狮子洋主航道水平勘察孔测井评价方法研究与应用

李军; 李勇; 谢小国; 王军朝; 李维; 罗兵; 莫家齐; LI Jun; LI Yong; XIE Xiaoguo; WANG Junchao; LI Wei; LUO Bing; MO Jiaqi

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1. 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东广州 510635； 2. 中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都 611734； 3. 四川省华地建设工程有限责任公司，四川成都 610081； 4. 四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，四川成都 610081

中图分类号： P634.7； P631

最近更新：2022-12-05

DOI：10.12143/j.ztgc.2022.06.003

摘要

为解决狮子洋主航道洋底深埋长隧洞精准勘探难题，在狮子洋主航道特大水垂比大位移科学钻孔（SZYSD-1S）中，采用存储式测井系统，通过获取自然伽马、电阻率、井深、井温、井斜等参数，利用测井数据交汇精准划分地层岩（土）性，结合垂直钻孔与本孔地质情况精准判识隐伏断层、划分围岩级别与风化程度、岩体渗透系数和渗透性，建立了一种用于深埋长隧道（洞）的小直径地球物理测井评价方法。SZYSD-1S孔测试结果表明，第四系与白垩系地层岩（土）性、断层破碎带的测井响应特征差异明显，岩体完整性系数为6%~82%，岩体质量为较完整-极破碎4个级别，风化程度为全风化-弱风化等4类，渗透系数为1.01×10^-7~1.18×10^-3 m/s，渗透性为弱透水-强透水，测井评价结果与实际试验结果基本一致。该方法是实现洋底深埋长隧洞精准勘察的一种必要手段，有效支撑服务粤港澳大湾区建设。

关键词

水平勘察孔; 定向钻探; 岩石质量; 渗透系数; 测井评价; 深埋长隧洞; 狮子洋

0 引言

近年来随着我国轨道交通、引水干线、输油气管线等重大建设项目的大力推进，定向钻探技术在服务重大国家项目上得到了广泛的应用^［

1］。川藏铁路沿线地形、地质及气候条件复杂，开展水平定向钻探有助于提高隧道勘察效率、真实了解隧道地质情况^{［参考文献 2-3}2-3］。城市市政管线工程建设、油气管道定向穿越勘察等领域受城市密集建（构）筑物的影响，采用非开挖定向钻技术，具有环保、高效、低成本等优点^{［参考文献 4-5}4-5］。断层、富水区、陷落柱、溶（裂）隙等地质问题严重制约着矿产资源的勘探开发与利用，采用水平定向钻探探测地质问题、超前注浆加固，有效地防治矿灾发生^{［参考文献 6-7}6-7］。页岩气、煤层气等非常规油气资源勘探开发过程中，水平井钻进技术应用广泛，取得了良好的经济效益^{［参考文献 8-9}8-9］，水平井测井技术的工艺、采集、处理、解释与评价技术也日趋成熟^{［参考文献 10-14}10-14］。但是在工程勘察领域，测井工艺、评价内容多集中于直孔勘察^{［参考文献 15-17}15-17］，对于定向钻探勘察的测井研究较少，付天池等采用水平定向钻探技术对岩溶区进行勘探，并采用存储区测井系统采集了电阻率、自然伽马、声波时差等参数，分析了钻遇地层岩性、岩溶发育规律等^{［参考文献 18

百度学术}18］。但对于定向钻探勘察的测井工艺、测井评价内容及应用鲜有研究。本文以珠江三角洲资源配置工程狮子洋主航道定向钻探勘察与科学研究试验项目^{［参考文献 19

百度学术}19］为例，结合工程地质与水文地质特征，在水利工程勘察领域首次开展了定向钻探勘察测井与评价研究，分析了钻遇地层的岩性与构造、岩体完整程度、风化程度及渗透性等地质问题，以期为后续类似项目提供借鉴与参考。

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程是国务院部署的172项节水供水重大水利工程之一，是广东省历史投资额最大、输水线路最长、受水区域最广的水资源调配工程，它对保障珠江三角洲地区城市供水安全和经济社会发展具有重要作用，同时也将对粤港澳大湾区发展推供战略支撑。因此本工程主要采用地下空间深埋盾构方式建造。

本项目穿越狮子洋国际水道段宽约2.4 km，最大水深约27 m；以东为珠江口东岸三角洲平原，沿线地表为道路和湿地公园，高程约2.4~4.5 m；以西为冲积平面，地表多为农田鱼塘，高程约0~2 m。狮子洋地区断裂构造主要为北北西向，断裂面倾角较陡，断层破碎带发育^［

20-21］；主要岩土包括人工填土、淤泥质土、砂卵石、细砂以及细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩等，岩体风化程度高，破碎、透水性强，分化差异大，这些工程地质问题易造成突泥涌水、开挖失稳等盾构风险^{［参考文献 22-23}22-23］。因此为更好地了解狮子洋水道下伏地层、构造及其岩土体性质，在狮子洋水道东岸，广龙高速以北实施水平定向勘察钻孔SZYSD-1S，钻孔基本垂直水道向西进行定向钻进，完钻孔深936.20 m，并采用存储式测井仪对该孔进行综合测井。工作区位置见图1。

图1 工作区位置

Fig.1 Location of the work area

2 定向测井工艺

油气测井领域常用的定向测井工艺包括湿接头式测井、泵出式测井、存储式测井等。湿接头式测井系统为电缆测井系统，所获数据具有精度高的特点，但其接头容易损坏、测速慢，承压能力和安全性较差都制约了其在深部测井中的应有，泵出式测井则因工艺流程较为复杂、成本高、耗时长亦主要应用在投入较大的石油钻井中，而存储式测井工艺具有操作简单、时效短、质量高等特点^［

24-25］，张钰^{［参考文献 25

百度学术}25］在井况复杂和存在井控风险的井中试验表明了存储式测井系统的优势。定向钻探工程勘察领域因其钻探工艺的差异，接头式、泵出式测井具有风险大、成本高等困难，因而存储式测井系统具有良好的应用前景。

2.1 系统组成

定向钻探工程勘察存储式测井仪器为西安瑞达物探设备有限公司生产的存储式组合测井系统（型号：RDML3CSX），该系统由井下测井仪器、地面深度采集系统、地面处理软件构成，该仪器通过电池供电。测井前地面深度采集系统与井下仪器时间同步，然后依靠钻杆将井下仪器输送到井内；测井完成后通过数据线将井下测井数据和地面深度数据读出，地面处理软件以时间为标尺，将井下测井数据和地面深度数据合并成测井曲线。该测井系统采集的测井参数包括电阻率、自然伽马、井温、井斜等参数，可根据需要增减相应测井短节。

2.2 主要技术指标

本次井下测井仪器最高工作温度125 ℃，最大工作压力80 MPa，最大工作时间100 h，仪器外径70 mm，仪器供电24~32 V，存储容量1 G，深度计量范围≤9999.99 m，深度分辨率0.01 m；测井参数精度误差为：自然伽马±5%、侧向电阻率±5%、井温±0.2 ℃、井斜角±0.3°、方位角±3°。

狮子洋定向钻探SZYSD-1S孔定向测井时间为2021年1月13日，有效测井时间为10：40至20：50，时长10 h 10 min，测井速率约为1.5 m/s。定向测井工作现场见图2。

图2 定向测井工作现场

Fig.2 Directional logging site

3 测井评价研究

3.1 地层结构与构造划分

区内出露地层主要包括上覆第四系全新世桂洲组（Q₄g）和下伏的更新世礼乐组（Q₃l）的三角洲相淤泥质土和泥质粉砂层，结构松软、强度低；下伏基岩为白垩系下统百足山组（K₁b）泥质粉砂岩为主，夹粉砂质泥岩、砂岩、泥质含砾砂岩、泥岩、钙质泥岩等，产状N20°~30°W/NE∠10°~15°，厚层-中厚层结构，较软-较硬岩。钻孔布置及揭示地层情况见图3。

图3 SZYSD-1S井水平剖面

Fig.3 Plan and cross‑section of SZYSD-1S

结合定向钻孔和已有垂直钻孔的岩心岩性，自然伽马与电阻率相结合，可有效地划分出钻遇地层的基本属性。从表1和图4可以看出，不同岩土体的测井响应特征差异明显。第四系自然伽马变化较大，有机质含量与自然伽马呈正相关；泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩等，随着泥质含量增加，自然伽马增大，同时受风化程度、含水性等影响，同一岩性电阻率差异较大，但总体的测井响应差异仍取决于岩性的差异。如图5所示，基于测井响应差异，对水平定向钻孔SZYSD-1S进行岩土体划分，共划分了8个层位4种岩土体，测井解释结果与定向钻遇地层基本吻合。

表1 典型岩土体测井响应特征值

Table 1 Logging response values of typical rocks and soils

岩土性	自然伽马（API）	电阻率/（Ω·m）
淤泥质土	118~486/260
砂卵石	127~185/145
粉砂质泥岩	125~203/155	12~82/18
泥质粉砂岩	157~269/213	9~26/15
含砾砂岩	132~298/216	13~151/26

注：最小值~最大值/平均值

图4 自然伽马与电阻率测井交汇图

Fig.4 Correlation of natural gamma and resistivity

图5 SZYSD-1S井综合测井解释成果

Fig.5 Integrated logging interpretation results of SZYSD-1S

从图3、图5中可见，ZK5钻孔36.84 m、ZK6钻孔35.50 m以下为一套含砾砂岩，与两侧的其它钻孔同一深度范围内岩性差异较大，同时SZYSD-1S孔297.4 m处电阻率从43 Ω·m陡然下降至23 Ω·m，在380.0 m处电阻率有一明显抬升界线。结合区域地质构造，推断ZK5、ZK6钻孔两侧存在断层，断层为北北东向，倾角较陡，岩体破碎，这也是297.4~380.0 m电阻率整体表现为变化较小的低值的原因之一。

总体来看，定向钻孔揭示的岩体分化差异大，且存在断层破碎带的影响，岩土体软硬不均，对后续盾构带来一定的不利影响。

3.2 岩石质量评价与分级

岩体质量评价与分级是工程勘察的基础性工作，岩体完整性（级别）包括完整（Ⅰ）、较完整（Ⅱ）、较破碎（Ⅲ）、破碎（Ⅳ）、极破碎（Ⅴ）5类，岩石风化程度包括未风化、微风化、中风化、强风化、全风化5类。目前对岩体完整性评价指标主要有RQD、岩体完整性指数K_v、岩体体积节理数J_v等^［

26-28］，其中岩体完整性指数K_v是波速测试评价岩体完整性常用指标。在缺少波速测试数据时，化希瑞等^{［参考文献 28

百度学术}28］提出了基于岩体电阻率定量表征岩体完整性指标的参数K_r：

K_{r} = \frac{R_{m a x} (R^{2} - {R_{m i n}}^{2})}{R_{m a x} (R^{2} - {R_{m i n}}^{2}) + R_{m i n} ({R_{m i n}}^{2} - R^{2})}

式中：K_r——岩体完整性系数；R_max——岩石骨架电阻率，取未风化地层电阻率最大值，Ω·m；R——岩体电阻率，取地层电阻率平均值，Ω·m；R_min——岩体中软弱介质电阻率，取地层电阻率最小值，Ω·m。

K_r、K_v均为岩体完整性指标参数，两者量化指标见表2。

表2 K_r划分岩体完整性及分级参数^{[参考文献 29

百度学术}29]

Table 2 Using K_rto divide rock mass integrity and classification parameters^{[参考文献 29

百度学术}29]

K_v/%	K_r/%	岩体完整性	围岩分级
<15	<25	极破碎	Ⅴ
15~35	25~50	破碎	Ⅳ
35~55	50~75	较破碎	Ⅲ
55~75	75~90	较完整	Ⅱ
75~100	90~100	完整	Ⅰ

根据测井结果，全井基岩的骨架电阻率R_max为151 Ω·m，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩的R_min为9 Ω·m。计算获得B-G层段不同岩性的K_r，全孔K_r为6%~82%，共划分出极破碎（Ⅴ）、破碎（Ⅳ）、较破碎（Ⅲ）、较完整（Ⅱ）4个级别的岩体质量。岩石风化程度与波速比、风化系数具有较强的相关关系^［

29］，基于K_r与K_v的相关性，根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001（2009年版））^{［参考文献 30

百度学术}30］，可获得岩石风化程度与K_r的相关关系，因此B-G层段不同岩性的风化程度包括全风化、强风化、中风化、弱风化等4类。不同岩石具有不同的电阻率，相同岩石因岩体完整性、风化程度以及富水情况也不尽相同，结合钻井井身位置及工况条件分析，SZYSD-1S井电阻率的影响因素主要包括岩体的风化程度、断层破碎带、地下水矿化度、岩石成分等影响。SZYSD-1S井岩石质量评价与分级见表3和图5。

表3 SZYSD-1S井岩石质量评价与分级表

Table 3 Evaluation and classification of rock quality of SZYSD-1S

层段	钻孔进深/m	岩性	R/(Ω·m)	K_r/%	岩体完整性	围岩分级	岩石风化程度	影响电阻率的因素
B	126.85~297.95	泥质粉砂岩、粉砂质泥岩	33	60	较破碎	Ⅲ	强风化	风化程度
C	297.95~378.75	含砾砂岩	13	6	极破碎	Ⅴ	全风化	断层破碎带、海水浸泡、风化程度
D	378.75~603.15	泥质粉砂岩、粉砂质泥岩	16	23	极破碎	Ⅴ	全风化	海水浸泡、风化程度
E	603.15~626.60	含砾砂岩	28	34	破碎	Ⅳ	强风化	风化程度为、主海水浸泡为辅
F	626.60~757.60	泥质粉砂岩、粉砂质泥岩	35	62	较破碎	Ⅲ	中风化	风化程度
G	757.60~934.00	含砾砂岩	70	82	较完整	Ⅱ	微风化	岩石成分为主、风化程度为辅

3.3 渗透系数估算

渗透系数是表征含水层特性的一个关键因素，目前主要采用压水试验、水流数值模拟、渗流试验等方式确定，这些方法精度高，但是成本高、工艺繁琐。研究表明，电阻率与渗透系数之间存在合理的转化关系，国内外学者采用电阻率分析地层渗透系数取得了较好的应用效果^［

31-34］，最常用的方法是利用Archie公式与Kozeny-Carman公式结合，建立电阻率与渗透系数的相关关系：

Archie公式：

S_{w} = {(\frac{a \cdot R_{w}}{φ^{m} \cdot R})}^{\frac{1}{n}}

（1）

式中：a——岩性系数；m——胶结指数；n——饱和度指数；S_w——岩石含水饱和度；R_w——地层水电阻率，Ω·m；R——地层电阻率，Ω·m； $φ$ ——岩石有效孔隙度，小数。

Kozeny-Carman公式：

K = \frac{δ_{w} g d^{2} φ^{3}}{180 μ {(1 - φ)}^{2}}

（2）

式中：K——渗透系数，m/s； $δ_{w}$ ——流体密度，kg/m³；g——重力加速度，m/s²；d——粒径，m； $μ$ ——运动粘滞系数，kg/（m·s）。

百足山组为饱和含水层，S_w=1。地层水电阻率（R_w）与矿化度、温度相关，谢伟民^［

35］分析工区地层水为Cl-Na型，矿化度≤21.70 g/L；根据测井资料，基岩段温度为25.6~26.4 ℃，平均为26.1 ℃；利用“NaCl溶液电阻率与其矿化度及温度的关系图版”查询^{［参考文献 35

百度学术}35］，R_w约0.3 Ω·m。由于本地区缺少百足山组地层相关测试数据，其它参数采用经验数据，a=1、m=2、

δ_{w}

=1000 kg/m³、g=9.8 m/s²、

μ

=0.0014 kg/（m·s）^{［参考文献 36-39}36-39］，根据《岩石分类和命名方案沉积岩岩石分类和命名方案》（GB/T 17412.1—1998）^{［参考文献 40

百度学术}40］，本次粉砂岩粒径取0.0001 m、含砾砂岩粒径取0.0025 m。

谢伟民^［

35］、付新喜^{［参考文献 39

百度学术}39］、洪开荣等^{［参考文献 41

百度学术}41］对狮子洋地区百足山组砂泥岩的渗透系数进行统计，渗透系数一般为3.82×10^-7~6.39×10^-4 m/s，泥质粉砂岩透水性为弱透水，砂岩透水性为中等透水—强透水。SZYSD-1S井岩体渗透系数估算及渗透性评价见表4，全井岩石孔隙度为0.04~0.25，平均为0.11；渗透系数为1.01×10^-7~1.18×10^-3 m/s，平均为1.69×10^-4 m/s，根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）^{［参考文献 42

百度学术}42］，全井渗透性为弱透水—强透水，平均为中等透水。其中粉砂质泥岩、泥质粉砂岩渗透系数为1.01×10^-7~1.00×10^-5 m/s，渗透性为弱透水-中等透水；含砾砂岩渗透系数为2.36×10^-5~1.18×10^-3 m/s，渗透性为中等透水-强透水。测井分析结果与试验分析及前人研究成果基本吻合。

表4 SZYSD-1S井岩体渗透性评估分级

Table 4 Assessment and classification of permeability of rock mass in SZYSD-1S

层段	钻孔进深/m	岩性	R/（Ω·m）	$φ$ /小数	K/（m·s^-1）	渗透性
B	126.85~297.95	泥质粉砂岩、粉砂质泥岩	9~66/33	0.09	1.37×10^-7~3.54×10^-6/4.04×10^-7	弱透水-中等透水
C	297.95~378.75	含砾砂岩	9~30/13	0.15	3.00×10^-4~2.21×10^-3/1.19×10^-3	强透水
D	378.75~603.15	泥质粉砂岩、粉砂质泥岩	9~26/16	0.14	6.05×10^-7~3.54×10^-6/1.38×10^-6	中等透水
E	603.15~626.60	含砾砂岩	15~52/28	0.10	1.25×10^-4~9.33×10^-4/3.42×10^-4	强透水
F	626.60~757.60	泥质粉砂岩、粉砂质泥岩	16~80/35	0.09	1.01×10^-7~1.34×10^-6/3.84×10^-7	弱透水-中等透水
G	757.60~934.00	含砾砂岩	13~151/70	0.07	2.36×10^-5~1.18×10^-3/7.81×10^-5	中等透水-强透水

注：最小值~最大值/平均值

4 结论

（1）综合分析对比，定向钻探工程勘察领域因其钻探工艺的差异，湿接头式、泵出式测井具有风险大、成本高等困难，因而存储式测井系统具有良好的应用前景。

（2）结合研究区地质情况，综合测井数据分析了钻遇地层岩（土）性、构造，基于电阻率参数开展了岩石完整性计算、围岩分级、岩石风化程度评价，分析了影响测井电阻率的各类因素，半定量估算了钻遇地层的渗透系数，并进行了渗透性评价。分析计算结果与钻遇地层基本吻合，有效解决了狮子洋主航道洋底深埋长隧洞精准勘探难题，为粤港澳大湾区重大工程建设提供了技术支持。

（3）通过在水利工程领域首次实践，本文系统地描述了定向（水平）工程测井系统组成与技术指标，有助于明确类似项目定向测井工法，能够满足对地层结构、构造的判识，具有原位测试研究的优点，可实现对定向钻探勘察有效的技术补充，能够为工程勘察设计、盾构施工、关键问题识别提供基本依据。

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