综合地球物理测井技术在滇中引水隧洞工程勘察中的应用

付代光,周黎明,肖国强,王法刚

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉　430010)



综合地球物理测井技术在滇中引水隧洞工程勘察中的应用

付代光,周黎明,肖国强,王法刚

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉430010)

摘要：为判定滇中引水隧洞工程勘察钻孔内岩体完整性，采用将声波测井与钻孔成像相结合的综合地球物理测井技术对钻孔情况进行综合分析判断。阐述了声波测井与钻孔成像测井的方法原理及特点，根据钻孔ZGZK2和XLZK7的声波测井曲线的波速跳跃剧烈程度和钻孔成像的节理裂隙发育特性(方位、倾角和发育密度等)等信息，给出了钻孔内较为准确可靠的岩体完整情况。针对2种测井方法对判定岩体完整性提供参数的侧重点不同，对比分析了声波测井与钻孔成像测试结果对判定节理裂隙发育程度的差异，通过对比分析有助于提高单一测井方法对钻孔内岩体地质情况判定的全面性和精确性，实践证明综合地球物理测井技术在进行深部岩体勘察具有很好的效果，可为指导工程施工提供依据。

关键词：地球物理测井技术；声波测井；钻孔成像；对比分析；综合测井成果分析

1研究背景

在跨流域调水工程中，引水隧洞正逐渐朝深埋、超长、特大方向发展。这些隧洞穿山越岭，经过不同的地质单元，除具有一般浅埋隧洞的地质问题外，还将遇到一系列的特殊地质问题，例如：高地应力、高外水压力和涌水、高地温、有害气体等。为保证隧洞施工顺利进行，在隧洞开挖前需进行物探测试来判断隧洞所在位置的地质情况。地球物理测井技术作为一种最为直观可靠的地球物理勘查方法，能为引水隧洞岩体级别的判定提供较为准确、可靠的信息。声波测井能通过计算岩体波速值而得出岩体完整性系数(BQ)。钻孔成像测井能通过定量统计分析岩体节理、裂隙和断层等发育情况而定性判断岩体完整性。而将声波测井与钻孔成像相结合的综合测井方法能使对地下岩体地质情况了解得更为全面，从而能保证岩体级别判断的准确性。

声波测井在工程选址、地铁建设以及地基灌浆质量检测等[1-3]方面都有广泛应用，其方法主要是通过测试岩体波速与深度关系曲线中的异常变化来判别岩体结构面的发育状况。钻孔成像属于孔中成像方法，其在地应力量测、围岩稳定性计算以及核废物处置的地下选址等[4-6]方面都已经有了大量应用。钻孔成像能对钻孔内岩体结构面的发育方位、倾角和发育程度等状况进行描述与分析。单一测井方法有时受限于场地测试条件的限制，对钻孔内岩体地质情况判定模糊，通过开展地球物理测井方法研究，对比分析不同方法测试结果在同一孔深段内测试结果存在的差异，由此可提高单一测井方法在工程应用中解译的精确性。

本文采用综合地球物理测井方法对滇中引水隧洞工程中的钻孔ZGZK2和XLZK7进行测试，对钻孔内岩体的波速、节理裂隙的发育密度、方位、倾角等进行了计算、分析和评价。从测试结果中选取了2个结构面发育段，对比分析了声波测井与钻孔成像测试结果的异同，有效提高了单一测井方法解译精度，并且保证了调水工程地质勘察结果的准确性，具有一定的工程应用意义。

2声波测井与钻孔成像原理

2.1声波测井测试及解译原理

声波测井由1个发射探头和2个接收探头组成(见图1)，通过声波沿钻孔岩壁传播到2个接收探头的时间差来计算岩体波速。同时利用岩石物性差异，获取钻孔内节理裂隙发育信息[1]。

图1　声波测井原理示意图

声波测井利用声波测井曲线解译的依据是：新鲜完整的岩体波速高、波幅大、频率高，而岩石风化后的波速、波幅和频率均会降低；在岩体破碎及节理裂隙发育区，当声波在岩体中传播时，由于这种不连续界面中往往富含有液体使其波阻抗降低，且在这种界面上传播的声波会发生不同程度的反射、绕射，致使声波的能量大大衰减，导致波速降低，波幅变小，频率变低，反映在声波波形上会出现声波异常区。

2.2钻孔成像基本原理(1) 光学钻孔成像：光学钻孔成像中的RG光学井下成像由1个65 mm平面和斜向测井照相机，1个44 mm“双向照相”和1个42 mm的基准相孔构成。前两者保证了向前和侧向照相能力、照相方向、聚焦和光线强度等参数。数据采集由RG-OPTV软件控制，这个软件是运行在地面测井单元上一个操作简单的应用程序，能实时显示、记录、摄像并以JPEG的标准形式存储。可以进行裂隙识别和定向、岩心定向等方面的地质勘察工作。

(2) 声学钻孔成像：声学钻孔成像的探头应用固定的声波发生器和旋转声波发射镜并以聚焦的超声射线对井壁进行扫描。从井壁发射回来的声波信号振幅和反射时间被同时记录下来。裂隙等特征会降低反射幅度并在测井结果中显示为暗色的正弦轨迹。旅行时测井相当于高精度的一臂井径测井，并可显示开放裂隙和破裂内的直径变化。所记录的方向信息可用以实时修正图像解释软件，具有人工和自动识别选择功能，可以人机交换进行构造方位(倾向/走向和方位)计算。显示选择包括带轴立体投影，方位频度图以及可与实际岩芯数据相对比的“人造岩芯”数据(synthetic cores)。

3工程实例

3.1声波测井

利用地勘钻孔ZGZK2和XLZK7进行了声波测井测试，其测试结果见图2至图3。

图2　ZGZK2钻孔波速-孔深曲线和钻孔波速统计分布

图3　XLZK7钻孔波速-孔深曲线和钻孔波速统计分布

由图2(a)可知：ZGZK2钻孔在孔深460～488 m段波速跳跃剧烈，且波速降低明显，推断该段孔深范围内节理裂隙相对发育，岩体较破碎-破碎；孔深538～632 m段波速跳跃较剧烈，但其跳跃幅度相对较小，推断该段孔深范围内节理裂隙相对较发育，岩体较破碎；孔深450～460 m、488～538 m和632～640 m段波速变化较平稳，波速值较大，推断该段孔深范围内岩体较完整。

通过对ZGZK2钻孔在孔深450～640 m范围内波速计算可知，钻孔内岩体波速最大值为5.98 km/s，最小值为2.22 km/s，平均波速为4.94 km/s。从图2(b)各区间波速分布情况可知：5～6 km/s的波速占44%，4.5～5 km/s占35%，3～4.5 km/s占21%。因此，小于平均波速的岩体所占比例>50%，由此推断该段孔深范围内节理裂隙较发育，岩体较破碎。

由图3(a)可知：XLZK7钻孔在孔深190～330 m段波速跳跃较剧烈，推断该深度范围内节理裂隙相对较发育，岩体较破碎；孔深330～450 m段波速跳跃剧烈，且波速明显降低，推断该深度范围内节理裂隙相对发育，岩体较破碎-破碎；孔深450～590 m段波速跳跃剧烈，推断该深度范围内节理裂隙相对发育，岩体较破碎。

通过对XLZK7钻孔在孔深190～590 m范围内波速计算可知：岩体波速最大值为5.93 km/s，最小值为2.65 km/s，平均波速为4.41 km/s。从图3(b)可以看出，波速>4.5 km/s的岩体占50%，推断该段孔深范围内节理裂隙较发育，岩体较完整-较破碎。

3.2钻孔成像

钻孔成像测试在上述钻孔ZGZK2和XLZK7中进行，主要测试结果见图4至图5以及表1和表2。

图4　钻孔ZGZK2节理统计图和玫瑰花图

由图4和表1可知：在孔深450～560 m范围内，节理裂隙主要发育在NW57°方位，其节理裂隙倾角为48°，该方位的节理裂隙发育密集，岩体较破碎-破碎。节理裂隙在SE58°方位发育较少，且节理裂隙倾角较大，倾角为72°，该方位的岩体较完整。

图5　钻孔XLZK7节理统计图和玫瑰花图

由图5和表2可知：在孔深190～407 m，节理裂

表1　钻孔ZGZK2节理统计(声学钻孔成像)Table 1　Statistics of fractures of borehole ZGZK2 (acoustic borehole imaging)

表2　钻孔XLZK7节理统计(光学钻孔成像)Table 2　Statistics of fractures of borehole XLZK7 (optical borehole imaging)

隙主要发育在SW62°方位，其倾角为36°，该方位的节理裂隙发育密集，岩体较破碎-破碎；在SE37°和NW17°方位节理裂隙较发育-发育，其倾角分别为42°和49°，岩体较破碎；在NE65°方位节理裂隙较发育，其倾角为55°，岩体较完整-较破碎。

3.3对比分析

为了验证声波测井与钻孔成像对节理裂隙、断裂等构造的特征响应结果的一致性，本文将钻孔ZGZK2(孔深459～464m)和钻孔XLZK7(孔深248～253 m)声波测井曲线与钻孔成像结果进行对比分析(见图6和图7)。

从图6(a)声波速度曲线可以看出：孔深460～464 m岩体波速降低，且波速跳跃剧烈，推断该段孔深内节理裂隙相对发育，岩体较破碎；由图6(b)声学钻孔成像结果可知孔深460.8～463.7 m节理裂隙发育较密集(4～7条/m)。通过对比图6(a)与(b)发现，声波测井与声学钻孔成像对节理裂隙等结构面发育的响应能很好吻合，但声波测井的声波跳跃频次与声学钻孔成像确定的节理裂隙发育数不一致，声学钻孔成像确定的节理裂隙发育数要大于或等于声波测井判断的节理裂隙发育数，这是由于节理裂隙间传播的声波时差要小于2接收探头传播的声波时差，从而导致仪器无法分辨，这与地震勘探中的“薄层效应”有相似之处。

图6 钻孔ZGZK2声波测井和声学钻孔成像结果Fig.6 ResultsofacousticloggingandacousticboreholeimagingforboreholeZGZK2图7 钻孔XLZK7声波测井和光学钻孔成像结果Fig.7 ResultsofacousticloggingandopticalboreholeimagingforboreholeXLZK7

由钻孔XLZK7的声波速度曲线(图7(a))可以看出孔深248～253 m岩体波速跳跃较剧烈，推断该段孔深内节理裂隙相对较发育，岩体较破碎-破碎；由图7(b)光学钻孔成像结果可知孔深248～253 m节理裂隙发育密集(5～8条/m)。通过对比图7(a)与(b)发现，声波测井与光学钻孔成像对节理裂隙等结构面发育的响应也能很好吻合。

3.4综合测井结果分析

综合声波测井和钻孔成像测试结果对钻孔ZGZK2和XLZK7内地质情况判断如下： ZGZK2钻孔(孔深450～640 m)的岩体波速最大值为5.98 km/s，最小值为2.22 km/s，平均波速为4.94 km/s，其中小于平均波速的岩体所占比例>50%。在孔深460～488 m和538～632 m段节理裂隙发育，节理裂隙主要发育在NW57°方位，其倾角为48°，岩体较破碎-破碎。XLZK7钻孔(孔深190～590 m)的岩体波速最大值为5.93 km/s，最小值为2.65 km/s，平均波速为4.41 km/s，其中波速<4.5 km/s的占50%。在SW62°方位节理裂隙发育，其倾角为36°，岩体较破碎-破碎；在SE37°和NW17°方位节理裂隙较发育-发育，其倾角分别为42°和49°，岩体较破碎；在NE65°方位节理裂隙较发育，其倾角为55°，岩体较完整-较破碎。

4结论

(1) 声波测井与钻孔成像的岩体判定结果基本吻合，可以相互进行有效的对比验证。

(2) 声波测井对岩体内部节理裂隙发育数的响应(波速跳跃频次)较弱，要少于钻孔成像统计的节理裂隙发育数。

(3) 应用综合地球物理测井技术在调水工程中进行深部岩体勘察具有很好的效果，能够克服单一测井方法的不足，并能进行有效互补。

参考文献：

[1]梅新忠，牛瑞峰，王晨光,等．声波全波列测井仪在工程勘察中的应用[J]．工程勘察，2012,(7)：89-93．

[2]徐鸣洁，钟锴，俞缙,等． 南京地铁工程勘察中声波测试与分析[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(6)：1018-10224．

[3]谢忠球，张玉池，肖宏彬,等． 岩溶地基灌浆质量评价的声波全波列测井技术[J]．中南大学学报(自然科学版)，2012，43(7)：2757-2761．

[4]毛吉震，陈群策，王成虎． 超声波钻孔电视在地应力测量研究中的应用[J]．岩土工程学报，2008，30(1)：46-50．

[5]张东明，齐消寒，尹光志，等． 钻孔电视在地下工程围岩稳定性计算中的应用[J]．昆明理工大学学报(自然科学版)，2013,38(6)：28-33．

[6]苏锐，宗自华，王驹．高分辨率声波钻孔电视及其在核废物地质处置深部岩体研究中的应用[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2922-2928．

(编辑：曾小汉)

收稿日期：2015-01-16；修回日期：2015-03-27

基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(41202223)

作者简介：付代光(1987-)，男，内蒙古扎赉特旗人，硕士，主要从事工程物探方面的工作，(电话)027-82926549(电子信箱)fudaiguang@163.com。 通讯作者：周黎明(1977-)，男，吉林辉南人，高级工程师，博士，主要从事岩土工程地球物理技术方面的研究工作，(电话)027-82926549(电子信箱)brian5396@126.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150057

中图分类号：TU459.3

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)04-0067-04

Application of Comprehensive Geophysical Well Logging Technologyto the Engineering Exploration of Water Diversion Tunnelin Central Yunnan

FU Dai-guang, ZHOU Li-ming, XIAO Guo-qiang, WANG Fa-gang

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:The integrity of rock from borehole of engineering investigation of the water diversion tunnel in Central

Yunnan province is comprehensively ascertained and analyzed by the combination of acoustic logging and borehole imaging. The principles and the features of acoustic logging and borehole imaging are expounded. Furthermore, accurate and reliable rock integrity information is given according to the acoustic velocity jumping intensity of acoustic logging curve and the fracture characteristics (position, inclination and development intensity) of borehole imaging for borehole ZGZK2 and borehole XLZK7. The emphasis of rock integrity parameters obtained by acoustic logging differs from those by borehole imaging, in view of this, differences in the results of fracture development by the two methods are compared and analyzed, which is beneficial to improving comprehensive and accurate rock integrity assessment for a single logging method. Practices prove that the comprehensive geophysical well logging technology has good efficiency in deep rock exploration.

Key words:geophysical well logging technology; acoustic logging; borehole imaging; comparative analysis; analysis of comprehensive logging result

2016,33(04):67-70，77