地球物理测井技术在区域治理目标层定位中的应用研究

赵广淼，刘飞虎

（河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台054000）

1 测井技术概述

地球物理测井是以物理学、数学和地质学为理论基础，以井眼及其周围介质为研究对象，采用多种专门的仪器设备，沿钻井剖面测量各种物理参数，通过数据处理和综合研究，揭示测量对象的特征和规律，辨别地下岩石、液体性质的方法，在资源勘察、工程地质、灾害地质、生态环境、考古研究等领域均有重要的应用。测井方法有自然电位测井、电阻率测井、声波测井、自然伽马测井、密度测井、中子测井、井径测井、井斜测井、井温测井、地层倾角测井、成像测井等方法。

2 工程概况

太原煤气化龙泉煤矿保水开采地面区域治理工程，目的是进行奥灰区域治理试验，研究奥灰含水层的水文地质条件及其注浆改造效果，为后期规模化开采下组煤做准备。为确定区域治理的目标层，先设计施工1个垂直探查孔，终孔层位进入奥灰含水层74.4 m，自奥灰含水层顶面至终孔进行了取芯，终孔后进行了常规地球物理测井，测井方法选用自然电位、电阻率、自然伽马、密度（长源距伽马伽马）、井径、井斜等6种常规测井方法。井斜测井用于测量钻孔弯曲、描述钻孔轨迹。

图1 探查孔奥灰孔段测井曲线Fig.1 Logging curve of exploration hole section of Ordovician limestone

3 测井曲线地质解释

3.1 自然电位测井曲线地质解释

自然电位测井是在裸眼井中测量井轴上自然产生的电位变化，以研究井剖面地层性质的一种测井方法。自然电位测井曲线有划分渗透性岩层、进行地层对比、研究地层沉积相、估算泥质含量等用途。

在地面区域治理工程中，为确定注浆的目标层位，用该曲线来估计奥陶系灰岩含水层的渗透性和泥质含量。渗透性很差的地层，称为致密层，其自然电位曲线接近泥岩基线或者曲线的幅度异常很小（曲线上的平直竖线），曲线上高于此数值的幅度越大，渗透性越好。可以利用公式（1）来估算地层中的泥质体积含量：

式中：Vsh为地层泥质体积含量，小数；UPSP为解释层的自然电位，mV；USSP为解释井段的静自然电位，mV。

在探查孔自然电位曲线上，孔深685 m（进入奥灰55 m）以下曲线幅度异常很小，为灰岩致密层，取其作为解释层的自然电位UPSP，取值50 mV；待解释的目标层从自然电位曲线变化幅度来看大致可分为3层，分别为0～25 m、25～55 m、55～74 m，平均自然伽马数值分别为60、80、50 mV。奥灰含水层各段泥质体积含量计算结果见表1。

表1 自然电位曲线估算泥质含量成果Table 1 Results of estimating clay content by spontaneous potential curve

3.2电阻率测井曲线地质解释

普通电阻率测井是通过测量地层电阻率来研究井剖面地层性质的测井方法。普通电阻率测井除划分钻孔地层剖面外，主要用于确定含水层的位置及厚度，测定岩石电阻率参数和岩石孔隙度。

如果岩石具有一定的孔隙空间且在孔隙空间中完全饱和地层水时，由于地层水比岩石骨架具有更好的导电性，它的电阻率要低于没有孔隙空间的岩石的电阻率，并且岩石的孔隙度越高，电阻率越低。从电阻率测井曲线来看，井孔内奥灰含水层特点也比较明显，大致分为0～25 m、25～55 m、55～74 m3层，第一层电阻率较高，平均约为500Ω·m，变化幅度达到100～900Ω·m，说明该段灰岩岩溶裂隙较发育，富水性相对较强；第二层电阻率较低，平均约为200Ω·m，变化幅度100～400 Ω·m，说明该段灰岩岩溶裂隙最为发育，孔隙率最高，富水性强；第三层电阻最高，平均约为1 900Ω·m，变化幅度1 300～2 500Ω·m说明此段灰岩较为完整致密，富水性弱。

3.3 自然伽马测井曲线地质解释

自然伽马测井是用伽马射线探测器测量岩石总的自然伽马射线强度，以研究井剖面地层性质的测井方法。它既可以在裸眼井中又可以在套管井中进行测量，且不受井中介质影响。岩石中含有天然的放射性核素，主要是铀系、钍系和钾的放射性同位素，它们自然衰变时发射伽马射线，使岩石有天然放射性。自然伽马测井可用来划分岩性、估算岩层泥质含量、地层对比等。

由于地层的自然伽马异常随泥质含量增加而增加，可以通过公式（2）计算岩层中的泥质含量指数：

式中：SHI为泥质含量指数，纯岩石为0，纯泥岩为1；GR为解释层的自然伽马数值；GRmin为纯岩石的自然伽马数值；GRmax为纯泥岩的自然伽马数值。

待解释的目标层从自然伽马曲线来看大致可分为3层，分别为0～25 m、25～55 m、55～74 m，平均自然伽马数值约为70、130、20 API；纯岩石的自然伽马数值GRmin，取20API；纯泥岩的自然伽马数值GRmax，取310API(铝土泥岩自然伽马测量值达到570API，其计算结果和实际偏差较大，可能是因为含有放射性矿物造成的，因此予以剔除，使用煤系地层泥岩自然伽马测量值)。计算出地层的泥质含量指数后，再通过公式（3）估算目标层的泥质体积含量。

式中：Vsh为目标层泥质的体积含量；GCUR为希尔奇指数，按经验值取2（古近系-新近系地层取3.7，老地层取2，或结合岩芯资料确定）。

探查孔奥灰含水层各孔段泥质含量指数和泥质体积含量计算结果见表2，与岩芯资料对比来看，希尔奇指数取值偏高，调整为1.2较符合实际情况。

表2 自然伽马曲线估算泥质含量结果Table 2 Estimation results of shale content by natural gamma ray curve

3.4 密度测井曲线地质解释

用伽马源发射的伽马射线照射地层，根据康普顿效应测量地层密度的测井方法称为密度测井。由于密度测井所用的轰击粒子和探测的都是伽马光子，所以也称为伽马-伽马测井。岩石的体积密度不仅与岩石矿物成分及其含量有关，还与岩石孔隙度和孔隙中流体类型、性质及含量有关。

从密度测井曲线来看，测量视密度和实际密度误差较大，按实际石灰岩密度进行校正，结合2.3泥质体积含量计算成果，利用公式（4）计算奥灰不同孔段孔隙度：

式中：φ为孔隙度；ρma为灰岩骨架密度，ρb取2.71 g/cm2；ρma为实测体积密度；Vsh为孔隙流体密度，取1 g/cm2；ρsh为岩层泥质体积含量；为泥质密度，取2.3 g/cm2。估算奥灰顶面以下0～30 m平均孔隙度约为3.6%，30～55 m平均孔隙度约为5.1%，55～74 m为较为致密，平均孔隙度约为0.6%。

3.5 井径测井曲线地质解释

井径测井是测量井眼直径大小的一种测井方法。井径测井主要用于划分地层剖面，识别松散岩层和致密岩层、渗透性岩性和非渗透性岩层，在套管井中用于套管损伤检测。

探查孔取芯使用φ152 mm取芯钻头加取芯管，从井径测井曲线来看，冲积层、煤系地层有明显的井径扩大现象，孔径扩大100～170 mm；奥灰顶面5 m井径扩大约60 mm，说明奥灰顶面存在软弱风化壳；奥灰顶面5 m以下井径扩大不明显，仅有30～40 mm，为钻具正常切削、磨损所致，35～55 m略有井径扩大现象；奥灰顶面以下55～74 m基本没有井径扩大现象，说明该段石灰岩致密完整。

4 测井成果与取芯、水文观测情况对比

通过对测井曲线进行地质解释，不同测井方法确定重点治理层段见表3。

表3 测井解释成果重点治理层段Table 3 The logging interpretation results focus on management intervals

探查孔在孔深629.85 m揭露奥陶系灰岩，在635.50～704.40 m取芯钻进，终孔进入奥灰74.55 m，取芯段长：68.90 m，岩芯长度：48.60 m，平均采取率：71%。其中奥灰顶面以下5.5～7m（孔深635.5～637 m）、22～23 m（孔深652～653 m）岩芯稍破碎；进入奥灰35 m（孔深665 m）开始岩溶裂隙增多，37.3～37.5 m（667.3～667.5 m）及41.8～42（孔深671.8～672.0 m）见泥质充填物，42～57 m（孔深672～687 m）岩溶尤为发育，多为泥质充填，取芯率仅为25%；奥灰顶面以下57～74.4 m（孔深687～704.4 m）岩芯完整性较好，致密坚硬，取芯率较高，仅有个别小孔洞。

图2 探查孔奥灰局部岩芯Fig.2 Local Ordovician limestone core in exploration hole

测井成果确定注浆治理的重点层段为奥灰顶面以下25～55 m，从泥浆消耗量来看泥浆自奥灰顶面以下34 m出现漏失0.4 m3/h，岩芯自奥灰顶面以下35 m开始岩溶裂隙增多，奥灰顶面以下42～57 m岩溶尤为发育，57～74.4 m岩芯完整致密。

5 目标层定位与工程验证

综合以上测井、岩芯及水文观测成果，治理工程水平分支孔的目标层定为奥灰顶面以下30 m，位于奥灰岩溶裂隙发育层段顶部，其下岩溶裂隙发育，泥质充填较多，有利于浆液扩散进行注浆治理，在奥灰含水层深度较为适宜作为注浆治理的目标层。最终在该层位施工了3个顺层水平分支孔，进尺4 587 m，揭露9个漏失点，漏失量15～60 m3/h，累计注水泥18 785 t，治理效果较为理想。

6 结 语

从物理测井成果和取芯情况对比来看，2种方法各有优缺点，取芯是最直观的一种研究地下岩层性质的技术手段，通过取芯可直观的观测到岩性、裂隙率、取芯率，并可对岩芯进一步做力学性质测定，取芯方法的缺点是研究范围局限于单个钻孔之内，一般需要施工多个钻孔进行研究，进行统计分析才有较好的实用价值；测井方法的好处是通过测井仪器将研究对象的范围从井孔扩大到井孔周边数十公分甚至数米的范围，提高了资料的可靠程度和实用性。物理测井和取芯、简易水文观测等手段结合，在地面区域治理目标层的定位中可以获得较好的效果。