黨 靜

(陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

地球是由地核、地幔、地殼組成，而地殼就是地球表面，它由多組斷裂的、大小不等的塊體組成，這些塊體所含物質(zhì)各不相同，其中一部分就是與人類生活息息相關(guān)的礦產(chǎn)資源，如石油、煤炭、天然氣、金、銅、鋁、鐵等[1-3]。尋找這些礦產(chǎn)資源的主要方法有槽探、機(jī)械鉆探、地球物理測(cè)井等，其中，機(jī)械鉆探和地球物理測(cè)井是目前最常用的方式。機(jī)械鉆探是用器械向地下鉆孔取出地層芯樣進(jìn)行分析；地球物理測(cè)井則是以地質(zhì)學(xué)巖石物理學(xué)和測(cè)井基本理論作為指導(dǎo)，使用專門的儀器設(shè)備沿鉆孔剖面測(cè)量巖層的物性參數(shù)，依據(jù)獲得的龐大測(cè)井資料了解分析、研究鉆孔剖面地質(zhì)信息及資源狀態(tài)[4-6]。鉆探施工中遇到地層裂隙、破碎帶、空洞等層段，會(huì)出現(xiàn)取芯有難度或取芯不足等情況，則可利用測(cè)井參數(shù)曲線進(jìn)行分析研判，進(jìn)而做出結(jié)論。

1 地層物性特征及研判依據(jù)

1.1 物性特征

地殼是由多組斷裂的、大小不等的塊體組成一體，受外力作用后(如地震、地下巖體移動(dòng)沉降出現(xiàn)塌陷、巖石的溶蝕等)引起的巖層破碎、裂變、空洞等情況，鉆探施工遇到這類地層段會(huì)出現(xiàn)泥漿消耗加快，鉆速不均，掉鉆卡鉆等現(xiàn)象[7-10]。正常地層鉆孔是一個(gè)孔徑略大于鉆頭直徑、孔壁完整的孔洞，否則成井后的鉆孔孔壁也不規(guī)整，且孔徑有大有小。

1.2 研判依據(jù)

地下地層巖石導(dǎo)電性不一，即電阻率不相同，其變化范圍很大，其阻值來(lái)源于組成巖石礦物的電阻率、礦物的百分含量以及礦物晶體和顆粒之間相互聯(lián)系的特性[11-13]。礦物的電阻率低，其百分含量又高，礦物晶體間和顆粒排列緊密，則巖石的電阻率就低，反之則高。巖石的密度大小也不相同，一般在1.18～3.7 g/cm3，其值不僅取決于其組成礦物的密度及孔隙度的大小，還受壓實(shí)和膠結(jié)物的影響，即同一種巖性的巖石，埋藏越深，地質(zhì)年代越老，其密度值越大。巖石中放射性物質(zhì)主要取決于自身中鉀、釷、鐳、鈾等的含量，但與泥質(zhì)含量和沉積環(huán)境也有密切關(guān)系，泥質(zhì)顆粒微小，比面積大，吸附放射性元的能力強(qiáng)，所以泥質(zhì)含量越多，巖石的放射性就越強(qiáng)；巖石的自然電位主要與巖石的孔隙度、滲透性和液壓差相關(guān)，孔隙度越大、滲透性越好、液壓差增大，則吸附的離子就多，自然電位就大。聲波通過(guò)巖石時(shí)其速度、幅度甚至頻率都會(huì)發(fā)生變化，與巖石的密度密切相關(guān)，膠結(jié)疏松、孔隙度大的巖石密度相應(yīng)就小，傳播的速度便小，時(shí)差就長(zhǎng)。地下巖石具有這些不同的物理性質(zhì)，是進(jìn)行地球物理測(cè)井的理論基礎(chǔ)。

2 分析方法及結(jié)果驗(yàn)證

2.1 分析方法

2.1.1 電阻率法

電阻率測(cè)井即沿井身測(cè)量井周圍地層巖石電阻率的變化，為此需要向井中供應(yīng)電流，在地層巖石中形成電場(chǎng)，研究地層巖石電場(chǎng)的變化求得地層巖石電阻率。沉積巖是煤田地質(zhì)勘探中最常見的巖石，其阻值隨粒度的增大而增高，隨孔隙度增大、泥質(zhì)含量增高而降低；巖層巖石破碎、出現(xiàn)裂隙、空洞后，巖石孔隙度變大，礦物中正負(fù)離子、泥質(zhì)顆粒等通過(guò)流體充入進(jìn)來(lái)，導(dǎo)致巖石的電阻率值降低，裂隙越大降得越嚴(yán)重，反映在電阻率參數(shù)曲線上則由高異常陡變?yōu)榈彤惓＃螒B(tài)為雙尖狀或多尖狀，尖的多少取決于橫向裂隙的多少，尖與尖間距取決于裂隙寬度。

2.1.2 密度法

巖石的密度取決于其質(zhì)量和體積，但破碎后孔隙增加，則體積相應(yīng)的增大，故而密度就變小了，反映在密度參數(shù)(長(zhǎng)短源距伽瑪)曲線上異常幅值就增高了，一般高出原值的20%～60%。破碎的越嚴(yán)重幅值增加的越高，反映在參數(shù)曲線上則出現(xiàn)劍狀、尖狀、指狀大異常，大小、寬度與裂隙大小相關(guān)，裂隙越大則異常越寬越高。

2.1.3 自然伽瑪法

地下巖石含放射性物質(zhì)，由于破碎裂隙增大增多，放射性物質(zhì)、泥質(zhì)顆粒通過(guò)流體即可滲入，放射性元素含量相應(yīng)增多，自然伽瑪曲線幅值就會(huì)隨之升高，即會(huì)出現(xiàn)尖狀、短劍狀高異常。

2.1.4 聲波法

聲波測(cè)井是以研究地下地層巖石的聲學(xué)特性為基礎(chǔ)的測(cè)井方法。聲波通過(guò)巖石時(shí)其速度、幅度、有時(shí)甚至頻率都會(huì)發(fā)生變化，其傳播速度與組成巖石的礦物成分、密度、彈性、泥質(zhì)含量、飽和度、孔隙度及孔隙流體相態(tài)相關(guān)聯(lián)。巖石越致密，巖石的密度就越大，聲波傳播就越快，聲波時(shí)差就越小；但破碎裂變后的巖石松散密度變小，聲波傳播速度變小，反映在聲波時(shí)差曲線上異常幅值增大。巖石出現(xiàn)裂隙、空洞時(shí)，質(zhì)量不變體積變大，密度就變小了，在聲波時(shí)差參數(shù)曲線上就出現(xiàn)高幅值異常，異常的幅值與裂隙寬窄深淺、空洞的大小相關(guān)，裂隙越寬、裂隙越深、空洞越大，異常幅值越大；聲波參數(shù)曲線形態(tài)隨著裂隙、空洞的大小由尖狀、劍狀變?yōu)榻菪螤?；縱向大裂隙也是如此。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)幅度高出原值的30%到幾倍，破碎帶地段還會(huì)出現(xiàn)周波跳躍現(xiàn)象，即忽大忽小。

2.1.5 井徑法

鉆孔的直徑稱之為井徑，井徑測(cè)井就是測(cè)量鉆孔的直徑，引起鉆孔井徑變化的原因主要有兩個(gè)方面。一是泥漿沖洗作用，有些巖石比較疏松，受到泥漿的沖刷容易坍塌而致井徑擴(kuò)大，如節(jié)理較發(fā)育的巖層、處于風(fēng)化帶的煤層、含有大量粘土的砂層及破碎裂隙帶、空洞、溶洞；二是上下鉆鉆頭的撞擊作用導(dǎo)致鉆孔井徑變化。井徑參數(shù)曲線在正常地層段為一條值略大于鉆頭直徑的直線，但遇到破碎帶、裂隙、空洞等孔段會(huì)出現(xiàn)大于鉆頭直徑過(guò)多的尖狀、指狀、近梯形狀大異常，異常形態(tài)、幅值與裂隙寬窄、空洞大小深淺有直接關(guān)系，深入研究分析這些參數(shù)曲線形態(tài)，對(duì)解決鉆孔孔內(nèi)工程地質(zhì)問(wèn)題很有必要。

2.1.6 井中電視測(cè)井

井中電視測(cè)井就是利用高清攝像頭直接對(duì)鉆孔孔內(nèi)、孔壁進(jìn)行照像，并通過(guò)電纜傳輸?shù)降孛骘@示屏觀看并保存，真實(shí)直觀，時(shí)時(shí)時(shí)刻反映孔內(nèi)實(shí)際情況。但對(duì)鉆孔施測(cè)條件比較苛刻，必須在清澈靜止的水體鉆孔或干孔中進(jìn)行，出現(xiàn)漏水或井液不清則無(wú)法正常觀看。

2.2 結(jié)果劃分

2.2.1 巖性

巖石是構(gòu)成地層的物質(zhì)基礎(chǔ)，按其成分可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。其中沉積巖是地表?xiàng)l件下由風(fēng)化作用、生物作用和火山作用的產(chǎn)生物，經(jīng)水、空氣和冰川等外力的搬運(yùn)、沉積和固結(jié)成巖作用而形成的。地球表層以沉積巖為主，約占大陸面積的75%。沉積巖中蘊(yùn)藏著大量豐富的礦產(chǎn)，如煤、石油、天然氣等，常見的沉積巖有礫巖、砂巖(細(xì)、中、粗粒)、粉砂巖、粘土巖、硅質(zhì)巖、石灰?guī)r等。例如，陜北侏羅紀(jì)煤田地層巖石巖性多為泥巖、粉砂巖、砂巖，正常情況下不同巖性巖石測(cè)井參數(shù)曲線反映特征,見表1，但在實(shí)際測(cè)井中，獲得的測(cè)井參數(shù)曲線形態(tài)特征往往與地層巖性物性反映極不相符。

表1 侏羅紀(jì)煤田巖石測(cè)井參數(shù)曲線反映特征統(tǒng)計(jì)

2.2.2 空洞或裂隙

如圖1所示，110.40～114.00 m均為細(xì)粒砂巖，電阻率參數(shù)曲線應(yīng)為中高異常，井徑參數(shù)為直線，密度(長(zhǎng)短源距伽瑪)曲線為平緩的曲線，聲波時(shí)差曲線為較平直的中低異常，但是實(shí)測(cè)參數(shù)曲線在110.55～111.55 m層段處，井徑參數(shù)曲線出現(xiàn)大異常且遠(yuǎn)大于鉆頭直徑；聲波時(shí)差曲線出現(xiàn)高幅值異常；放射性曲線出現(xiàn)似煤異常；電阻率曲線反而降低且低于基線。依據(jù)巖石的各種測(cè)井參數(shù)物性特征及變化規(guī)律，此段低電阻率、低密度、松散的地層可解釋為空洞或裂隙。

圖1 空洞、裂隙測(cè)井曲線形態(tài)

如圖2所示，110.25～113.23 m地層巖性為細(xì)粒砂巖，電阻率為中高阻，自然電位為負(fù)值，自然伽瑪為中高異常，由于砂巖吸附泥漿致井徑值略小于鉆頭直徑。但實(shí)測(cè)參數(shù)曲線在110.25～110.70 m(厚0.45 m)、112.30～112.90 m(厚0.60 m)兩處，電阻率曲線幅值變低，自然電位曲線負(fù)異常幅值增大，井徑曲線由直線突變?yōu)榧鉅?、劍狀大異常，聲波時(shí)差曲線幅值相應(yīng)增大，密度(長(zhǎng)短源距伽瑪)參數(shù)曲線即出現(xiàn)劍狀、指狀似煤層的高幅值異常。依據(jù)巖層巖石在測(cè)井參數(shù)曲線上的反映特征和組合規(guī)律將這兩處低電阻率、低密度、高時(shí)差、井徑擴(kuò)大的層位綜合分析判斷為裂隙或空洞。

圖2 裂隙、空洞測(cè)井曲線形態(tài)

2.2.3 空洞

如圖3所示，140.40～144.33 m巖性為細(xì)粒砂巖，物性特性應(yīng)為中高電阻率、負(fù)自然電位、中低自然伽瑪、低時(shí)差、中高密度，井徑應(yīng)略大于鉆頭直徑，但實(shí)測(cè)參數(shù)曲線在140.40～141.70 m(厚1.30 m)層段處電阻率曲線為低幅值異常，密度幅值高異常，聲波時(shí)差曲線大異常。這些與巖性原本物性反映特征不相符的層位符合空洞的物性特征，所以分析判斷此層段為空洞。

圖3 空洞測(cè)井曲線形態(tài)

2.2.4 破碎帶

如圖4所示，160.83 m以下，地層巖性為粉砂巖，電阻率應(yīng)為中低阻，密度中高、聲波時(shí)差中低，井徑為鉆頭直徑。然而實(shí)測(cè)參數(shù)曲線在161.10～164.10 m(厚3.00 m)層段電阻率曲線異常值很低，密度曲線出現(xiàn)尖狀、劍狀大幅值異常，聲波時(shí)差曲線出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小異常，井徑曲線出現(xiàn)尖狀、劍狀大幅值異常，反映出孔壁不規(guī)整。綜合這些參數(shù)曲線形態(tài)特征，結(jié)合巖層巖石物性特征，分析判斷此層段為破碎帶。

圖4 破碎帶測(cè)井曲線形態(tài)

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)結(jié)果劃分解釋為裂隙、破碎帶、空洞的部分，選擇H-1號(hào)鉆孔進(jìn)行了井中電視測(cè)井,如圖5所示?？梢灾庇^地看到110.5～111.5 m處出現(xiàn)空洞、裂隙。由此證明，利用測(cè)井參數(shù)曲線劃分鉆孔剖面裂隙、破碎帶、空洞的劃分結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。由于井中電視測(cè)量需在清水或干孔中進(jìn)行，洗井會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用，還可能對(duì)鉆孔造成坍塌等孔內(nèi)事故，故未對(duì)其他鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 空洞、裂隙井中電視成像

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際測(cè)井獲得的參數(shù)曲線，在某些地層段出現(xiàn)與該地層段巖性物性不相符的曲線形態(tài)特征時(shí)，深入細(xì)心研究這些反常的曲線形態(tài)，對(duì)解決鉆孔工程地質(zhì)問(wèn)題、下放套管固井應(yīng)注意事項(xiàng)、后期封孔材料計(jì)算等提供幫助，并可在尋找裂隙、含水層、空洞、采空區(qū)、塌陷層位等方面提出佐證，是構(gòu)造地質(zhì)研究的重點(diǎn)之一。