硬岩层区工程地球物理测井简要技术及应用

硬岩层区工程地球物理测井简要技术及应用杨坤彪应用范围·水电、核电工程勘探：水坝、水电站、核电站选址·铁路、公路、桥梁、隧道工程勘探·港口、机场的基础地质条件勘探·城市高层建筑地基工程勘探·矿区工程水文勘探一、工程地球物理测井主要方法及其物理基础（一）岩石强度分析1岩石强度参量2岩石强度动态测定的物理基础3地球物理测井确定弹性模量的关系式（二）评价岩石均一性和稳定性1均一性评价2稳定性评价二工程测井的主要方法技术措施

(一)密度测井(二)声速测井主要技术要求三弹性模量计算程序四、实例一、工程地球物理测井主要方法及其物理基础

主要介绍利用测井资料进行岩石强度分析的物理基础，和测井工作中应进行的刻度、井径校正、误点剔除等主要方法技术措施。并列举实例介绍测井资料的运用，进行工程地质评价的基本方法。

在工程地质勘察工作中，应用现代测井技术较为有效可行的是：划分井剖面，确定软弱岩层，查明并圈定裂隙破碎带；进行岩石强度分析提供岩石物理力学工程参量；分析岩石的均一性和稳定性。（一）岩石强度分析1岩石强度参量

岩石强度参量是表征岩石抵抗外荷作用而不致损坏的能力大小的物理量。主要用岩石的弹性模量来表征。

可以通过应用地球物理方法测定岩石自然状态下原位原体的描述岩石强度的弹性参量。2岩石强度动态测定的物理基础

由岩石力学可知：固态物体的强度，取决于介质受力产生的应力与应变的关系。在物体弹性形变范围内，应力与应变之比值称为弹性模量。固体物质的相对强度，是由弹性模量来定义的，它表征固体物质在失去弹性或破碎之前，所能承受的应力大小。因受不同的力，产生不同的应变，而有不同的弹性模量。（1）杨氏模量E

当力F作用于弹性体长度L方向，其截面为S，伸长△L时，纵向应力比相对弹性伸长，称为杨氏模量，以E表示。（2）体积模量K

当力F作用于表面积为A、体积为V的弹性体表面，体积变化△V时，应力比体积相对变化，称为体积模量，以K表示。（3）切变模量G

当切力Ft作用于与作用平行的面积（S）切变角为φ时，切变力比相对切变角的正切，称为切变模量，以G表示。（4）泊泊松比μμ当弹性体体在轴向向应力的的拉伸下下，产生生纵向伸伸长的同同时，会形形成横向向压缩，，其横向向相对压压缩与与其相相对伸长长之比，称称为泊松松比，以以μ表示示。各弹性模模量之间间的关系系式为：：只要得出出任意两两个模量量，就可可求得其其余两个个模量。。3地球物物理测井井确定弹弹性模量量的关系系式介质质点点在不同同介质中中所作的的弹性振振动的传播，，它取决决于介质质的密度度和弹性性性质。。因此，地地球物理理测井方方法求取取钻孔岩岩石的弹弹性模量，，是以介质密密度ρ、、纵波速速度VP、横波速度VS等参量与与弹性模模量之间间的关系系为依据的。根据采用用的测井井手段不不同，而而用不同同的关系式式。（1）具具备并采采用三维速度度测井和密度测井井时，可利利用测定的密密度ρ、、纵波速速度VP、横波速速度VS按下列各各式求取取弹性模模量：（2）只采用密密度和声声速纵波波时，可采用用经验近近似公式式，或取取纵、横波波速比估估算横波波时差，，再按上上述关系系式计算算弹性模模量。根据地质质情况选选取经验验式如下下：其中A=2.125B=45.3248C=-167.312取VP/VS=1.5时则则称称强度度指数,以ED表示。根据岩芯芯波速测测定资料料（二）评评价岩石石均一性性和稳定定性1均一一性评价价岩体通常常为不连连续体,其不连连续面由由宏观的的断层、、节理、裂隙隙,和微微观的晶晶面及微微裂隙组组成。不不连续面面的发育育状况,反映映着岩石石的均一一性特征征。它可可以通过过观测的的纵波速速度和在完整整岩中传传播的纵纵波速度度来分析析其均一一性。用用完整系系数KW表征岩石石的完整整性,其其数值等等于岩石纵波波速度（（VP岩）,与完整岩石石纵波速速度（VP完）之比的的平方数数值。根据完整整系数KW按下列数数值范围围进行完完整性评评价：KW范围1～0.90.9～0.750.75～0.450.45～0.25＜0.25完整性极好好较好差极差2稳定定性评价价影响岩体体稳定性性的因素素,主要要是岩石石的构造造结构面,和改改变岩石石性质的的风化作作用。因因此,通通常需分分析研究其裂隙隙和风化化状况,分别以以裂隙系数数LS和风化系系数Fn来描述。。（1）裂裂隙系数数LS硬岩层地地区,造造成岩石石不连续续面的主主要因素素是裂隙隙。裂隙隙的发育状况况用裂隙隙系数LS来评价。。裂隙系数数定义为为完整岩岩纵波速速与观测岩石石纵波速速的平方方差对于于完整岩岩纵波速速平方的的比值：：根据裂隙隙系数,可对裂裂隙状况况分五级级进行评评价：评级12345LS范围＜0.250.25～0.50.5～0.650.65～0.8＞0.8评价最好好坚固稍差差（2）风风化系数数风化作用用不仅破破坏岩体体的完整整性,而而且会改改变岩石石的性质质。岩石的风风化程度度,用风风化系数数Fn来来描述,它定义义为新鲜岩纵纵波速VP新与观测经经风化岩岩的纵波波速VP风之差对于于新鲜岩岩纵波速速的比值值。根据风化化系数值值,可将将风化程程度分五五类进行行评价：：Fn范围00～0.20.2～0.40.4～0.6＞0.6评价未风化微风化弱风化强风化剧风化二工程程测井的的主要方方法技术术措施（一）密密度测井井1密度测测井的刻刻度（1）标标准刻度度井刻度度装有高、、中、低低三种不不同密度度的模块块地层和和水层共共有四种种密度。。令其标标准密度度值分别别为ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，刻度观观测的读读数分别别为J1、J2、J3、J4，设待求求的仪器器刻度系系数为A、B则则ρ1=AlnJ1+Bρρ2=AlnJ2+Bρρ3=AlnJ3+Bρρ4=AlnJ4+B用一元一一次线性性回归，，可求出出系数A与B。（2）现现场刻度度取一点源源，改变变点源至至探管记记录点的的距离，，例如距距离为r1和r2，读数分分别为J1，和J2，，用系系数A与与B算出出对应的的密度值值ρ1，和ρ2，以此作作为现场场刻度已知密度度。同样读读数得出出回归系系数A′′、B′′作为测测井求测测点i的的密度值值ρi的刻度系系数。则ρi=A′′lnJi+B′′2井径校校正r－r（（密度））测井记记录的散散射伽玛玛射线的的强度，取决于探探测范围内介介质的平均密密度。包括探测范围围内井液（泥泥浆）和岩层层产生的散射伽玛射线线，井径大、、源距小则井井液散射的强强度比例大；而源源距过大邻层层影响增大。。因而要配合合井径测井进行井井径校正。井径校正步骤骤如下：(1)令刻度度井的孔径为为φ标标准，其刻度度系数为a0、b0。(2)在不同同井径同种岩岩石的实验井井群中观测，，设井径分别别为φa、φb、φC、…,观测测读数为Ja、Jb、Jc…。都按系数数a0、b0计算密度值,得ρa、ρb、ρc…(3)由于井井径φi与确定系数的的标准井径φφ标不同,存在一一个密度差ΔΔρi,可以根据计计算值建立因因不同井径影影响所引起的密度差关系系。即：(4)取为为纵轴轴,井径为为横轴，绘制制井径校正曲曲线。3现场岩芯芯样对比与校校正取适量的钻孔孔岩芯,采用用高精度密度度仪测定密度度,作为已知值与测测井计算值对对比。设井深深mi处的岩芯密度度为ρi，该深度测井井数据为Ji，按系数a0、b0计算的密度为为ρJi、当ρi与ρJi对比超差时,按式ρi=alnJi+b求出新的回归归系数a、b再计算密度度值。(二)声速速测井主要技技术要求指按规范和各各类仪器说明明书的技术性性要求之外的的技术性考虑虑因素。主要包包括仪器选型型和其它有关关因素与措施施。1仪器选型型(1)为了了能根据实测测的密度ρ、、纵波速VP（或时差ΔtP）、横波速VS（或时差ΔtS）计算弹性模模量，首选是采用三三维速度仪。(2)其次次应选用双发双收声速速（补偿）仪仪，以便补偿消除除因井径变化化和一起倾斜斜引起的异常常。(3)采用用单发双收声声速仪时，应应考虑与分析析有关影响因因素（源间距距、周期跳跃跃、探测范围围等），采取取相应的必要措施。2采用单发发双收声速仪仪测井的必要要措施(1)必须采采用井下探管管居中器，减减少仪器不居居中产生的假假异常。(2)结合合井径测井资资料，分析井井径变化引起起的非地层变变化的假异常常，以便确定定预处理应剔剔除的采样点点。3进行必要要的岩芯样波波速测定。通常取作密度度测试的岩芯芯，同时测定定纵波与横波速度。。三弹性模量量计算程序四、实例例以大冶铁矿某某矿体补勘六六各工程水文文孔中的两个个为例。根据工程地质质任务，选择择投入三侧向电阻率率测井，密度度与自然伽玛组合合测井，铁矿地段发现现疑点加上磁磁化率测井，，以此划分和校验井井剖面；采用密度和声速测测井、配合井井径测井进行岩石强度度分析。划分和校验井井剖面本区地层主要为大理岩岩、闪长岩、矽卡卡岩、铁矿、破破碎裂隙层等。。综合观察分析析各方法曲线反反映的物性和地地层岩性，可得得出如下表归纳纳的特征：岩性电阻率（Ωm）自然伽玛密度（g/cm3）声速磁化率10-3（SI）大理岩高14000-21000极低相对低2.72-2.75相对为低基本无闪长岩中等4000-15000略高略高于大理岩2.74-3.00相对偏高42.7矽卡岩偏低1000-4000略高较高2.8-3.2偏高28.9铁矿低＜1000低极高＞3.5高1118.4裂隙层低＜1000因岩性而异低低岩石强度分析析按前述方法校校正、预处理之之后,计算各采采样点的弹性模量量。分别按岩性和和按强度（E模模量）大小分层，算算出各层的平均均值为了评价勘察察区各岩层的的强度，可将将所有观测孔孔各岩层的弹弹性模量平均值值按大小顺序序示出。例如该区结果果如下表所示示：岩性E（104MPa）μK（104MPa）G（104MPa）铁矿11．910．2497．974．76矽卡岩化闪长岩6．910．2434．512．78矽卡岩6．420．2514．322，57闪长岩5．930．2513．972．37大理岩4．650．2402．941．87蚀变闪长岩4．290．2472．821．72岩石均一性性和稳定性性分析取所测定的的完整岩样样的纵波速速度为VP完值，计算完完整系数KW，和裂隙系系数LS，按数值划划分等级。。将各级所所占井段长长度与各等等级总控制制长度相比比，求出各等级级占控制井井段的百分分数，从而而取得对全全区岩石均均一性客观观了解的概念。经计算统计计的结果列列于下表：：完整性（完整系数）稳定性（裂隙系数）等级长（m）占（%）等级长（m）占（%）极好341．37最好27511．04好2299．91好188075．50较好210984．70坚固30712．33差1144．58稍差281．13极差40．16差00总计2490100总计2490100同样可根据据密度测井井资料,按按岩性统计计各岩层的的密度值，，经刻度和井径径校正之后后,统计得得出的岩石石密度值,由小至大大列于下表：其中经统计计的铁矿密密度值,与与地质采样样分析得出出的总平均均密度值只相差差不到0.02(g/cm3)。岩性蚀变闪长岩大理岩闪长岩矽卡岩铁矿密度(g/cm3)2.7092.7282.8462.9224.065实践证明,工程地地球物理测测井,是配配合工程地地质勘察必要的手段段之一。在在方法选择择正确合理理、密切结结合地质的前提提下,能有有效地划分分和校验井井剖面,弥弥补钻进采取率不不足,可能能漏失地质质层的缺陷陷。同时地球物物理测井，，是对井壁壁原位原体体的自然状状态下的地质体体进行探测测的，因此此,取芯采采集不到无无法进行材料力力学试验的的软弱、破破碎