張 利

(核工業(yè)二一六大隊)

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聲速測井技術在加格斯臺煤礦普查中的應用

張 利

(核工業(yè)二一六大隊)

介紹了聲速測井技術在新疆察布查爾縣加格斯臺煤礦普查中巖性劃分、孔隙度估算、巖石力學參數(shù)估算以及工程地質參數(shù)計算等方面的應用成果，供相關研究參考。

聲速測井 孔隙度 巖石力學參數(shù) 工程地質

聲速測井(聲波速度測井)也稱聲波時差測井，即測量聲波在地層中的傳播速度或傳播時間。聲速測井可反映不同地質年代、不同礦物成分組成、結構各異的巖石等介質的聲學特性，被廣泛用于研究鉆井地質剖面、確定巖石孔隙度、判斷巖性和孔隙流體性質、估算巖石力學參數(shù)以及工程地質等方面的問題[1]。新疆察布查爾縣加格斯臺煤礦普查區(qū)主要含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)，其巖性主要為灰色、淺灰色泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、粗砂巖、含礫粗砂巖、細砂巖、煤和炭質泥巖。煤和炭質泥巖分布于該地層上半部，砂體具有一定規(guī)模，主要分布于該地層上部和下部，砂體均處于還原環(huán)境中。為進一步促進該普查區(qū)地質勘探工作的順利進行，本研究詳細分析了聲速測井技術在該區(qū)的應用成果。

1 巖性劃分

不同巖性的巖石對聲波雙收時差表現(xiàn)出差異性，西山窯組主要巖性雙收時差或縱波速度參數(shù)統(tǒng)計結果見表1。由表1可知：在砂泥巖剖面中，砂巖顯示為高聲速(低時差值)；泥巖顯示低聲速(高時差值)；礫巖、含鈣質、鐵質的巖石顯示為高聲速(低時差)。聲波雙收時差曲線與巖性的對應關系如圖1所示，在劃分巖性時，結合視電阻率、密度曲線，可更精確確定巖性及其空間位置。

表1 西山窯組主要巖性的雙收時差及縱波速度

2 孔隙度估算

對于巖性相同的巖石，其密度為巖石總孔隙度的函數(shù)。由于聲波速度與巖石密度有關，故可用于了解巖石的孔隙度。對于固結的(壓實的)純巖石，聲波傳播速度、孔隙度與孔隙中流體性質之間存在下列關系(即Wyllie時間平均方程)[1]：

(1)

或

(2)

即：

(3)

當巖石骨架成分(巖性)和孔隙流體性質已知時，Δtf、Δtma為常量，即有：

(4)

當巖性變化或充液變化時，式(4)所示的直線關系將被破壞。因此，該直線關系的利用，須在同巖性、同充填液的條件下。事實上，一般以相同條件下巖性的Δt測量值和巖芯孔隙度分析值得出的統(tǒng)計結果為依據(jù)，獲得經(jīng)驗直線方程。加格斯臺煤田西山窯組下段砂巖的雙收時差與孔隙度的線性相關系數(shù)為0.89，故該區(qū)的經(jīng)驗公式為

圖1 砂泥巖性剖面

t=1 097Φ+230 .

(5)

根式(5)計算出的孔隙度與試驗分析結果相差較小(表2)，故可利用該式估算西山窯組下段砂巖的孔隙度。

表2 西山窯組下段砂巖孔隙度估算結果

對膠結或壓實不夠的疏松地層，孔隙直徑較大，骨架顆粒接觸不緊密，故式(3)計算的孔隙度偏大。為此，可對式(3)進行壓實校正：

(6)

式中，CP為壓實校正系數(shù)。

3 巖石力學參數(shù)估算

基于縱波速度(VP)、橫波速度(VS)、密度(ρ)等測井資料，可按下式估算巖石力學參數(shù)：

(7)

式中，μ為切變模量，N/m2；σ為泊松比；E為楊氏模量，N/m2；K為體積彈性模量，N/m2；λ為拉梅系數(shù)。

由于在聲波測井實踐中,巖體橫波速度難以實測到,因此,在實際工作中往往用巖石樣品所求的VP-VS關系式估算出VS值，進而估算巖體力學參數(shù)[2]。通過對西山窯組下段砂巖的密度、聲速參數(shù)處理，估算出楊氏模量、切變模量、泊松比等參數(shù)，如表3所示。

表3 西山窯組下段砂巖巖石力學參數(shù)估算結果

由表3可直觀地看出區(qū)內各巖層抗壓強度的強弱程度。在單一鉆孔中，弱強度層在力學性質曲線中反映為柏松比為高幅值，而強度指數(shù)、楊氏模量、體積模量、縱波速度、切變模量以及橫波速度為低幅值；在高強度層中，各曲線反映恰好相反。通過分析單一鉆孔各力學參數(shù)在各巖層曲線的反映形態(tài)，可較直觀地對各巖層相對抗壓強度的強弱程度進行比較。

4 工程地質參數(shù)計算

根據(jù)聲速測井資料，結合聲透視結果，可為工程地質設計提供洞室、基礎邊坡等參數(shù)，在工程勘探階段，可提供廠基、壩基、路基等有關地質參數(shù)。根據(jù)該類參數(shù)，可計算出巖體完整系數(shù)(表4)、裂隙系數(shù)、風化系數(shù)、巖體不均勻系數(shù)等工程地質參數(shù)[3]。

表4 我國巖體完整系數(shù)劃分巖性的推薦標準

以西山窯組下段的砂巖為例(新鮮巖體的縱波速度取3 378 m/s)，計算出了工程地質分類參數(shù)，其中，完整系數(shù)為0.754，裂隙系數(shù)為0.246，風化系數(shù)為0.222，巖體不均勻系數(shù)為2.398。

5 結 語

聲速測井技術不僅能判別煤層，進行定性、定厚和確定斷層破碎帶位置，而且還能夠劃分地層和對比地層，確定地層的孔隙度，估算巖石強度參數(shù)等。本研究以新疆察布查爾縣加格斯臺煤礦普查區(qū)為例，詳細分析了聲速測井技術在該區(qū)的應用成果，對于區(qū)內進一步開展地質勘探工作有一定的借鑒價值。

[1] 尉中良，鄒長春.地球物理測井[M].北京：地質出版社，2005.

[2] 樓一珊.利用聲波測井計算巖石的力學參數(shù)[J].探礦工程，1998(3)：47-48.

[3] 王惠濂.綜合地球物理測井[M].北京：地質出版社，1985.

2016-06-07)

張 利(1981—)，男，工程師，830011 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市北京南路467號。