硬巖層區(qū)工程地球物理測井簡要技術(shù)及應(yīng)用

硬巖層區(qū)工程地球物理測井簡要技術(shù)及應(yīng)用第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用范圍·水電、核電工程勘探：水壩、水電站、核電站選址·鐵路、公路、橋梁、隧道工程勘探·港口、機場的基礎(chǔ)地質(zhì)條件勘探·城市高層建筑地基工程勘探·礦區(qū)工程水文勘探第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月一、工程地球物理測井主要方法及其物理基礎(chǔ)（一）巖石強度分析

1巖石強度參量

2巖石強度動態(tài)測定的物理基礎(chǔ)

3地球物理測井確定彈性模量的關(guān)系式（二）評價巖石均一性和穩(wěn)定性

1均一性評價

2穩(wěn)定性評價二工程測井的主要方法技術(shù)措施

(一)密度測井

(二)聲速測井主要技術(shù)要求三彈性模量計算程序四、實例第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月一、工程地球物理測井主要方法及其物理基礎(chǔ)

主要介紹利用測井資料進行巖石強度分析的物理基礎(chǔ)，和測井工作中應(yīng)進行的刻度、井徑校正、誤點剔除等主要方法技術(shù)措施。并列舉實例介紹測井資料的運用，進行工程地質(zhì)評價的基本方法。

第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

在工程地質(zhì)勘察工作中，應(yīng)用現(xiàn)代測井技術(shù)較為有效可行的是：劃分井剖面，確定軟弱巖層，查明并圈定裂隙破碎帶；進行巖石強度分析提供巖石物理力學(xué)工程參量；分析巖石的均一性和穩(wěn)定性。第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）巖石強度分析1巖石強度參量

巖石強度參量是表征巖石抵抗外荷作用而不致?lián)p壞的能力大小的物理量。主要用巖石的彈性模量來表征。

可以通過應(yīng)用地球物理方法測定巖石自然狀態(tài)下原位原體的描述巖石強度的彈性參量。第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2巖石強度動態(tài)測定的物理基礎(chǔ)

由巖石力學(xué)可知：固態(tài)物體的強度，取決于介質(zhì)受力產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。在物體彈性形變范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之比值稱為彈性模量。固體物質(zhì)的相對強度，是由彈性模量來定義的，它表征固體物質(zhì)在失去彈性或破碎之前，所能承受的應(yīng)力大小。因受不同的力，產(chǎn)生不同的應(yīng)變，而有不同的彈性模量。第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）楊氏模量E

當力F作用于彈性體長度L方向，其截面為S，伸長△L時，縱向應(yīng)力比相對彈性伸長，稱為楊氏模量，以E表示。第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）體積模量K

當力F作用于表面積為A、體積為V的彈性體表面，體積變化△V時，應(yīng)力比體積相對變化，稱為體積模量，以K表示。第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）切變模量G

當切力Ft作用于與作用平行的面積（S）切變角為φ時，切變力比相對切變角的正切，稱為切變模量，以G表示。第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）泊松比μ

當彈性體在軸向應(yīng)力的拉伸下，產(chǎn)生縱向伸長的同時，會形成橫向壓縮，其橫向相對壓縮與其相對伸長之比，稱為泊松比，以μ表示。第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月各彈性模量之間的關(guān)系式為：只要得出任意兩個模量，就可求得其余兩個模量。第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3地球物理測井確定彈性模量的關(guān)系式介質(zhì)質(zhì)點在不同介質(zhì)中所作的彈性振動的傳播，它取決于介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)。因此，地球物理測井方法求取鉆孔巖石的彈性模量，是以介質(zhì)密度ρ、縱波速度VP、橫波速度VS等參量與彈性模量之間的關(guān)系為依據(jù)的。根據(jù)采用的測井手段不同，而用不同的關(guān)系式。第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）具備并采用三維速度測井和密度測井時，可利用測定的密度ρ、縱波速度VP、橫波速度VS按下列各式求取彈性模量：第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）只采用密度和聲速縱波時，可采用經(jīng)驗近似公式，或取縱、橫波速比估算橫波時差，再按上述關(guān)系式計算彈性模量。根據(jù)地質(zhì)情況選取經(jīng)驗式如下：

其中A=2.125B=45.3248C=-167.312取VP/VS=1.5時則 稱強度指數(shù),以ED表示。根據(jù)巖芯波速測定資料

第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）評價巖石均一性和穩(wěn)定性1均一性評價巖體通常為不連續(xù)體,其不連續(xù)面由宏觀的斷層、節(jié)理、裂隙,和微觀的晶面及微裂隙組成。不連續(xù)面的發(fā)育狀況,反映著巖石的均一性特征。它可以通過觀測的縱波速度和在完整巖中傳播的縱波速度來分析其均一性。用完整系數(shù)KW表征巖石的完整性,其數(shù)值等于巖石縱波速度（VP巖）,與完整巖石縱波速度（VP完）之比的平方數(shù)值。

第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)完整系數(shù)KW按下列數(shù)值范圍進行完整性評價：KW范圍1～0.90.9～0.750.75～0.450.45～0.25＜0.25完整性極好好較好差極差第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2穩(wěn)定性評價

影響巖體穩(wěn)定性的因素,主要是巖石的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,和改變巖石性質(zhì)的風(fēng)化作用。因此,通常需分析研究其裂隙和風(fēng)化狀況,分別以裂隙系數(shù)LS和風(fēng)化系數(shù)Fn來描述。第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）裂隙系數(shù)LS

硬巖層地區(qū),造成巖石不連續(xù)面的主要因素是裂隙。裂隙的發(fā)育狀況用裂隙系數(shù)LS來評價。裂隙系數(shù)定義為完整巖縱波速與觀測巖石縱波速的平方差對于完整巖縱波速平方的比值：根據(jù)裂隙系數(shù),可對裂隙狀況分五級進行評價：評級12345LS范圍＜0.250.25～0.50.5～0.650.65～0.8＞0.8評價最好好堅固稍差差第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）風(fēng)化系數(shù)

風(fēng)化作用不僅破壞巖體的完整性,而且會改變巖石的性質(zhì)。巖石的風(fēng)化程度,用風(fēng)化系數(shù)Fn來描述,它定義為新鮮巖縱波速VP新與觀測經(jīng)風(fēng)化巖的縱波速VP風(fēng)之差對于新鮮巖縱波速的比值。根據(jù)風(fēng)化系數(shù)值,可將風(fēng)化程度分五類進行評價：

Fn范圍00～0.20.2～0.40.4～0.6＞0.6評價未風(fēng)化微風(fēng)化弱風(fēng)化強風(fēng)化劇風(fēng)化第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月二工程測井的主要方法技術(shù)措施（一）密度測井1密度測井的刻度（1）標準刻度井刻度

裝有高、中、低三種不同密度的模塊地層和水層共有四種密度。令其標準密度值分別為ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，刻度觀測的讀數(shù)分別為J1、J2、J3、J4，設(shè)待求的儀器刻度系數(shù)為A、B則

ρ1=AlnJ1+Bρ2=AlnJ2+Bρ3=AlnJ3+Bρ4=AlnJ4+B用一元一次線性回歸，可求出系數(shù)A與B。第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）現(xiàn)場刻度

取一點源，改變點源至探管記錄點的距離，例如距離為r1和r2，讀數(shù)分別為J1，和J2，，用系數(shù)A與B算出對應(yīng)的密度值ρ1，和ρ2，以此作為現(xiàn)場刻度已知密度

。同樣讀數(shù)得出回歸系數(shù)A′、B′作為測井求測點i的密度值ρi的刻度系數(shù)。則ρi=A′lnJi+B′

第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2井徑校正

r－r（密度）測井記錄的散射伽瑪射線的強度，取決于探測范圍內(nèi)介質(zhì)的平均密度。包括探測范圍內(nèi)井液（泥漿）和巖層產(chǎn)生的散射伽瑪射線，井徑大、源距小則井液散射的強度比例大；而源距過大鄰層影響增大。因而要配合井徑測井進行井徑校正。

第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月井徑校正步驟如下：(1)令刻度井的孔徑為φ標標準，其刻度系數(shù)為a0、b0。(2)在不同井徑同種巖石的實驗井群中觀測，設(shè)井徑分別為φa、

φb、φC、…,觀測讀數(shù)為Ja、Jb、Jc…。都按系數(shù)a0、b0計算密度值,得ρa、ρb、ρc…(3)由于井徑φi與確定系數(shù)的標準井徑φ標不同,存在一個密度差Δρi,可以根據(jù)計算值建立因不同井徑影響所引起的密度差關(guān)系。即：(4)取為縱軸,井徑為橫軸，繪制井徑校正曲線。第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3現(xiàn)場巖芯樣對比與校正

取適量的鉆孔巖芯,采用高精度密度儀測定密度,作為已知值與測井計算值對比。設(shè)井深mi處的巖芯密度為ρi，該深度測井數(shù)據(jù)為Ji，按系數(shù)a0、b0計算的密度為ρJi、當ρi與ρJi對比超差時,按式

ρi=alnJi+b求出新的回歸系數(shù)a、b再計算密度值。第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)聲速測井主要技術(shù)要求指按規(guī)范和各類儀器說明書的技術(shù)性要求之外的技術(shù)性考慮因素。主要包括儀器選型和其它有關(guān)因素與措施。1儀器選型(1)為了能根據(jù)實測的密度ρ、縱波速VP（或時差ΔtP）、橫波速VS（或時差ΔtS）計算彈性模量，首選是采用三維速度儀。(2)其次應(yīng)選用雙發(fā)雙收聲速（補償）儀，以便補償消除因井徑變化和一起傾斜引起的異常。(3)采用單發(fā)雙收聲速儀時，應(yīng)考慮與分析有關(guān)影響因素（源間距、周期跳躍、探測范圍等），采取相應(yīng)的必要措施。第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2采用單發(fā)雙收聲速儀測井的必要措施(1)必須采用井下探管居中器，減少儀器不居中產(chǎn)生的假異常。(2)結(jié)合井徑測井資料，分析井徑變化引起的非地層變化的假異常，以便確定預(yù)處理應(yīng)剔除的采樣點。第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3進行必要的巖芯樣波速測定。

通常取作密度測試的巖芯，同時測定縱波與橫波速度。第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月三彈性模量計算程序第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月四、實例

以大冶鐵礦某礦體補勘六各工程水文孔中的兩個為例。根據(jù)工程地質(zhì)任務(wù)，選擇投入三側(cè)向電阻率測井，密度與自然伽瑪組合測井，鐵礦地段發(fā)現(xiàn)疑點加上磁化率測井，以此劃分和校驗井剖面；采用密度和聲速測井、配合井徑測井進行巖石強度分析。第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月劃分和校驗井剖面本區(qū)地層主要為大理巖、閃長巖、矽卡巖、鐵礦、破碎裂隙層等。綜合觀察分析各方法曲線反映的物性和地層巖性，可得出如下表歸納的特征：第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月巖性電阻率（Ωm）自然伽瑪密度（g/cm3）聲速磁化率10-3（SI）大理巖高14000-21000極低相對低2.72-2.75相對為低基本無閃長巖中等4000-15000略高略高于大理巖2.74-3.00相對偏高42.7矽卡巖偏低1000-4000略高較高2.8-3.2偏高28.9鐵礦低＜1000低極高＞3.5高1118.4裂隙層低＜1000因巖性而異低低第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖石強度分析按前述方法校正、預(yù)處理之后,計算各采樣點的彈性模量。分別按巖性和按強度（E模量）大小分層，算出各層的平均值

第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月為了評價勘察區(qū)各巖層的強度，可將所有觀測孔各巖層的彈性模量平均值按大小順序示出。例如該區(qū)結(jié)果如下表所示：巖性E（104MPa）μK（104MPa）G（104MPa）鐵礦11．910．2497．974．76矽卡巖化閃長巖6．910．2434．512．78矽卡巖6．420．2514．322，57閃長巖5．930．2513．972．37大理巖4．650．2402．941．87蝕變閃長巖4．290．2472．821．72第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月巖石均一性和穩(wěn)定性分析取所測定的完整巖樣的縱波速度為VP完值，計算完整系數(shù)KW，和裂隙系數(shù)LS，按數(shù)值劃分等級。將各級所占井段長度與各等級總控制長度相比，求出各等級占控制井段的百分數(shù)，從而取得對全區(qū)巖石均一性客觀了解的概念。經(jīng)計算統(tǒng)計的結(jié)果列于下表：

完整性（完整系數(shù)）穩(wěn)定性（裂隙系數(shù)）等級長（m）占（%）等級長（m）占（%）極好341．37最好27511．04好2299．91好188075．50較好210984．70堅固30712．33差1144．58稍差281．13極差40．16差00總計2490100總計2490100第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月同樣可根據(jù)密度測井資料,按巖性統(tǒng)計各巖層的密度值，經(jīng)刻度和井徑校正之后,統(tǒng)計得出的巖石密度值,由小至大列于下表：

其中經(jīng)統(tǒng)計的鐵礦密度值,與地質(zhì)采樣分析得出的總平均密度值只相差不到0.02(g/cm3)

。巖性蝕變閃長巖大理巖閃長巖矽卡巖鐵礦密度(g/cm3)2.7092.7282.8462.9224.065第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月實踐證明,工程地球物理測井,是配合工程地質(zhì)勘察必要的手段之一。在方法選擇正確合理、密切結(jié)合地質(zhì)的前提下,能有效地劃分和校驗井剖面,彌補鉆進采取率不足,可能漏失地質(zhì)層的缺陷。同時地球物理測井，是對井壁原位原體的自然狀態(tài)下的地質(zhì)體進行探測的，因此,取芯采集不到無法進行材料力學(xué)試驗的軟弱、破碎地段,只有通過地球物理測井才能有效配合地質(zhì)勘察工作。第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月JGSB-1

輕便工程測井系統(tǒng)

第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月輕便絞車第40頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月JGSB-1輕便工程測井系統(tǒng)特點: