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关键词：水文地质 勘察 测井 应用 综述 中国论文 职称论文
地球物理测井在水文地质勘察中的应用综述
摘 要:全世界的水资源日益匮乏使得各个国家都不断地加大水文地质勘察力度,以便对地下水资源进行合理的开发、评价和保护。地球物理测井可以在水文钻孔中获得丰富的物性和位场信息,所以它已经成为一种十分重要的水文地质勘察手段。现在地球物理测井包含有几十种不同物理原理的井下测量方法,而且各种方法每年都在不断地发展改进并不断有新的方法出现,所以很有必要对过去这些年水文测井方法的发展做一个总结。通过对国内外这些年水文测井研究与应用工作的分析总结,可以充分了解应用于水文地质勘察的各种测井仪器与方法的发展过程,进而对各种水文测井方法的应用原理进行分类总结,然后根据国内外水文测井工作的实例分析不同地质环境中水文地质单元的测井响应特征,同时总结各水文测井方法适用于解决哪些具体问题。这样就可以为我国今后的水文测井研究和水文地质勘察工作提供一些有用的参考和帮助。
关键词:水文地质;勘察;测井;应用;综述
1 引 言
目前,我国拥有的淡水资源总量居世界第六位,人均淡水资源为世界人均量的四分之一,居世界第一百零九位,属全世界十三个严重缺水国家之一。尤其是我国西部大部分地区水资源本身就少且储藏较深不太容易勘探和开发,西南地区水文地质条件非常复杂也很难勘探开发。所以,我国今后还有大量的水文地质勘察工作需要进行。目前,水文地质勘察中常用的勘探方法有:钻探、坑探、槽探和物探等。其中物探方法包括:地面物探方法和地球物理测井两大类。地面物探方法又包括电法、磁法、人工地震和重力勘探,重力和磁法多用于区域性水文地质调查,人工地震和电法勘探多用于对地下目标体的性质和位置进行大体判断的专门性水文地质调查,其中应用最广泛的是电法勘探。地球物理测井主要是配合地质钻探对钻孔内的水文地质状况进行精确探测。目前,许多测井方法(如:电阻率测井、自然电位测井、放射性测井、声波测井、热测井等)都可以配合钻探取心和水文地质资料,用于钻孔剖面的分层,判断含水层(带),岩溶发育带和咸淡水分界面位置(深度)以及确定水文地质参数等。当采用无心钻进或取心不足时,测井更是不可缺少的探测手段。地球物理测井的地质、水文地质解释精度,远比其他地面物探方法要高。对于确定钻孔中的岩层分界面和出水裂隙段位置的可靠性和精度,有时甚至比钻探取心还高[1]。国外水文地质勘察起步比较早,美国19世纪50年代就逐步把各种石油测井方法引入地下水勘察工作中[2]。国内从19世纪80年代到现在也发展起来一套水文测井方法和设备。
2 水文地质测井方法及仪器设备情况
目前,国内水文地质勘探中常用的测井方法有:电法测井(包括视电阻率法、井液电阻率测井、自然电位测井);放射性测井(包括自然伽马测井,伽马-伽马测井,中子测井,和放射性同位素测井);声波测井;井温测井。还有速度流量测井、水位计测井、井径测井等[1]。上述物探测井方法,除可以完成钻孔地质剖面的测量任务外,还可以测出(或粗略的测定)含水层的水文地质参数和岩石的工程力学性质,也可以解决某些水井工程的特殊问题(如井径、井斜等)。另外,国内现在有些石油测井方法,如成像测井,核磁共振测井在水文地质勘察中使用还较少。以后这些方法必将逐渐投入到水文测井工作中,为更好地解决各种水文地质问题服务。国内比较先进的仪器有重庆地质仪器厂生产的JBS-1型数字测井系统,还有与之配套的一系列软件,能够进行各种工程和水文钻孔的测井项目[3]。煤炭部煤田地质总局于1982年研制成功MDS-1型流速流量测井仪,并广泛应用于煤田和水文地质勘探中。1998年后水利部长江勘测技术研究所研制出适用于水文工程地质勘察一体化的XSC-II型小口径声波全波列测井系统(探头外径50mm)和一套钻孔彩色电视全孔壁成像系统,其应用效果可与国外同类产品相媲美[4]。从20世纪50年代到90年代,我国煤田系统先后研制出一系列测井仪器(从电阻率测井仪到声波扫描成像测井仪),这些仪器在水文地质勘察中起了非常大的作用。20世纪90年代初,水电系统引进了日本OYO公司生产的3000系列综合测井仪代替了使用多年的国产JBT-2型测井仪。3000系列综合测井仪采用了较多先进的集成电路,因此更轻便、精确,自动化程度也较高。这种仪器采用的是二极法测井,与国产的三极法测井有所区别[5]。后来日本推出的3400型综合测井仪测量精度和结构更加标准,能够进行自然伽马、声波时差,井径,井温,流量等测井。国外在水文地质勘察中除了使用上述测井方法外,近年来还投入电磁感应测井,高精度流量测井,井下雷达测量[6]和各种成像测井方法。美国还专门针对水文勘察类浅井测井的需要研制了一种便携式测井系统。
3 应用原理及资料解释
地球物理测井为水文地质勘察提供了一种有效的测量手段。
它在寻找含水层,分析地下水分布,评价地下水质量,探测岩溶,分析地层构造等水文地质勘察工作中发挥着极其重要的作用,而且有许多优点。这是因为测井技术有严密的物理数学原理作为理论基础,并有许多完善的资料处理方法可供使用。3.1 应用原理
1)划分含水层和隔水层:正确地划分含水层,确定层位及厚度,以及研究它们之间的相互关系,这是无论哪种水文地质勘探工作都必须先要解决的问题。视电阻率测井,井液电阻率测井,伽马—伽马测井,中子测井,声波测井等方法都可以用于划分含水层和隔水层,有些方法还可以确定含水层的厚度和位置。因为含水层通常比围岩的电阻率要小一些,孔隙度要大一些,密度要小一些,这些物性差异使得划分含水层变得较容易。
2)进行地下水矿化度测量:当地层水的矿化度越高时,地层电阻率值越低。2002年赵发展等人提出了一种利用石油测井数据(主要为自然电位曲线)计算地层水矿化度的方法,因为可以根据自然电位测井曲线的异常值求取地层水的电阻率,然后根据地层水电阻率与矿化度的反比关系计算出地层水的矿化度。从而开发了石油测井数据在水文地质中的应用,降低了单纯利用水文取样,由于样点少,矿化度预测精度低的缺点[10]。
3)判断裂隙及其泥质含量:裂隙在测井响应上通常表现为声波时差较大,电阻率较小,密度也偏低。如果裂隙存在,那么裂隙中填充的泥质越多自然伽马测井值就越大。
4)岩溶水勘察:声波曲线能直接反映裂隙层位;当溶洞中含水时,自然伽马曲线幅值略低,进而可判断其富水性;在岩溶、裂隙发育处,会出现井径扩大的现象,所以,利用井径曲线也可以判断岩溶裂隙发育程度。
5)划分钻孔地层岩性:不同岩石的密度,电阻率,波阻抗,孔隙度等参数都会存在着一定的差异。根据这些物性差异,通常综合电阻率测井、声波测井、密度测井、中子孔隙度测井等资料就可以划分钻孔的岩性剖面。
6)其他几种测井资料的应用原理流量测井:该方法基于多
层混合井流理论(当钻孔揭穿多个含水层后,由于含水层的水位不等,富水性强弱不均,高水位含水层补给低水位含水层,然后就形成一个混合静水位,凡单层静水位高于混合静水位的含水层都出水,反之则吸水,这样钻孔中就存在有垂向运动),测量垂向流速和横向井径并换算成流量,就可得到各段含水层的出水量和吸水量、进而确定含水层的位置、厚度等参数[9]。井温测井:井温资料反映的不仅是地温梯度的变化,而且是地下水以及井液在钻孔中的综合影响。由于水的导热性较岩石的导热性大,地下水的温度往往使地温梯度变小、井温曲线变陡,因而从井温曲线的变化,可分析出含、隔水层的位置,而通过多孔井温资料在平面上的变化规律,可进一步判断地下水的径流方向;各含水层的水温不完全相同,含水层的水温与其上下围岩岩温有差异,一般相差1~2°C,最大相差高达10°C之多[5]。水位计测井:基本原理通常是由静水压力来计算水位的高程。目前在水位自动化监测系统中多采用轴角编码器的浮子式水位传感器(俗称“码盘”),该设备虽然具有受水质与气候环境影响小、价格低廉、稳定可靠、使用维修方便、无温漂时漂和掉电记忆等特点[11]。
3.2 资料解释
现在水文地质测井资料的解释更多局限于定性的解释,定量解释尚处于探索阶段,因此目前针对水文地质测井资料的处理解释方法还不太多,完善的专业软件也比较缺乏。石油测井解释方法虽然可以解决一些水文工程问题,但仍有些问题不能直接被解决,如单位涌水量,地层富水性、导水系数等参数的确定。当然也有许多人做了一些尝试性的工作。1997年周延奎提出了几种参数的解释模型:矿化度解释模型,导水系数解释模型,渗透系数解释模型,孔隙度解释模型,泥质含量解释模型,单位涌水量解释模型和粒度中值解释模型。这些模型多从石油测井理论中发展而来,虽然能够解决许多问题,但需要根据不同地区的地质条件进行适当修改,决不能简单地套用[12]。1998年张建荣通过对多年积累的水文物探资料的分析研究,发现含水层的电性特征与地下水矿化度之间存在着幂函数的变化规律,并给出经验公式[13]。由于测井得到的物性参数比较多,所以现在许多非线性的反演方法在测井解释中都取得较好的效果,例如:神经网络、模拟退火、分形、模糊识别等方法已经用于测井解释[14]。
4 应用实例
含水层的主要地质特征包括:岩石特征(岩石成分、结构、层理、产状等),孔隙特征(孔隙、裂溶隙的形状、连通性等),地下水水质和它的动力特征。这三个特征中起决定作用的是岩石特征,但在实际中根据水资源开发的需要,孔隙特征显得更重要[15]。
4•1 区域水资源评价
美国从1991年开始进行全国范围的水资源评价,1997年前后田纳西州孟菲斯工区钻了30多口井并进行了一系列测井工作。如孟菲斯工区UR20井的自然伽马测井曲线及其岩性与水文地质解释。该岩性解释为:从0到1•52m是粘土,从1•52m到3•72m是粉质粘土,从3•72m到4•82m是含砾石的粉砂岩,从4•82m到12•43m是砂岩,从12•43m到14•69m是砂质泥岩,从14•69m到19•20m是细砂岩、泥质粉砂岩和泥岩,从19•20m到22•86m是砂岩。水文地质解释为:从1•52m到3•72m是黄土,从3•72m到12•43m是河流相沉积,从12•43m到19•20m是上杰克逊Claiborne隔水层,从19•20m到22•86m是Memphis砂岩。该井中有两处井壁岩心取样,岩心分析结果为3•04~3•66m处主要是粘土,15•24~15•85m主要是细砂岩和少量粘土。可见岩心分析结果和测井解释基本一致。
通过对所有井的测井资料进行分析总结,Eric等人得到一条理想化的自然伽马测井曲线并依此为据建立了该地区的地层岩性模型和水文地质单元模型。从该模型可以看出本地区顶部黄土的GR值约为65API(深度0•61~7•01m),河流相沉积的砂岩GR值约在20~30API(7•01~16•76m),上杰克逊Claiborne隔水层的GR值约为77API(16•76~23•77m),Memphis砂岩的GR值约在13~20API(23•77~31•09m)。该模型比较好的反映了这一地区存在的两个含水层———7•01~16•76m的河流相沉积的砂岩层和23•77~31•09m的Memphis砂岩层。这两个含水层被上杰克逊Claiborne隔水层分开,由于深部Memphis砂岩含水层比浅部的河流相砂岩含水层分布稳定、透水性好,所以它是孟菲斯地区的主要水源。该模型的成功建立对于该地区的水资源评价有很大的指导和帮助[2]。
4•2 岩性解释与含水层的判别
实例显示了德克萨斯州Brazas河盆地中6条测井曲线和岩性的对应关系。该钻孔中的岩石全是沉积岩(各种砂岩,页岩,泥岩,白云岩和硬石膏等)。首先可以从岩性的角度来判断各个层位的孔隙度、渗透性以及饱和度,从而选择研究目标,预测地下水的赋存状况。实验室的分析结果表明上述结论是正确的。根据这些测井曲线来看,30•48m以下的井段有较高的渗透率,后来的抽水试验也证实了这一点[16]。
通常,在石灰岩地区根据高自然伽马、低声速异常,参照井径曲线,结合钻探资料,就能够发现岩溶和岩溶裂隙以及是否有泥质充填物;通过流量测井可以准确了解含水层的层位、厚度及性质,并可定量求取有关水文地质参数。另外,2002年段建华将声波测井资料应用于水文地震勘探中,因为声波测井的纵向分辨率远远高于地震,所以可以利用声波测井资料实现低频补偿、振幅标定和层位划分,提高地震资料对含水层划分与追踪的准确性[19]。从上面的实例分析可以看出不同的测井方法各有各的特长,所以应该根据自己要解决的实际问题选择不同的测井方法组合,这样可以在解决问题的同时又降低勘察费用。国内外还有许多较成功的例子都可以说明地球物理测井在水文地质勘察中对含水层的定性、定位、评价有着很好的效果,而且效率高成本低。
5 结语
随着我国西部大开发脚步的不断加快,西部地区的水资源开发就变得十分重要。在这些地区开展水文地质勘察工作有较大的难度,而地球物理测井技术具有遥测和透视功能,且自动化程度高,效率高,成本低,在以后的水文地质勘察和地下水评价和监测中是一种非常理想的探测手段。应该提倡将多种水文测井方法结合,水文测井与地面地球物理方法结合,使勘探的横向和纵向分辨能力都得到加强。这样不仅可以验证单一方法的可靠性,而且能够弥补单一方法的不足,使得水文地质勘察的精度不断提高。
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Note：http://www.51lunwen.com/search.html
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