淺談流速流量測井在水文地質勘探中的實用性

郭 濤，黨 靜

(陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

地質勘探中，尤其是煤田地質勘探，需要對勘探區內水文地質進行探明，除了對地表水文、水系、河流、湖泊進行填圖外，還必須探明目的層(煤層)上覆地層和下伏巖層的含、隔水層，富水性和涌水量等。為了更好地研究勘探區水文地質類型、特征、富水性，解決后期礦井建設和生產中水的問題，防治水害和合理利用保護地下水資源，分析礦井充水規律。

1 地層巖性、含隔水層應具條件

地球表面下伏地層由大小不等、顆粒粗細不一、膠結物質相異的非均勻塊狀物質所組成，由于顆粒間的空隙即巖石孔隙，這些孔隙有的含水有的不含水，也有雖然含水卻難以透水，通常指既能透水又飽含水的多孔介質稱為含水介質，這是地下水存在的基本條件。

煤層產于沉積巖類，是地表風化物經過風或水的搬運后在新的地方沉積而形成的巖石，有礫巖、砂巖、泥巖、頁巖、石灰巖等。礫巖顆粒粗大，孔隙度較高；砂巖是由像沙灘上的沙子大小顆粒組成的巖石，分為粗粒砂巖(粒徑0.5～1 mm)，中粒砂巖(0.25～0.5 mm)，細粒砂巖(0.10～0.25 mm)，粉砂巖(0.01～0.10 mm)，泥巖(小于0.01 mm)。粉砂巖、泥巖由于粒度小、致密，在未發生裂變的情況下是不含水的，中、粗粒砂巖，礫巖由于孔隙度較大，有充水空間，一般認為含水，但到底有無水要看其層位在潛水位上還是下，上無下有。

2 布設水文鉆孔的任務與目的

2.1 布設水文鉆孔的任務

地面水文地質填圖，標明勘探區內及附近已有的泉眼、河流、湖泊(海子)水井的基礎上，為能進一步查明地下含水層的巖性、層數、厚度、深度及出水量、水質、水溫等水文地質條件、特征和水文參數解決地面工作中難以解決的水文地質問題，評價礦井水患和合理開發利用地下水資源，并提供可靠的水文地質資料和完善的基礎數據，需要布設一定數量水文鉆孔。

2.2 布設水文鉆孔的具體目的

①揭露地下地層中含水層、隔水層分布情況，探明含水層的埋藏深度、厚度，含水層的巖性，各含水層之間的水力聯系；②進行各種水文地質試驗，以確定含水層富水性好壞，各種水文地質參數、滲透系數(K)、導水系數(T)等；③采集水樣，確定含水層的水質、水溫、水理性質；④監測地下水動態變化和規律、地下水流向。

3 水文地質參數的獲取

依據前期水文地質調查和布設的水文地質鉆孔按規范施工成孔，進行鉆孔常規測井，施測的方法有：視電阻率、電位電阻率、自然電位、自然伽瑪、人工放射性(長、短源距伽瑪)、聲波時差，有條件還可以中子-中子測井，利用獲取測井各參數，作全孔剖面巖性解釋，初步提供含水層深度、厚度巖性。地質技術人員根據測井提供的剖面巖性資料，結合鉆探提取的巖芯資料，鉆孔的水文地質任務和要求做出擴孔位置，下放套管、過濾管的深度。水文鉆孔施工中，依據水文抽水要求分正法抽水和回填法抽水，正法抽水試驗即鉆孔揭露目的層段后便進行抽水試驗，回填則是鉆孔鉆至勘探區所有必須揭露的地層之下，由底部開始分層抽試，抽試一段回填一段。

抽水試驗：使水位出現最大降深，達到穩定，即3個小時水位不變或4個小時水位上下變化不大于10 m，利用降深、時間、出水量等實測資料，制作降深-時間，降深-水量等曲線圖，依據裘布依公式結合常用換標方法如：配線法、直線圖法等確定地質參數。

水文測井：這里所指的水文測井是指專門的水文測井，能較準確地獲得地層各含水層的出水量、滲透系數等水文地質參數，還能了解各含水層之間的相互關系。

近年應用在煤層勘探中的水文測井方法有擴散法測井、示蹤劑法測井、光電測井、流速流量測井等方法。

擴散法測井：是測量井液電阻率的簡稱，即測量孔液電阻率。水文鉆孔施工到目的層后，下放篩注管做抽水試驗，鉆孔孔內的液體大多為清水，除高礦化度地層外均為淡水，電阻率值一般在30～70 Ω·m，人為的放入適量的食用鹽或其他離子，電阻率值就會降低。擴散法測井的方法和步驟便是在清水的鉆孔內先測量一條在原始條件下孔內液體電阻率沿井軸方向的變化曲線，隨后下入食鹽或離子，并使其在孔內均勻，一般情況應保證下入食鹽后的電阻率小于未下食鹽阻值的一半以下，開始測量孔內的液體電阻率，隨后每間隔一定時間測量一條井液電阻率曲線，間隔時間與地層水流動快慢、滲透系數等息息相關，快，時間間隔的短；慢，反之。圖1、圖2為實測的擴散法測井曲線。

圖1 擴散法測井曲線Fig.1 Diffusion logging curve

圖2 擴散法測井曲線Fig.2 Diffusion logging curve

在測得的曲線上可以得知不同深度、不同時間的井液電阻率，依據科切林-科爾公式即可求得各深度地層的滲透速度。

示蹤劑測井：在鉆孔內放入試劑，測量試劑在孔內不同深度360°方位的吸收量，量大的方位即為流向，量的大小取決于地層滲透速度，由于施測繁瑣，煤田上沒有開展。

光電測井：即探測井液透明程度和變化情況的不同來了解含水層及其相互間的補給關系，方法與擴散法基本相似，因沒有成熟的儀器設備尚未施測。

流速流量測井：流量測井也稱為流速測井，即測量鉆孔不同深度橫截面的水流速度。在不人為改變水位的條件下，以相同的速度下放或上提各測一條流速曲線，鉆孔內各含水層間無補給關系則為一條微動的近似直線，有補給關系的則在漏水層處出現正斜線，吸水層處出現負斜線，隔水層不變，斜率的大小表明出水量和吸水量的大小。分別改變綜合水位2個不同降深，以相同的提升下放速度，各測2條流速曲線，通過實測得流速曲線，鉆孔孔徑，流速流量儀在不同管徑，不同流量條件下的刻度資料，即可詳細得知鉆孔各深度處的出水量、滲透系數等水文地質參數。

不同的含水層有著不同的靜止水位，鉆孔向下鉆進，揭露了不同介質即不同巖性的巖層，這些巖層有的含水有的不含水，有的涌水有的吸收水。鉆孔內測得的水位面為綜合水位面，凡是靜止水位高于綜合水位的含水層都是向孔內涌水，反之吸水，涌水、吸水的大小取決于各含水層的靜止水位與綜合水位的差和含水層的導水系數、滲透速度的大小。如圖3～6所示。

圖3 流速流量測井曲線Fig.3 Velocity and flow logging curve

圖4 流速流量測井曲線Fig.4 Velocity and flow logging curve

4 方法對比

抽水法試驗：是在鉆孔內的一個地層段內進行，這個地層段由于巖性的不同，顆粒的不均勻，膠結物的差異，會是涌水層、吸水層和隔水層，其計算出一個降深的水文參數是這一段的平均值，水量是綜合水量，無法精確計算深度水量大小、是否出水，加之鉆孔在抽水時孔壁巖塊掉落沉積也可使抽水層段變短、水量減小而導致計算值比實際值小，嚴重影響礦井井下水的排泄和井筒施工。

擴散法：能計算出水文地質參數、滲透系數等，但因離子的自身擴散和移動，加大了計算的系數值，并且對含水層、隔水層界面劃分不是很精準，水力坡度小的含水層施測時間較長，抽水或注水也影響含水層界面的解釋，遇到高礦化度的地層也不好施測，幾個距離相近的含水層容易劃分為一層。圖2為2個含水層擴散法測井曲線圖。

流量測井：既可以點測也可以連續測量，連續測量在靜止水位條件下，上下各測量一條曲線，便可分清鉆孔內各含水層間有無補給關系，有無涌水層，抽水降低水位測得的曲線可較準確的分出含水層、隔水層，并且對含水層的強弱也可以區分開來。圖3中解釋了3個含水層，中間的那層出水量相對上下兩層要大且下部強；圖5上部含水層含水性強，下部含水層含水性弱；圖6的3個含水層含水性為上兩層強下層弱。各含水層具體出水量因與水位降深相關，因此未作標注。

圖5 流速流量測井曲線Fig.5 Velocity and flow logging curve

圖6 流速流量測井曲線Fig.6 Velocity and flow logging curve

5 結論

(1)通過對獲取水文地質數據的方法、步驟、精準度進行具體分析、對比研判，進行流量測井，施測較簡，效果相應較好，能準確地評述地下水文地質特征，精準劃分含水層、隔水層，較準確地計算出各含水層的出水量、滲透速度。不僅能清楚地計算和區分開來含水層間的補給關系，還可以一次成井，減少了鉆探分段施工帶來的各項重復工作，降低了測井次數，以及抽水層段，并能取全取準水文孔所要完成的地質設計任務，節約各項成本和施工時間。

(2)流量測井是目前準確確定地下含水層位置、厚度、層數及分層流量，各含水層之間相互關系，含水層滲透性能的最有效方法之一，實施流量測井能夠獲準地下水文地質參數，精準指導井筒施工過程中所遇水患問題，優化礦井水排泄設計方案，指導施工時水的排泄。一次成孔，全井施測井，減少分段施工，分段抽水試驗帶來的經濟支出，準確獲取水文數據。