姬同旭,吳維義,李昌龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴陽(yáng) 550081)

巖溶地區(qū)工程勘察技術(shù)主要有工程地質(zhì)調(diào)繪、遙感圖像解譯、鉆探、槽探、物探等。其中物探在巖溶勘察中為最主要方法。各種物探方法根據(jù)工作位置的不同,分為地面、孔內(nèi)2種物探方法。而現(xiàn)有物探方法的局限性,對(duì)巖溶的規(guī)模、空間形態(tài)、位置以及填充情況的準(zhǔn)確判定造成巨大困難,進(jìn)而影響巖溶的處置方案。因此需一種新物探技術(shù),其對(duì)巖溶的勘察,應(yīng)達(dá)到高精度、高分辨率要求,同時(shí)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)操作方便、工作效率高等要求。跨孔電阻率CT法,根據(jù)其工作原理,可較好地滿(mǎn)足上述要求。跨孔電阻率CT法是一種把電極點(diǎn)放入鉆孔內(nèi)進(jìn)行測(cè)量的物探直流電阻率勘探方法,主要用于查明兩鉆孔之間的低阻巖土體,包括巖溶、破碎(軟弱)帶和巖土分界面等[1-2]。與地表電阻率探測(cè)相比,跨孔電阻率CT法具有顯著的優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為在精細(xì)探查領(lǐng)域具有良好發(fā)展前景。電阻率跨孔CT方法是從醫(yī)學(xué)CT引入的，可實(shí)現(xiàn)高分辨率地層參數(shù)信息的電阻率層析成像技術(shù),最早由美、日學(xué)者提出,并開(kāi)展了一定的研究工作[3]。國(guó)內(nèi)的廣泛研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代中期。目前，二維電阻率跨孔CT探測(cè)成像方法以應(yīng)用研究為主,用于地層結(jié)構(gòu)精細(xì)探查尚處于試驗(yàn)研究階段,且主要集中于二維電阻率跨孔CT剖面成像研究,而對(duì)電阻率跨孔CT探測(cè)的效果影響因素等方面尚缺乏系統(tǒng)深入的研究,使得電阻率跨孔CT探測(cè)方法用于精細(xì)探測(cè)的可靠性難以保證[4-9]。在此背景下,本文的研究?jī)?nèi)容具有重要意義。

1 概念模型

1.1 二極裝置類(lèi)型

該裝置是供電電極A在一個(gè)鉆井中,測(cè)量電極M在另一鉆井中。供電電極A由地面向下每移動(dòng)一個(gè)極距,測(cè)量電極M均需完成所在鉆井的所有測(cè)點(diǎn)觀測(cè),直至電極A逐點(diǎn)從首端移動(dòng)到末端。二極裝置概念模型如圖1所示。

圖1 二極裝置概念模型Fig.1 Conceptual model of dipole device

1.2 三極裝置類(lèi)型

采用的裝置為供電電極A與一測(cè)量電極M處于同一鉆井,測(cè)量電極N放置在另一鉆井中,測(cè)量過(guò)程是:保持電極A、M的間距不變,依次整體由首端移至末端,每移動(dòng)一次,電極N需完成所在鉆井中所有測(cè)點(diǎn)的測(cè)量;當(dāng)電極A、M移動(dòng)至末端后,可根據(jù)實(shí)際情況更改間距,再次測(cè)量。三極裝置概念模型如圖2所示。

圖2 三極裝置概念模型Fig.2 Conceptual model of tripole device

1.3 四極裝置類(lèi)型

圖3 四極裝置概念模型Fig.3 Conceptual model of quadrupole device

2 影響反演成像的因素

2.1 井間距對(duì)反演成像的影響

在文獻(xiàn)調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)井間距會(huì)影響井間靈敏度數(shù)值,因此通過(guò)控制井深不斷增加井間距來(lái)研究井間距的影響。模型大小為2 m×2 m,井間距l(xiāng)分別取12，16，20，30 m進(jìn)行模擬,電極距大小設(shè)為1 m,每個(gè)井孔中布置30個(gè)電極,根據(jù)裝置的不同分別分析。

圖4分別使用二極裝置的單孔、跨孔和組合(二極)觀測(cè)在井間距分別為12，16，20，30 m時(shí)反演成像結(jié)果,反演經(jīng)過(guò)5次迭代,結(jié)果均方根誤差均在3%～10%之間。從圖4中不難看出，單孔觀測(cè)反演成像主要特點(diǎn)是對(duì)橫向上的異常比較明顯,其隨著井孔間距的增大異常體的縱向分辨率變差,而二極裝置跨孔觀測(cè)成像結(jié)果的特點(diǎn)與前者有著相反的特點(diǎn),其對(duì)于異常體的縱向分辨率好于橫向分辨率。同時(shí),跨孔觀測(cè)成像結(jié)果在異常體的上下存在2個(gè)假異常。組合觀測(cè)反演成像是將以上兩者觀測(cè)數(shù)據(jù)組合在一起進(jìn)行反演成像,在圖4中容易看出組合在異常體的形態(tài)上好于前者,其結(jié)合了單孔觀測(cè)和跨孔觀測(cè)兩者分辨率的特點(diǎn),同時(shí)在異常體的兩側(cè)存在縱向平行的假異常。

隨著孔間距的增大無(wú)論是哪種二極裝置觀測(cè)其成像結(jié)果都在慢慢變差,特別是當(dāng)孔間距為30 m時(shí),跨孔觀測(cè)反演和單孔觀測(cè)反演結(jié)果的異常體形態(tài)發(fā)生較大變化,單孔觀測(cè)的反演結(jié)果同其他孔間距一樣在橫向上有著很好的分辨率,但在縱向上異常體被嚴(yán)重的拉伸,原本2 m高的異常體被拉伸到7 m;跨孔觀測(cè)反演結(jié)果對(duì)中間的低阻體的反應(yīng)已經(jīng)不太敏感,在異常體區(qū)域僅看到一個(gè)低阻圈,其在縱向仍然有很好的分辨率;組合模型的反演結(jié)果很明顯好于前者,其在異常體的位置、形態(tài)上和原始模型吻合較好,但是其與異常體真實(shí)電阻率相差較大。

(a)單孔不同井間距對(duì)比

(b)跨孔不同井間距對(duì)比

(c)組合裝置不同井間距對(duì)比

(d)同井間距不同組合裝置對(duì)比圖4 不同井間距反演成像結(jié)果比較Fig.4 Comparison of inversion imaging with different well spacing

2.2 不同裝置對(duì)反演成像的影響

圖5分別表示二極裝置、三極裝置和四極裝置在孔間距30 m情況下的反演結(jié)果圖。從圖5中的三種裝置的成像結(jié)果不難看出,在橫向上二極裝置較其他裝置更優(yōu),縱向上三極裝置和四極裝置的分辨率要好于二極裝置。說(shuō)明造成二極裝置在孔間距為30 m時(shí)成像差的主要原因是井距增大使得對(duì)離井遠(yuǎn)的區(qū)域“感知”降低?？偟膩?lái)說(shuō),四極裝置對(duì)于寬井間距的成像結(jié)果比較理想,而二極裝置和三級(jí)裝置整體上不理想。四極裝置在井間靈敏度數(shù)值會(huì)隨著單孔電極距增加而增加,這對(duì)于測(cè)量是非常有利的,這也為圖5中的結(jié)果提供理論證明。

2.3 測(cè)量電極距對(duì)反演成像的影響

在常規(guī)的高密度電法勘探中,電極距的大小設(shè)置關(guān)系到勘探測(cè)量的精度,在跨孔電阻率CT測(cè)量中同樣如此。設(shè)置孤立低阻體模型(2 m×2 m),低阻異常體電阻率為100 Ω·m,圍巖電阻率為1 000 Ω·m。

圖5 不同裝置反演結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of inversion results of different devices

圖6 單電極距測(cè)量反演圖像Fig.6 Inversion images of single electrode distance measurement

圖7 多電極距組合測(cè)量反演圖像Fig.7 Inversion images of multiple electrode distance measurement

圖8 跨孔+單孔組合測(cè)量反演圖像Fig.8 Inversion images of cross-hole and single-hole combined measurement

3 結(jié)論

本文從不同井間距、不同裝置以及不同測(cè)量電極距三個(gè)方面開(kāi)展了跨孔電阻率CT法反演成像影響因素分析,并得到了如下結(jié)論。

1)單孔觀測(cè)反演成像主要特點(diǎn)是對(duì)橫向上的異常比較明顯,其隨著井孔間距的增大異常體的縱向分辨率變差,而二極裝置跨孔觀測(cè)成像結(jié)果的特點(diǎn)與前者有著相反的特點(diǎn),其對(duì)于異常體的縱向分辨率好于橫向分辨率。

2)隨著孔間距的增大,無(wú)論是哪種二極裝置觀測(cè)其成像結(jié)果都在慢慢變差,特別是當(dāng)孔間距為30 m

時(shí),跨孔觀測(cè)反演和單孔觀測(cè)反演結(jié)果的異常體形態(tài)均發(fā)生較大變化。

3)在橫向上二極裝置較其他裝置更優(yōu),縱向上三極裝置和四極裝置的分辨率要好于二極裝置。說(shuō)明造成二極裝置在孔間距為30 m時(shí)成像差的主要原因是井距增大使得對(duì)離井遠(yuǎn)的區(qū)域“感知”降低。

4)跨孔電阻率CT測(cè)量時(shí)電極間距的選擇采用多電極距+單孔組合測(cè)量,電極距選擇孔間距的一半或略小?？缈纂娮杪蔆T反演結(jié)果表明，無(wú)論在異常體的分辨率、假異常的形態(tài)、對(duì)于異常體位置和大小都有很好的成像結(jié)果。