聲波時差測井技術在巖土勘察中的應用

任 浩

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司， 廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著經濟的發展，重難點項目逐漸增多，對工程勘察提出了更高的要求。傳統的勘察方法以鉆探為主，通過鉆探巖芯直接判斷地層的工程地質特征。巖芯的質量受到多種因素的影響，如機械設備、鉆機機長技術、鉆探工藝等，在復雜地層時常無法取芯或者采取率低，無法準確推斷地層地質情況。

聲波測井屬于地震勘探方法的范疇[1]，同時也屬于原位測試技術，其方法主要是通過測試巖體波速與深度關系曲線中的異常變化來判別巖體結構面的發育情況[2]。王獻[3]通過鉆孔測試表明聲波測井測試可以獲得鉆孔深度范圍內各種巖體平均縱波波速，結合室內巖石試驗測得巖塊平均縱波波速，可計算得到巖體完整性指數，即可判斷巖體的完整程度，為圍巖分級提供依據。

該文列舉了某工程項目實例，為探明橋梁樁基區域工程地質條件，采用了鉆探取芯和聲波時差測井綜合勘察技術，分析深度-波速曲線異常變化，并與鉆探巖芯進行對比，綜合勘察提高了勘察的準確性，保證了工程質量。

1 聲波時差測井原理

一發雙收聲波時差測井原理示意圖見圖1。探頭由3個部分組成，分別為聲波發射裝置 T 和接收裝置 R1，R2。發射裝置T將接收到的地上設備通過電纜傳輸的脈沖電信號轉化為聲波脈沖信號，聲波經泥漿傳播至井壁。由于在泥漿中聲波的波速V1小于井壁巖層聲波的波速V2，根據折射波原理，當聲波以臨界角入射到井壁時，會有沿井壁巖層滑行的折射波，在滑行的過程也會有折射波傳入泥漿中，被接收器感應到，所以R1接收到的聲波傳播路徑為ABCD，R2接收到的聲波傳播路徑為ABEF。由于V2>V1，初至波為該滑行的折射波，2個接收器分別接收不同滑行距離的聲波，通過拾取接收信號的初至時間，可讀出折射波旅行時間。L1為第一個接收裝置與發射裝置的距離，L2為2個接收裝置之間的距離。

圖1 一發雙收聲波時差測井原理示意圖

其中t1，t2和分別為聲波到達R1和R2的旅行時間。由于AB與井壁的夾角與CD、EF與井壁的夾角相等，因此，在孔徑不變時，有AB=CD=EF，L2=DF=CE，如公式（3）所示。

式中：L2為2個接收器R1、R2間的距離，Δt為兩接收器接收初至信號的初至時間差。由此可以計算巖層波速V2如公式（4）所示。

將探頭按固定距離下放或者提升，測量孔內各深度處巖體的聲波速度，得到地層的深度-波速曲線。

巖體波速是其運動學的最主要參數[4]，主要影響因素有巖體巖性、巖石結構、孔隙填充物以及地層埋藏深度和地質年代[5]，因此通過聲波時差測井能夠評價巖體完整程度、劃分風化帶、解釋破碎帶和軟弱夾層。

2 聲波時差測井在工程實例中的應用

2.1 工程地質概況

工程項目位于榕江三角洲平原，地形平坦開闊，地層的覆蓋層為第四系松散沉積層，基底由燕山期第二次侵入花崗巖及其風化層組成。項目區屬于華夏系第二隆起帶與南海沉降帶的交接地帶。在地質史上，曾發生過多次構造運動，最強烈的是燕山運動，其構造變動以斷裂作用最為顯著。受構造運動的影響，工區內巖體裂隙較為發育，且存在明顯風化現象。項目區某橋梁樁基處地質條件較為復雜，采用鉆探結合聲波時差測井綜合勘察手段進行細致地調查。

2.2 野外數據采集

該項目采用了中巖科技研制的RSM-RCT（B）聲波測井儀，該儀器發射端和接收端分開，采樣間隔0.1μs～200μs，發射脈寬1μs～100μs連續可調，頻帶寬度1Hz～500Hz。儀器有3個通道，一個發射通道，2個接收通道，分別與探頭的發射裝置和兩個接收裝置連接。在進行野外數據采集之前，先要對儀器設備的性能進行測試分析，檢測儀器是否有故障。

野外數據采集分為3個步驟。第一步，設置基本參數，連接主機和探頭，將探頭緩慢放入鉆孔內至底部，記錄探頭在孔內的深度；第二步，預采集，查看預采集數據波動振幅和初至位置，調節振幅增益的大小和數據延時采集的長度；第三步，數據實測，從孔底向上提升探頭，每提升20cm采集一次數據。

2.3 數據處理

該文采用“RSM聲波測孔分析軟件V1.1”處理野外采集數據。野外原始數據是最基礎的資料，要在尊重原始數據的基礎上，結合項目區域的地質情況，綜合處理分析數據。如圖3為聲波時差測井數據處理的過程，其中最上方的2個波動圖分別為深度103.6m處接收道R1和接收道R2采集的地震記錄，地震記錄的縱坐標為振幅，單位mV，橫坐標為采集時間，單位μs。下方表格中L1為接收道R1與發射裝置T的距離，L1=300mm，L2為接收道R2與發射裝置T的距離，L2=500mm。T1、T2分別為R1、R2的初至時間，T為初至時間差，T=T1-T2，Vp為聲波時差測井計算得到的巖體波速。由于地震記錄為直達波、反射波、折射波、面波等的疊加波形圖。根據聲波時差測井的原理，最先到達的是經孔壁滑行后返回泥漿內的折射波，因此，拾取地震記錄的初至時間即為拾取折射波的初至時間。

拾取地震記錄的初至時間位置，如圖2中①、②豎線分別為接收道R1、接收道R2拾取的初至時間位置，該位置為振幅“起跳點”。從軟件中可以看到，接收道R1的初至時間為97.2μs，接收道R2的初至時間為144.4μs，則時間差Δt=47.2μs，2個接收道之間的距離L2=0.02m，因此可以算出孔內深度103.6m處巖體的縱波速度V2=L2/Δt=4.237km/s。依次處理每個深度采集點處的數據，對不符合實際情況的數據要進行剔除處理，處理的結果如圖3中所示的聲波測井成果曲線。

圖2 聲波時差測井數據處理

圖3 綜合勘察成果圖

2.4 綜合勘察成果分析

圖3為綜合勘察成果圖（略去覆蓋層部分）。圖中從左至右依次為地層名稱、巖芯照片、聲波測井成果實測波速、波速平均值。其中地層名稱是根據巖芯照片中巖芯進行編錄命名的，平均速度是依據地層分層計算出來的。圖中聲波測井成果曲線框出的區域1～4為孔內低值異常區間。

根據圖3中巖芯照片初步判斷，深度81m～82.6m為短柱狀的中風化花崗巖孤石；深度82.6m～89.3m為碎石狀的強風化花崗巖；深度89.3m～91.0m為強風化花崗巖夾少量中風化花崗巖，呈碎塊狀；深度91.0m～109m為中風化花崗巖，呈柱狀。

由于地質條件較為復雜，為探明橋梁樁基處巖體工程地質特征，除采用傳統的鉆探取芯手段，同時運用聲波時差測井技術測試孔內巖層的聲波速度，綜合判斷樁基處巖體質量。如聲波測井成果曲線所示，深度80m～83m測試的波速較大，平均速度為5.0km/s左右，該處為護壁的套管；深度83m～91m測試波速較小，平均速度為3.33km/s，局部聲速很小，如深度區間87m～88m、90m～91m聲速在2km/s左右，對比巖芯，這是由于巖石風化較為嚴重且破碎造成波速降低；深度91m-109m測試速度較大，平均速度為4.37Km/s，對應深度巖芯較完整，裂隙較少，風化較弱，其中，圖中所示的區域2～4中，巖石的聲速有所下降，對比對應深度的巖芯照片，巖石有明顯的風化，且較為破碎，但巖體聲速較高，說明這3個區域巖體較完整，工程性質較好，根據巖芯和聲波時差測井結果可定為中風化花崗巖，可作為嵌巖樁的持力層。

分析聲波時差測井的深度-聲速曲線表明，測試結果與鉆探巖芯基本吻合。通過2種勘察手段進行綜合對比，探明了樁基處的工程地質條件，保證了勘察質量。

3 結論

通過綜合勘察方法在本次橋梁樁基工程地質勘察中的應用，總結出以下2點： 1）勘察鉆探取芯，可以通過巖芯的完整程度、分化程度初步直觀地判斷地下巖體的工程地質條件。2）聲波時差測井技術能夠測量鉆孔內不同深度地層的聲速值，聲速大小由巖體的巖性、結構、孔隙充填物、埋藏深度和地質年代等因素影響，通過深度-聲速曲線異常可準確推測鉆孔內不同深度地層的巖體質量情況。單一的勘察技術往往存在局限性，當地下巖體軟弱破碎時，鉆探取芯會非常困難。根據該文中工程實例對聲波時差測井的應用效果，表明該技術是可行、可靠的。通過綜合勘察手段相互對比分析，增強了勘察資料的可信度，提高了工程勘察質量。