綜合地球物理測井多參數地質解譯方法與應用

0 引言

地球物理測井最早被應用于石油、天然氣和礦產勘探等領域[1-4]，后逐漸在鐵路、煤礦、凍土等環境地質和工程地質領域得到實踐[5-7]，近年來有學者利用機器學習方法，從綜合地球物理測井數據中預測礦物組成[8-9]。目前地球物理測井以聲波應用最為普遍[10]，井溫、井徑、井斜、自然電位、電阻率等測井方法在工程勘察中應用較少。影響工程巖體分級的因素除了巖體完整性，地下水、地應力、巖石組成都會對工程巖體的穩定性及地下施工安全產生重要影響[]，而電阻率、自然電位、鹽化擴散、自然伽馬等測井方法能夠對地層含水性、巖性、泥質含量等進行評判。

此外，隨著施工地質條件的復雜化，單一測井方法對地質結構、構造的判定存在較大的不確定性，這是地球物理多解性造成的，如聲波測井對巖性接觸面和構造破碎帶有敏感響應，能夠準確定位和判識構造。然而，在擴孔和巖體破碎的情況下，可能會引起波形異常，且無法區分巖性分界面。聲波測井技術成熟，廣泛應用于地層分析，但在復雜地質條件下，信號解譯仍存在困難。電阻率測井適用于探測裂隙破碎帶、斷層破碎帶和巖性分界面等地質構造，其測得的軟硬薄互層的視電阻率值呈高低起伏變化，但在破碎程度較弱的地段，敏感性降低；電阻率測井在工程勘察中應用較少，受地層水分影響較大，需要結合其他方法進行綜合分析。自然電位測井用于判斷巖層滲透性和地層水電阻率，對破碎帶和巖性分界面呈現負幅值異常，但對多數構造無明顯幅值變化，單獨使用效果有限；自然電位測井作為輔助方法，與其他測井方法結合使用，技術上對復雜地質構造的判別能力有限。井徑測井適合判斷破碎程度劇烈及空洞發育的地層，通過井徑增大程度判斷巖體破碎程度，對弱構造發育段，其敏感性降低甚至無變化；井徑測井用于巖體完整性評估，但在復雜地質條件下，數據解譯復雜。井斜測井用于確定鉆孔軸線的空間位置，對金屬套管存在敏感，其在鉆孔方向和位置的精確測量中應用廣泛，但在金屬套管存在時，測量精度受限。

為了彌補地球物理測井方法本身的局限性，有必要開展多方法多參數的綜合地球物理測井研究。綜合地球物理測井是采用兩種或兩種以上的地球物理測井技術，測量鉆孔中介質物理特性的綜合探測方法。目前，在工程地質勘察中雖然有利用綜合地球物理測井探測地質條件的研究[12-16]，但并未對如何解譯復雜地質情況下，產生畸變的綜合地球物理測井信號進行研究，如不能區分有效信號與干擾信號特征，明確綜合測井解譯原則，則易造成對地質情況的誤判。為此，本文對綜合測井中不同方法的測試條件進行了系統的歸納總結，并以某工程勘察的綜合地球物理測井實測數據為例，解析不同構造類型下的綜合測井曲線變化規律及局限性，旨在為提高綜合地球物理測井解譯準確性提供參考。

1綜合地球物理測井方法

地球物理測井方法在不同行業有不同的技術要求，具體測試技術細節可參照相應行業規范[17-20]。電阻率、自然電位、自然伽馬、聲波測井方法的原理、探測范圍及影響因素等可參見文獻[1，21]。

1.1 電阻率測井

電阻率測井指沿著井身測量井周圍地層電阻率的變化，為此，需要向井中供應電流，在地層中形成電場，研究地層中電場的變化，求得地層電阻率。圖1為梯度電極系電阻率測井示意，不成對電極的距離 （AB） 遠大于成對電極間距離（MN）。

不同巖石的電阻率范圍見表1。通過測量地層巖石的視電阻率，能夠識別巖性，確定孔隙度、含水層等信息，但同時也應注意地層巖石電阻率具有多解性，巖石電阻率高可能是由巖性變化或孔隙引起。

1.2 自然電位

自然電位在井內的分布直接決定自然電位曲線的形態。自然電動勢通過泥槳、巖層和圍巖等導電介質放電，形成自然電流回路，用 r_m，r_s，r_t 分別表示泥漿、圍巖、巖層的等效電阻率，則總電動勢 E_da 為

E_da=Ir_m+Ir_s+Ir_t

式中： I 為自然電流; Ir_m 為自然電流通過泥漿電阻 r_m 時產生的電位降，即自然電位測井的實際測量信號（自然電位幅度）； Ir_s 為自然電流通過圍巖電阻 r_s 時的電位降； Ir_t 為自然電流通過目標巖層電阻 r_t 時的電位降。

式中： U_sp 為自然電位。一般滲透性好或破碎的地層，在地層水礦化度大于泥漿礦化度情況下，自然電位為較大負異常；滲透性差、致密的地層或完整巖石，自然電位為較小負異常。

1.3 自然伽馬測井

自然伽馬測井儀分為地面儀器和下井儀器兩部分。下井儀器的基本組成是伽馬射線探測器、放大器和高壓電源等。伽馬射線探測器是感知伽馬射線并把其轉變成電脈沖的裝置，放大器把這些脈沖放大，以便電纜傳輸。

從表2＼～3可以看出，泥巖的自然伽馬的幅值最大，隨著泥質含量的減少，其幅值逐漸降低。因此可以根據自然伽馬測井幅值，定性判斷泥質含量。

1.4 聲波測井

目前比較常用的為一發雙收聲波測井，其T發射器是一種電一聲轉換器，常由壓電陶瓷、壓電石英組成，即發射器把電能轉化為聲能，并以聲波的形式發射，發射器每秒間歇性地發射10～20次，每次發射頻率為 20kHz 的聲波。R接收器是一種聲一電能轉換器，組成與發射換能器相同，通過接收到的聲能轉換成電脈沖信號。

聲波測井原理示意如圖2所示，單發雙收測量的是T發射高頻聲波信號后，同一初至波（滑行縱波）觸發兩個接收器R1、R2的時間之差，定義為聲波時差Δt 。

Δt=t₂-t₁

式中： t₁ 為首波到達第一個接收器的時間； t₂ 為首波到達第二個接收器的時間。

式中： L₂ 為兩個接收器間的距離； V₂ 為巖體波速。

1.5 井液電阻率

液體電阻率大小與其含鹽量高低成反比（含鹽量達到飽和前），即液體含鹽濃度越低，其液體電阻率值越大。當向鉆孔內投入鹽袋后，如果孔內有含水地層（流動水），這些含水段就是出水點，水流的流動導致井液鹽濃度降低，隨著投鹽時間的增加，液體電阻率值逐漸增大，通過測試不同時間段的井液電阻率，可以看到井液電阻率數值明顯增大，根據鉆孔相應深度處電阻率數值增大的指示方向，可判斷鉆孔的漏水部位；此外，根據數值增大的速度，可判斷涌水量[20]

1.6綜合地球物理測井特征

根據每種測井方法的原理、測試參數特征，對每種方法的測試范圍、測試條件總結如表4所示。

開展綜合測井時，井溫、自然電位和井液電阻率測試應從上至下測試；對于聲波測井、電阻率測井、自然伽馬測井，上、下均可測試;井徑、井斜等測試方法應從下至上測試。

綜合測井順序：井溫（防止探頭擾動井液）、井徑、井斜、自然伽馬、自然電位、電阻率、聲波、井液電阻率測試。

2 應用實例

本文以湖北省某工程地質勘察項目為例。該項目全境皆山，屬新華夏構造系隆起帶，區內構造活動頻繁，斷層、褶皺較為發育，山體滑坡、坍塌、崩落等地質災害多發，地質條件相對復雜。測區穿越地層巖性為泥質砂巖、板巖、砂質板巖、灰巖等，測區發育破碎帶、薄互層、斷層等典型地質異常體。通過對鉆孔ZK1、ZK2、ZK3分別開展電阻率、自然電位、自然伽馬、聲波速度、井液電阻率、井溫、井徑和井斜等測試工作，分析不同地質構造的綜合地球物理測井信號變化規律。

2.1不同地質構造類型綜合測井成果

2.1.1 裂隙破碎帶

根據ZK1（圖3）綜合測井曲線變化，可劃分2個地質構造段： ① 孔深 145～155m 。根據電阻率測井曲線顯示，本段視電阻率值并無顯著降低，單純從視電阻率曲線很難判斷該位置為構造帶。從自然電位測井曲線，發現該段自然電位值降低顯著，可推斷該段巖體滲透性好或巖體破碎。自然伽馬幅值在該段無明顯增大，因此推斷該段泥質含量低。井徑曲線顯示，井徑在該段增大，推斷由巖體破碎掉塊引起，說明該段巖體破碎。從聲波測井曲線可以看出，該段的聲波速度總體降低，可以進一步推斷該段巖體破碎，聲波曲線局部存在起伏變化是因為巖體破碎產生的周波跳躍現象。綜合聲波、自然電位以及井徑測井曲線分析認為，孔深145～155m 為破碎帶。 ② 孔深 184～190m 。電阻率測井曲線在該段明顯降低，根據視電阻率幅值變化可判斷為構造帶。由自然電位測井曲線可以發現其電位值降低比較明顯，因此可推斷該段巖體滲透性好或巖體破碎。自然伽馬曲線顯示該段泥質含量低。井徑曲線顯示井徑存在單點增大現象，推斷可能發育一條結構面。聲波測井曲線顯示存在單點波速值降低現象，之后波速值開始升高，因此推斷為巖性接觸面。

巖芯揭示地質情況。根據鉆孔資料，揭示孔深145～155m 段為破碎帶，孔深 184～190m 位置為頁巖與灰巖的巖性接觸面。巖芯揭露地質情況與綜合測井分析結果一致。

2.1.2 薄互層

從ZK2（圖4）綜合測井曲線可以發現，電阻率、自然電位以及聲波測井曲線變化較為復雜，不良地質分段較難統一，為此分別對電阻率、自然電位、自然伽馬、井徑、聲波測井（井液電阻率測井曲線不做分析）曲線異常段進行分析，最后通過綜合分析，確定最終不良地質段。

電阻率?？v觀全測段電阻率曲線，發現視電阻率值變化較劇烈，可能是相鄰地層產生的減阻屏蔽和增阻屏蔽現象，如果單純從最小電阻率值劃分構造段，可以將孔深 112～126m 和 230～248m 劃分為構造帶。另外，根據曲線包絡變化趨勢，在孔深 151～165，170 ～180m 和 190～205m 存在較明顯的局部低阻，可初步判斷為構造發育段。

自然電位。自然電位曲線變化較劇烈，按自然電位的高低起伏較難劃分構造段，如果按曲線包絡的最低幅值劃分，則可將 112～126m 和 240～254m 劃分為構造帶，另外由于薄互層影響，導致利用幅值判斷構造發育段難度增大。

自然伽馬。由于自然伽馬存在統計漲落現象，因此將超過3倍平均幅值的自然伽馬曲線變化段作為不良地質段描述，即孔深 112～126m 劃分為構造帶，根據巖性可初步推斷為泥質灰巖。

井徑。井徑曲線顯示，在孔深 239m 附近存在變徑情況，由于該孔巖性為灰巖，變徑可能是因為溶蝕或小溶洞發育。

聲波。由聲波測井曲線發現，孔深 112～126m ，151～164m 和 240～254m 聲波速度降低明顯，推斷聲波速度降低主要是溶蝕裂隙或小溶洞發育引起。

巖芯揭示地質情況。根據鉆孔資料，揭示孔深112～127m 為炭質灰巖；孔深 151～159，163～165 ，173.7～174.3，175～178，190.3～191.7，239～240m 段溶蝕發育，巖芯較破碎；孔深 105.2～110.5，245～ 250m 段存在裂隙炭質侵染及炭質條帶分布。

通過圖4的電阻率和自然電位測井曲線，發現112～126m 和 230～248m 與不良地質段較為對應，自然電位在 151～159，163～165，173.7～174.3，175 ～178m 段并未異常變化，電阻率測井曲線存在異常變化，類比于 151～165m 段電阻率變化特征，也可將孔深 190～205m 段判斷為構造發育段，而實際這段并無構造發育，即為假異常信號。自然伽馬和井徑均有1處與實際構造發育段較吻合。聲波測井有3處與實際地質情況相對應，但在 173.7～174.3 ，175～178，190.3～191.7m 段波速并無明顯降低，因此聲波測井對上述段落的地質構造判識失效，可能的原因是溶蝕裂隙發育尺度較小，并未引起聲波速度足夠的變化。

2.1.3 斷層破碎帶

根據ZK3（圖5）綜合測井曲線變化，分別對該孔的電阻率、自然電位、自然伽馬、井徑、聲波、鹽化擴散測井曲線進行分析。

孔深 30～65m 。電阻率測井曲線顯示，該段視電阻率曲線呈起伏跳躍變化，可以推斷該段局部巖芯破碎，尤其在孔深 48～63m 范圍，巖芯破碎范圍較大。自然伽馬幅值在該段無明顯增大，推斷該段巖體泥質含量低。井徑曲線顯示，井徑局部增大，推斷該段巖體局部破碎掉塊。該段的聲波速度曲線出現周波跳躍現象，推斷是由巖體破碎引起。鹽化擴散曲線在孔深40～50m 段，隨著鹽化時間的增長，井液電阻率值呈逐漸增大趨勢，推斷該段可能為發育較小的涌水層。

孔深 65～125m 。電阻率測井曲線在該段明顯降低，因此判斷該段為構造破碎帶。由自然電位測井曲線可以發現其電位幅值呈正向增大，說明該段正電荷累積、負電荷流向地層，推斷該段發育構造破碎帶，且存在地下水流動，鹽化擴散曲線也證明了這一觀點。鹽化擴散曲線顯示，隨著時間的增大，孔深 70～90m 井液電阻率值逐漸增大，即存在地下水補給的可能。自然伽馬曲線在孔深 65～125m 段的幅值增大明顯，因此推斷該段泥質含量增加。井徑曲線顯示，該段的井徑起伏變化劇烈，并總體呈增大趨勢，該段擴徑明顯，可能為巖體松散破碎引起局部脫空。聲波測井曲線在該段波速值總體偏低，聲波測井曲線變化劇烈，一方面是由于擴孔導致聲波速度出現跳躍變化，另一方面是巖體破碎引起的周波跳躍，由此判斷該段巖體破碎。

綜合電阻率、自然電位、自然伽馬、井徑、聲波及鹽化擴散測井曲線特征，推斷孔深 65～125m 段巖體松散破碎，泥質含量增大，發育涌水層。

巖芯揭示地質情況。根據鉆孔資料，孔深 30～ 65m 段，巖芯局部破碎;孔深 65～125m 段為松散破碎帶，泥質含量增加。

不同地質構造類型綜合測井成果分析見表5。

2.2 規律分析

（1）電阻率測井能有效探測破碎帶、巖性接觸面、薄互層等不良地質構造，但當遇到無充填干裂隙的破碎巖體時，電阻率測井方法對其敏感性降低，不易通過電阻率值的大小識別構造發育情況。對局部發育的溶蝕裂隙、薄互層等構造，由于薄層或似薄層結構的存在，導致電阻率測井曲線呈劇烈跳躍變化的特點，畸變的視電阻率曲線使構造識別變得困難。為解決這個問題，可采用包絡法去除曲線細節，但同時會損失對小構造探測的分辨率。對巖性界面、構造破碎帶電阻率測井曲線呈明顯的低阻形態，曲線變化特征易辨識。

（2）巖性分界面和破碎帶的自然電位測井曲線呈正負幅值增大形態，正負幅值的產生與正負離子移動方向有關，當井液向地層擴散時，負電荷會累積到井壁，正電荷會聚集到地層，從而導致測試的自然電位呈負值；當地層地下水向鉆孔內流動時，鉆孔井壁聚集正電荷，從而產生正幅值。但自然電位對多數構造無明顯的幅值變化，因此對構造發育段，不宜采用單一自然電位測井方法。鹽化擴散測井方法與自然電位測井相輔相成，鹽化擴散對涌水層具有較好的探測效果。

（3）自然伽馬測井能有效探測含泥質地層，但對不含泥質的構造帶判別具有較大局限性。松散破碎巖體的井徑曲線變化較強烈，對弱構造發育段，其敏感性降低，甚至無變化，因此井徑測井適用于強構造破碎帶的探測。

（4）聲波測井對巖性接觸面、構造破碎帶均有敏感響應，對構造的定位及判識相對更準確可靠，但需注意擴孔、巖體破碎引起的正負波速及周波跳躍現象。

（5）選擇綜合測井測試方法時，應以聲波和電阻率測井為主，針對探測的目標，輔助不同的測試方法，如對含水構造判識，可采用電阻率（聲波） + 自然電位+ 鹽化擴散測井，如需進一步判斷構造是否含泥時，可補充自然伽馬測井；如要識別巖性接觸面，可采用電阻率 + 自然電位 + 聲波測井。

3結論

（1）電阻率測井曲線對斷層破碎帶、巖性分界面、充填型溶洞等構造呈低阻異常形態，對軟硬薄互層，視電阻率值呈高低起伏變化，對該類地質結構解譯容易誤判，需謹慎處理，對裂隙破碎程度相對較弱地段，視電阻率曲線的敏感性降低；聲波測井曲線對破碎帶、薄互層、溶洞等構造成跳躍（波速高低變化）或低速異常形態，聲波測井對巖性分界面無法區分。自然電位曲線對破碎帶、巖性分界面呈現負幅值異常，對薄互層敏感性較低，泥質充填型溶洞的自然電位曲線變化平穩，其作為基線無法有效判斷地質構造類型。自然伽馬測井曲線對泥質含量增加地層呈高幅值異常，對其他無泥質充填的構造敏感性低。井徑曲線適合判斷破碎程度劇烈及空洞發育地層，根據井徑增大程度判斷巖體破碎程度。井液電阻率僅對涌水地層有良好反應，當地層存在地下水補給時，井液電阻率曲線隨著鹽化時間的增大，視電阻率值逐漸增大。

（2）開展綜合地球物理測井數據綜合分析時，應以電阻率和聲波測井曲線解譯為主，其他測井方法結果作為參考數據；參考數據的異常應綜合其他方法綜合分析，而不能單獨依靠某一種方法對地層構造發育情況進行判斷。

（3）應以探測體地球物理特征為目標導向，選擇合適的測井方法或組合。如電阻率測井適用于探測裂隙破碎帶（裂隙發育密集，巖體切割程度劇烈）、斷層破碎帶、巖性分界面、薄互層等地質構造，聲波測井適用于探測裂隙破碎帶、斷層破碎帶、巖溶、薄互層等地質構造，自然電位適用于破碎帶、巖性分界面等構造，自然伽馬適用于探測含泥質地層，并液電阻率適用于存在地下水補給地層。針對不同的探測目標，選擇性地開展最優組合綜合測井探測，既可提高工作效率，又能改善解譯的準確性。

（4）由于不同測井方法對不同地質體的敏感性差異，多種方法對同一地質體表現出不同的異常特征，因此，開展復雜地質條件下的多方法聯合約束反演，可以提高不良地質體的解譯精度和水平。此外，隨著人工智能技術發展，開展地球物理信號特征智能識別研究，有助于提高測井數據解譯的智能化水平，增強對復雜地質條件的適應能力。

參考文獻：

[1]潘和平，馬火林，蔡柏林，等.地球物理測井與井中物探[M].北京：科學出版社，2009.

[2] 岳文正，陶果.地球物理測井多參數綜合識別儲層流體類型的新型神經網絡[J」.石油大學學報（自然科學版），2004（3） ：30-32，42，138.

[3] 胡瑤，李軍，蘇俊磊.用地球物理測井方法識別碳酸鹽巖儲集層的巖性及孔隙結構—以巴西深海J油田案例[J].地球物理學進展，2020，35（2）：735-742.

[4] 時夢璇，劉之的，楊學峰，等.地層孔隙壓力地球物理測井預測技術綜述及展望［J].地球物理學進展，2020，35（5）：1845-1853.

[5]孟憲波，馮彥謙.地球物理測井技術在鐵路隧道勘察中的應用探討[J].鐵道勘察，2010，36（1）：62-65.

[6]滕娟.基于地球物理測井的煤體結構預測［D].北京：中國地質大學（北京），2016.

[7]蔣觀利，吳青柏.地球物理測井在多年凍土厚度和地下冰調查中的應用[J].地球物理學報，2016，59（9）：3482-3490.

[8]HU K，LIU X，CHEN Z，et al.Mineralogical characterizationfrom geophysical wellogs using a machine learning ap-proach：case study for the Horn River Basin，Canada[J].Earthand SpaceScience，2023，10（12）：e2023EA003084.

[9]LAI J，SU Y，XIAO L，et al. Application of geophysical welllogs in solving geologic issues ： past，present and future pros-pect[J].Geoscience Frontiers，2024，15（3） ：101779.

[10]付代光，周黎明，肖國強，等.綜合地球物理測井技術在滇中引水隧洞工程勘察中的應用[J].長江科學院院報，2016，33（4） ：67-70，77.

[11]住房和城鄉建設部.工程巖體分級標準：GB/T50218-2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[12］張福彬.綜合地球物理測井參數評價地下水方法研究[J].工程地球物理學報，2021，18（5）：687-693.

[13］胡剛，何正勤，李娜，等.跨安寧河斷裂帶淺孔綜合地球物理測井成果分析［J].地震學報，2016，38（5）：684-692，813.

[14]梁明星，孫文杰.地球物理測井在煤儲層參數綜合解釋中的應用——以PS礦區A井為例［J].科學技術與工程，2013，13（18）：5121-5126，5140.

[15]尹劍，徐磊，陳爽爽，等.水利工程地球物理探測技術發展與展望[J].水利水電快報，2022，43（2）：32-39.

[16]陳爽爽，侯欽禮，張建清，等.綜合物探在城市輸水隧洞勘察中的應用研究[J].人民長江，2023，54（增2）：162-165.

[17]水利部.水利水電工程勘探規程第1部分：物探：SL/T291.1-2021[S].北京：中國水利水電出版社，2021.

[18］國家能源局.水電工程地球物理測井技術規程：NB/T10225-2019[S].北京：中國水利水電出版社，2020.

[19] 交通運輸部.公路工程物探規程：JTG/T3222-2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[20]鐵道部.鐵路工程物理勘探規范：TB10013-2010［S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[21]尉中良，鄒長春.地球物理測井（第3版）［M].北京：地質出版社，2012.

（編輯：高小雲）