地球物理测井在水文地质勘查中的应用综述

地球物理测井在水文地质勘查中的应用综述　茹婷（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安７１００７７）　摘要：文章回顾了地球物理测井技术发展历程，介绍了水文地质测井方法种类，各方法能解决的水文地质问题，以　及测井响应特征和识别方法，最后提出了我国水文地质测井存在的不足和应用建议。　关键词：地球物理测井；水文地质勘查；测井响应特征；综述　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌｏｇｇｉｎｇ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｌｏｇｇｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈａｔ　ｅａｃｈ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｌｏｇｇｉｎｇ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｆｉ—　ｎａｌｌｙ，ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｄｅｉｆｃｉｅｎｃｉｅｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｌｏｇｇｉｎｇ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌｏｇｇｉｎｇ；Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ　ｓｕｒｖｅｙ；Ｌｏｇｇｉｎｇ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；Ｒｅｖｉｅｗ　中图分类号：Ｆ４２６．１；Ｐ６３１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００８—０１５５（２０１７）０３—００４０—０２　相［５］。　地球物理测井是在钻孔中通过测量电、热、　声、放射性等物理性质，以区分地下岩石和流体性　质的一种方法，应用该方法可以在水文钻孔中获　得丰富的物性和位场信息，与地面物探方法相比　具有许多优点，目前已成为重要的水文地质勘查　手段之一。本文将介绍地球物理测井在水文地质　勘查中应用的现状。　１地球物理测弗技术发展历程　１９２７年斯仑贝谢兄弟在法国佩彻布朗油田测　出了世界上第一条测井曲线，测井技术由此诞生，　并得到推广应用¨Ｉ２　Ｊ。３Ｏ年代初到５０年代依次　出现了自然电位测井、自然伽马测井、感应测井、　密度测井、侧向测井、放射性测井等模拟测井技　术　］，并开始使用单一岩性测井解释模型和简　单的数理统计方法进行测井解释，对于岩石物理　参数计算多为半定量或定量解释。而泥质砂岩、　碳酸盐岩和其他复杂岩性储层，尚很难解释。６Ｏ　年代后期，开始出现了岩性一电测井系列（深、中　感应测井，深、浅侧向测井，微侧向测井）、孔隙度　测井系列（密度测井、声波测井、中子测井等）及地　层倾角测井等技术，在定量解释方面可实现单一　的岩性和复杂岩性地层的岩性、油（气）性、物性的　解释，同时可实现以地层倾角测井为核心的地质　分析。７０年代开始应用现代电子计算机记录和处　理数据，测井进入数控时代。出现了如电磁波传　播测井、横波测井和改进的核磁测井，测量精度和　准确度大大提高。９０年代以后，井下仪器向阵列　化、系列化、数字化方向发展，地面测井系统向成　像化发展。斯仑贝谢、贝克休斯和哈里伯顿相继　推出成像测井地面采集系统，测量结果从测井曲　线变成二维或三维图像。成像测井井下仪器主要　有四类：电成像、声成像、核磁成像和井下光学照　经过近九十余年的发展，地球物理测井技术　已从简单的单电极测量逐步演化成了集成化的测　井系列，在测井方法理论、数据采集技术、数据处　理解释方法和应用范围等方面都取得了长足的进　步。根据数据采集系统的特点，测井技术的发展　可分为四个时代：模拟测井、数字测井、数控测井　和成像测井，目前正进入网络测井时代　。　中国地球物理测井技术整体来看，相比国外　美国和法国大约落后ｌ０年，一直处于引进、学习　的水平。　水文地质测井最早可追溯到２Ｏ世纪５０年　代，美国将石油测井方法引入地下水勘察工作　中　。　２水文地质测井方法种类　水文地质测井方法主要有：电法测井、放射性　测井、声波测井、井温测井、井下声波电视测井、水　位计测井、速度流量测井、井径测井、浓度法测井　等。其中电法测井可分为自然电位测井、井液电　阻率测井、视电阻率法。放射性测井分为放射性　同位素测井、自然伽马测井、中子测井和伽马一伽　马测井ｒ　。以上诸方法中，自然电位测井、视电阻　率测井、声波测井、自然伽马测井和伽马一伽马测　井是最常用的水文地质测井方法。　此外，国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［８］和各种成像测井方　法。美国还研制了一种便携式测井系统已应用于　水文勘查类浅井中　Ｊ。但以上技术在国内使用还　相对较少。　以上各种测井方法根据要解决的实际问题可　进行不同的测井方法组合，这样即可以获取更全　面、更可靠的信息，又可以最大程度的降低勘察费　收稿日期：２０１７—０１—２３　作者简介：茹婷（１９８１一），陕西咸阳市人，工程师，现在中煤科工集团西安研究院有限公司煤层气开发工程研究所主要　从事煤层气地质与开发相关研究工作。　基金项目：国家自然科学基金项目（４１３０２１３２）。　用投入。　主要测井方法所能解决的水文地质问题如　下［９－ｎ］：　（１）自然电位测井：可以划分井剖面中的地层　岩性，计算砂岩和泥岩厚度　，并判断含水层位，评　估地下水的矿化度和咸淡水界面。　（２）井液电阻率测井：可比较含水层的富水　性，能够定性确定部分含水层，特别是最下部的含　下面具体介绍测井响应特征和识别方法：　（１）划分隔水层和含水层　正确划分隔水层和含水层，确定含水层厚度　和层位，并研究其关系是水文地质勘探工作首先　需要解决的问题。　含水层与一般围岩相比，电阻率较小、空隙较　大、密度较小，区分较容易。划分隔水层和含水　层，确定含水层厚度和层位的方法主要包括声波　水层，可获得地下水的渗透速度，并可间接计算出　渗透系数。　（３）视电阻率测井：可划分地层剖面，获取矿　化度，测得岩石电阻率参数、孔隙度、含水层的位　置及厚度。该方法用途广泛，在水文地质勘探中　经常使用。　（４）放射性同位素测井：可测定渗透系数、地　下水流向、流速、水质弥散系数，还可以寻找水库　渗漏通道，查明井内出水和套管破裂位置。　（５）中子测井：用于查明含水层，划分岩性，测定　含水量和孔隙度。该方法对含水层的探测很有效。　（６）自然伽马测井：可划分含水层和隔水层，　确定岩性、指示地层泥质含量。该方法测量简单，　效果较好，非常常用。　（７）伽马一伽马测井：可按区分岩性，划分剖　面，取得孔隙度，间接计算砂岩的粒度中值。　（８）声波测井：可划分岩性及含水破裂带，测　定岩石孔隙度，进行地层对比。　（９）井温测井：用于测地温梯度、井内进水位　置，确定含水层的顶或底某一界面，但有可能会漏　掉局部含水层。　（１０）井下声波电视测井：可更为直观的了解　裂隙、溶蚀、洞穴、层理及其倾角等井壁的情况，纵　向连续性好。　（１１）速度流量测井：能测量出钻孔中各个含　水层（段）的厚度、流速和出水量，计算含水层　（段）渗透系数，确定含水层间补排关系，检查钻孔　止水效果和确定过滤器有效长度，缺点是不易定　量解释，往往会漏掉弱含水层［１　。　（１２）水位计测井：用于河流水位观测，是水文　观测站的重要观测手段。　（１３）井径测井：探测井壁的垮塌、套管损坏情　况及破碎带的位置。　（１４）浓度法测井：一般用于定性解释含水层，　当条件理想时可定量解释含水层，是水文测井的　最早手段之一。　３测井响应特征和识别方法　通过水文地质测井可以有效地测定水文地质　参数、推测岩溶发育带、地下含水层、咸淡水的分　界部位及测定水文地质参数等。水文地质测井在　无芯钻进或取芯不足的情况下，是必不可少的勘　查方法。其勘查精度远高于地面物探方法¨　。　测井、中子测井、伽马一伽马测井、井液电阻率测　井及视电阻率测井。　此外，水的导热性相比岩石要高，当受到地下　水温度的影响时，井温曲线则会出现变陡的情况，　所以可以通过分析井温曲线的变化来区分隔水层　和含水层的位置。　速度流量测井方法基于多层混合井流理论，　通过测量垂向流速和横向井径，将其换算成流量，　则可得到各段含水层的出水量和吸水量，从而确　定含水层的位置、厚度等参数。　（２）判断裂隙和泥质含量　在测井中，裂隙通常会呈现出如密度偏低、声　波时差较大和电阻率较小等特点。因此，可以通　过自然伽马测井值判断其泥质含量，自然伽马测　井值越大，说明裂隙中填充的泥质越多。确定泥　质的位置有利于对含水层和隔水层的划分。　（３）勘察岩溶水　通过声波曲线和自然伽马曲线的结合，可对　岩溶的含水性进行判断。对含水量的判断有利于　对隔水层和含水层的划分，同时确定了含水也有　利于对裂缝中熔岩位置的判断。此外，在裂隙和　岩溶的发育处，井径会出现扩大，通过分析井径曲　线，来判断岩溶裂隙的发育程度。　（４）划分钻孔地层的岩性　不同的岩石其孔隙度、电阻率、密度及波阻抗　等参数都存在差异性。因此，可结合声波测井、电　阻率测井、中子孔隙度和密度测井等资料，划分钻　孔的岩性剖面。　（５）测量地下水矿化度　地层电阻率值与地层水的矿化度呈反比关　系，因此，有人提出通过测井数据来计算地层水的　矿化度。通过分析自然电位测井曲线的异常值来　对地层水的电阻率进行求取，再根据二者的反比　关系确定地层水矿化度。这样，就可以在水文地　质中应用测井技术，降低了单纯利用水文取样，由　于样点少，精度低的缺点¨　Ｊ。　４我国水文地质测井存在的不足　（１）我国的水文地质测井情况相比较发达国　家以及国内石油测井来说还有一定的差距。主要　表现在两个方面：①成像测井和核磁共振测井等　石油测井方法在水文地质勘查中应用还较少，为　更好地解决水文地质问题，　（下转第４３页）　４１　另外，在应用掘进支护技术时，需要注意区分　参考文献：　综掘机与普掘机的适用范围，普掘机适用于工作　面施工长度小于３００ｒａｍ的情况，而综掘机适用于　大于３００ｒａｍ的情况；其次要对综掘机的型号进行　科学选用，选择的时候应该结合巷道断面情况以　及岩层的承受程度。最后要完善煤矿掘进过程的　管理，对违规行为进行严厉惩罚，不断学习先进的　掘进技术。　３结束语　［１］陆邦干，谢剑鸣．我国石油地球物理勘探的回顾与　展望［Ｊ］．地球物理学报，１９７９，（２２）：３５８—３６３．　［２］陆邦干．石油工业地球物理勘探早期发展史大事　记（１９３９—１９５２年）［Ｊ］．石油地球物理勘探，１９８５，（２０）：　３３８—３４３．　［３］陈祖传．地球物理勘探技术的进展［Ｊ］．地球物物　理学进展，２０００，１０（３）：１—１９．　［４］陆大卫，范士洪．国外测井技术考察报告［Ｊ］．测井　技术，１９９７，２１（６）：３７７—３７９．　［５］金鼎，等．测井技术发展回顾与展望［Ａ］．陕西地　球物理文集（七）中国西部地球物理研究与实践陕西省地　综上所述，我国正处于经济高速发展的关键　时期，采煤技术逐渐成为衡量国家科技发展水平　的重要标志，也成为国际竞争重点。我国煤矿资　源丰富，但是要充分实现煤矿开采的效率，提高煤　炭的产量以及利用效率，必须依靠相应的开采技　术。选择合理的开采方式和支护方式，成为煤矿　生存发展的重要工作。我们应在实际工作进行深　入的探索分析和发现。　参考文献：　［１］原小亮．浅谈煤矿掘进支护的应用现状及技术革　新方向［Ｊ］．科技展望，２０１５，（２２）：１２５．　［２］王衍学．煤矿掘进支护技术应用分析——复杂地　质条件下［Ｊ］．能源与节能，２０１４，（１２）：１２４—１２５，１７８．　［３］韩春东．煤矿掘进支护技术研究［Ｊ］．民营科技，　２０１４，（３）：３５．　［４］邢叶红．煤矿开采技术问题探究［Ｊ］．山西煤炭管　理干部学院学报，２０１５，（２）：３０—３１，３９．　［５］侯利强．煤矿开采方法及技术探讨［Ｊ］．能源与节　能，２０１４，（１１）：１３０—１３２．　［６］王云峰．煤矿开采技术方法的应用［Ｊ］．河北能源　职业技术学院学报，２０１１，（３）：６９—７０．　［７］李富欣．新形势下煤矿开采中的采煤技术分析　［Ｊ］．科技传播，２０１１，（１１）：９５．　（责任编辑：陈凌霄）　（上接第４１页）　以后应加大这些方法在水文测井工作中的应用程　度；②在精细解释方面，相比石油领域，水文领域　则相对落后，很多地方还在使用普通电阻率测井；　有时为了保护含水层，也不进行密度、中子之类的　放射性测井　Ｊ。　（２）水文地质测井资料的解释多采用定性解　释，定量解释尚处于探索阶段；缺乏完善的专业解　释软件；针对水文地质测井资料的处理解释方法　较少，而采用石油测井解释方法虽可解决一些水　文工程问题，但仍有些问题不能被解决，如单位涌　水量，地层富水性、导水系数等参数的确定　Ｊ。　５结语　地球物理测井技术已在水文地质勘查领域得　到了广泛和成功的应用，并逐渐成为不可缺少的　勘探手段。为提高水文地质勘查横向、纵向解释　结果的可靠性，下一步应提倡不同测井方法间的　结合以及测井方法与地面地球物理方法的结合。　球物理学会成立２０周年专集［ｃ］．西安：陕西科学技术出　版社，２００７：２９—３０．　［６］Ｅｒｉｃ　Ｗ　Ｓｔｒｕｍ．Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ　Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｇａｍｍａ　Ｌｏｇｓ　ｆｏｒ　Ｍｅｍｐｈｉｓ，Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ　Ａｒｅａ［Ｒ］．Ｕ．Ｓ．Ｇｅｏｌｏｇ—　ｉｃａｌ　Ｓｕｒｖｅｙ—Ｗａｔｅｒ—Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ　Ｒｅｐｏｒｔ，Ｔｅｎｎｅｓ—　ｓｅｅ，ＵＳＡ，１９９８．４３．　［７］房佩贤，等．专门水文地质学［Ｍ］．北京：地质出版　社，１９９６：２９—３Ｏ．　［８］ＩＡｌｎｅ　Ｊ　Ｗ，Ｊｏｅｓｔｅｎ　Ｐ　Ｋ，Ｈａｅｎｉ　Ｆ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｕｓｅ　ｏｆｂｏｒｅ－　ｈｏｌｅ　ｒａｄａｒ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｌｌｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｓａｌｉｎｅ　ｔｒａｃｅｒ　ｉｎ　ｃａｒｂｏｎａｔｅ　ｅｒｃｋ　ａｔ　Ｂｅｌｖｉｄｅｒｅ［Ａ］．Ｉｌｌｉｎｏｉｓ：Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ　ｔｏ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｌａ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ［Ｃ］．Ｃｈｉｃａｇｏ，ｕｓＡ，１９９８：３２３．　［９］骆淼，等．地球物理测井在水文地质勘查中的应用　综述［Ｊ］．工程地球物理学报，２００４，１（２）：１３８．　［１Ｏ］赵钦．电法勘探在水文地质勘查中的应用一断裂　及其含水性［Ｄ］．新疆大学，２０１１．　［１　１］侯俊胜．地球物理测井技术应用的新进展一煤层　气测井技术和水工环测井技术［Ｊ］．国外地质勘探技术，　１９９８，（２）：３—６．　［１２］马兆荣，郑军．流量测井技术的理论研究及应用　［Ｊ］．北京地质，１９９８，４（１）：３２—３３．　［１３］吴占华，马安丽．流量测井技术在多层含水层抽　水试验中的应用与效果评价［Ｊ］．地下水，２００７，２９（４）：５６　—６３．　［１４］王祥发．地球物理勘查方法的勘查水文地质的依　据和应用分析［Ｊ］．中华建设科技，２０１５，（３）．　［１５］林学钰，等．现代水文地质学［Ｍ］．地质出版社，　２００５：１７９．　［１６］王祥发．地球物理勘查方法的勘查水文地质的依　据和应用分析［Ａ］．建筑科技与管理学术交流会论文集　［ｃ］．建筑科技与管理组委会，２０１５：２３１．　［１７］姜永生．碳酸盐岩岩层地质一物性特征及水文测　井方法［Ｊ］．河北建筑科技学院学报，２０００，１７（３）：８３—８５．　［１８］赵发展，等．地层水矿化度检测的地球物理测井　方法［Ｊ］．水文地质工程地质，２００２，１７（３）：５５１—５５８．　［１９］王赞，等．地下水矿化度检测的地球物理方法　［Ｊ］．水文地质工程地质，２００３，（６）：３３—３６．　［２Ｏ］黄布宙，Ｔｅｌｌａｍ．ＪＨ，Ｍａｃｋａｙ．Ｒ．水文测井资料的　精细解释方法研究［Ａ］．中国地球物理学会第二十七届年　会论文集［ｃ］．合肥：中国科学技术大学出版社，２０１１：７９１．　（责任编辑：陈凌霄）　４３