹性模量之间的关系为依据的。根据采用的测井手段不同，而用不同的关系式。（1）具备并采用三维速度测井和密度测井时，可利用测定的密度ρ、纵波速度VP、横波速度VS按下列各式求取弹性模量：2293SSKVEKV2292223410SPSSPattEMPttt2243PSKVV2292234103SPSPttKMPtt9210SaGMPt2SGV222121PSPSVVVV2222212SPSPtttt1.5311111.5aPStte（2）只采用密度和声速纵波时，可采用经验近似公式，或取纵、横波速比估算横波时差，再按上述关系式计算弹性模量。根据地质情况选取经验式如下：其中A=2.125B=45.3248C=-167.312取VP/VS=1.5时则称强度指数,以ED表示。根据岩芯波速测定资料2bPSPttAtBC21PtE1.5311111.5aPStteSPntt（二）评价岩石均一性和稳定性1均一性评价岩体通常为不连续体,其不连续面由宏观的断层、节理、裂隙,和微观的晶面及微裂隙组成。不连续面的发育状况,反映着岩石的均一性特征。它可以通过观测的纵波速度和在完整岩中传播的纵波速度来分析其均一性。用完整系数KW表征岩石的完整性,其数值等于岩石纵波速度（VP岩）,与完整岩石纵波速度（VP完）之比的平方数值。2WVKP岩P完V根据完整系数KW按下列数值范围进行完整性评价：KW范围1～0.90.9～0.750.75～0.450.45～0.25＜0.25完整性极好好较好差极差2WVKP岩P完V2稳定性评价影响岩体稳定性的因素,主要是岩石的构造结构面,和改变岩石性质的风化作用。因此,通常需分析研究其裂隙和风化状况,分别以裂隙系数LS和风化系数Fn来描述。（1）裂隙系数LS硬岩层地区,造成岩石不连续面的主要因素是裂隙。裂隙的发育状况用裂隙系数LS来评价。裂隙系数定义为完整岩纵波速与观测岩石纵波速的平方差对于完整岩纵波速平方的比值：根据裂隙系数,可对裂隙状况分五级进行评价：2221PPWPSVVKVL完岩完评级12345LS范围＜0.250.25～0.50.5～0.650.65～0.8＞0.8评价最好好坚固稍差差（2）风化系数风化作用不仅破坏岩体的完整性,而且会改变岩石的性质。岩石的风化程度,用风化系数Fn来描述,它定义为新鲜岩纵波速VP新与观测经风化岩的纵波速VP风之差对于新鲜岩纵波速的比值。根据风化系数值,可将风化程度分五类进行评价：PPnPVVFV风新新Fn范围00～0.20.2～0.40.4～0.6＞0.6评价未风化微风化弱风化强风化剧风化二工程测井的主要方法技术措施（一）密度测井1密度测井的刻度（1）标准刻度井刻度装有高、中、低三种不同密度的模块地层和水层共有四种密度。令其标准密度值分别为ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，刻度观测的读数分别为J1、J2、J3、J4，设待求的仪器刻度系数为A、B则ρ1=AlnJ1+Bρ2=AlnJ2+Bρ3=AlnJ3+Bρ4=AlnJ4+B用一元一次线性回归，可求出系数A与B。（2）现场刻度取一点源，改变点源至探管记录点的距离，例如距离为r1和r2，读数分别为J1，和J2，，用系数A与B算出对应的密度值ρ1，和ρ2，以此作为现场刻度已知密度。同样读数得出回归系数A′、B′作为测井求测点i的密度值ρi的刻度系数。则ρi=A′lnJi+B′2井径校正r－r（密度）测井记录的散射伽玛射线的强度，取决于探测范围内介质的平均密度。包括探测范围内井液（泥浆）和岩层产生的散射伽玛射线，井径大、源距小则井液散射的强度比例大；而源距过大邻层影响增大。因而要配合井径测井进行井径校正。井径校正步骤如下：(1)令刻度井的孔径为φ标标准，其刻度系数为a0、b0。(2)在不同井径同种岩石的实验井群中观测，设井径分别为φa、φb、φC、…,观测读数为Ja、Jb、Jc…。都按系数a0、b0计算密度值,得ρa、ρb、ρc…(3)由于井径φi与确定系数的标准井径φ标不同,存在一个密度差Δρi,可以根据计算值建立因不同井径影响所引起的密度差关系。即：(4)取为纵轴,井径为横轴，绘制井径校正曲线。iif标X标3现场岩芯样对比与校正取适量的钻孔岩芯,采用高精度密度仪测定密度,作为已知值与测井计算值对比。设井深mi处的岩芯密度为ρi，该深度测井数据为Ji，按系数a0、b0计算的密度为ρJi、当ρi与ρJi对比超差时,按式ρi=alnJi+b求出新的回归系数a、b再计算密度值。(二)声速测井主要技术要求指按规范和各类仪器说明书的技术性要求之外的技术性考虑因素。主要包括仪器选型和其它有关因素与措施。1仪器选型(1)为了能根据实测的密度ρ、纵波速VP（或时差ΔtP）、横波速VS（或时差ΔtS）计算弹性模量，首选是采用三维速度仪。(2)其次应选用双发双收声速（补偿）仪，以便补偿消除因井径变化和一起倾斜引起的异常。(3)采用单发双收声速仪时，应考虑与分析有关影响因素（源间距、周期跳跃、探测范围等），采取相应的必要措施。2采用单发双收声速仪测井的必要措施(1)必须采用井下探管居中器，减少仪器不居中产生的假异常。(2)结合井径测井资料，分析井径变化引起的非地层变化的假异常，以便确定预处理应剔除的采样点。3进行必要的岩芯样波速测定。通常取作密度测试的岩芯，同时测定纵波与横波速度。三弹性模量计算程序四、实例以大冶铁矿某矿体补勘六各工程水文孔中的两个为例。根据工程地质任务，选择投入三侧向电阻率测井，密度与自然伽玛组合测井，铁矿地段发现疑点加上磁化率测井，以此划分和校验井剖面；采用密度和声速测井、配合井径测井进行岩石强度分析。划分和校验井剖面本区地层主要为大理岩、闪长岩、矽卡岩、铁矿、破碎裂隙层等。综合观察分析各方法曲线反映的物性和地层岩性，可得出如下表归纳的特征：岩性电阻率（Ωm）自然伽玛密度（g/cm3）声速磁化率10-3（SI）大理岩高14000-21000极低相对低2.72-2.75相对为低基本无闪长岩中等4000-15000略高略高于大理岩2.74-3.00相对偏高42.7矽卡岩偏低1000-4000略高较高2.8-3.2偏高28.9铁矿低＜1000低极高＞3.5高1118.4裂隙层低＜1000因岩性而异低低岩石强度分析按前述方法校正、预处理之后,计算各采样点的弹性模量。分别按岩性和按强度（E模量）大小分层，算出各层的平均值为了评价勘察区各岩层的强度，可将所有观测孔各岩层的弹性模量平均值按大小顺序示出。例如该区结果如下表所示：岩性E（104MPa）μK（104MPa）G（104MPa）铁矿11．910．2497．974．76矽卡岩化闪长岩6．910．2434．512．78矽卡岩6．420．2514．322，57闪长岩5．930．2513．972．37大理岩4．650．2402．941．87蚀变闪长岩4．290．2472．821．72岩石均一性和稳定性分析取所测定的完整岩样的纵波速度为VP完值，计算完整系数KW，和裂隙系数LS，按数值划分等级。将各级所占井段长度与各等级总控制长度相比，求出各等级占控制井段的百分数，从而取得对全区岩石均一性客观了解的概念。经计算统计的结果列于下表：完整性（完整系数）稳定性（裂隙系数）等级长（m）占（%）等级长（m）占（%）极好341．37最好27511．04好2299．91好188075．50较好210984．70坚固30712．33差1144．58稍差281．13极差40．16差00总计2490100总计2490100同样可根据密度测井资料,按岩性统计各岩层的密度值，经刻度和井径校正之后,统计得出的岩石密度值,由小至大列于下表：其中经统计的铁矿密度值,与地质采样分析得出的总平均密度值只相差不到0.02(g/cm3)。岩性蚀变闪长岩大理岩闪长岩矽卡岩铁矿密度(g/cm3)2.7092.7282.8462.9224.065实践证明,工程地球物理测井,是配合工程地质勘察必要的手段之一。在方法选择正确合理、密切结合地质的前提下,能有效地划分和校验井剖面,弥补钻进采取率不足,可能漏失地质层的缺陷。同时地球物理测井，是对井壁原位原体的自然状态下的地质体进行探测的，因此,取芯采集不到无法进行材料力学试验的软弱、破碎地段,只有通过地球物理测井才能有效配合地质勘察工作。JGSB-1轻便工程测井系统轻便绞车JGSB-1轻便工程测井系统特点:1交直流供电(直流供电时使用12V电瓶)10AH电瓶连续使用时间4小时2轻便地面仪器:≤3Kg绞车(包括310米电缆):≤25Kg3探管长度:≤1.6m重量:≤3Kg4探管直径Φ40mm(声波探管Φ50mm)5多参数测井,功能和JGS系列相当主要技术指标数据传输波特率：9600Bit/S12位A/D转换，测程-10