李梁寧，魏久傳，李立堯，石守橋，尹會永

(山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

當(dāng)前富水性評價有抽水試驗評價法、電法勘探、磁法勘探、綜合物探等水文地質(zhì)及地球物理勘探方法。其中，抽水試驗評價法是常用且有效的方法，利用單位涌水量評價含水層的富水性[1]，但該方法投入高、數(shù)據(jù)少、控制程度低，難以對井田大范圍的富水性進(jìn)行評價；而利用地球物理勘探技術(shù)評價含水層的富水性[2-3]，其物探資料的解釋復(fù)雜且存在多解性、局限性。學(xué)者提出了多因素耦合的方法評價含水層的富水性[4-9]，其中，許多指標(biāo)共同反應(yīng)巖石的孔隙發(fā)育程度，但由于影響指標(biāo)眾多，難以把握各因素之間的影響程度和因果關(guān)系。目前已有相關(guān)學(xué)者利用三維地震資料、測井曲線等手段反演求得砂巖孔隙度[10]，并將其作為評價指標(biāo)考量到含水層富水性的評價中。

鄂爾多斯地區(qū)營盤壕井田的砂巖含水層富水性對頂板水害防治具有重要意義。井田地層起伏小，構(gòu)造簡單，砂巖裂隙不發(fā)育，以孔隙水為主。其孔隙水的富水性主要由含水層的孔隙度控制，本文選取聲波測井探測砂巖的孔隙度。聲波測井是在鉆孔中通過研究巖層中聲波傳播速度來確定巖性、孔隙度的一種測井手段[11]。本文將這種方法運(yùn)用到煤系含水層的富水性評價上，以鄂爾多斯地區(qū)營盤壕井田為例，通過負(fù)壓孔滲實驗求得的有效孔隙度的數(shù)值和聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的分析，研究砂巖含水層的有效孔隙度在平面上的展布，建立有效孔隙度、含水層厚度雙指標(biāo)的富水性評價模型，技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

營盤壕井田屬于東勝煤田，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南部的烏審旗境內(nèi)，地層區(qū)劃屬華北地層鄂爾多斯分區(qū)[12]。

區(qū)域內(nèi)地層總體為走向北北東、傾向北西西、傾角小于3°的單斜構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)斷層，僅在單斜構(gòu)造的主體上發(fā)育一些很平緩的波狀起伏，無巖漿巖侵入。井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單。

含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，含煤13層，本文分析的直羅組下段孔隙承壓含水層是煤層的直接充水含水層。區(qū)域內(nèi)主要含水層與隔水層見圖2。

2 有效孔隙度預(yù)測模型

聲波測井是利用聲波在巖層中的傳播速度來分析巖層性質(zhì)，雙收時差是計算孔隙度、判斷巖性的常見聲波測井手段。通過研究巖石有效孔隙度與雙收時差數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，建立了巖-電關(guān)系表達(dá)式，用以計算未取樣層位的有效孔隙度。具體步驟是，將研究區(qū)直羅組下段樣品測試的有效孔隙度與對應(yīng)層段的雙收時差測井平均值進(jìn)行相關(guān)性分析(圖3)，建立線性的巖-電關(guān)系公式，最后根據(jù)雙收時差測井值計算未取樣品鉆孔的有效孔隙度值。

圖2 主要含水層與隔水層示意圖Fig.2 Diagram of major aquifers and aquifuges

圖3 巖-電關(guān)系線性回歸Fig.3 Regression of rock-electricity relationship

實驗儀器為高溫高壓覆壓孔滲測定儀。巖芯實驗數(shù)據(jù)見表1。通過聲波時差數(shù)據(jù)和該層位巖芯有效孔隙度數(shù)據(jù)的對比，分析相關(guān)關(guān)系，得到聲波時差與有效孔隙度的巖-電關(guān)系公式，見式(1)。

POR=-0.2834A+54.4499

(1)

R2=0.8286

式中：POR為有效孔隙度；A為雙收時差數(shù)據(jù)；R2為相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)R2=0.8286，相關(guān)性較強(qiáng)，說明利用聲波時差預(yù)測有效孔隙度的方法較為合理。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為各個井位上研究層段的雙收時差平均值(圖4)，由式(1)來計算該層在各個井位上研究層段的有效孔隙度，然后采用克里金插值的方法最終得到該層位在平面上有效孔隙度的分布預(yù)測等值線圖(圖5)。

表1 巖芯實驗數(shù)據(jù)表Table 1 Rock core experimental data

圖4 雙收時差數(shù)據(jù)等值線圖Fig.4 Contour map of sonic data

圖5 有效孔隙度預(yù)測等值線圖Fig.5 Contour map of effective porosity distribution prediction

3 含水層富水性預(yù)測模型構(gòu)建

砂巖的富水性存在多個因素的影響，單一指標(biāo)不能全面反映富水性，指標(biāo)數(shù)量過多不僅工作量大，而且多個指標(biāo)間的相互關(guān)系也會造成誤差，需要結(jié)合研究區(qū)域的實際情況來選擇評價指標(biāo)。

研究區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層，為小于3°的單斜構(gòu)造，地層起伏很小，地質(zhì)構(gòu)造簡單，所以不再考慮構(gòu)造對砂巖含水層富水性的影響。本文選擇砂巖含水層厚度與有效孔隙度兩個指標(biāo)作為評價影響砂巖含水層富水性的主控因素，構(gòu)建砂巖含水層富水性評價模型。富水性指數(shù)W表達(dá)式見式(2)。

W=k1H+k2POR

(2)

式中：k1、k2分別為各影響因素對W的貢獻(xiàn)率，即權(quán)重；H為含水層厚度；POR為含水層的計算有效孔隙度。

采用熵權(quán)法對H和POR進(jìn)行權(quán)重確定，計算公式見式(3)。

(3)

式中，Xij為第j個因子的第i個樣本值。

針對第j個因子，利用該因子下的數(shù)據(jù)列計算該因子的熵值ej,計算公式見式(4)。

(4)

gj=1-ej，j=1，2

(5)

對式(5)計算出的偏差度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到的標(biāo)準(zhǔn)化值即為每個因子的權(quán)重，它反映了各因子對富水性指數(shù)W的貢獻(xiàn)率。其中第j個因子的權(quán)重計算公式見式(6)。

(6)

計算各因子的權(quán)重向量S=(0.56,0.44)，權(quán)重即為k1=0.56，k2=0.44，得式(7)。

W=0.56H+0.44POR

(7)

綜合砂巖含水層厚度和有效孔隙度兩個評價指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)式(7)得出富水性指數(shù)W。考慮到H和POR的數(shù)值級數(shù)差別大會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對各評價指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)歸一化后，再按照式(7)計算出富水性指數(shù)W。通過對W進(jìn)行直方統(tǒng)計分析(圖6)，可以明顯看出在W為0.6和0.8時數(shù)據(jù)頻率發(fā)生了突變，以突變點0.6和0.8作為分區(qū)閾值。根據(jù)砂巖富水性指數(shù)的分區(qū)閾值對砂巖富水區(qū)域進(jìn)行劃分，作出基于W的富水性分區(qū)圖，由圖7可知砂巖含水層富水性分為弱富水區(qū)、中等富水區(qū)和強(qiáng)富水區(qū)3個區(qū)域。

圖6 直方統(tǒng)計圖Fig.6 Histogram statistics

圖7 富水性分區(qū)圖Fig.7 Water yield property subarea map

1)W1<0.6，廣泛分布在井田的大部分區(qū)域，集中分布在東部和中部。

2) 0.6

3)W3>0.8，主要分布在井田的西南部、西北部、東北部和東南部。

圖7顯示，在鉆孔K1-6、K2-1、K9-2的附近有小范圍的強(qiáng)富水區(qū)，圍繞強(qiáng)富水區(qū)附近存在較小范圍的富水性中等區(qū)域，研究區(qū)中部、南部存在大范圍的弱富水性區(qū)。

4 驗 證

以K1-6、K2-4、K4-7、K6-4、K7-5、K7-7六個抽水試驗孔驗證富水性分區(qū)預(yù)測模型(表2)，驗證孔較均勻的分布在研究區(qū)內(nèi)，以上驗證孔按照《煤礦防治水細(xì)則》[13]的富水性分級規(guī)范所劃分的富水性與本文模型預(yù)測的富水性對比一致，說明模型比較可靠。

表2 抽水試驗驗證Table 2 Pumping test verification

5 結(jié) 論

1) 通過聲波測井、有效孔隙度試驗構(gòu)建了砂巖含水層富水性分區(qū)預(yù)測模型，解決了富水性預(yù)測過程中水文地質(zhì)數(shù)據(jù)少的問題，節(jié)約了實測成本；相對于平常的多因素耦合的富水性評價方法，雙指標(biāo)的預(yù)測模型降低了多個指標(biāo)間復(fù)雜的相互關(guān)系造成的誤差；但是模型存在局限性，僅適用于裂隙不發(fā)育的砂巖含水層。

2) 基于測井資料的營盤壕井田砂巖含水層富水性分區(qū)預(yù)測模型比較可靠，為礦井防治水工作提供一定的參考依據(jù)。