地球物理測井技術在鐵路隧道勘察中的應用探討

2010-11-29 07:50:14孟憲波馮彥謙

鐵道勘察 2010年1期

孟憲波馮彥謙

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

在鐵路勘察中,復雜、深埋、長大隧道的工程地質勘察越來越多,必要的深孔勘探就顯得十分寶貴。如何最大程度的獲取深孔巖層的信息,并對大地電磁等物探方法的結論進行全面的補充改正,綜合測井就是一個非常重要的手段,同時也能夠為鉆孔圍巖類別劃分、含水性分析等提供基礎數據和設計依據。地球物理測井技術能夠在鉆孔中測定各種地層的物性參數,從而達到劃分地質剖面,驗證補充鉆探資料的目的。

1 地球物理測井方法

常用的地球物理測井方法包括:聲波測井、視電阻率測井、自然電位測井、井溫測井、井斜測井、井中電視等。

1.1 聲波速度測井

聲波在地層中的傳播速度是巖石密度和彈性的函數,根據聲波實測值并結合曲線可以區分巖性,劃分各種不同巖性的地層形態,相對幅值,詳細準確地判別地層并用于地層的對比。

1.2 視電阻率測井

視電阻率測井是基于不同巖層間的電阻率差異(即礦物和巖石的導電性的物理學基礎)區分巖性,配合其他測井曲線劃分巖層界面,確定巖層的電阻率,劃分咸、淡水界線,確定地下水的礦化度等。

1.3 自然電位測井

自然電位測井是基于巖石的電化學活動性質,即測量巖層或礦體在天然條件下產生的電場電位(自然電位)變化的一種測井方法。在離子導電的巖層上可以觀測到主要由擴散和吸附作用產生的自然電位,在不同的巖層上有著不同的數值,配合其他測井曲線,可劃分含水層與隔水層界面。

1.4 井溫測量

測量鉆井內溫度(通常是井液溫度)及其沿井軸或井周的空間分布,是基礎地學研究中獲得深部地溫梯度并計算地熱流值的重要手段,是勘察設計或安全措施所需地下溫度資料的重要來源,也被用來劃分含水層位和分析補給關系。

1.5 井斜測量

測量井軸偏離垂直方向(鉛垂軸)的角度(稱為傾角或頂角)及井軸在水平面上的投影與磁北方向之間的夾角(稱為方位角)。終孔井斜資料用于計算巖層的真厚度。

1.6 井中電視

井中電視采用井下攝像機通過錐形反光鏡攝取孔壁四周圖像,利用計算機控制圖像采集和圖像處理系統,自動采集圖像,并進行展開、拼接處理。

2 綜合測井技術要求

(1)綜合測井應在鉆孔完成1～2d后進行測試。

(2)鉆孔現場有場地安放綜合測井的儀器設備。

(3)鉆孔內必須有水,特別是隧道洞頂以上10m有穩定水位,以保證測試的順利進行。

(4)鉆孔內的破碎部位應以泥漿護孔,防止孔內坍塌、掉塊,防止探頭被卡,影響測試。

3 地球物理測井技術的應用

3.1 確定巖層完整性及破碎程度

當聲波在風化嚴重,有節理、裂隙的巖體中傳播時,由于這種不連續界面中往往富含有液體使其波阻抗降低,且在這種界面上傳播的聲波會發生不同程度的反射、繞射,致使聲波的能量很大程度地被衰減、吸收,反映在聲速曲線上往往會出現聲速“低值異常”帶。而視電阻率曲線在破碎巖層處也會呈現出低的幅值,二者結合可有效的劃分出破碎帶。圖1是利用聲波測井和視電阻率測井曲線來進行劃分某隧道鉆孔巖層破碎帶的例子。該段巖層為花崗閃長巖,破碎帶的位置為①:30.35～32.70m,為低速低阻帶。結合鉆探資料,鉆探日志顯示該段節理裂隙較發育,巖芯呈碎塊狀,其他段巖層較完整。鉆探資料和測井曲線吻合的較好。

圖1 利用測井曲線確定巖層完整性及破碎程度

3.2 利用視電阻率、自然電位曲線、井溫曲線聯合劃分滲透性巖層

通常,第四系孔隙含水層上或基巖裂隙含水層的地層水和井液存在著明顯的礦化度差異,所以含水層上往往出現清楚的自電異常。異常的一般特點是:在含水層上,自然電位幅值大,曲線偏離基線急劇上升或下降。自電曲線的偏離方向,即出現正異常還是負異常,決定于地層水和井液的礦化度。同時,在低礦化度的淡水層上,視電阻率曲線也有明顯的反映。含水砂層上,相對于低電阻率的黏土類地層呈現高阻異常;基巖裂隙含水段相對于完整致密基巖段呈現低阻異常。另外,地下水在巖層中的運移過程中,不斷地與圍巖產生熱交換,從而改變正常的地溫,產生局部的相對高溫或低溫異常。異常的判別根據井溫曲線的變化和正常地溫增長率的比較來確定高溫或低溫異常,進而判別是來自淺部的低溫水還是來自深部的高溫水。三者相互配合可以很好地判別和劃分含水層,同時利用井溫曲線還可以查明地下有無熱災害的情況。

圖2是利用視電阻率曲線、自電曲線、井溫曲線聯合劃分含水層的例子,圖2左側是視電阻率曲線,右側是自然電位曲線。對照鉆探日志和聲波曲線可知:該段巖層裂隙比較發育。圖中的標號①:115.95～122.85m即為基巖裂隙含水層段,在該段上,視電阻率呈現低阻異常,自然電位呈現正異常,井溫曲線不符合區域正常地溫增長規律。