地球物理测井在福州地铁2号线勘察中的应用

■杨文明

（福建省交通规划设计院，福州　350004）

地球物理测井在福州地铁2号线勘察中的应用

■杨文明

（福建省交通规划设计院，福州350004）

地球物理测井是在地铁勘察中配合钻探及土工试验划分地层，确定地层物理特性的有效手段。本文结合福州地铁2号线勘察，列举了剪切波测井、电阻率测井、井温测井、自然伽马测井四种方法的基本原理、使用方式、成果处理及效果。

测井地铁勘察剪切波电阻率井温自然伽马

0　概述

福州市位于福建省东南沿海，经济发展迅速，城市交通压力大，在建的地铁1号线南北方向贯穿城区，拟建控制性的福州地铁2号线与1号线相交，近于西北至东南方向，沿线场地地貌单元主要为冲、淤积平原地貌，工程地质分区属冲、淤积区，存在较厚的软土淤泥及砂层，局部还存在卵石层，因而勘察要求较高，需要多种勘察手段配合完成。笔者在福州地铁2号线勘察中采用地球物理综合测井方式并取得了良好的效果。

下面按采用测井数据采集系统分述如下：

1　剪切波测井

其主要目的是配合钻探划分场地土类型和类别。

剪切波测井常规是采用单孔检层法（扣板法）：即利用放置到钻孔中的传感器接收由地面敲击扣板产生的P、S波信号到达时间（初至），来确定钻孔所处地层波速的一种方法。该方法需配备地面振源，受场地条件限制，在城市坚硬地面（水泥地面、公路等）、水上和水田内开展工作有一定难度；测试较深钻孔时，由于波传播距离长，信号衰减严重，有时多次叠加也难以取得满意的测试结果；由于施工场地干扰较多，使得波形复杂，对非专业技术人员来说，资料处理工作有一定的难度。为降低上述环境干扰，本工程的剪切波测井采用XG—I悬挂式波速测井系统，如 图1所示。

悬挂式波速测井方式所测波速对应于两道接收检波器（相距1m）所在的平均深度，仪器的工作过程如下：将震源和接收检波器置于钻孔中，以井液作为耦合剂，用电磁震源垂直于井壁作用一瞬时冲击力，经过井液耦合，此时在井壁地层中产生两种类型质点振动，一种是质点振动方向垂直于井壁，沿井壁方向传播，称为剪切波 （横波）；另一种是质点振动方向与传播方向相同，称为压缩波（纵波），位于震源下方的两个相距1m的检波器接收沿井壁地层传播的剪切波信号并转换成电信号，主机对信号进行数据处理后采用两道互相关分析方法，自动判读剪切波在两道检波器间传播的时间差，从而计算出两道间的剪切波传播速度。同时原始波形图及自动计算的结果显示在微机显示屏上［1］，如图2所示。

图1 XG—I悬挂式波速测井系统

图2　试验孔现场波速测试结果

悬挂式波速测井由于震源靠近接收检波器，信号较强，可有效地压制其它干扰波，采用一发两收装置，避免了震源——仪器系统的延时引起的波速计算误差，提高了波速测试的精度。

表1为本工程各土层的剪切波速统计表，表2及表3为部分钻孔分别按《建筑抗震设计规范》和《铁路工程抗震设计规范》标准判断的场地类别。

表1　各岩土层剪切波速表

表2　部分钻孔场地类别判定表（《建筑抗震设计规范》）

表3　部分钻孔建筑场地类别判定表（《铁路工程抗震设计规范》）

2　电阻率测井、井温测井、自然伽马测井

这三种测井方式采用JGS-1B智能工程测井系统，其系统构成及连接示意图如图3所示。

JGS-1B综合数字测井系统由测井主机、手摇绞车、探管、电脑连线组成。各部分作用如下：

测井主机：提供井下探管的工作电流，记录和处理测井的深度信号及探管的测量信号。

图3　JGS-1B智能工程测井系统构成示意图

探管：测量地层的物性参数并将其转化为电信号。手摇绞车：控制绞车做测井探管的下降和提升。

笔记本电脑：用作测井参数的设置和测井曲线的实时显示及后续的各种曲线处理。

2.1电阻率测井

其目的是测定地层的视电阻率，为供电等专业提供设计依据，同时视电阻率也是判定土体对金属腐蚀性的辅助参数。

广义的电阻率测井是指以岩石、矿石电性为基础的一组测井方法，包括视电阻率测井、微电极测井、侧向测井等测井方法。本工程采用的测井方式为普通电阻率测井中的倒装电位电极系，示意图见图4。视电阻率：

图4　倒装电位电极系

当MN→∞，AN→∞，则可看做AN=MN，且VN=0，ΔVMN=VM-VN=VM

所以

AM、I一定后，Ra与M的电位VM成正比，因此该电极系称为电位电极系。

值得注意的是：在实际测量中M与N的距离不可能为无穷大，但如果MN/AM≥19时，这样的电极系与理想电位电极系之间的误差小于5%，仍可近似看做理想电位电极系［2］。

2.2井温测井

其目的是提供地铁设计时结构温度应力、暖通设计等所需的温度参数。

井温测井采用电阻式温度仪，其传感器为铂金属热敏电阻，它由于其物理、化学性质非常稳定，其线性度最好，能把温度变化引起的电阻变化转换成电压信号输出。

式中，K为仪器常数，表示电阻每变化一个单位时，温度的变化值。测出的曲线也叫梯度井温曲线，即温度随深度的变化曲线。

本次采用的电阻式温度计所测温度的绝对精度为

0.2℃，分辨率高，完全满足规范0.5℃的要求。

2.3自然伽马测井

其目的是测定地层的天然放射性辐射参数。

自然伽马测井原理如图5所示，其测量过程如下：

图5　自然伽马测井原理图

图6　钻孔MBZ2-A11综合测井成果曲线

（1）γ射线探测器探测到地层的γ射线，并将γ射线变换成电脉冲信号 （每一道γ射线变换成一个负脉冲信号）。

（2）此脉冲信号送入井下放大器进行放大。

（3）井下放大器放大的脉冲信号送入地面的放大器再进行放大 （原因是脉冲信号通过电缆之后会有些衰减）。

（4）由于脉冲信号中混合一些干扰信号，需经过鉴别器进行鉴别，排除干扰。

（5）将一些畸变的脉冲信号送入整形器进行整形。

（6）归一化的波形送入计数电路记录单位时间内脉冲个数。

本工程采用二级刻度的R411自然伽马探管，其探测器为碘化钠晶体，提供成果的测量单位为API。

JGS-1B智能工程测井系统采集的原始曲线数据经记录点对齐 （将所测参数的记录点位置由参考深度移到真实深度）及数值计算（通过相应探管的标定系数将测井的原始数据转换成标准单位的真实值）两个主要处理步骤，最终成果以CAD输出成图。

图6为钻孔MBZ2-A114的综合测井成果曲线，其中电阻率测井、井温测井、自然伽马测井测点距为0.1m，剪切波测井测点距为1m。

由图6可以看出，井温曲线变化平缓，其数值与地层无关；电阻率、自然伽马、剪切波速三条曲线的变化趋势与各地层深度对应良好，但由于不同的的测井方式反映不同的地层物性指标，其变化趋势又不尽相同。

3　结语

（1）地球物理测井在地铁勘察中是一种有效的勘察手段，可以为设计提供可靠的地层物性参数。

（2）电阻率测井对地层电阻率细微变化反映敏感，可以辅助钻探进行岩性分层。

（3）地表一定深度范围内土体温度主要受大气影响，井温在地表以下10m范围内受大气温度影响较为敏感，因此变化幅度较大，10m以后趋于稳定。

（4）由于放射性元素的衰变规律：同一地层测得的放射性强度不会恒定，在放射性源强度不变、测量条件不变的情况下，在相等的时间间隔内，重复观测放射性强度，每次记录的数值不同，总是在某一数值（平均值）上下波动，即放射性涨落现象。

［1］梅新忠，王振德，王晨光.工程勘察中悬挂式波速测井方法的应用.工程勘察，2006（S1）.

［2］潘和平，马火林，蔡柏林，等.地球物理测井与井中物探.科学出版社，2009，4.

［3］GB 50307-2012，城市轨道交通岩土工程勘察规范［S］.中国计划出版社，2012.

图4　优化后的综合布置三维建模效果图

图4中放样管路数量少且布置紧凑，整体布局上有条不紊。设备的操作、维修空间均留出了足够的距离，且有三个人员通道可以直接到达任何一台设备附近。只在原布置图上稍做调整，优化后的设备布置图却给管系放样带来了相当大的自由度，完全解决了图2中存在的问题。

优化机舱综合布置是一个反复调整的过程，管系放样与设备布置需紧密衔接，相互协调，发现问题相互反馈，对可预见性的隐患及时进行清理，使优化效果螺旋上升，逐步得到比较合理的布置方案。

5　结束语

通过对实船优化机舱综合布置前后的分析对比，论述了设备间相互关系分析对优化机舱综合布置的影响及优化方案的可行性，并取得了良好的实际效果。机舱综合布置不仅受主观因素影响，而且还随着船型的变化而变化，但万变不离其宗，只要掌握相应的分析的方法，积累一定的对比分析经验，找到便捷、可靠的优化方案还是有章可循。

参考文献

［1］朱树文.船舶动力装置原理与设计.上海交通大学出版社，1985.

［2］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册（轮机分册）.国防工业出版社，1999.