






摘要:依托山東省章丘—鄒平地區地表基質層調查項目,介紹了綜合測井技術在地表基質層分層中的應用效果。通過測量井中視電阻率、自然伽馬、自然電位等測井參數,綜合計算地層中的泥質含量,對地表基質層進行了厚度分層,總結了3種測量參數發揮的主要作用。視電阻率主要用于劃分地層、巖性和含水層,確定其厚度;自然伽馬主要用于確定地層泥質含量,配合其他方法劃分含水層、巖性及判斷裂隙發育程度;自然電位主要用于判斷巖性和劃分滲透層,配合自然伽馬測井估計泥質含量。實踐表明,綜合測井技術中以上3個測井參數相互配合,計算得出的泥質含量曲線可對地層進行精細解釋,在相似地區地表基質層調查中可進行推廣應用,為地表基質層調查技術方法體系的建立提供了支撐。
關鍵詞:視電阻率;自然伽馬;自然電位;地表基質層;章丘—鄒平
中圖分類號:P631.1""" 文獻標識碼:A""" doi:10.12128/j.issn.1672-6979.2025.02.005
0 引言
山東省章丘—鄒平地區地表基質層調查項目是自然資源部為深化自然資源調查監測技術體系建設,開展“自然資源調查監測專題技術研究與技術體系試點”的試點項目,由山東省自然資源廳組織實施。通過調查,查明區內地表基質類型、形成時代、成因、空間分布、物質組成、景觀屬性、保護利用現狀等基本特征,形成地表基質層調查工作流程、方法、內容等,豐富自然資源地表基質層調查技術方法體系。
地表基質層調查屬自然資源調查新興領域,2020年首次提出,5年來初步形成了調查方法體系[1-13],綜合物探技術在地表基質層調查中的應用也取得了一系列成果[14-17],這些經驗總結為項目的開展提供了借鑒。項目實施運用地質、遙感、化探、物探、鉆探等方法,融合了地質學、土壤學、農學、環境科學、生態學等學科,體現了地表基質層調查的綜合性特點。測井是通過測量鉆孔井壁巖石的物理參數和鉆孔參數狀況來解決地質問題的一種物探方法[18-19],本文聚焦綜合測井技術這一工作手段,旨在探討視電阻率、自然伽馬、自然電位等3種測井參數的應用效果,通過計算地層泥質含量,對地表基質層進行地質解釋,為地表基質層調查技術方法體系的建立提供支撐。
1 地質背景
山東省章丘—鄒平地區位于魯西隆起區與華北平原區的疊合部位,南部及中東部基巖出露,中部及北部為大面積的第四系松散堆積物(圖1)。
基巖區地質構造復雜,地層序列出露較齊全,由底至頂有新太古代泰山巖群,古生代寒武-奧陶世長清群、九龍群、馬家溝群,石炭-二疊世月門溝群、石盒子群,中生代三疊世石千峰群、侏羅世淄博群、白堊世青山群及新生代第四系。其中寒武-奧陶系地層集中分布于工作區南部;石炭-二疊系、三疊系地層分布于中部,基巖出露較少,多隱伏于第四系之下;淄博群、青山群分布于中東部;第四系廣泛發育,占全區的70%以上,成因復雜,受山前沖洪積、白云湖及黃河共同作用形成,自下而上劃分出大站組、黑土湖組、單縣組、巨野組、黃河組、白云湖組、沂河組。侵入巖類分布局限,主要為工作區南端的太古代TTG質片麻巖及中生代中基性小型侵入體。構造以鄒平一帶發育的中生代火山構造及斷裂構造為主,其中火山構造由白堊紀火山-火山碎屑巖組成,環形斷裂、放射狀斷裂發育;文祖斷裂和白泉莊-五色崖斷裂呈NNW向大致平行,并由南至北貫穿整個調查區;北部隱伏的齊河-廣饒斷裂呈近EW向橫貫東西。
鉆探是調查地表基質地下空間結構的重要手段之一,在地形地貌、地質背景變化最大的方向布設鉆探剖面(圖1),用以查明地表以下地質結構,巖土體的性狀、厚度、埋藏深度、分布范圍以及水文地質條件等。
2 物性特征
調查區內鉆孔垂向剖面上,砂類地層為含水層,透水性能好、空隙大,由石英、云母等高阻礦物組成;黏土類地層由于孔隙細小、飽含結合水、不能透水與給水,起隔水層作用,由風化長石類低阻礦物組成。
由于含水層與隔水層組成的礦物成分及含水層之間的礦化度不同,因此在物性上存在較大差異(表1)??梢钥闯?,黏土、粉質黏土電阻率較低,一般在2~8Ω·m,粉土、粉砂、細砂的電阻率相對增高,中粗粉砂、砂礫電阻率較大,可達30~60Ω·m,砂巖電阻率最高,約100~1000Ω·m。由此可見,電阻率變化特征是隨著含砂量及顆粒的增大而增大,隨著黏土礦物含量的增加而變小;沉積巖的放射性隨泥質含量的增加而增加,黏土、粉土的自然伽馬值較高,細砂、中粗砂的自然伽馬值較低,巖石的自然伽馬值最低。第四系及新近系地層的巖性隨地下水含鹽量的不同而不同,含鹽量越高,電阻率越低,這是劃分咸淡水的依據。
3 野外數據采集
3.1 儀器裝備
本次野外測井工作采用Matrix測井系統,該系統是MOUNT公司生產的由硬件和軟件組成的復雜的新一代測井系統,包括Matrix主機、裝有Matrix操控軟件的電腦、絞車和各種探頭。Matrix主機是系統的核心,連接操控軟件和探頭的橋梁,探頭有電阻率、自然伽馬、伽馬能譜、自然電位、聲波全波列、磁化率、激發極化、超聲成像、光學成像、井徑、井斜、流量等30余種,是井下地球物理測量系列兼顧參數最多的。
3.2 測井參數
地表基質層工作目的之一是劃分土、砂、巖界線,根據本區地質特征及物性特征,確定測井參數為視電阻率、自然電位、自然伽馬。
視電阻率測井采用底部梯度電極系,用于劃分滲透層、判斷巖性、地層對比和研究沉積相,了解全井段的地質剖面、劃分巖性和確定巖層界面,近似估算地層電阻率。Matrix測井系統上部隔離線的長度在10m左右,因此鉆孔10m以淺是沒有測量數據的,個別鉆孔位置淺部滲透地層發育,護壁措施不當的話也會導致鉆井液水位降低,測量電極完全處于鉆井液中才能取得合格的測量數據,自然電位數據和視電阻率數據來自同一個探頭,測量數據也受到以上因素的制約。因此,淺層解釋主要靠自然伽馬數據。
自然電位測井是沿鉆孔剖面測量移動電極與地面地極之間的自然電場。自然電位通常是由于地層水和泥漿濾液之間的離子擴散作用及巖層對離子的吸附作用而產生的。因此,自然電位曲線可用來指示滲透層,確定地層界面、地層水礦化度以及泥質含量。
自然伽馬測井是在井內測量巖石中自然存在的放射性元素核衰變過程中放射出來的γ射線的強度,通過測量巖石層的自然γ射線的強度來認識巖層的一種放射性測井方法,其γ射線強度與放射性元素的含量及類型有關。
3.3 測井過程
測井前,根據絞車上使用的電纜類型和長度(MA系列1000m),對主機進行了設置,將電纜參數寫入主機,實現主機對電纜的控制。根據測量參數,對測井系統配套的QL系列探頭進行組合,將頂部、探頭、底部按照實際下井順序進行串聯,組合中的探頭次序與實際探頭連接次序完全一致,以保證參數點的位置不會發生偏差。
測井過程中,鉆孔內充滿了水,測量點距為0.05m,自下而上逐點觀測,儀器自動測量儲存。井場妥善安放測井儀器設備,牢靠固定井口滑輪和絞車,兩者保持一定的通視距離;探頭下井前,首先接通探頭電源,在時間模式下檢查探頭與主機的通訊狀態,能正常測量出數據表明探頭工作正常;正式測井前,將測井儀的深度參考點(電纜頭與探頭的接縫)與測井時使用的零深度點對準,將深度計數器置零;然后在深度模式下進行測井,測量過程中曲線出現斷記、畸變等不正?,F象時,查明原因,重新記錄;電纜提升速度通過井場試驗選定為6m/min,曲線圓滑。
測井完成后,對測井曲線做出初步解釋,在數據采集齊全,應評定內容符合質量評價標準的要求,會同水文、地質、鉆探人員商定后,收拾設備,離開井場。
3.4 質量評述
質量檢查工作布置在咸淡水界面部位及含水層位置,質檢率在10%以上,測量精度用各參數的平均相對誤差來衡量,計算公式見式(1)、式(2)。
η=1/n∑[DD(]n[]i=1[DD)]ηi[JY,1](1)
ηi=[SX(]2|a1-a2|[]|a1+a2|[SX)]×100%[JY,1](2)
式中:ηi為第i個抽樣檢查點的相對誤差;n為目的層上抽樣檢查點數;a1為原始幅值;a2為檢查幅值。
工作中統計了各鉆孔不同測井參數的相對誤差,自然伽馬平均相對誤差最弱為±6.2%(優于規范要求的±7.5%),自然電位和電位電阻率的平均相對誤差最弱分別為±4.6%、±4.1%,均優于規范要求的±5%,數據質量可靠。
4 測井曲線解釋
4.1 解釋依據
視電阻率測井是劃分鉆井地質剖面和判斷巖性的一種重要的測井方法,測量參數是地層電阻率,其大小主要與地層泥質含量和地層水的礦化度有關。地層泥質含量越高,電阻率越低;地層水礦化度越高,電阻率越低。理想底部梯度電極系中,測量的視電阻率曲線在高阻層的底部界面出現極大值,能夠清楚地劃分出高電阻率地層的底界面。實際應用過程中,主要是對高、低阻巖層進行定性分析,無論厚層、中厚層或薄層,高阻巖層對應視電阻率曲線凸起,低阻巖層對應視電阻率曲線凹下。
自然電位測井測量的是自然電位隨井深變化的曲線,曲線的變化與地層巖性有密切關系,主要用于判斷巖性和劃分滲透層。在砂泥地層中,純泥井段的自然電位曲線比較平直,含砂井段曲線出現異常變化,顆粒越細,黏土含量越高,滲透性也差,則自然電位異常越小,在其他條件相同的情況下,根據異常幅度的大小估計砂層中黏土含量的多少,對巖性作出判斷;考慮到砂巖的滲透性與黏土含量有關,黏土含量由少變多,滲透性由好變差,根據自然電位異常值大小也可以用來劃分砂泥巖剖面中的滲透性地層,進行地層對比,計算泥質含量,估計滲透性地層的厚度。
自然伽馬與自然電位相配合能很好地劃分巖性和確定滲透性地層,在沉積巖地層中,自然伽馬隨泥質含量的增加而增加,而與含鹽量無關,因此含砂層在自然伽馬測井曲線上反映為低背景值,自然伽馬值低于60cps的曲線位置為砂層的反映。
對表層砂、泥、巖進行劃分是地表基質層調查的一項重要內容,因此泥質含量這一指標對于量化砂、泥、巖厚度分層具有直接的指示意義。在沉積巖地層中,利用視電阻率、自然電位、自然伽馬測井值,均可以計算地層中的泥質含量,但是由于調查區內個別地方地下水礦化度較高,視電阻率和自然電位曲線受地下水礦化度影響較大,因此采用自然伽馬值來計算地層中的泥質含量。根據泥質含量數值,參考視電阻率和自然電位曲線形態,對地層進行分層,泥質含量小于25%為砂土;泥質含量在25%~50%為黏土質粉砂;泥質含量在50%~75%為粉砂質黏土;泥質含量大于75%為黏土。泥質含量計算步驟如下[20]:
首先用自然伽馬相對幅度的變化計算出泥質含量指數IGR,見式(3):
IGR=[SX(]GR-GRmin[]GRmax-GRmin[SX)][JY,1](3)
式中:GR為目的層自然伽馬值;GRmax、GRmin為純泥、純砂的自然伽馬值。
通常IGR的變化范圍為0~1,將IGR轉化成泥質含量,見式(4)。
Vsh=[SX(]2GCUR·IGR-1[]2GCUR-1[SX)][JY,1](4)
式中:GCUR為Hilchie指數,本區地層取值3.7。
4.2 解釋結果
根據以上解釋依據,對施工的10個鉆孔均進行了測井資料解釋,結果顯示,不同的地貌類型測井曲線異常形態也不相同,本文以3個主要地貌單元的鉆孔ZK01(黃河沖積平原)、ZK08(山前沖積—洪積平原)、ZK05(山間沖積—洪積平原)為例,闡述了綜合測井技術在地表基質層調查中的應用效果。
4.2.1 ZK01鉆孔測井結果
ZK01鉆孔位于章丘區黃河街道小新街村東,地貌類型屬于黃河沖積平原,其測井曲線及地質解釋結果見圖2,從左至右分別為測井深度、視電阻率曲線(ρs)和自然電位曲線(VSP)、自然伽馬曲線(GR)、泥質含量曲線(Vshale)、地質解釋結果、分層厚度。根據測井結果,將50m范圍內地表基質層劃分為12層。
首層7m范圍內為黏土質粉砂與粉砂質黏土互層,Vshale值在50%左右,GR值在75cps上下波動。
第2層GR值變化范圍在80~120cps,Vshale值在75%以上,為黏土層隔水層。
第3層GR值在75cps上下波動,值波動特征明顯,Vshale值在50%左右,為黏土質粉砂與粉砂質黏土互層。
第4層ρs曲線凹下對應GR曲線凸起,Vshale值達95%以上,為黏土層反映。
第5層ρs曲線凸起對應GR曲線凹下,VSP曲線出現高值異常,Vshale值在25%~50%,為黏土質粉砂。
第6層測井曲線與第4層類似,值更低,為黏土層。
第7層ρs曲線凸起,GR值在75cps上下波動,Vshale值在25%~75%,為黏土質粉砂與粉砂質黏土互層。
第8層25~33.6m為砂層位置,GR值在60cps以下,Vshale值低于25%,ρs值大于20Ω·m,富水性好,可以用做淡水水源。
第9層VSP曲線呈現波動異常,GR曲線與Vshale曲線均顯示有砂層存在,但是ρs值整體較低,均在10Ω·m以下,表明該段地層水礦化度較高,值主要受地層水礦化度影響,其極大值部位對應砂層位置,整段Vshale值大部分處于25%~50%之間,其余在50%~75%,為黏土質粉砂與粉砂質黏土互層。
第10層ρs曲線凹下對應GR曲線凸起,Vshale值在50%~75%,為粉砂質黏土。
第11層GR值在60cps上下波動,Vshale值在25%~50%,為黏土質粉砂。
第12層測井曲線與第10層類似,為粉砂質黏土。
4.2.2 ZK08鉆孔測井結果
ZK08鉆孔位于鄒平市韓店鎮小店村,地貌類型屬于山前沖積—洪積平原,其測井曲線及地質解釋結果見圖3。電阻率曲線、自然電位曲線、自然伽馬曲線以及泥質含量曲線波動性特征明顯,極大值、極小值交替出現,表明砂泥交替沉積,電阻率曲線極大值位置對應砂層沉積,根據測井結果將55m范圍內地表基質層劃分為11層:
表層1.8m范圍內為粉砂質黏土,GR值在75cps以上,Vshale值在50%~75%。
第2層GR值在75cps上下波動,Vshale值在25%~50%,為黏土質粉砂。
第3層測井曲線與第1層類似,GR值在75cps以上,Vshale值在50%~75%,為粉砂質黏土。
第4層測井曲線與第2層類似,GR值在75cps上下波動,Vshale值在25%~50%,為黏土質粉砂。
第5層ρs值在15~25Ω·m之間波動,VSP曲線由低變高出現異常,GR值在75cps以上,Vshale值在50%~75%,為粉砂質黏土。
第6層ρs值在20~30Ω·m之間,GR值大部分在75cps以下,Vshale值在25%~50%,為黏土質粉砂,曲線凸起部位砂質較好。
第7層測井曲線與第5層類似,GR值大部分在75cps以上,曲線和VSP曲線均呈現波動特征,Vshale值在50%~75%,為粉砂質黏土。
第8層ρs曲線、VSP曲線和GR曲線均呈現波動特征,Vshale值在25%~50%,為黏土質粉砂。
第9層ρs曲線和VSP曲線整體凹下,對應GR曲線凸起,GR值在75cps以上,Vshale值在50%~75%,為粉砂質黏土。
第10層ρs值極大值達25Ω·m以上,其曲線凸起對應GR曲線凹下,Vshale值在25%左右,為砂層反映。
第11層ρs值在15Ω·m上下波動,GR值在75cps上下波動,Vshale值在25%~50%,為黏土質粉砂。
4.2.3 ZK05鉆孔測井結果
ZK05鉆孔位于章丘區棗園街道張辛村南,地貌類型屬于山間沖積—洪積平原,基巖埋深較淺,未做電測井,其測井曲線及地質解釋結果見圖4,從左至右分別為測井深度、自然伽馬曲線(GR)、泥質含量曲線(Vshale)、地質解釋結果、分層厚度。根據測井結果將23m范圍內地表基質層劃分為4層:
第1層為14m以淺范圍內,GR值變化范圍在80~120cps,Vshale值在50%~75%,為粉砂質黏土。
第2層為14.2~15.9m,GR值急劇降低,Vshale值降為0,為砂巖的反映。
第3層測井曲線與第1層類似,為粉砂質黏土。
第4層為18.3m以深,GR值又急劇下降,Vshale值降為0,此處為基巖反映,土巖界線非常明顯。
5 結論
山東省章丘—鄒平地區地表基質層調查項目完成地球物理測井10個,總結了綜合測井參數應用領域及應用效果如下:
(1)視電阻率測井主要用于劃分地層、巖性和含水層,確定其厚度;自然伽馬測井主要用于計算地層泥質含量,配合其他方法劃分含水層、巖性及判斷裂隙發育程度;自然電位測井主要用于判斷巖性和劃分滲透層,配合自然伽馬測井估計泥質含量;通過泥質含量曲線對鉆孔所在地的地表基質層進行了劃分。
(2)不同的地貌單元具有不同的測井曲線形態,反映了不同的沉積特征。黃河沖積平原地貌單元中的視電阻率曲線凸起段較長,對應自然伽馬值較低、曲線凹下,反映了砂層沉積比較明顯且厚度較大,砂、泥界線明顯;深部視電阻率曲線平直,值在6Ω·m左右,反映了本段地下水礦化度較高,電阻率低主要受礦化度影響。山前沖積—洪積平原地貌單元中,三種參數的曲線形態以波動特征為主,反映了扇前洼地發育,地層成層性較差,砂、泥交替沉積,地表基質層縱向上變化較大;山間沖積—洪積平原地貌單元中,自然伽馬值異常明顯,其數值要么在80cps以上,要么在30cps以下,泥質含量值從75%以上直接降至0,反映了地表基質以土、巖為主,無砂層沉積。
(3)綜合測井選用的視電阻率、自然電位、自然伽馬等測井參數,計算得出的泥質含量曲線可對地層進行精細解釋,表明應用該技術手段對地表基質層進行厚度分層是可行的,在相似地區地表基質層調查中可進行推廣應用。通過項目的實施,積累了寶貴的經驗,為地表基質層調查技術方法體系的建立提供了支撐。
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Application of Comprehensive Logging Method in Surveying Surface Matrix Layers in Zhangqiu-Zouping Area
[WT5BZ]DONG Jian, MA Lixin, REN Tianlong, LI Xiaopeng, HU Xueping, ZENG Qingbin, XU Xibin
(Shandong Institute of Geological Surveying," Shandong Engineering Research Center of Land Quality Geochemistry and Pollution Prevention, Shandong Ji'nan 250013, China)
Abstract:Based on the investigation project of surface matrix layers in Zhangqiu-Zouping area in Shandong province, the application effect of comprehensive logging technology in the stratification of surface matrix layers has been introduced. By measuring the logging parameters, such as apparent resistivity, natural gamma, and natural potential in the well, the shale content in the formation has been comprehensively calculated, and the thickness of the surface matrix layers has been stratified. The main functions of three measurement parameters have been summarized. Apparent resistivity is mainly used to divide strata, lithology and aquifers and determine their thickness. Natural gamma is mainly used to determine the shale content of the formation. Combining with other methods, the aquifer, lithology and" the degree of fracture development have been deternined. The natural potential is mainly used to judge the lithology and divide the permeable layer, and to estimate the shale content with natural gamma logging. It is showed that the above three logging parameters in the comprehensive logging technology cooperate with each other, and the calculated shale content curve can be used for fine interpretation of the formation. It can be popularized and applied in the investigation of surface matrix layers in similar areas. It will provide support for the establishment of technical method system of the investigation of surface matrix layers.
Key words:Apparent resistivity; natural gamma; natural potential; surface matrix layers; Zhangqiu-Zouping area
基金項目:山東省自然資源廳,山東省章丘—鄒平地區地表基質層調查(魯勘字〔2023〕4號)
作者簡介:董?。?984—),男,山東聊城人,高級工程師,主要從事深部地球物理勘查技術應用與研究工作;E-mail:215803290@qq.com
*通信作者:馬麗新(1984—),女,山東濟南人,高級工程師,主要從事地球物理研究;E-mail:ddymalixin@shandong.cn
引文格式:董健,馬麗新,任天龍,等.綜合測井在章丘—鄒平地區地表基質層調查中的應用效果[J].山東國土資源,2025,41(2):2837.DONG Jian, MA Lixin, REN Tianlong, et al. Application of Comprehensive Logging Method in Surveying Surface Matrix Layers in Surveying Surface Matrix Layers in Zhangqiu-Zouping Area[J].Shandong Land and Resources,2025,41(2):2837.