人工井液电阻率测井在煤田水文地质勘查中的应用_王海军.pdf

第 45 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.5 2017 年 10 月 COAL GEOLOGY National Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG2013XAYQN002 作者简介 王海军1985，男，陕西榆林人，助理研究员，从事煤田地质勘探工作. E-mail wanghaijun10000 引用格式 王海军. 人工井液电阻率测井在煤田水文地质勘查中的应用[J]. 煤田地质与勘探，2017，455155–160. WANG Haijun. Application of artificial drilling fluid resistivity well logging in hydrogeological exploration of coalfield[J]. Coal Geology 2. Department of Geology 3. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, China Abstract In order to obtain accurate hydrogeological parameters, to provide reliable data for prevention and control of mine water, mine water inflow calculation and uation of groundwater, based on the artificial well fluid resistivity well logging results of hydrological borehole in coal geological exploration, combined with the data of fine drilling core de- scription, pumping test, the conventional geophysical well logging data and so on, related data were analyzed compre- hensively. The results showed that technology of artificial drilling fluid resistivity well logging has obvious advantages in dividing the nature of the aquifer and aquiclude, determining the position of the aquifer, analyzing the recharge relation- ship between the aquifers, checking the borehole water effect, calculating borehole cross section flow of each aquifer, uating the quality parameters of groundwater, researching the flow direction and velocity of groundwater, monitoring the high of fractured zone in productive mine. So, through comprehensive analysis of the related data, maximum use of hydrogeological exploration ination was achieved, the quality of exploration results was improved so as to better serve mine design, construction and mine production, ensuring safe mining. Keywords artificial drilling fluid resistivity; check the water sealing results; recharge relationship; division of aquifer and aquiclude; coal geological exploration 矿床开采破坏了地下水原始赋存状态并产生 了裂隙，使大气降水、地表水及地下各含水层之间 发生水力联系， 各种水沿着裂隙渗入井下采掘空间 形成矿井水。在矿井建设和生产过程中，地表水和 ChaoXing 156 煤田地质与勘探 第 45 卷 地下水通过各种通道涌入矿井， 当矿井涌水量超过 正常排水能力时，就造成矿井水害；若能对矿井涌 水及时控制并加以利用，在消除安全隐患的同时， 还能为矿井带来可观的经济效益， 因此识别煤层顶 底板含隔水层性质、确定含隔水层的位置、评价含 水层的富水性以及评价含水层水质特征是矿井安 全生产、矿井防治水工作和合理利用地下水的基 础。 在勘探阶段查明含水层的水文地质参数显得尤 为重要。 笔者以人工井液电阻率测井成果为基础，利用 地质钻探、简易水文观测、岩心精细描述、抽水试 验、常规测井以及水质测试分析等资料，进行含水 层定量化研究。以便更清晰地认识含水层的水文地 质特征，获得更准确的含水层水文地质参数，为矿 井防治水、探放水、涌水量计算和供水水源水质评 价以及地下水利用方向等提供参数。 1 人工井液电阻率测井原理 井液电阻率测井是用来测量不同时间和不同深 度钻孔的横、纵向上井液电阻率的变化，进而解释 相关的流体及储存参数[1]。按照人工干预的方式解 决水文地质问题的井液电阻率测井方法可划分为 无人工干预的自然井液电阻率法和有人工干预的人 工井液电阻率两种类型。 前者主要应用于定性分析 如岩性剖面、含隔水层的划分等，而后者的应用范 围则更广。 人工井液电阻率法主要是人工将盐NaCl、 NH4HCO3等通过各种方法投入到钻孔之中，进行 人工盐化，使钻孔中的盐溶液与含水层中的地下水 之间产生明显的质量浓度差。在地下水的自然渗透 作用和盐溶液质量浓度差的扩散作用下，盐化后随 着时间的推移，钻孔内外离子质量浓度逐渐趋于平 衡，测量在质量浓度平衡过程中井液电阻率值随时 间的变化规律，从而达到对地下水流速、流量监控 的目的。根据这种变化确定含水层的位置[2-3]、了解 含水层之间的补给关系、反应含水层富水性、计算 钻孔各层含水层涌水量、吸水量[2,4-6]，以及跟踪监 测地下水污染物的迁移[7]、矿化的变化等[8-10]。 2 人工井液电阻率测井在煤田水文地质勘探中 的应用 2.1 划分含隔水层 当 2 个含水层之间静水位标高不同时，二者之 间就存在流体势。钻孔沟通 2 个含水层后，在流体 势的作用下就存在含水层内部的层流和含水层之间 的轴向流，由此形成了横向扩散、纵向扩散以及横 纵向扩散 3 种曲线类型。此时，可采用扩散法进行 含水层定性分析，能够确定上部含水层的顶界面和 下部含水层的底界面。但是上部含水层的底界面、 下部含水层的顶界面以及中间含水层的顶底界面则 需要结合常规测井以及地质编录等综合判定。 在纵向补给条件下，中间每一层含水层首先通 过加密测量来追踪淡化界面的移动，之后通过计算 钻孔截面上沿着流向方向上的变化确定含水层的界 面。图 1 为陕北侏罗纪煤田榆横矿区某勘查区钻孔 测井曲线①属于横纵向扩散型曲线，存在 2 个含 水层。②上部含水层的顶界面深度为 582.00 m，下 部含水层的底界面深度为 646.00 m。③ρ1曲线无明 显的起伏，从 ρ2开始幅值出现明显的变化，但是总 体曲线起伏幅度较小，说明该含水层的富水性弱。 ④结合常规测井曲线特征划出了 2 个含水层和 1 个 隔水层图 1。 图 1 陕北侏罗纪煤田榆横矿区钻孔含隔水层位置划分图 Fig.1 Division of the location of aquifer and aquiclude in Jurassic coalfield inYuheng mine area in northern Shaanxi 2.2 确定含水层之间的补给关系 在利用扩散法曲线确定准确的含水层顶底界面 位置后，进而可根据扩散曲线迁移变化特征分析含 水层之间的补给关系。 ChaoXing 第 5 期 王海军 人工井液电阻率测井在煤田水文地质勘查中的应用 157 图 2 为老挝某盆地某矿区，该钻孔存在 3 个含 水层，属于纵向扩散型，各含水层具有不同的静止 水位，在流体势作用下产生纵向补给，下部水头高 于上部水头，下部补给上部；在短时间内扩散曲线 由下部的 155 m 上移动至 128.50 m，上部含水层的 顶界面和下部含水层的底界面清楚，说明静水位较 高的含水层的富水性较强，纵向补给量较大。 图 2 老挝某矿区含水层之间的补给关系图 Fig.2 Recharge relationship between the aquifers of a mining area in Laos 2.3 检查止水效果 在煤田水文地质勘探中，抽水试验是获取准确 的含水层水文地质参数的关键技术，而止水效果的 好坏直接影响整个抽水试验的工程质量。传统的止 水效果检查方法主要为水位差观测法，但存在耗时 长、过程复杂、假象多，且不能实现随时检查的问 题， 而井液电阻率测井却可以很好地解决这一问题。 人工井液电阻率测井有扩散法、注入法、提 捞法和淡化法等， 采用何种方法检查止水效果最佳， 需根据检查对象和钻孔的水文地质条件来综合确 定。 当止水与抽水试验段的地下水位存在水头差时， 则采用扩散法检查；当地下水矿化度比较高，可采 取注入淡化法检查；当无水头差时，则采用注入法 检查；当止水试验富水性弱或怀疑存在微弱的漏水 时，可以采用提捞法。 老挝某盆地某矿区为了完成煤层底板的抽水试 验，在 110.50113.00 m 段采用钻孔变径、套管缠绕 止水胶带的方法止水。以往资料表明抽水目的层煤 层底板和封堵含水层煤层顶板及以上之间存在静 止水位差，且煤层底板水头较高。在抽水试验过程 中水文地质人员怀疑止水质量不合格，并采用了扩 散法检查止水效果。结果见图 3，从 ρ1开始扩散曲 线就出现了明显的横向扩散， 而 ρ4ρ6横向扩散逐渐 减弱， 且开始出现纵向向上迁移现象， 说明止水效果 不合格，存在漏水点。位置在 110.80113.50 m，该 位置与止水段相吻合。为评价漏水量对抽水试验的 影响，可利用下述方法计算漏水点的漏水量，具体 计算不再赘述。 图 3 老挝某矿区人工井液电阻率法测井检查止水效果 Fig.3 Check of water-stopping effect by artificial drilling fluid resistivity logging of a mining area in Laos 2.4 计算钻孔的截面流量 在对含水层定性分析的基础上，通过计算钻孔 截面流量进而对含水层特征进行定量分析。该方法 的原理是根据盐化后钻孔质量浓度界面在孔内移动 的水动力学原理，分析在钻孔轴向上纵向水动力 条件下利用人工井液电阻率曲线随着时间的变化特 征，确定钻孔含隔水层位置、计算各含水层的涌水 量、吸水量。现以陕北侏罗纪煤田某矿区的水文钻 孔白垩系洛河组砂岩含水层人工井液电阻率测量结 ChaoXing 158 煤田地质与勘探 第 45 卷 果表 1为例详细说明其计算过程。 a. 确定基线 假设钻孔盐化均匀不存在质量浓度差，因此， 不存在纵向上的质量浓度扩散作用。在曲线簇的中 间位置绘制一条平行于钻孔深度的计算线。 22 / π/4π/4 vht QDvDht    1 式中 D为该段钻孔的直径， 可以根据井径测井结果 取相应段钻孔直径的平均值，m；v为扩散界面在纵 向上的迁移速度，m/min；Δh为扩散界面在纵向上 的迁移距离，m；Δt为扩散界面在纵向上的迁移距 离Δh段所消耗的时间，min。 因此，可以计算出相邻2个界面的流速v与流 量Q，即vfh和Qφh。 b. 划分含水层与隔水层的类型 在计算出流量、流速与钻孔深度的关系后，可 根据各段流量的变化判别含水层与隔水层的性质。 在含水层中，由于地层的涌水或吸水作用导致 孔内液面的移动，在流量曲线上反应为流量的增加 或减小。在Qφh曲线上显示为不平行于h轴的区 段就是含水层段， 如图4和表1中的45.00159.17 m， 167.16274.04 m和295.66352.00 m 3个含水层层 段，表1中计算的涌水量为正值或负值。而在隔水 层中，由于不存在地层与钻孔之间的扩散，因此， 通过钻孔的流量不变，在Qφh曲线上显示为平行 于h轴的直线段，如图4中的159.17167.16 m和 274.04295.66 m两个隔水层段，在表1中表现为计 算的涌水量、吸水量为0。但要注意当其水位与混 合水位相等时，只有采取适当的措施如改变孔内水 位才能识别出隔水层。 c. 确定含水层顶、底界面的位置 顶部含水层的顶界面和底部含水层的底部界面 可以根据顶部井液的质量浓度不会淡化或淡化微 弱，底部界面不能下移也不会淡化的特征，该特征 在扩散曲线簇中显示明显。因此，判断顶界面深度 为45 m，底部的底界面深度为350 m图4。 顶部含水层底界面，在上部含水层处于涌水状 态、下部含水层处于吸水状态，没有向上排泄时，孔 内地下水只能沿纵向向下运动。当被盐化后涌水层中 的淡水进入该区使其淡化，而盐分由于水头压力差作 用使其向下移动，因此，涌水层中的电阻率曲线呈含 水层被非均匀淡化的形态，往往显示为顶部淡化快而 底部淡化慢的形态，具体位置需要结合常规测井、地 质钻探岩心描述等资料综合确定，在此不再赘述。 底部含水层吸水层顶部界面的确定原理与上部 涌水含水层底部位置确定的原理相同。 中间含水层顶、底界面确定，首先，可以通过 Qφh曲线上计算上部含水层底板隔水层断面流量 和下部含水层顶板隔水层断面流量间的差值，来判 定是否存在中间的涌水层、吸水层；之后，根据上 述顶底界面判别的原理进行划定。如图4和表1所 示，根据计算点3、4和7、8交点，结合岩性、常 规测井， 确定深度167.16 m和274.04 m处为含水层 的顶、底板位置。 图 4 陕北侏罗纪煤田某矿区扩散法测井钻孔截面流量 计算图 Fig.4 Diffusion well log and section flow calculation of borehole in Jurassic coal mining area in northern Shaanxi d. 计算含水层的吸水量和涌水量 沿着水流方向断面流量的增大或减少， 涌水流量 增加为正、 吸水流量减少为负； 任意深度处的断面流 量为该深度以下所有含水层涌水和吸水量的代数和， 任意两个断面的流量差为对应深度断面间所有含水 层涌水和吸水量的代数和； 任一含水层顶板和底板隔 水层中断面流量差， 是该含水层实际的涌水量或吸水 量，如表1所示，该钻孔在顶部、中部和底部发育3 层含水层，其中顶部的含水层为涌水层，流量为 0.002 8 m3/min，中部和底部含水层为吸水层，流量 分别为–0.001 8 m3/min和0.001 0 m3/min。 e. 评价含水层的非均质性 由于不同位置上含水层的渗透性不一致性， 导致 ChaoXing 第5期 王海军 人工井液电阻率测井在煤田水文地质勘查中的应用 159 在不同位置上单位厚度含水层的涌水量和吸水量的 差异性，在Qφh曲线表现为对应h轴斜率的差异 性。每一个近似直线斜率段可认为是一个均质层段， 而Qφh曲线为折线段则含水层为非均质层段。 由于孔径变化不大，可以视为常数，由Qφh 曲线可以计算出各段对应的斜率f1，f2，f3，⋯，fn， 则各段的渗透率与斜率呈正相关性，即 K1︰K2︰⋯︰Knf1︰f2 ︰⋯ fn 表 1 钻孔扩散法测井计算成果表 Table 1 Calculation results of diffusion logging 通过钻孔抽水试验可以获得整个含水层的总渗 透率K，总斜率f可以通过 Qφh计算出的各段斜 率矢量之和获得。 因此， 存在K1 K f1/f；K2K f2/f； ⋯； KnK fn/f，抽水试验结果K0.567 m/d，由图4可以 获得f10.29、f20、f30.11、f40、f50.36，矢量和 为f0.09。计算出K11.48、K20、K30.693、K40、 K52.268。隔水层对应的渗透率为0，而3层含水层 的渗透率具有较强的非均值性，其中底部含水层的 渗透率最大，顶部次之而中部最差。 2.5 确定导水裂隙带的高度 利用人工井液电阻率法判定裂隙带的高度，其 原理是对比先后几次扩散曲线的变化特征，当导水 裂隙带波及含水层时，该段在测井曲线上势必会产 生横向扩散或者纵向补给的加速吸收，在曲线上形 成明显的变化。 2.6 研究地下水的径流方向及流速 通过井内投放示踪剂在观测井监测井液电阻率 变化来分析含水层之间的连通性、地下水径流方向 以及计算出地下水的流速，从而为地下水流场分析 提供资料。 2.7 评价地下水水质参数 针对勘探区内地下水，对未来矿井生产、生活 用水具有供水意义的含水层需要进行水质评价，而 地下水的矿化度作为水质评价最为关键的指标之 一。通过测量人工井液电阻率ρ0的值，可以计算出 地下水含水层矿化度在纵向上的变化剖面，结合钻 孔抽水试验采集的水样室内化验测试分析结果，综 合评价勘探区内地下含水层的水质特征，指明未来 矿井供水水源及地下水用途。 3 结 论 a. 利用人工井液电阻率测井技术结合抽水试 验成果、常规测井曲线等进行综合分析，可以确定 含水层位置、含水层之间的补给关系、进而计算各 含水层的补给量、确定导水裂隙带高度，以及实时 检查止水试验效果和研究地下水径流并计算径流速 ChaoXing 160 煤田地质与勘探 第45卷 度，从而为矿井防治水、矿井涌水量计算提供可靠 的水文地质参数。 b. 该技术可为煤矿区地下水资源评价、 地下水利 用方向、供水水源等提供数据，在监测矿区地下水污 染物的迁移及变化规律等方面也具有一定应用前景。 c. 通过对各资料的综合分析，充分挖掘人工井 液电阻率测井曲线的信息，提高了勘查成果的利用 率，实现了勘探信息利用的最大化，拓展了地球物 理测井技术的应用领域，尤其是水文孔扩散法测井 的应用前景。 参考文献 [1] 郭崇光， 李振拴， 赵莹， 等． 水文地球物理测井方法与应用[M]． 北 京煤炭工业出版社，2006． [2] 郭崇光. 岩溶水勘探中测井资料的综合应用[J]．华北地质矿 产杂志，1994，93317–322． GUO Chongguang. 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