静力触探表层结构调查在富安地区的试验

丁建荣

(中国石化江苏油田分公司科技处，江苏 扬州 225009)

静力触探表层结构调查在富安地区的试验

丁建荣

(中国石化江苏油田分公司科技处，江苏 扬州 225009)

表层结构调查是地震采集的基础性工作，常用的小折射和微测井等方法存在一定不足。通过在富安地区的静力触探表层结构调查的试验工作，表明了静力触探技术能够比较准确地解释近地表的土层地质结构，初步显示土层的阻力与炸药激发的地震子波之间具有一定的对应关系。

苏北盆地 地震采集 静力触探 表层结构调查

小折射和微测井是地震采集时进行表层结构调查的主要方法。微测井又分为双井微测井、井中接收微测井和折射微测井。小折射最主要的问题是无法刻画地层的速度倒转现象。微测井通过钻井来克服速度倒转问题，但限制了探测深度、降低了施工效率。苏北平原存在流沙层，钻井井身质量和时效很低。静力触探是工程勘察中常用的原位测试技术，利用压力装置将有触探头的触探杆压入土层，根据探头所受阻力大小，能够比较准确地判定土层的力学剖面。运用静力触探技术进行表层结构调查在地震采集工作应用较少[1-2]，2012年江苏油田在富安地区进行了静力触探表层结构调查试验工作，以检验该方法在表层结构调查的应用效果。

1 工区概况

富安三维地震工区满覆盖面积140 km2，位于江苏省东台市境内，地质构造上属于海安凹陷。根据以往微测井资料，该区低降速带变化不大，一般低速带深度为0～4 m，降速带深度为4～10 m，潜水面埋深3～4 m，激发岩性多为流沙。表层结构调查采用井中接收地面重锤敲击的微测井方法，布点密度为2 km×4 km，井中检波点间距0.5～2 m，探测深度20～30 m。作为对比试验，在两条地震炮线上布置了一定数量的静力触探试验工作。

2 静力触探试验

2.1静力触探试验概况

静力触探的工作过程是用压力将探头压到土层中去，在贯入过程中，由于土层中的各种土的物理力学性质不同，探头所受阻力也不同。常用静力触探探头有三种：单桥探头、双桥探头和孔压触探头。

富安静力触探试验采用的是15 cm I2双桥探头和KE-U310型自动记录仪，在6217和6721炮线上分别采集27和11个静力触探点，探测孔深40～80 m。其中，有7个静力触探点位置同步进行了微测井调查对比。双桥静力触探获得两条土层的阻力曲线，即锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs。该方法每隔0.1 m自动记录对应深度土层的锥尖阻力和侧壁摩阻力，其数值大小的变化，反映了所在深度土层的物理力学性质的变化(图1)。

图1 C8静力触探阻力曲线及土类分层

在工程勘查中，可以根据土层的静力触探参数进行近地表土层的力学分层。根据静力触探贯入曲线特征和参数大小，再结合其它工程原位测试资料，进行工程地质分层解释。按照《岩土工程勘察规范》标准，土主要分砂土、粉土和黏性土三大类。一般砂土类土层锥尖阻力qc数值明显高于粉土类和粘土类，qc-H曲线变化的频率与幅度也较大(H为埋深)。粘性土类，尤其是淤泥质的粘性土类，锥尖阻力qc数值很低，qc-H曲线平滑，靠近零线。粉土介于砂土和粘性土之间。当有夹层或混合土质时，锥尖阻力qc数值变化和qc-H曲线形态变化就较为复杂，主要与不同性质的土的含量有关。

在富安地区静力触探试验时，没有进行详细的工程原位测试工作，结合钻探取样资料和周围经验情况，依据静力触探贯入曲线特征和参数大小，进行了静力触探单孔的地质分层解释(图1)。

2.2静力触探与微测井对比

微测井调查是通过检波器在不同深度检测井口振动波在近地表地层中的传播时间，检波器的间隔在0.5～2 m，通过对接收传播时间的解释可以进行近地表地层的速度分层(图2)。对比可见，静力触探对土层的纵向分辨率明显高于微测井。

图2 微测井时深关系及速度解释

不同岩性的激发条件对地震记录影响较大[3-4]。微测井调查钻井时，辅之以取心或上返泥浆的录井描述，可在获得速度分层信息的同时，掌握近地表的岩性分布情况。静力触探可用以划分土层或土质[5-8]，不同探头划分精度有所差别，可测参数越多，划分精度越高。同时取样比较和经验对精度影响也较大，本次双桥静力触探没有钻探取样对比，具体划分土层和土质时结合了一定的区域经验。从图1和图2可以看到，静力触探解释的岩性分层比微测井的录井岩性描述要精确得多。

2.3剖面解释成果

将多个探孔的静力触探曲线按相应特征分层连接起来就是力学分层剖面，地质分层解释连接起来就得到工程地质分层剖面。图3是6217线静力触探工程地质剖面部分段，显示近地表岩性变化明显、分层较多，自浅而深主要划分有素填土、粉质黏土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂、粉质黏土、粉砂夹粉土和粉质黏土夹粉土。

而6217线微测井解释的速度分层显示，近地表速度分层比较简单：浅层为500 m/s左右的低速层，中间为1 200 m/s左右的降速层，之后在30 m探测深度内为1 500 m/s以上的高速层(表1)。

可见静力触探方法对近地表土层结构的调查精度远高于微测井方法。

图3 6217线(部分段)静力触探工程地质剖面

3 地震对比试验分析

富安地区地震采集施工中，井深设计主要依据微测井调查的速度分层结果。6217线2630-2560段位置，设计的正常激发井深为12 m。为检验利用静力触探方法进行激发井深设计的可行性，选择了6217线2630、2582和2560三个正常炮点位置，各设计了一个不同的激发深度进行对比试验。

从图3静力触探解释的工程地质剖面上可以看出，三个点的设计激发深度主要依据微测井调查，炸药药柱在工程地质剖面上往往跨越不同岩性的土层，而三个对比试验的设计激发深度都保证炸药药柱在同一岩性的土层中。生产和对比试验均采用6 kg相同成型震源炸药，药柱高度约1.8 m。表2是药柱高度所对应围岩岩性、土层平均阻力值和单炮记录所提取的子波情况。

表2 不同岩性/深度炸药激发地震子波对比

说明:土层阻力统计药柱高度(1.8 m)段内的平均阻力值；2582点采用相距20 m的C8静力触探点的数据。

图4、5和6，是2630、2582和2560三个位置对比试验的静力触探曲线、炸药位置、单炮记录和所提取的地震子波数据，单炮记录为8条排列中最靠近炮点的一条，地震子波提取采用双边对称自相关方法，自相关半长度取128 ms。在地震子波提取前，对原始记录经过剔道、去噪、几何扩散补偿和面波衰减等简单处理，尽量保持子波真实性。通过频谱分析，读取地震子波的最大振幅及其对应的频率。

图4 C9/2560点单炮记录对比

图5 C8/2582点单炮记录对比

图6 C5/2630点单炮记录对比

三个位置的激发深度为12 m，炸药药柱围岩岩性不同，2630和2582点跨粉砂和粉质黏土，2560点跨粉砂和粉质黏土。试验炮的炸药药柱围岩岩性就选择了单一岩性，激发深度分别为21 m、20 m和24 m，围岩岩性为粉砂夹粉土。

对比可见，同一点位不同阻力值土层中，炸药激发产生的单炮记录和子波存在明显的差异，当炸药激发围岩的锥尖阻力和侧壁摩阻力增加时，地震子波的最大振幅增加，对应频率降低。

4 结论与建议

富安地区静力触探表层结构调查试验初步结论：

(1)静力触探方法适用于地震采集的近地表结构调查工作，在探测深度和岩性解释精度上比微测井方法有较大的优势。

(2)炸药激发时围岩土层的阻力(锥尖阻力和侧壁摩阻力)与地震子波(振幅和频率)存在一定的对应关系。

试验中发现有两个问题值得后续深入：

(1)静力触探装备体积和施工场地面积较大，尤其是探测深度较大时，不太适合快速经济的要求，静力触探装备与施工的便捷性有待提高。

(2)炸药激发产生的震源子波频率和振幅与土层的性质密切相关，应探索通过静力触探参数直接估算炸药震源子波振幅和频率的方法。

致谢：文中的地震资料的处理分析工作由中国石化江苏油田分公司物探研究院郭廷超和陶长江高工帮助完成，在此表示感谢！

[1] 邸志欣，丁伟，吕公河，等.五号桩地区滩浅海高精度三维地震采集技术[J].石油物探，2012，51(4):388-397.

[2] 董晓峰.表层结构调查在滩海地震勘探中的应用[J].中小企业管理与科技(下旬刊)，2011(05)：263.

[3] 丁建荣，毛凤鸣，郝天珧.表层火成岩覆盖地区的表层结构调查[J].地球物理学进展，2007，22(3):872-878.

[4] 屠世杰，曾强，庞全康，等.江苏油田高精度三维地震采集技术及应用效果[J].复杂油气藏，2010.03(01):37-41.

[5] 孟高头.土体原位测试机理、方法及其工程应用[M].北京：地质出版社,1997:53-73.

[6] 石林珂，孙文怀，郝小红.岩土工程原位测试[M].郑州：郑州大学出版社,2003:32-33.

[7] 王清.土体原位测试与工程勘察[M].北京：地质出版社,2006:101-102.

[8] 马淑芝，汤艳春，孟高头，等.孔隙静力触探测试机理、方法及工程应用[M].武汉：中国地质大学出版社,2007：61-68.

(编辑 韩 枫)

Static cone penetration test for near-surface structure survey in Fu'an area

Ding Jianrong

(ScientificandTechnicalDepartmentofJiangsuOilfieldCompany，SINOPEC，Yangzhou225009，China)

Near-surface structure survey is the basic work for the seismic acquisition.But there are some problems in the common methods such as small refraction，micro-log，and so on. According to static cone penetration tests for near-surface structure survey in Fu'an area，it is indicated that the static cone penetration can more accurately explain the near-surface structure，and there is a certain corresponding relationship between soil resistance and the seismic wavelet of explosive source.

Subei Basin；seismic acquisition；static cone penetration；near-surface structure survey

TE323

A

10.16181/j.cnki.fzyqc.2015.03.007

2015-02-26；改回日期2015-04-14。

丁建荣(1970—)，高级工程师,从事石油地球物理技术工作,电话:0514-87762121, E-mail:dingjr.jsyt@sinopec.com。

攻关项目:江苏油田分公司(JS14007)。