淺議利用物探測井方法判定含水層

薛念周

摘 要：在簡單地質條件下，使用視電阻率、密度、自然伽瑪和自然電位等常規曲線即可判定含水層；在復雜地質條件下，可對鉆孔沖孔后使用擴散法，或根據含水層分帶性的特點，使用微電極系測井法來判定含水層。并在實際應用中取得良好效果。

關鍵詞：物探測井；判定含水層；測井法

1 含水層概念

含水層通常是指富含相當數量的水并能使水流動的含水巖層，是飽含水的透水層。在煤田地質勘探中，需要探明礦區水文地質條件。查明含水層位、分布、埋深、厚度、巖性等因素是確定含水層水文地質參數，預計井筒涌水量等后續工作的基礎。在實際水文地質勘查工作中，一般利用鉆孔泥漿消耗量、巖芯及巖性組合、測井曲線對含水層進行解釋。

根據含水層的結構特點可分為三種類型：一是孔隙性含水層（如砂層、砂礫層、輸送砂巖等）；二是裂隙性含水層（脆性巖層的破碎帶、裂隙帶）；三是溶洞性含水層（灰巖喀斯特地區）。在煤田地質勘探中，我們通常遇到的是第一種，文章主要講述孔隙性含水層。

首先我們要了解孔隙性含水層的巖性及物性特征，這樣才能準確的進行劃分。

（1）孔隙性含水層的巖性多為碎屑沉積巖（如砂層、砂礫巖、膠結疏松的砂巖等）。其泥質含量少，孔隙度高，含水量大，滲透性強。特別應注意的是含水層在鉆孔中具有分帶現象，這是非滲透性巖層所沒有的。當鉆孔穿過含水層時，由于泥漿泵的影響，泥漿壓力大于地層水壓力，泥漿溶液即向含水層滲透，而泥漿微粒（泥質顆粒）被含水層過濾而析出，在含水層的井壁上形成泥餅。如果泥漿泵壓力較大，滲透較深，可形成如圖1所示的泥餅、沖洗帶、過渡帶和未侵入帶四個分帶。如果壓力不夠大，滲透不深，則形成泥餅、過渡帶和未侵入帶，缺失沖洗帶。圖1中hmc為泥餅厚度，泥餅由泥漿微粒組成；dxo為沖洗帶直徑，沖洗帶中含水層的孔隙完全由泥漿溶液充填；di為過渡帶直徑，過渡帶中含水層的孔隙由泥漿溶液和地層水的混合液體充填；Δri為侵入帶深度。Δri越大，滲透得越深。

（2）孔隙性含水層的物性特征由其巖性決定。視電阻率曲線和密度曲線幅值一般比泥巖、粘土等泥質巖層要高，比致密砂巖、膠結緊密的砂巖以及灰巖等巖層要低。這類含水層的電阻率，在巖性相同時，主要取決于地層水的礦化度。礦化度越高，含水層電阻率越低。由于這類含水層泥質含量低，因此在自然伽瑪曲線上呈低幅值反映。當泥漿溶液和地層水礦化度有差異時，離子會發生擴散或擴散吸附產生自然電位。當地層水礦化度高于泥漿溶液礦化度時，在含水層上自然電位曲線呈現負異常；反之，則自然電位曲線呈現正異常。根據上述物性特征即可劃分含水層。見圖2。

2 物探測井方法簡介

在地質條件較簡單，物性特征差異明顯的地區，應用以上曲線特征即可有效地劃分含水層。但是在地質條件復雜，物性差異不大，又沒有掌握地質——地球物理特性時，上述方法不一定有效。因此，可利用含水層滲透能力的特點和具有分帶的現象，來劃分含水層。

2.1 擴散法

當鉆探終孔之后，經過沖孔、洗刷井壁，將含水層的泥餅沖刷掉，使地層水不斷地流入鉆孔。先把井液鹽化（使其濃度大于地層水的濃度），由于地層水不斷流入鉆孔，以及離子的擴散，一段時間以后，在含水層處的井液鹽濃度將逐漸減小，這樣就引起井液電阻率的變化。利用這個特點劃分含水層的方法叫做擴散法。

擴散法就是在不同的時間對井液進行電阻率測量。應用擴散法需要具備兩個條件：（1）必須事先沖孔，將井壁上的泥餅全部沖刷掉；（2）把泥漿全部換成鹽化后的清水。

井液電阻率ρc和井液的鹽濃度成反比。濃度越大，電阻率越低；濃度越小，電阻率越高。隨著時間的推移，在含水層井段的井液鹽濃度不斷地在減小，電阻率則不斷地變高。根據這個原理，利用井液電阻率探管，在不同時間（t0、t1、t2…）分別測量井液電阻率（ρc）的曲線，就可以劃分出含水層。見圖3。

2.2 微電極系法

當泥漿溶液礦化度高于地層水時，則沖洗帶電阻率ρxo低于過渡帶電阻率ρi，更低于未侵入帶的含水層電阻率ρ，即ρxo<ρi<ρ；當泥漿溶液礦化度低于地層水時，則即ρxo>ρi>ρ。一般來說泥漿溶液礦化度是高于地層水的，也就是說，含水層上泥餅電阻率ρmc總是小于ρxo或ρi的。無論哪一種情況，含水層上的電阻率存在著分帶性這個特性，利用這個特性，也能有效地劃分含水層。微電極系測井法能夠測得含水層上泥餅和侵入帶（沖洗帶和過渡帶的通稱）的電阻率，所以微電極系測井法是劃分含水層的有效方法。

使用微電極系探管可以測量微梯度電極系及微電位電極系電阻率。其中微梯度電極系電阻率ρWT主要反映較淺的泥餅的電阻率，微電位電極系電阻率ρWW主要反映較深的侵入帶地層電阻率。當泥漿溶液礦化度高于地層水時，ρWW>ρWT，這種情況我們稱為正差異。一般情況下，滲透性越好，泥餅越厚，正差異就越大。當正差異大于20%時，則可認為該地層為滲透層，可以判斷為含水層。見圖4。

微電極系測井在各種巖層上有不同的顯示。

（1）滲透性巖層（如含水層）

滲透性好的地層孔隙性良好，而且孔隙的連通性也好。如砂層、膠結差的純砂巖等都具有這種特點。它們都存在分帶現象。在這些巖層上常附有1-3cm厚的泥餅，正差異明顯。

（2）非滲透性巖層

泥巖層：當泥巖段上受泥漿的強烈沖洗時，井徑會變大，因此探管的絕緣墊板不能接觸井壁，所以微電位與微梯度測得的都是泥漿的電阻率，差異為零。當井壁被沖洗不太深時，由于ρWW反映泥巖電阻率，ρWT反映泥漿電阻率，則有可能出現正差異。此時，可參考自然電位及自然伽瑪曲線進行綜合解釋，即可準確判斷泥巖層。

砂質泥巖段上，泥漿沖洗使得井壁不光滑，探管的絕緣墊板不能時刻與井壁保持緊密接觸，于是電流會沿著泥漿柱分流，導致曲線呈鋸齒狀，差異有正有負且呈交叉狀。

致密巖層：這些巖層電阻率高或很高，由于其井壁不平，所以在曲線上呈幅度較大的、正負差異交叉的鋸齒狀反映。

解釋實例見圖5。

3 結束語

實踐證明，利用物探測井方法是可以準確判定含水層位的，地質條件簡單時，可利用測井曲線中的自然伽瑪、自然電位和視電阻率相結合的方法對含水層進行解釋；地質條件復雜時，可利用擴散法或微電極系測井法對含水層進行解釋。相比傳統水文探測方法，測井方法具有明顯的優勢，首先是便捷，其次是經濟。因此，在地質勘探中可以大力推廣應用。

參考文獻

[1]葛亮濤，葉貴均，高洪烈.中國煤田水文地質學[M].北京：煤炭工業出版社，2001.

[2]尉中良，鄒長春.地球物理測井[M].北京：地質出版社，2005.