综合地球物理测井参数评价地下水方法研究

张福彬

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 引 言

1927年9月5日，Conrad Schlumberger和Marcel Schlumberger两兄弟在法国Pechlbrom油田488 m深的井中得到了世界上第一条测井曲线,测井技术从此诞生。1939年12月，我国著名地球物理学家翁文波在四川石油沟1号井中测量了钻孔地层的自然电位和电阻率参数，并根据测量数据确定了气层的位置，这也是我国现代测井事业的开端。相对铁路来说，近年来随着我国交通基础设施建设的快速发展，综合地球物理测井技术被广泛地应用于铁路隧道勘察中，如石太客运专线太行山隧道、张集线旧堡隧道等,这些综合测井勘察成果为勘察设计提供了详实的基础资料[1-4]。其对于含水层的划分采用流体电阻率法、自然电位法等能大致定性分析地层的含水性；扩散法可以确定明显含水层的位置、水的补给方向等，但是扩散法外业测试比较复杂,且成功率低，方法实施受到较大限制[5-7]。本文在前人的基础上，综合研究总结井温、井液电阻率、电阻率、自然电位、声波速度、自然伽马等测井参数的相互关系，为进行含水层的划分提供了新的判定原则，取得了良好的效果。

2 方法原理与研究总结的异常判定原则

本文中含水层划分用到的测井方法主要有井温测井、井液电阻率测井、视电阻率测井、自然电位测井、声波速度测井、自然伽马测井[8-12]。

2.1 方法原理

2.1.1 井温测井

井温测井是基于钻孔地层是一个热稳定体的基本假定，在已经成井的勘探钻孔中，将钻孔中的地下水作为测温介质，利用井温探管测得的温度，实际是钻孔中的水温。如果地层中存在地下水，地下水在钻孔所在地层运移的过程中不断地与钻孔围岩产生热量交换，从而发生温度变化，产生局部的相对高温或低温异常。井温测井通过测量钻孔内的局部温度异常和温度梯度来反映这些变化，从而根据这些变化来推断地下水的运移情况。

2.1.2 井液电阻率测井

自然状态下测得的井液电阻率能直接反映钻孔中井液导电性能，钻孔中井液的导电性能与井液的浓度、化学成分及温度等因素密切相关。当钻孔中地层不存在地下水时，井液中的矿化度不会变化，测得的井液电阻率曲线会是一条直线；当钻孔中地层存在地下水，从而造成井液矿化度变化时，测得的井液电阻率曲线会在含水层界面上产生明显的异常幅值。当钻孔穿过含水层时，井液与含水层之间形成一种相互补给的关系，含水层位置井液的矿化度会出现变化，从而使井液电阻率曲线出现变化，根据这种变化可以推断地下水的运移情况。

2.1.3 视电阻率测井

视电阻率测井是通过设置在电阻率探头中的不同供电极距的电极来连续测量钻孔中地层电阻率的一种方法，视电阻率曲线也是通过连续测量数据形成的。钻孔中不同岩性地层的视电阻率各不相同，当电阻率探头经过含水地层时，会出现相对低阻异常，从而可以根据不同岩性地层的围岩背景值与所测得视电阻率曲线实测值的差异来确定含水地层，因此将视电阻率测井曲线与其他测井参数曲线相结合来划分含水地层界面，并根据电阻率曲线的这种变化推断地下水的运移情况。

2.1.4 自然电位测井

自然电位测井是通过自然电位探头测量钻孔中岩层的天然电场电位即自然电位的变化的一种测井分支方法。钻孔中自然电位的形成主要是由于电离子的扩散及吸附，同一钻孔中相同岩性的没有地下水的地层的自然电位曲线变化不大,近乎于一条直线，当自然电位探头经过含水地层时，地层中的水会对电离子产生吸附作用,从而造成电场的变化，表现在自然电位曲线上就是会使平缓的曲线长生突变，出现局部的自然电位异常。根据自然电位曲线的这种变化可以推断地下水的运移情况。

2.1.5 声波速度测井

声波速度测井是通过声波测井探头测量声波速度在钻孔地层中的传播速度来研究各地层完整性等特性的一种测井分支方法[5]。钻孔中各地层的声波速度大小主要取决于各地层岩体的孔隙度胶结程度以及岩体节理裂隙的发育情况等。根据声波速度数值的大小及相同岩性的声波速度曲线，可以确定钻孔中各岩层的节理裂隙发育情况和断层破碎带。岩体破碎的断层破碎带以及节理裂隙较发育的地层也是富含水层的重要标志，声波速度测井曲线可以辅助划分含水层的位置，推断地下水的运移情况。

2.1.6 自然伽马测井

自然伽马测井是通过自然伽马探头沿钻孔孔壁测量各地层岩体自然伽马射线强度的一种测井分支方法[13]。不同岩性的岩体都含有数量不一的放射性元素，这些放射性元素的放射性大小可以通过自然伽马探头中的传感器相对准确地测量出来，其放射性强度的大小主要取决于各地层岩体的泥质含量及含水性。因此可以根据自然伽马测井数值的大小确定钻孔中各地层岩体的泥质含量和判断各地层的渗透性，从而确定含水层界面。

2.2 研究总结的异常判定原则

2.2.1 含水层井温曲线特征

钻孔内井液的温度主要取决于不同温度地下水的运移。异常的判别原则是通过对比正常的地温增长规律与实测井温曲线，来寻找相对高温异常或者低温异常，进而判别是来自浅层的低温水还是来自深层的高温水。与钻孔中各地层正常温度相比，钻孔中浅层含水层地层的温度会明显地降低，表现在井温测井曲线上会出现明显的低值异常；反之，钻孔中深层水含水地层的温度会明显地升高，表现在井温测井曲线上会出现明显的高值异常。

2.2.2 含水层井液电阻率曲线特征

钻孔内不同层位井液电阻率数值的大小主要取决于其井液的矿化程度，钻孔中相同岩性的不含水地层的井液矿化度相差很小，所测得的井液电阻率曲线近乎为一条直线。含水层段的水会与该层段的井液进行混合，从而造成该层段矿化度出现变化，表现在井液电阻率曲线上会出现明显的异常变化，产生相对高值或低值异常，可以利用井液电阻率曲线出现的异常变化来确定含水层段的位置。

2.2.3 含水层视电阻率曲线特征

钻孔内不同层位相同岩性地层的视电阻率数值大小基本相同，不会出现明显变化，其背景值大小主要取决于各岩性体中的不同矿物含量的多少。含水层段(裂隙水、断层水)视电阻率会明显降低，表现在视电阻率曲线上会出现明显的低阻异常。

2.2.4 含水层自然电位曲线特征

钻孔内含水地层与不含水地层的井液矿化度存在明显差异，这样就会造成明显的电离子迁移、吸附，从而造成自然电场出现明显的变化，当探头经过含水层段时，表现在自然电位曲线上会出现偏离基线(背景值)明显上升或下降。自然电位出现正异常还是负异常，主要决定于含水层段和不含水层段之间井液矿化度之间的大小差异。

2.2.5 含水层声波速度曲线特征

当钻孔中的地层为断层破碎带，声波速度探头发射的声波在这种岩体中传播，能量会衰减得很快，反映在声速曲线上会出现明显的低速异常；当声波在有节理裂隙较发育的岩体中传播时，声速曲线往往呈锯齿状，但声波速度不会明显降低；地下水的发育往往是在断层破碎带及节理裂隙较发育的岩层，可以利用声波速度曲线辅助确定含水层位置。

2.2.6 含水层自然伽马曲线特征

自然伽马数值大小主要取决于钻孔内地层岩性以及该地层的泥质含量，对于相同岩性地层而言，含水层由于水流的作用泥质含量会出现明显变化，自然伽马曲线也会出现相对高值或低值异常，因此可以利用自然伽马测井曲线辅助确定含水层位置。

3 工程实例

含水层(裂隙水、断层水)的划分是利用多个综合测井参数曲线的实测值进行综合分析的结果。首先需要分析视电阻率曲线与声波速度曲线，这两种参数曲线形态基本相同是得到一组好的综合测井数据的前提。在这两种参数曲线形态基本相同的前提下，首先要通过声波测井曲线确定裂隙水和断层水，并通过视电阻率曲线与自然电位曲线找出大致的异常范围，然后通过井液电阻率曲线以及自然伽马曲线精确划分含水层，最后通过井温曲线确定是浅部的低温水还是深部的高温水。

3.1 杭州经绍兴至台州铁路某隧道GDZ-147孔综合测井解释成果

图1为GDZ-147孔综合测井解释成果，从图1中可看出，视电阻率曲线与声波速度曲线形态基本相同，视电阻率曲线和声波速度曲线出现异常的部位，井温、井液电阻率、自然电位及自然伽马曲线也有相应的异常反应。具体解释如下：

图1 杭州经绍兴至台州铁路某隧道GDZ-147孔综合测井解释成果Fig.1 Comprehensive logging interpretation results of GDZ-147 hole in a tunnel of Hangzhou-Shaoxing-Taizhou railway

1)在28.5～31.1 m段各测井曲线均出现明显异常，为复合异常，声波速度为3 440 m/s，声速曲线呈锯齿状、速度无明显降低，相对较完整；视电阻率为365 Ω·m，该段电阻率相对低阻；自然电位为148 mV，该段自然电位相对高值；井温、井液电阻率、自然伽马出现低值异常。推断该异常为围岩裂隙较发育引起，地层中有浅部的少量低温水溢出。

2)在49～55 m段各测井曲线均出现明显异常，为复合异常，声波速度为2 810 m/s，声速曲线呈锯齿状、速度明显降低，相对较破碎；视电阻率为62 Ω·m，该段电阻率相对低阻；自然电位为221 mV，该段自然电位相对高值；井温、井液电阻率、自然伽马出现明显低值异常。推断该异常为断层破碎带引起，地层中有大量浅层低温水溢出。

3.2 新建沈阳至白河铁路工程某隧道18-ZD-2816孔综合测井解释成果

图2为18-ZD-2816孔综合测井解释成果，从图2中可看出，视电阻率曲线与声波速度曲线形态基本相同，视电阻率曲线和声波速度曲线出现异常的部位，井温、井液电阻率、自然电位及自然伽马曲线也有相应的异常反应。具体解释如下：

图2 新建沈阳至白河铁路工程某隧道18-ZD-2816孔综合测井解释成果Fig.2 Comprehensive logging interpretation results of 18-ZD-2816 hole in a tunnel of new railway project from Shenyang to Baihe

1)在30.4～32.3 m段各测井曲线均出现明显异常，为复合异常，声波速度为2 074 m/s，声速曲线呈锯齿状、速度明显降低，相对破碎；视电阻率为2 291 Ω·m，该段电阻率相对低阻；自然电位为-37 mV，该段自然电位相对高值；井液电阻率、自然伽马出现低值异常；井温没有出现明显异常。推断该异常为断层破碎带引起，地层中有浅部的少量低温水溢出。

2)在49～54 m段各测井曲线均出现明显异常，为复合异常，声波速度为3 135 m/s，声速曲线呈锯齿状、速度明显降低，相对较破碎；视电阻率为2 043 Ω·m，该段电阻率相对低阻；自然电位为-7 mV，该段自然电位相对高值；井液电阻率、自然伽马出现明显低值异常；井温出现高温异常。推断该异常为断层破碎带引起，地层中有深部的高温水溢出。

3.3 新建沈阳至白河铁路工程某隧道18-ZD-8420孔综合测井解释成果

图3为18-ZD-8420孔综合测井解释成果，从图3中可看出，视电阻率曲线与声波速度曲线形态基本相同，视电阻率曲线和声波速度曲线出现异常的部位，井温、井液电阻率、自然电位及自然伽马曲线也有相应的异常反应。

图3 新建沈阳至白河铁路工程某隧道18-ZD-8420孔综合测井解释成果Fig.3 Comprehensive logging interpretation results of 18-ZD-8420 hole in a tunnel of new railway project from Shenyang to Baihe

1)在91.8～95.2 m段各测井曲线均出现明显异常，为复合异常，声波速度为3 939 m/s，声速曲线锯齿状，相对较破碎；视电阻率为2 717 Ω·m，该段电阻率相对低阻；自然电位为47 mV，该段自然电位相对高值；井温、井液电阻率、自然伽马出现低值异常。推断该异常为断层破碎带引起，地层中有浅部的低温水溢出。

2)在115.6～120 m段各测井曲线均出现明显异常，为复合异常，声波速度为3 895 m/s，声速曲线锯齿状，相对较破碎；视电阻率为507 Ω·m， 该段电阻率相对低阻；自然电位为144 mV， 该段自然电位相对高值；井液电阻率、自然伽马出现低值异常；井温出现高温异常。推断该异常为断层破碎带引起，地层中有深部的高温水溢出。

4 结 论

通过综合地球物理测井工程实例分析研究总结如下：

4.1 裂隙水评价方法

裂隙水含水地层综合测井异常为各参数的复合异常，声波速度曲线呈锯齿状、声速无明显降低；视电阻率出现相对低阻异常；自然电位曲线偏离背景值线上升或下降，出现相对高值或低值异常；自然伽马、井液电阻率曲线在含水层界面上会产生明显的突变异常，出现相对高值或低值异常；如果井温曲线增长规律不符合该区域正常的地温增长规律，出现相对低值异常，该层段裂隙水为浅部的低温水，反之，如果出现相对高值异常，该层段裂隙水为深部的高温水。

4.2 断层水评价方法

断层水含水地层往往为断层破碎带，综合测井异常为多个综合测井参数的复合异常，声波速度曲线呈锯齿状、声速明显降低；视电阻率出现相对低阻异常；自然电位曲线偏离背景值上升或下降，出现相对高值或低值异常；自然伽马、井液电阻率曲线在含水层界面上会产生明显的突变异常，出现相对高值或低值异常；如果井温曲线增长规律不符合该区域正常的地温增长规律，出现相对低值异常，该层段断层水为浅部的低温水，反之，如果出现相对高值异常，该层段断层水为深部的高温水。