趙廣淼，劉飛虎

（河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái)054000）

1 測(cè)井技術(shù)概述

地球物理測(cè)井是以物理學(xué)、數(shù)學(xué)和地質(zhì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，以井眼及其周圍介質(zhì)為研究對(duì)象，采用多種專門的儀器設(shè)備，沿鉆井剖面測(cè)量各種物理參數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理和綜合研究，揭示測(cè)量對(duì)象的特征和規(guī)律，辨別地下巖石、液體性質(zhì)的方法，在資源勘察、工程地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境、考古研究等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。測(cè)井方法有自然電位測(cè)井、電阻率測(cè)井、聲波測(cè)井、自然伽馬測(cè)井、密度測(cè)井、中子測(cè)井、井徑測(cè)井、井斜測(cè)井、井溫測(cè)井、地層傾角測(cè)井、成像測(cè)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(qū)域治理工程，目的是進(jìn)行奧灰區(qū)域治理試驗(yàn)，研究奧灰含水層的水文地質(zhì)條件及其注漿改造效果，為后期規(guī)?；_采下組煤做準(zhǔn)備。為確定區(qū)域治理的目標(biāo)層，先設(shè)計(jì)施工1個(gè)垂直探查孔，終孔層位進(jìn)入奧灰含水層74.4 m，自?shī)W灰含水層頂面至終孔進(jìn)行了取芯，終孔后進(jìn)行了常規(guī)地球物理測(cè)井，測(cè)井方法選用自然電位、電阻率、自然伽馬、密度（長(zhǎng)源距伽馬伽馬）、井徑、井斜等6種常規(guī)測(cè)井方法。井斜測(cè)井用于測(cè)量鉆孔彎曲、描述鉆孔軌跡。

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

3 測(cè)井曲線地質(zhì)解釋

3.1 自然電位測(cè)井曲線地質(zhì)解釋

自然電位測(cè)井是在裸眼井中測(cè)量井軸上自然產(chǎn)生的電位變化，以研究井剖面地層性質(zhì)的一種測(cè)井方法。自然電位測(cè)井曲線有劃分滲透性巖層、進(jìn)行地層對(duì)比、研究地層沉積相、估算泥質(zhì)含量等用途。

在地面區(qū)域治理工程中，為確定注漿的目標(biāo)層位，用該曲線來估計(jì)奧陶系灰?guī)r含水層的滲透性和泥質(zhì)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?。ㄇ€上的平直豎線），曲線上高于此數(shù)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(zhì)體積含量：

式中：Vsh為地層泥質(zhì)體積含量，小數(shù)；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(jìn)入奧灰55 m）以下曲線幅度異常很小，為灰?guī)r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(biāo)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(shù)值分別為60、80、50 mV。奧灰含水層各段泥質(zhì)體積含量計(jì)算結(jié)果見表1。

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

3.2電阻率測(cè)井曲線地質(zhì)解釋

普通電阻率測(cè)井是通過測(cè)量地層電阻率來研究井剖面地層性質(zhì)的測(cè)井方法。普通電阻率測(cè)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(cè)定巖石電阻率參數(shù)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(shí)，由于地層水比巖石骨架具有更好的導(dǎo)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?guī)r石的孔隙度越高，電阻率越低。從電阻率測(cè)井曲線來看，井孔內(nèi)奧灰含水層特點(diǎn)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(dá)到100～900Ω·m，說明該段灰?guī)r巖溶裂隙較發(fā)育，富水性相對(duì)較強(qiáng)；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?guī)r巖溶裂隙最為發(fā)育，孔隙率最高，富水性強(qiáng)；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?guī)r較為完整致密，富水性弱。

3.3 自然伽馬測(cè)井曲線地質(zhì)解釋

自然伽馬測(cè)井是用伽馬射線探測(cè)器測(cè)量巖石總的自然伽馬射線強(qiáng)度，以研究井剖面地層性質(zhì)的測(cè)井方法。它既可以在裸眼井中又可以在套管井中進(jìn)行測(cè)量，且不受井中介質(zhì)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(shí)發(fā)射伽馬射線，使巖石有天然放射性。自然伽馬測(cè)井可用來劃分巖性、估算巖層泥質(zhì)含量、地層對(duì)比等。

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

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

待解釋的目標(biāo)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(shù)值約為70、130、20 API；純巖石的自然伽馬數(shù)值GRmin，取20API；純泥巖的自然伽馬數(shù)值GRmax，取310API(鋁土泥巖自然伽馬測(cè)量值達(dá)到570API，其計(jì)算結(jié)果和實(shí)際偏差較大，可能是因?yàn)楹蟹派湫缘V物造成的，因此予以剔除，使用煤系地層泥巖自然伽馬測(cè)量值)。計(jì)算出地層的泥質(zhì)含量指數(shù)后，再通過公式（3）估算目標(biāo)層的泥質(zhì)體積含量。

式中：Vsh為目標(biāo)層泥質(zhì)的體積含量；GCUR為希爾奇指數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)值取2（古近系-新近系地層取3.7，老地層取2，或結(jié)合巖芯資料確定）。

探查孔奧灰含水層各孔段泥質(zhì)含量指數(shù)和泥質(zhì)體積含量計(jì)算結(jié)果見表2，與巖芯資料對(duì)比來看，希爾奇指數(shù)取值偏高，調(diào)整為1.2較符合實(shí)際情況。

表2 自然伽馬曲線估算泥質(zhì)含量結(jié)果Table 2 Estimation results of shale content by natural gamma ray curve

3.4 密度測(cè)井曲線地質(zhì)解釋

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

從密度測(cè)井曲線來看，測(cè)量視密度和實(shí)際密度誤差較大，按實(shí)際石灰?guī)r密度進(jìn)行校正，結(jié)合2.3泥質(zhì)體積含量計(jì)算成果，利用公式（4）計(jì)算奧灰不同孔段孔隙度：

式中：φ為孔隙度；ρma為灰?guī)r骨架密度，ρb取2.71 g/cm2；ρma為實(shí)測(cè)體積密度；Vsh為孔隙流體密度，取1 g/cm2；ρsh為巖層泥質(zhì)體積含量；為泥質(zhì)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(cè)井曲線地質(zhì)解釋

井徑測(cè)井是測(cè)量井眼直徑大小的一種測(cè)井方法。井徑測(cè)井主要用于劃分地層剖面，識(shí)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(cè)。

探查孔取芯使用φ152 mm取芯鉆頭加取芯管，從井徑測(cè)井曲線來看，沖積層、煤系地層有明顯的井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，孔徑擴(kuò)大100～170 mm；奧灰頂面5 m井徑擴(kuò)大約60 mm，說明奧灰頂面存在軟弱風(fēng)化殼；奧灰頂面5 m以下井徑擴(kuò)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(kuò)大現(xiàn)象；奧灰頂面以下55～74 m基本沒有井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，說明該段石灰?guī)r致密完整。

4 測(cè)井成果與取芯、水文觀測(cè)情況對(duì)比

通過對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行地質(zhì)解釋，不同測(cè)井方法確定重點(diǎn)治理層段見表3。

表3 測(cè)井解釋成果重點(diǎn)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?guī)r，在635.50～704.40 m取芯鉆進(jìn)，終孔進(jìn)入奧灰74.55 m，取芯段長(zhǎng)：68.90 m，巖芯長(zhǎng)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(jìn)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(zhì)充填物，42～57 m（孔深672～687 m）巖溶尤為發(fā)育，多為泥質(zhì)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(jiān)硬，取芯率較高，僅有個(gè)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(cè)井成果確定注漿治理的重點(diǎn)層段為奧灰頂面以下25～55 m，從泥漿消耗量來看泥漿自?shī)W灰頂面以下34 m出現(xiàn)漏失0.4 m3/h，巖芯自?shī)W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(fā)育，57～74.4 m巖芯完整致密。

5 目標(biāo)層定位與工程驗(yàn)證

綜合以上測(cè)井、巖芯及水文觀測(cè)成果，治理工程水平分支孔的目標(biāo)層定為奧灰頂面以下30 m，位于奧灰?guī)r溶裂隙發(fā)育層段頂部，其下巖溶裂隙發(fā)育，泥質(zhì)充填較多，有利于漿液擴(kuò)散進(jìn)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(biāo)層。最終在該層位施工了3個(gè)順層水平分支孔，進(jìn)尺4 587 m，揭露9個(gè)漏失點(diǎn)，漏失量15～60 m3/h，累計(jì)注水泥18 785 t，治理效果較為理想。

6 結(jié) 語

從物理測(cè)井成果和取芯情況對(duì)比來看，2種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，取芯是最直觀的一種研究地下巖層性質(zhì)的技術(shù)手段，通過取芯可直觀的觀測(cè)到巖性、裂隙率、取芯率，并可對(duì)巖芯進(jìn)一步做力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，取芯方法的缺點(diǎn)是研究范圍局限于單個(gè)鉆孔之內(nèi)，一般需要施工多個(gè)鉆孔進(jìn)行研究，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析才有較好的實(shí)用價(jià)值；測(cè)井方法的好處是通過測(cè)井儀器將研究對(duì)象的范圍從井孔擴(kuò)大到井孔周邊數(shù)十公分甚至數(shù)米的范圍，提高了資料的可靠程度和實(shí)用性。物理測(cè)井和取芯、簡(jiǎn)易水文觀測(cè)等手段結(jié)合，在地面區(qū)域治理目標(biāo)層的定位中可以獲得較好的效果。