煤田水文地质条件探查的三维电阻率测井方法.pdf

第 5卷第 3期 华北科技学院学报 2 0 0 8年7月 煤 田水文地质条件探查 的三维 电阻率测 井方法① 李永军 彭苏萍 徐忠信 1 ．华北科技学 院安全工程 中心 ，北京 东燕郊1 0 1 6 0 1 ； 2 ．中国矿业 大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室 ， 北京1 0 0 0 8 3 3 ．北 京海博新 星地质勘查公 司，北京 1 0 0 0 8 3 摘要通过三维电阻率测井方法应用于煤田的理论及探测方案的分析， 并在淮南煤田两个岩溶陷落柱发 育区进行了探测试验， 探查距钻孔 4 5 0 m半径范围内， 7 0 01 2 0 0 m不同埋深电阻率分布情况， 查清 了研究区 深部水文地质条件， 并通过 6个地质钻孔揭露及连通抽水试验验证 了此方法的可靠性及有效性。表明该方 法在探查矿 区深部水文地质条件方面具有 明显的效果 ， 通过地质钻孔 与地面 电极 的有机结 合， 可查清深部 水 文地质特征。为深部受承压水水害威胁的煤炭资源的安全开采提供了一种很好的地球物理探测手段。 关键词 电阻率测井； 水 文地质条件 ； 深部开采 ； 岩 溶陷落柱 ； 煤 田物探 中图分类号 T D1 6 3 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 2 7 1 6 9 2 0 0 8 0 3 0 0 0 1 0 4 电测井已经被广泛地 、 定性地应用于对 比油 气开采井所钻穿的地层并提供储集层所含液体性 质的指示 。我国上世纪八 十年 代初 ， 大港 油 田钻采研究院曾经和地矿部物探研究所合作 ， 研 究用三维电测方法测定油水驱动方 向问题 ， 作 了 3 0 0多 口井的测试研究工作 ， 都取得 了很好 的效 果 ， 其准确性为 1 0 0 ％。本世纪初 ， 中国地质大学 又利用新的仪器扩大测试面积 ， 试验用三维成像 技术探测剩余油的分布 问题 ， 也取得 了较好 的效 果 ， 颇受生产单位重视 。该方法在石油勘探实践 中日趋成熟 | 4 J 。然 而， 此种方法 在探查煤 田水 文地质条件方面尚未见到相关报道 。 油 田探测油气分布 ， 在三维 电阻率探测成果 中主要表现为电阻率高阻区。而煤 田深部地质体 的赋水及导水情况则对煤炭资源的安全开采至关 重要 ， 煤 田赋水 区主要表 现为低 电阻率区。则利 用三维电阻率测井方法 ， 通过深部钻孔与地面相 结合的方法， 成为查清煤田深部水文地质条件的 一 种探测手段 ， 以保障深部煤炭资源的安全开采。 同时 ， 此方法在油田的成功应用 为它在煤矿地质 勘探中的推广应用提供 了前提。为此 ， 2 0 0 5年 6 月至 1 2月我们在安徽淮南煤 田针对煤 田岩溶 陷 落柱的深部水文地质条件进行了探测试验研究。 1 探测原理 在煤田试验是利用裸 眼井进行 的 ， 通过绝缘 导线将电极送到井下不 同的深度作为供 电电极 ， 通过绝缘导线井下供 电极 ， 地面测量 点按放射状 布置测量电极。其工作原理如图 1 所示。 图 1 野外工作布置原理 图 其原理 可用一个 简单 的二维 观测剖面来说 明， 假定有一观测 剖面 ， 地下通过 导线往地下 电 极供 电 ， 该电源在地表就形 成一 电场 ， 通过仪 器 就可沿测线测量出 电场 的变化 ， 如 图 2， 假定 实 测 曲线如图 2中的 A线 。将所要测 的地 质剖面 网格化如图 2 ， 将地层分 成 了许 多小方块 ， 每 网 格可根据 电测 资料所测 得 的地层 电阻率 R 放 到相应的网格上 ， 将该 网格赋予 了电性的特征 ， 因为往地 下所 供给 的 电流 是 已知 的， 已知地 层 ①收稿 13期 2 0 0 8 - 0 5 - 2 6 。项 目基金 国家“ 9 7 3 ” 项 目 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 9 ， 煤炭资源与安全 开采国家重点 实验室开放课题项 目 2 0 0 7 一 O 5 ， 华北科技学院博士基金项 目 2 0 0 7 0 1 资助。 ②作者简介 李永 军 1 9 7 5一， 男 ， 山西永济人 ， 博士 ， 华北科技学院安全 工程 中心讲师 ， 主要 从事水文 地质及矿 井水害 防治方面 的研究。 1 维普资讯 第5卷第 3期 华北科技学院学报 2 0 0 8年 7月 的电阻率 和 电流 强度 ， 即可计算 出在 地表 的理 论 电场曲线 如图 2中的 B线 ， 这条 曲线 B就是 正演计算 的结果。 理论 R 。 A 见澳 1 『 ’ R ， 电 图 2 网格化 示意图 地 由于假设 的电阻率参数和实际地下的电阻率 参数是有差别的， 所 以理论 曲线 B和实测 曲线 A 是不一致的。再根据实测 曲线 A值通过反演计 算， 计算地层相应网格处的电阻率 r ， 理论假设值 和实际值就出现的偏差 ， 使反演计算得 到的 r 值 和原来假设 的 R 。 不一致 ， 为此我们对假设 值 R ． 要进行修改， 修改之后再进行正演计算。这样正 演 、 反演无数次反复计算和修改 ， 直到满足误差范 围为止 ， 说 明假设 的剖面 和实际 的地层 剖面一 致了。 2 淮南 煤 田陷落柱 发 育 区深 部 水 文地 质 条件探测试验 岩溶陷落柱是影响煤矿安全生产的地质 因素 之一 ， 岩溶陷落柱 中的溶隙较之其他的岩石中的 孔隙， 裂隙要大得 多， 渗水容易 ， 容易形成所谓 的 喀斯特水 ， 这种水的显著特点 水量大 ， 水压高， 来 势猛 ， 涌水量稳定 ， 不易疏干 ， 是矿井充水的水源 之一 。对煤矿的生产安全构成了严重 的威胁 ， 尤其喀斯特化岩层厚度 巨大时 ， 如华北的奥陶纪 灰岩水 ， 华南的长兴组及茅 口组灰岩水 多是造成 矿井重大水 患的水 源 6 。淮南煤 田深部存 在高 承压奥灰及寒灰含水层水 ， 若 陷落柱导通灰岩含 水层 ， 则对深部各煤层 的安全开采造成极大的威 胁。所 以， 查清 陷落柱 深部 水 文地质 条件 意 义 重 大 。 2 2 ． 1 研究区地质概况 研究 区位于淮南复 向斜 中部 ， 陈桥背斜的南 翼 、 谢桥向斜的北翼。总体上呈一走 向近东西 、 向 南倾 斜 的单 斜构 造。地 层倾 角 一般 1 0 。～1 5 。 。 矿区为全隐蔽区， 根据钻探揭露的地层 ， 自老而新 地层有 寒武系， 主要 由灰岩组成 ， 系地 台型浅海 相沉积 ， 总厚度达 1 4 0 0 m。奥陶系中下统马家沟 组， 为浅灰、 棕灰 、 浅肉红色灰岩、 白云岩和白云质灰 岩组成， 揭露情况看 ， 其总厚为6 9 ． 4 3～ 1 5 3 ． 1 m。石 炭系 ， 主要 由 1 3层灰岩与泥岩 、 细砂岩相间组成 ， 平均 1 0 3 ． 3 8 m。二迭 系， 由下统 山西 组 、 下石盒 子组 、 上统 上石 盒子组 、 石 千 峰组 组成 ， 总厚 约 8 9 7 m。三迭系 ， 最大厚度 3 9 6 ． 1 9 m， 为一套红色 地层 。第三系， 下部为“ 红层”， 厚 0～ 5 2 ． 0 4 m， 平 均 6 ． 6 4 m。由紫红 色、 灰 白色 大 小不 等岩块 及 砂 、 砾岩混杂组成。第 四系 ， 由松散层组 成 ， 厚约 40 0 m 。 2 ． 2 探测试验方案 本次试验的目的主要是选定 已知地质条件的 裸眼井检验这种方法的有效性 和可靠性 ， 探测陷 落柱的深部水文地质条件 。为此 ， 在 两个 陷落柱 中部的正常地段施工一个 1 2 0 0 m深的地质钻孔 ， 通过三维电阻率测井试验 ， 探测两个 陷落柱及探 测研究 区深部的赋水情况 。 探测井深 1 2 0 0 m， 套管下到 7 0 0 m到太原组 灰岩顶界面， 供电电极 自7 0 0 m开始测量 ， 每5 0 m 深测量一次， 从 7 0 0 m到 1 2 0 0 m， 共设计 了十一个 深度 ， 地面测线共 l 8个方 向， 相 间 2 0 。 ， 每方 向测 8个点 ， 点距 5 0 m。测试布置及陷落柱与测量范 围关系如下 图 3 、 图 4所示。 图 3电阻率测 井示意图 维普资讯 第 3期 李永军等 煤田水文地质条件探查的j维电阻牢测井疗法 图 4 野外测量地面布置 图 试验装备主要由课题组成员研制 ， 矿 区施工 ， 干扰因素很多 ， 因此对仪器 的抗干扰能力就要求 很高 ， 为了提高仪器灵敏度和抗干扰能力， 我们引 进 了近代通讯技术 中的 C D M A 即码分 多址 技 术。仪器分为发射和接收两部分 ， 发射系统形成 一 个编码信号送 到地下 ， 在接收端将此编码信号 与接收信号进行相关即可得到反映地下地质特征 的过渡 函数 ， 利用这原理 ， 使接受 的信号 ， 只与编 码信号有关， 无关的信号就被滤出了， 从而提高了 仪器的抗干扰能力 。资料解释主要是利用 当今信 息技术 中普遍采用 的计算机模拟技术 ， 这方法分 三步进行 ， 即正演 、 反演和拟合。 2 ． 3探测试验成果分析 通过井下不 同深度供电电极供 电， 地面放射 状测量 电极接收， 探测不同深度岩体视电阻率 ， 通 过正演 、 反演及拟合计 算出不 同深度岩体的电阻 率值 。计算出各地层岩体的电阻率分布如下图 5 所示 a b c d 图 5不同地层 电阻率分布图 a 太灰 中上部层位 埋 深 7 7 1 I n ； b 奥灰顶 部层 位 坶深 8 4 0 n c 寒灰上部层位 埋深 9 2 0 I n ； d 寒灰张夏组层位 埋深 l 1 5 0 。 如果把低阻区看成含水区的显示 ， 从 1 1 幅视 电阻率分布图中可以看出在井的东南部都有低阻 区存在 ， 当供电极在 1 1 0 0 1 1 1以上时 ， 其 电阻率的 分布形态基本一致 ， 但 当电极 放在 1 1 0 0 m 以下 时， 低 阻区往南 部 方 向扩大。从钻 井报 告 中有 “ 奥 、 寒灰岩在 1 0 5 3 ． 2 7米冲洗液全漏” 的记载也 说明了这点 。 从电阻率分布 图看 ， 在太灰中上部陷落柱部 位的电阻率相对较大 ， 说明陷落柱附近太灰层位 的富水性相对不大 ， 奥灰底部层位 ， 低电阻率区域 相对扩大 ， 说明奥灰层位已相对太灰富水 ， 在寒灰 上部层位 ， 低电阻率区域在陷落柱部位较为明显 ， 说明陷落柱深部 已富水 ， 至张夏组灰岩时， 2 陷落 柱延伸方向 ， 1 与 2 陷落柱深部的中间部位 ， 低电 阻率范围明显增大 ， 说明 1 陷落柱与 2 陷落柱底 部很可能是连通的 ， 且极为富水 。 由探测结果可得 出以下结论 陷落柱基底 的 发育层位决不会在奥灰地层 ， 而是位于寒灰地层 ； 陷落柱在垂直方 向上的富水性不一 ， 下部较 上部 富水 ； 1 与 2 陷落柱在深部有连通的趋势。 陷落柱研究区深部奥灰 、 寒灰 6个深钻联通 抽水试验表明 沿 1 陷落柱 陷落柱方向奥灰 、 寒灰存在一强导水带 。且钻孔揭露情况表明 ， 寒 灰地层发育的岩溶洞穴的规模及数量都较奥灰及 太灰要大和多 ， 与本次探测结果相一致 。 3 结论 与建议 通过本次试验研究 ， 乏维 电阻率测井方法在 矿区深部水文地质条件方 面具有 明显的效果 ， 通 过地质钻孑 L 与地面 电极的有机结合 ， 查清深部水 文地质特征 ， 对解决我 国深部受承压水水害威胁 维普资讯 第 5 卷第 3期 华北科技学院学报 2 0 0 8年 7月 的煤炭资源的安全开采提供 了一种很好的地球物 理探测手段。 这次试验应该说是很成功 的， 取得 的数据 十 分宝贵 ， 对取得的资料 ， 还需要进行深人的分析和 研究 ， 以提高对该方法的有效性和可靠性的认识。 三维电阻率测井的这种方法应用于煤 田物探还值 得进一步深人研究 ， 为此建议 1 进一步进行多孔的面积测量试验 ， 并和地 震资料进行综合分析解 释， 利用各方法的优势互 补， 提高方法解决实际问题的能力。 2 因为这仪器有很强的抗干扰能力 ， 在每完 成一 口井封井时， 可 以通过导线埋下一个 电极在 下面 ， 在开采前 ， 通过测量建立一个 电场模型 ， 在 开采时， 每隔一定时期 ， 测量一次 ， 从 电场的变化 ， 可以监控水源的变化 ， 对矿 区的安全开采提供有 益的信息。 参考 文献 『 1 ] 张庚骥．电 阻率测 井在确 定 某些储 层 特性 中 的作用[ J ] ．测井技术， 2 0 0 7 ， 3 1 3 1 9 7 - 2 0 2 [ 2 ] 杨志军， 于艳红， 孙以德， 等．薄层电阻率测井 技术的推广应用[ J ] ． 内蒙古石油化工， 2 0 0 6 ， 3 1 5 1 1 5 2 [ 3 ] 高杰， 刘福平， 包德洲， 等．过套管电阻率测井 方 法研 究 [ J ] 测 井技 术， 2 0 0 7，3 1 3 22 9- 23 2 [ 4 ] 胡秀杰， 万新德．过套管电阻率测井 C H F R 在剩余油综合挖潜中的应用[ J ] ． 大庆石 油地 质 与开发 ， 2 0 0 6， 2 5 4 1 0 4 1 0 6 [ 5 ] 张光德 ， 李栋臣， 胡斌， 等．矿井水灾防治．江 苏徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 2 1 ． 1 6 [ 6 ] 周治安， 杨为民．山西岩溶陷落柱的岩体力学 背景[ J ] ．煤炭学报 ， 1 9 9 9， 2 4 4 3 4 1 3 4 4 3 - di me n s i o n Re s i s t i v i t y Lo g M e t h o d o f M i n e Hy dr o g e o l o g i c Co nd i tio n Ex pl o r a tio n L I Y o n g j u n 一 ， P E N G S u p i n g ， XU Z h o n g x i n 1 ．N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Y a n j i a o B e i j i n g - E a s t 1 0 1 6 0 1 ； 2． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Co a l Re s o ur c e s a n d S a f e M i ni n g，Ch i n a Uni v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o gy，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ； 3 ．B e i j i n g H a i b o x i n x i n g C o m p a n y o f G e o l o g i c E x p l o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 A b s t r a c t B y a n al y z i n g t h e o r y a n d e x p l o r a t i o n p r o g r a m o f 3 - D r e s i s t i v i ty l o g m e t h o d a p p l n g i n mi n e s ， e x p l o r a t i o n t e s t s a r e o p e 卜 a t e d i n t wo k a r s t c o l l a p s e c o l u mn d e v e l o p me n t a l z o n e s i n Hu a i n a n mi n e ， a n d e l e c t ri c al r e s i s t i v i ty d i s t r i b u t i o n i s e x p l o r e d i n p l a n e s c a l e o f 4 5 0 m r a d i u s t o b o r e a n d v e r t i c al s c ale o f 7 0 01 2 0 0 m b u ri al d e p t h o f s t r a t u m ，S O d e e p h y d r o g c o l o g i e c o n d i t i o n i s k n o w n ． 6 g e o l o g i c b o r e s d a t a a n d c o n n e c t e d p u mp i n g t e s t h a s v e ri fi e d t h e r e l i a b i l i t y a n d v ali d i ty o f t h i s me tho d ．I t i s s h o wn t h a t 3- D r e s i s t i v i t y l o g me t h o d h a s o b v i o u s e f f e c t o n d e e p h y d r o g e o l o gi e c o n d i t i o n e x p l o r a t i o n i n m i n e s ，a n d d e e p h y d r o g e o l o gi c c h a r a c t e 1“8 c a n b e c l e a r l y r e v e al e d b y c o m b i n i n g g e o l o gi c b o r e w i t h gr o u n d p o l e s ， w h i c h p r o v i d e a e ff e c t i v e g e o p h y s i c al e x p l o r a t i o n m e a s u r e f o r s a f e t y e x p l o i t a t i o n o f c o al r e s o u r c e s u n d e r t h r e a t o f wa t e r h a z a r d s c o mi n g f r o m d e e p c o r i ft n e d a a u i f e r ． Ke y wo r d s r e s i s t i v i t y l o g ； h y d r o g e o l o gi e c o n d i t i o n ； d e e p e x p l o i t a t i o n ； K a r s t c o a p s e c o l u m n c o a l fi e l d g e o p h y s i c al e x p l o r a t i o n 4 维普资讯