水文工程测井

测井技术在地下水资源勘查、工程地质勘查、矿区水文地质和工程地质勘探等方面也发挥着重要的作用。自 1957 年我国煤炭、地质部门使用电阻率仪测定矿区中井内含水层位置、渗透速度、钻孔涌水量，地球物理测井在国内的水文地质、工程地质勘察领域中广泛应用起来。

10. 3. 1 探测对象

( 1) 地下水资源勘测

包括城市饮用水、工业用水、农田水利及地下热水水源分布、动静储量、水质及可利用程度等的探测。

( 2) 工程地质勘测

包括工程选址，如水坝、发电站、桥梁、隧道、地下仓库选址; 工程选线，如铁路、公路、高压线、隧道等选线; 工程建筑，包括高层建筑地基、地质构造以及隧道、斜坡的岩体和结构等的探查。

( 3) 矿区水文地质和工程地质勘探

主要是探清矿床所在部位和矿体周围地下水的来源、水量和水质等问题，为矿区开采设计提供预防水淹、塌陷方案以及矿区用水等资料。

( 4) 其他

包括地基改良; 建筑物，如水坝、桥墩的牢固程度检测; 探测各种环境地质及其变化，如振动，地下水变化、古迹保护; 疏浚和防护工程等的探测。

10. 3. 2 测井的任务

这里将以水文测井为例进行介绍。依据地质矿产行业标准 《水文测井工作规范 ( DZ/T 0181―1997) 》，所有以水文、地热地质勘察等为目的施工的钻井，尤其是无岩心钻井，都需进行测井。测井在水文地质勘察领域可以完成以下任务。

1) 编录钻井地质剖面，提供地层物性参数，进行地层对比。可采用的测井方法有普通电阻率测井、自然电位测井、声波速度测井、自然伽马测井、密度测井等。

2) 计算地层水 TDS ( 溶解性总固体，曾称矿化度) 以及地层孔隙度、渗透率，确定砂、泥、水含量，区分咸淡水。可采用的测井方法有电阻率测井、井液电阻率测井、自然电位测井、自然伽马测井、密度测井、声波速度测井、流量测井、中子测井、井径测量、井斜测量等。

3) 划分含水层与隔水层，并确定其深度和厚度; 识别溶洞水、孔隙水、裂隙水，了解含水层之间的补给关系。可采用的测井方法有普通电阻率测井、井液电阻率测井、自然电位测井、声波速度测井、自然电位测井、自然伽马测井、密度测井、温度测井、流量测井、扩散法测井等。

4) 测量地下水的流速流向，估算单井涌水量。可采用的测井方法有流量测井、扩散法测井等。

5) 了解地热井流体温度及产液量。可采用的测井方法有温度测井、流量测井等。

6) 测量地下水的污染情况及其对环境的影响。可采用的测井方法有自然电位测井、井液电阻率测井、扩散法测井等。

7) 研究钻井技术状况，检查钻井止水和固井质量。可采用的测井方法有超声成像测井、扩散法测井、井径测井、井斜测量等。

8) 了解岩层的工程力学参数。可采用的测井方法有声波速度测井、密度测井、井径测井等。

10. 3. 3 测井方法

这里将以水文测井为例进行介绍。依据地质矿产行业标准 《水文测井工作规范 ( DZ/T 018―1997) 》，从原理上讲，所有的测井方法都在水文地质、工程地质勘察中使用; 在实际施工作业中，往往针对不同的地质问题、不同的任务，选择合理的测井方法。

( 1) 电测井

测量岩石的导电性、电化学性质的一组方法，包括普通电阻率测井、侧向测井、自然电位测井、井液电阻率测井等。

( 2) 声波测井

测量岩石的弹性参数的一组方法，包括声波速度测井、声幅测井、超声成像测井等。

( 3) 核测井

测量岩石及其孔隙流体的核物理性质的一组方法，包括自然伽马测井、密度测井、中子测井等。

( 4) 其他测井

以研究地层中孔隙空间或钻井中流体活动特征为主的一组方法，包括温度测井、流量测井、扩散法测井; 评价钻井技术状况的方法，包括井径测井、井斜测量等。

10. 3. 4 测井资料解释及应用

10. 3. 4. 1 定性解释及应用

( 1) 识别岩性

综合各种测井信息，参照岩石的各种物理参数，可以识别岩性。

( 2) 划分水层

可以根据几种测井曲线的综合解释，划分出水层，识别溶洞水、孔隙水、裂隙水; 也可利用单一测井曲线 ( 如扩散法曲线) 划分出水层或出水段。岩层含水时，其含水性的好坏和所含水的 TDS 的高低会影响岩层的各种性质，测井曲线一般显示出明显的异常。

在孔隙性含水层，视电阻率异常有较大范围的变化、自然电位异常一般是负的 ( 图10. 3. 1) ，伽马曲线、中子曲线、密度曲线常常表现为较低值，声波时差曲线常显示为高异常。

在裂隙性含水层，视电阻率异常为低峰值，自然电位显示为负或正的异常，中子曲线表现为低峰值，伽马曲线表现为高峰值，声波时差为高值异常。

在溶洞性含水层，视电阻率异常显示为低值，自然电位显示为弱负或正异常，伽马曲线显示高峰值，中子曲线为低峰值，声波时差为较高异常。

( 3) 了解水力联系

在水利水电坝址选择建设中，分析坝址区地下水形成条件和分布规律，是评价大坝施工和运行中防水、排水设计方案的重要依据。含水层之间或含水层与钻井之间的水力联系是构建坝址区地下水流动系统的关键环节。

扩散法和噪声测井是常用的评价含水层之间或含水层与井眼之间的水力联系的测井方法。扩散法包括: 盐扩散法、温度扩散法、同位素扩散法、中子吸收剂扩散法等。井液的TDS 与地下水 TDS 不同时，高浓度溶液的盐离子向低浓度溶液扩散，使井液电阻率随时间发生变化。例如盐化井液后，每隔一定时间测一条井液电阻率曲线，该曲线簇的宽度为含水层厚度，这一方法称为扩散法 ( 图10. 3. 2) 。通常当地下水渗透速度大于 1m/d 时，扩散法应用效果较好，渗透速度小于0. 1m/d 时，不宜采用扩散法。

图 10. 3. 1 测井曲线划分孔隙水层

图10.3.2 井液扩散法电阻率曲线ρ0为盐化前的井液电阻率曲线;ρ1～ρ6为盐化后每隔一定时间测得的井液电阻率曲线

图10.3.3为盐扩散法的实例，显示下部60～70m为一出水层，其中的水近乎水平均匀流动，上段16～21m出水层的水向下流入35m处，上、下两出水层之间无水力联系。图10.3.4为噪声测井实例，钻孔内下有套管，可以看出水由C处从管外流至A、B两处并进入水层。

(4)评价裂隙带风化程度

使用测井方法可在低孔隙度石灰岩等基岩中划分裂隙，其中常用的方法有:①声波测井，利用曲线中出现的周波跳跃现象识别裂缝;②密度测井，岩石中裂隙的存在使密度减小;③自然伽马测井，自然裂隙中铀含量高;④脉冲中子测井，中子俘获截面曲线与自然伽马曲线不重合，即表示地层含铀量增大，指示存在裂隙。另外，超声成像测井可提供裂隙带的直观图像。

图10.3.3 盐扩散法测量实例

图10.3.4 噪声测井实例

(5)识别岩溶

超声成像测井图像可明显地显示出井壁溶蚀和洞穴的位置及其规模。

(6)解释断层

对于第四系或砂泥质剖面，用视电阻率曲线配合自然电位曲线或自然伽马曲线进行对比，可以识别断层;对于碳酸盐岩和其他基岩剖面，采用自然伽马、密度曲线、视电阻率曲线或声波测井曲线，也可以判断断层。

(7)对工作地区进行区域性了解

整理工作地区所有钻井内的扩散法测量资料，可得到区域性的图件，用来了解更大面积范围的水文地质情况。

(8)其他

根据声波速度与应力的关系进行长期监测，以了解岩体发生破坏的前兆。根据横波速度与地基强度变形特性等常数的关系，在单井或双井中测定横波速度，提供地基动力性质评价的参数。

此外，可由声波速度资料估计岩体抗压强度;用声波测井资料评价地下洞室围岩的强度等。根据电阻率资料，在第四系中进一步分层，从中划分出滑动体，进行滑坡预报。用电测井、核测井等资料了解对岩石和土壤的硅化加固和防水帷幕的注浆效果等。

10.3.4.2 定量解释及应用

(1)求水量

1)涌水量测定。向钻井中注入或从中抽取少量的水，测量井中盐水与淡水交界面的移动速度，由此计算出井中进入水层或水层涌向井中的水量(图10.3.5)。此方法比繁重而费时的注水、抽水试验简单得多，因而具有实际意义。由于未形成稳定的水头漏斗，测量结果与抽水、注水结果会有所差别。这种差别在有规律的条件下，可以通过试验予以校正。实际资料表明，涌水量不大时，两者比较接近。

图10.3.5 水文测井应用实例

2)含水层间补给量的测定。当井眼穿过几个含水层时，利用扩散法可以了解它们之间的补给关系;利用井液物性界面的移动速度，可测出水的补给量。通常是在采取分隔措施后，分别测定两个含水层之间的补给量。如图10.3.6所示，井液扩散曲线根据曲线判断为两层含水层，上层补给下层。井液电阻率曲线纵向移动。不考虑其他影响时，其纵向位移速度代表孔中纵向水流速度，按下式定量计算补给量Q:

地球物理测井教程

式中:d，钻孔半径;vh，纵向水流速度。

测量时记录时间，可得每条曲线测量时间，纵向位移也可测出［图10.3.6(a)］。将每个计算点的纵向流速代入上式算出补给量Q，绘制沿井轴变化的流量曲线［图10.3.6(b)］。轴向流量曲线的斜线a、b为吸水层位置。

图10.3.6 盐化后井液纵向位移曲线(a)及轴向流量曲线(b)

(2)计算渗透率

渗透率是反映岩石透水性质的一个参数，用于计算地下水流量。

根据达西定律，渗透率等于单位水力坡度的渗透速度，即:

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式中:I为水力坡度，量纲为一;v为渗透速度。这是层流运动条件下的公式，当流速不高时，可以应用。

对于大裂隙和喀斯特溶洞水，式(10.3.2)可改写为:

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对于裂隙水和砾石中运动的水，式(10.3.2)可改写为:

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式中:m为经验参数，介于1～2之间。

也可以参考油气测井的估算方法来求渗透率。渗透率与岩石的孔隙结构有关，即与孔隙度大小和孔隙的几何形状有关。对于骨架颗粒分布较规律、较均匀的砂岩，其孔隙结构与颗粒的粒度分布关系较密切。实验分析表明，这类岩石的渗透率随粒度中值的增大而增大。

由于影响渗透率的因素很复杂，故测井提供的仅为近似结果。实践表明，测井提供的参数是现有计算方法中近似程度较好的一种。

(3)计算孔隙度

可利用前面介绍的石油测井中计算孔隙度的公式进行计算，例如计算双矿物组分岩石的孔隙度公式。

(4)了解水质

在观察井中或已知水层上，利用井液电阻率测井测量流过井眼的地下水电阻率，获得地下水等效含量。在有利条件下，利用已知水样进行对比，可进一步了解地下水成分。

为了解地下水中放射性物质含量，可用自然伽马测井，在严格的仪器标定条件下，获得含量数据。为了监视地下水水质的变化，可在观察井中进行上述两种方法的定时长期观察。

(5)预测地层压力

地层压力预测是现代钻井技术(特别是深井钻探)的组成部分。它可以大大提高钻进速度，降低钻探成本。目前常用两种方法:一是监测井眼中返出钻井液电阻率的变化情况，由于在异常压力条件下，岩石中流体的TDS(曾称矿化度)将显著变大，使正对着该岩层处的钻井液导电性也发生变化，可由返出钻井液的电阻率变异处估算其相应的异常压力处的深度。另一种是声波速度测井，在正常压力条件下，黏土的孔隙度随深度而规则地变化，声波时差曲线在半对数坐标上随深度增加呈直线减小;但是，在异常压力条件下，声波时差的线性规律将被破坏。

(6)计算岩层性质指标、强度参数、变性参数

利用声波测井可以获得岩土工程勘察所需的岩石力学、物性参数。例如，可以用声波时差计算岩石的弹性系数，包括杨氏弹性模量、体积弹性模量、切变弹性模量、泊松比、岩体完整系数、岩性风化系数、裂隙系数和不均匀系数等。