浅议利用物探测井方法判定含水层

薛念周

摘 要：在简单地质条件下，使用视电阻率、密度、自然伽玛和自然电位等常规曲线即可判定含水层；在复杂地质条件下，可对钻孔冲孔后使用扩散法，或根据含水层分带性的特点，使用微电极系测井法来判定含水层。并在实际应用中取得良好效果。

关键词：物探测井；判定含水层；测井法

1 含水层概念

含水层通常是指富含相当数量的水并能使水流动的含水岩层，是饱含水的透水层。在煤田地质勘探中，需要探明矿区水文地质条件。查明含水层位、分布、埋深、厚度、岩性等因素是确定含水层水文地质参数，预计井筒涌水量等后续工作的基础。在实际水文地质勘查工作中，一般利用钻孔泥浆消耗量、岩芯及岩性组合、测井曲线对含水层进行解释。

根据含水层的结构特点可分为三种类型：一是孔隙性含水层（如砂层、砂砾层、输送砂岩等）；二是裂隙性含水层（脆性岩层的破碎带、裂隙带）；三是溶洞性含水层（灰岩喀斯特地区）。在煤田地质勘探中，我们通常遇到的是第一种，文章主要讲述孔隙性含水层。

首先我们要了解孔隙性含水层的岩性及物性特征，这样才能准确的进行划分。

（1）孔隙性含水层的岩性多为碎屑沉积岩（如砂层、砂砾岩、胶结疏松的砂岩等）。其泥质含量少，孔隙度高，含水量大，渗透性强。特别应注意的是含水层在钻孔中具有分带现象，这是非渗透性岩层所没有的。当钻孔穿过含水层时，由于泥浆泵的影响，泥浆压力大于地层水压力，泥浆溶液即向含水层渗透，而泥浆微粒（泥质颗粒）被含水层过滤而析出，在含水层的井壁上形成泥饼。如果泥浆泵压力较大，渗透较深，可形成如图1所示的泥饼、冲洗带、过渡带和未侵入带四个分带。如果压力不够大，渗透不深，则形成泥饼、过渡带和未侵入带，缺失冲洗带。图1中hmc为泥饼厚度，泥饼由泥浆微粒组成；dxo为冲洗带直径，冲洗带中含水层的孔隙完全由泥浆溶液充填；di为过渡带直径，过渡带中含水层的孔隙由泥浆溶液和地层水的混合液体充填；Δri为侵入带深度。Δri越大，渗透得越深。

（2）孔隙性含水层的物性特征由其岩性决定。视电阻率曲线和密度曲线幅值一般比泥岩、粘土等泥质岩层要高，比致密砂岩、胶结紧密的砂岩以及灰岩等岩层要低。这类含水层的电阻率，在岩性相同時，主要取决于地层水的矿化度。矿化度越高，含水层电阻率越低。由于这类含水层泥质含量低，因此在自然伽玛曲线上呈低幅值反映。当泥浆溶液和地层水矿化度有差异时，离子会发生扩散或扩散吸附产生自然电位。当地层水矿化度高于泥浆溶液矿化度时，在含水层上自然电位曲线呈现负异常；反之，则自然电位曲线呈现正异常。根据上述物性特征即可划分含水层。见图2。

2 物探测井方法简介

在地质条件较简单，物性特征差异明显的地区，应用以上曲线特征即可有效地划分含水层。但是在地质条件复杂，物性差异不大，又没有掌握地质——地球物理特性时，上述方法不一定有效。因此，可利用含水层渗透能力的特点和具有分带的现象，来划分含水层。

2.1 扩散法

当钻探终孔之后，经过冲孔、洗刷井壁，将含水层的泥饼冲刷掉，使地层水不断地流入钻孔。先把井液盐化（使其浓度大于地层水的浓度），由于地层水不断流入钻孔，以及离子的扩散，一段时间以后，在含水层处的井液盐浓度将逐渐减小，这样就引起井液电阻率的变化。利用这个特点划分含水层的方法叫做扩散法。

扩散法就是在不同的时间对井液进行电阻率测量。应用扩散法需要具备两个条件：（1）必须事先冲孔，将井壁上的泥饼全部冲刷掉；（2）把泥浆全部换成盐化后的清水。

井液电阻率ρc和井液的盐浓度成反比。浓度越大，电阻率越低；浓度越小，电阻率越高。随着时间的推移，在含水层井段的井液盐浓度不断地在减小，电阻率则不断地变高。根据这个原理，利用井液电阻率探管，在不同时间（t0、t1、t2…）分别测量井液电阻率（ρc）的曲线，就可以划分出含水层。见图3。

2.2 微电极系法

当泥浆溶液矿化度高于地层水时，则冲洗带电阻率ρxo低于过渡带电阻率ρi，更低于未侵入带的含水层电阻率ρ，即ρxo<ρi<ρ；当泥浆溶液矿化度低于地层水时，则即ρxo>ρi>ρ。一般来说泥浆溶液矿化度是高于地层水的，也就是说，含水层上泥饼电阻率ρmc总是小于ρxo或ρi的。无论哪一种情况，含水层上的电阻率存在着分带性这个特性，利用这个特性，也能有效地划分含水层。微电极系测井法能够测得含水层上泥饼和侵入带（冲洗带和过渡带的通称）的电阻率，所以微电极系测井法是划分含水层的有效方法。

使用微电极系探管可以测量微梯度电极系及微电位电极系电阻率。其中微梯度电极系电阻率ρWT主要反映较浅的泥饼的电阻率，微电位电极系电阻率ρWW主要反映较深的侵入带地层电阻率。当泥浆溶液矿化度高于地层水时，ρWW>ρWT，这种情况我们称为正差异。一般情况下，渗透性越好，泥饼越厚，正差异就越大。当正差异大于20%时，则可认为该地层为渗透层，可以判断为含水层。见图4。

微电极系测井在各种岩层上有不同的显示。

（1）渗透性岩层（如含水层）

渗透性好的地层孔隙性良好，而且孔隙的连通性也好。如砂层、胶结差的纯砂岩等都具有这种特点。它们都存在分带现象。在这些岩层上常附有1-3cm厚的泥饼，正差异明显。

（2）非渗透性岩层

泥岩层：当泥岩段上受泥浆的强烈冲洗时，井径会变大，因此探管的绝缘垫板不能接触井壁，所以微电位与微梯度测得的都是泥浆的电阻率，差异为零。当井壁被冲洗不太深时，由于ρWW反映泥岩电阻率，ρWT反映泥浆电阻率，则有可能出现正差异。此时，可参考自然电位及自然伽玛曲线进行综合解释，即可准确判断泥岩层。

砂质泥岩段上，泥浆冲洗使得井壁不光滑，探管的绝缘垫板不能时刻与井壁保持紧密接触，于是电流会沿着泥浆柱分流，导致曲线呈锯齿状，差异有正有负且呈交叉状。

致密岩层：这些岩层电阻率高或很高，由于其井壁不平，所以在曲线上呈幅度较大的、正负差异交叉的锯齿状反映。

解释实例见图5。

3 结束语

实践证明，利用物探测井方法是可以准确判定含水层位的，地质条件简单时，可利用测井曲线中的自然伽玛、自然电位和视电阻率相结合的方法对含水层进行解释；地质条件复杂时，可利用扩散法或微电极系测井法对含水层进行解释。相比传统水文探测方法，测井方法具有明显的优势，首先是便捷，其次是经济。因此，在地质勘探中可以大力推广应用。

参考文献

[1]葛亮涛，叶贵均，高洪烈.中国煤田水文地质学[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

[2]尉中良，邹长春.地球物理测井[M].北京：地质出版社，2005.