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硬巖層區(qū)工程地球物理測(cè)井簡(jiǎn)要技術(shù)及應(yīng)用楊坤彪,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(jī)場(chǎng)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,一、工程地球物理測(cè)井主要方法及其物理基礎(chǔ)（一）巖石強(qiáng)度分析1巖石強(qiáng)度參量2巖石強(qiáng)度動(dòng)態(tài)測(cè)定的物理基礎(chǔ)3地球物理測(cè)井確定彈性模量的關(guān)系式（二）評(píng)價(jià)巖石均一性和穩(wěn)定性1均一性評(píng)價(jià)2穩(wěn)定性評(píng)價(jià)二工程測(cè)井的主要方法技術(shù)措施(一)密度測(cè)井(二)聲速測(cè)井主要技術(shù)要求三彈性模量計(jì)算程序四、實(shí)例,一、工程地球物理測(cè)井主要方法及其物理基礎(chǔ)主要介紹利用測(cè)井資料進(jìn)行巖石強(qiáng)度分析的物理基礎(chǔ)，和測(cè)井工作中應(yīng)進(jìn)行的刻度、井徑校正、誤點(diǎn)剔除等主要方法技術(shù)措施。并列舉實(shí)例介紹測(cè)井資料的運(yùn)用，進(jìn)行工程地質(zhì)評(píng)價(jià)的基本方法。,在工程地質(zhì)勘察工作中，應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)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(jìn)行巖石強(qiáng)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。,（一）巖石強(qiáng)度分析,1巖石強(qiáng)度參量巖石強(qiáng)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(lái)表征?？梢酝ㄟ^(guò)應(yīng)用地球物理方法測(cè)定巖石自然狀態(tài)下原位原體的描述巖石強(qiáng)度的彈性參量。,2巖石強(qiáng)度動(dòng)態(tài)測(cè)定的物理基礎(chǔ)由巖石力學(xué)可知：固態(tài)物體的強(qiáng)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(duì)強(qiáng)度，是由彈性模量來(lái)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。,（1）楊氏模量E當(dāng)力F作用于彈性體長(zhǎng)度L方向，其截面為S，伸長(zhǎng)△L時(shí)，縱向應(yīng)力比相對(duì)彈性伸長(zhǎng)，稱為楊氏模量，以E表示。,,（2）體積模量K當(dāng)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(shí)，應(yīng)力比體積相對(duì)變化，稱為體積模量，以K表示。,,（3）切變模量G當(dāng)切力Ft作用于與作用平行的面積（S）切變角為φ時(shí)，切變力比相對(duì)切變角的正切，稱為切變模量，以G表示。,,（4）泊松比μ當(dāng)彈性體在軸向應(yīng)力的拉伸下，產(chǎn)生縱向伸長(zhǎng)的同時(shí)，會(huì)形成橫向壓縮，其橫向相對(duì)壓縮與其相對(duì)伸長(zhǎng)之比，稱為泊松比，以μ表示。,,,,各彈性模量之間的關(guān)系式為：只要得出任意兩個(gè)模量，就可求得其余兩個(gè)模量。,,,,3地球物理測(cè)井確定彈性模量的關(guān)系式介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在不同介質(zhì)中所作的彈性振動(dòng)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(cè)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(cè)井手段不同，而用不同的關(guān)系式。,（1）具備并采用三維速度測(cè)井和密度測(cè)井時(shí)，可利用測(cè)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：,,,,,,,,,,（2）只采用密度和聲速縱波時(shí)，可采用經(jīng)驗(yàn)近似公式，或取縱、橫波速比估算橫波時(shí)差，再按上述關(guān)系式計(jì)算彈性模量。根據(jù)地質(zhì)情況選取經(jīng)驗(yàn)式如下：其中A=2.125B=45.3248C=-167.312取VP/VS=1.5時(shí)則稱強(qiáng)度指數(shù),以ED表示。根據(jù)巖芯波速測(cè)定資料,,,,,,（二）評(píng)價(jià)巖石均一性和穩(wěn)定性,1均一性評(píng)價(jià)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(guò)觀測(cè)的縱波速度和在完整巖中傳播的縱波速度來(lái)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。,,根據(jù)完整系數(shù)KW按下列數(shù)值范圍進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)：,,2穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(lái)描述。,（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(lái)評(píng)價(jià)。裂隙系數(shù)定義為完整巖縱波速與觀測(cè)巖石縱波速的平方差對(duì)于完整巖縱波速平方的比值：根據(jù)裂隙系數(shù),可對(duì)裂隙狀況分五級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)：,,（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(huì)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(lái)描述,它定義為新鮮巖縱波速VP新與觀測(cè)經(jīng)風(fēng)化巖的縱波速VP風(fēng)之差對(duì)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(jìn)行評(píng)價(jià)：,,二工程測(cè)井的主要方法技術(shù)措施,（一）密度測(cè)井1密度測(cè)井的刻度（1）標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)密度值分別為ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，刻度觀測(cè)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。,（2）現(xiàn)場(chǎng)刻度取一點(diǎn)源，改變點(diǎn)源至探管記錄點(diǎn)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(duì)應(yīng)的密度值ρ1，和ρ2，以此作為現(xiàn)場(chǎng)刻度已知密度。同樣讀數(shù)得出回歸系數(shù)A′、B′作為測(cè)井求測(cè)點(diǎn)i的密度值ρi的刻度系數(shù)。則ρi=A′lnJi+B′,2井徑校正r－r（密度）測(cè)井記錄的散射伽瑪射線的強(qiáng)度，取決于探測(cè)范圍內(nèi)介質(zhì)的平均密度。包括探測(cè)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(qiáng)度比例大；而源距過(guò)大鄰層影響增大。因而要配合井徑測(cè)井進(jìn)行井徑校正。,井徑校正步驟如下：(1)令刻度井的孔徑為φ標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，其刻度系數(shù)為a0、b0。(2)在不同井徑同種巖石的實(shí)驗(yàn)井群中觀測(cè)，設(shè)井徑分別為φa、φb、φC、…,觀測(cè)讀數(shù)為Ja、Jb、Jc…。都按系數(shù)a0、b0計(jì)算密度值,得ρa(bǔ)、ρb、ρc…(3)由于井徑φi與確定系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)井徑φ標(biāo)不同,存在一個(gè)密度差Δρi,可以根據(jù)計(jì)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。,,,,3現(xiàn)場(chǎng)巖芯樣對(duì)比與校正取適量的鉆孔巖芯,采用高精度密度儀測(cè)定密度,作為已知值與測(cè)井計(jì)算值對(duì)比。設(shè)井深mi處的巖芯密度為ρi，該深度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為Ji，按系數(shù)a0、b0計(jì)算的密度為ρJi、當(dāng)ρi與ρJi對(duì)比超差時(shí),按式ρi=alnJi+b求出新的回歸系數(shù)a、b再計(jì)算密度值。,(二)聲速測(cè)井主要技術(shù)要求,指按規(guī)范和各類儀器說(shuō)明書(shū)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(shí)測(cè)的密度ρ、縱波速VP（或時(shí)差ΔtP）、橫波速VS（或時(shí)差ΔtS）計(jì)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(bǔ)償）儀，以便補(bǔ)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(shí)，應(yīng)考慮與分析有關(guān)影響因素（源間距、周期跳躍、探測(cè)范圍等），采取相應(yīng)的必要措施。,2采用單發(fā)雙收聲速儀測(cè)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(cè)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(diǎn)。,3進(jìn)行必要的巖芯樣波速測(cè)定。通常取作密度測(cè)試的巖芯，同時(shí)測(cè)定縱波與橫波速度。,三彈性模量計(jì)算程序,四、實(shí)例,以大冶鐵礦某礦體補(bǔ)勘六各工程水文孔中的兩個(gè)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(cè)井，密度與自然伽瑪組合測(cè)井，鐵礦地段發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)加上磁化率測(cè)井，以此劃分和校驗(yàn)井剖面；采用密度和聲速測(cè)井、配合井徑測(cè)井進(jìn)行巖石強(qiáng)度分析。,劃分和校驗(yàn)井剖面本區(qū)地層主要為大理巖、閃長(zhǎng)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：,巖石強(qiáng)度分析按前述方法校正、預(yù)處理之后,計(jì)算各采樣點(diǎn)的彈性模量。分別按巖性和按強(qiáng)度（E模量）大小分層，算出各層的平均值,為了評(píng)價(jià)勘察區(qū)各巖層的強(qiáng)度，可將所有觀測(cè)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：,巖石均一性和穩(wěn)定性分析,取所測(cè)定的完整巖樣的縱波速度為VP完值，計(jì)算完整系數(shù)KW，和裂隙系數(shù)LS，按數(shù)值劃分等級(jí)。將各級(jí)所占井段長(zhǎng)度與各等級(jí)總控制長(zhǎng)度相比，求出各等級(jí)占控制井段的百分?jǐn)?shù)，從而取得對(duì)全區(qū)巖石均一性客觀了解的概念。經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)的結(jié)果列于下表：,同樣可根據(jù)密度測(cè)井資料,按巖性統(tǒng)計(jì)各巖層的密度值，經(jīng)刻度和井徑校正之后,統(tǒng)計(jì)得出的巖石密度值,由小至大列于下表：其中經(jīng)統(tǒng)計(jì)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)。,實(shí)踐證明,工程地球物理測(cè)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(yàn)井剖面,彌補(bǔ)鉆進(jìn)采取率不足,可能漏失地質(zhì)層的缺陷。同時(shí)地球物理測(cè)井，是對(duì)井壁原位原體的自然狀態(tài)下的地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)的，因此,取芯采集不到無(wú)法進(jìn)行材料力學(xué)試驗(yàn)的軟弱、破碎地段,只有通過(guò)地球物理測(cè)井才能有效配合地質(zhì)勘察工作。,JGSB-1輕便工程測(cè)井系統(tǒng),輕便絞車,JGSB-1輕便工程測(cè)井系統(tǒng),特點(diǎn):1交直流供電(直流供電時(shí)使用12V電瓶)10AH電瓶連續(xù)使用時(shí)間>4小時(shí)2輕便地面儀器:≤3Kg絞車(包括310米電纜):≤25Kg3探管長(zhǎng)度:≤1.6m重量:≤3Kg4探管直徑Φ40mm(聲波探管Φ50mm)5多參數(shù)測(cè)井,功能和JGS系列相當(dāng),主要技術(shù)指標(biāo),數(shù)據(jù)傳輸波特率：9600Bit/S12位A/D轉(zhuǎn)換，測(cè)程-10V～+10V，精度：4.88mV脈沖記數(shù)通道頻率范圍：0.1Hz～2.5MHz井下供電電源：DC24V/0.5A，電壓調(diào)整率1%，紋波<0.5%電測(cè)供電電流：1mA～500mA8檔可選。連續(xù)一次采集深度≤300米采樣間隔：2cm～10m任意可選深度顯示范圍：0～999.99米深度誤差：≤0.4‰工作溫度：0～60℃濕度：25℃時(shí)95%工作電源：AC220V10%，50Hz10%DC12V/10AH以上電瓶功耗：<10W,測(cè)井參數(shù),井徑聲波密度(帶自然γ,三側(cè)向電阻率)井溫流體電阻率井斜角，井斜方位角電位電阻率、梯度電阻率（標(biāo)配1米電極系）自然電位,,,