地球物理測井技術在區域治理目標層定位中的應用研究

趙廣淼，劉飛虎

（河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺054000）

1 測井技術概述

地球物理測井是以物理學、數學和地質學為理論基礎，以井眼及其周圍介質為研究對象，采用多種專門的儀器設備，沿鉆井剖面測量各種物理參數，通過數據處理和綜合研究，揭示測量對象的特征和規律，辨別地下巖石、液體性質的方法，在資源勘察、工程地質、災害地質、生態環境、考古研究等領域均有重要的應用。測井方法有自然電位測井、電阻率測井、聲波測井、自然伽馬測井、密度測井、中子測井、井徑測井、井斜測井、井溫測井、地層傾角測井、成像測井等方法。

2 工程概況

太原煤氣化龍泉煤礦保水開采地面區域治理工程，目的是進行奧灰區域治理試驗，研究奧灰含水層的水文地質條件及其注漿改造效果，為后期規模化開采下組煤做準備。為確定區域治理的目標層，先設計施工1個垂直探查孔，終孔層位進入奧灰含水層74.4 m，自奧灰含水層頂面至終孔進行了取芯，終孔后進行了常規地球物理測井，測井方法選用自然電位、電阻率、自然伽馬、密度（長源距伽馬伽馬）、井徑、井斜等6種常規測井方法。井斜測井用于測量鉆孔彎曲、描述鉆孔軌跡。

圖1 探查孔奧灰孔段測井曲線Fig.1 Logging curve of exploration hole section of Ordovician limestone

3 測井曲線地質解釋

3.1 自然電位測井曲線地質解釋

自然電位測井是在裸眼井中測量井軸上自然產生的電位變化，以研究井剖面地層性質的一種測井方法。自然電位測井曲線有劃分滲透性巖層、進行地層對比、研究地層沉積相、估算泥質含量等用途。

在地面區域治理工程中，為確定注漿的目標層位，用該曲線來估計奧陶系灰巖含水層的滲透性和泥質含量。滲透性很差的地層，稱為致密層，其自然電位曲線接近泥巖基線或者曲線的幅度異常很小（曲線上的平直豎線），曲線上高于此數值的幅度越大，滲透性越好。可以利用公式（1）來估算地層中的泥質體積含量：

式中：Vsh為地層泥質體積含量，小數；UPSP為解釋層的自然電位，mV；USSP為解釋井段的靜自然電位，mV。

在探查孔自然電位曲線上，孔深685 m（進入奧灰55 m）以下曲線幅度異常很小，為灰巖致密層，取其作為解釋層的自然電位UPSP，取值50 mV；待解釋的目標層從自然電位曲線變化幅度來看大致可分為3層，分別為0～25 m、25～55 m、55～74 m，平均自然伽馬數值分別為60、80、50 mV。奧灰含水層各段泥質體積含量計算結果見表1。

表1 自然電位曲線估算泥質含量成果Table 1 Results of estimating clay content by spontaneous potential curve

3.2電阻率測井曲線地質解釋

普通電阻率測井是通過測量地層電阻率來研究井剖面地層性質的測井方法。普通電阻率測井除劃分鉆孔地層剖面外，主要用于確定含水層的位置及厚度，測定巖石電阻率參數和巖石孔隙度。

如果巖石具有一定的孔隙空間且在孔隙空間中完全飽和地層水時，由于地層水比巖石骨架具有更好的導電性，它的電阻率要低于沒有孔隙空間的巖石的電阻率，并且巖石的孔隙度越高，電阻率越低。從電阻率測井曲線來看，井孔內奧灰含水層特點也比較明顯，大致分為0～25 m、25～55 m、55～74 m3層，第一層電阻率較高，平均約為500Ω·m，變化幅度達到100～900Ω·m，說明該段灰巖巖溶裂隙較發育，富水性相對較強；第二層電阻率較低，平均約為200Ω·m，變化幅度100～400 Ω·m，說明該段灰巖巖溶裂隙最為發育，孔隙率最高，富水性強；第三層電阻最高，平均約為1 900Ω·m，變化幅度1 300～2 500Ω·m說明此段灰巖較為完整致密，富水性弱。

3.3 自然伽馬測井曲線地質解釋

自然伽馬測井是用伽馬射線探測器測量巖石總的自然伽馬射線強度，以研究井剖面地層性質的測井方法。它既可以在裸眼井中又可以在套管井中進行測量，且不受井中介質影響。巖石中含有天然的放射性核素，主要是鈾系、釷系和鉀的放射性同位素，它們自然衰變時發射伽馬射線，使巖石有天然放射性。自然伽馬測井可用來劃分巖性、估算巖層泥質含量、地層對比等。

由于地層的自然伽馬異常隨泥質含量增加而增加，可以通過公式（2）計算巖層中的泥質含量指數：

式中：SHI為泥質含量指數，純巖石為0，純泥巖為1；GR為解釋層的自然伽馬數值；GRmin為純巖石的自然伽馬數值；GRmax為純泥巖的自然伽馬數值。

待解釋的目標層從自然伽馬曲線來看大致可分為3層，分別為0～25 m、25～55 m、55～74 m，平均自然伽馬數值約為70、130、20 API；純巖石的自然伽馬數值GRmin，取20API；純泥巖的自然伽馬數值GRmax，取310API(鋁土泥巖自然伽馬測量值達到570API，其計算結果和實際偏差較大，可能是因為含有放射性礦物造成的，因此予以剔除，使用煤系地層泥巖自然伽馬測量值)。計算出地層的泥質含量指數后，再通過公式（3）估算目標層的泥質體積含量。

式中：Vsh為目標層泥質的體積含量；GCUR為希爾奇指數，按經驗值取2（古近系-新近系地層取3.7，老地層取2，或結合巖芯資料確定）。

探查孔奧灰含水層各孔段泥質含量指數和泥質體積含量計算結果見表2，與巖芯資料對比來看，希爾奇指數取值偏高，調整為1.2較符合實際情況。

表2 自然伽馬曲線估算泥質含量結果Table 2 Estimation results of shale content by natural gamma ray curve

3.4 密度測井曲線地質解釋

用伽馬源發射的伽馬射線照射地層，根據康普頓效應測量地層密度的測井方法稱為密度測井。由于密度測井所用的轟擊粒子和探測的都是伽馬光子，所以也稱為伽馬-伽馬測井。巖石的體積密度不僅與巖石礦物成分及其含量有關，還與巖石孔隙度和孔隙中流體類型、性質及含量有關。

從密度測井曲線來看，測量視密度和實際密度誤差較大，按實際石灰巖密度進行校正，結合2.3泥質體積含量計算成果，利用公式（4）計算奧灰不同孔段孔隙度：

式中：φ為孔隙度；ρma為灰巖骨架密度，ρb取2.71 g/cm2；ρma為實測體積密度；Vsh為孔隙流體密度，取1 g/cm2；ρsh為巖層泥質體積含量；為泥質密度，取2.3 g/cm2。估算奧灰頂面以下0～30 m平均孔隙度約為3.6%，30～55 m平均孔隙度約為5.1%，55～74 m為較為致密，平均孔隙度約為0.6%。

3.5 井徑測井曲線地質解釋

井徑測井是測量井眼直徑大小的一種測井方法。井徑測井主要用于劃分地層剖面，識別松散巖層和致密巖層、滲透性巖性和非滲透性巖層，在套管井中用于套管損傷檢測。

探查孔取芯使用φ152 mm取芯鉆頭加取芯管，從井徑測井曲線來看，沖積層、煤系地層有明顯的井徑擴大現象，孔徑擴大100～170 mm；奧灰頂面5 m井徑擴大約60 mm，說明奧灰頂面存在軟弱風化殼；奧灰頂面5 m以下井徑擴大不明顯，僅有30～40 mm，為鉆具正常切削、磨損所致，35～55 m略有井徑擴大現象；奧灰頂面以下55～74 m基本沒有井徑擴大現象，說明該段石灰巖致密完整。

4 測井成果與取芯、水文觀測情況對比

通過對測井曲線進行地質解釋，不同測井方法確定重點治理層段見表3。

表3 測井解釋成果重點治理層段Table 3 The logging interpretation results focus on management intervals

探查孔在孔深629.85 m揭露奧陶系灰巖，在635.50～704.40 m取芯鉆進，終孔進入奧灰74.55 m，取芯段長：68.90 m，巖芯長度：48.60 m，平均采取率：71%。其中奧灰頂面以下5.5～7m（孔深635.5～637 m）、22～23 m（孔深652～653 m）巖芯稍破碎；進入奧灰35 m（孔深665 m）開始巖溶裂隙增多，37.3～37.5 m（667.3～667.5 m）及41.8～42（孔深671.8～672.0 m）見泥質充填物，42～57 m（孔深672～687 m）巖溶尤為發育，多為泥質充填，取芯率僅為25%；奧灰頂面以下57～74.4 m（孔深687～704.4 m）巖芯完整性較好，致密堅硬，取芯率較高，僅有個別小孔洞。

圖2 探查孔奧灰局部巖芯Fig.2 Local Ordovician limestone core in exploration hole

測井成果確定注漿治理的重點層段為奧灰頂面以下25～55 m，從泥漿消耗量來看泥漿自奧灰頂面以下34 m出現漏失0.4 m3/h，巖芯自奧灰頂面以下35 m開始巖溶裂隙增多，奧灰頂面以下42～57 m巖溶尤為發育，57～74.4 m巖芯完整致密。

5 目標層定位與工程驗證

綜合以上測井、巖芯及水文觀測成果，治理工程水平分支孔的目標層定為奧灰頂面以下30 m，位于奧灰巖溶裂隙發育層段頂部，其下巖溶裂隙發育，泥質充填較多，有利于漿液擴散進行注漿治理，在奧灰含水層深度較為適宜作為注漿治理的目標層。最終在該層位施工了3個順層水平分支孔，進尺4 587 m，揭露9個漏失點，漏失量15～60 m3/h，累計注水泥18 785 t，治理效果較為理想。

6 結 語

從物理測井成果和取芯情況對比來看，2種方法各有優缺點，取芯是最直觀的一種研究地下巖層性質的技術手段，通過取芯可直觀的觀測到巖性、裂隙率、取芯率，并可對巖芯進一步做力學性質測定，取芯方法的缺點是研究范圍局限于單個鉆孔之內，一般需要施工多個鉆孔進行研究，進行統計分析才有較好的實用價值；測井方法的好處是通過測井儀器將研究對象的范圍從井孔擴大到井孔周邊數十公分甚至數米的范圍，提高了資料的可靠程度和實用性。物理測井和取芯、簡易水文觀測等手段結合，在地面區域治理目標層的定位中可以獲得較好的效果。