巖土工程勘察聲波測井技術

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目前，煤田測井主要是利用煤、巖層的導電性、密度、放射性、聲特性等物性差異，進行相應的方法測井。隨著數字測井技術的不斷發展提高，聲速測井已成為重要的測井方法之一。可用彈性波縱波速度劃分巖體風化帶、解釋軟弱夾層、評價巖體完整性、計算相關的動力學參數：可用彈性波橫波速度判別沙土液化，參與計算巖土抗剪強度和相關動力學參數；其他動力學參數可用于評價地層的力學強度和結構特性。這些均可為工程建筑設計提供可靠的參考依據。

1聲速測井的內涵

聲波在不同的介質(不同的巖層)中的傳播時差有明顯差異，巖石中的裂縫、溶洞以及巖石風化等會對聲波速度產生很大影響，可以通過聲速測試了解巖層物性特征。聲速測井所測的就是聲波在地層中的傳播時間。目前，聲速測井一般測量的是縱波速度，由儀器發射晶體發射的聲波耦合后在地層中傳播，經地層傳播的聲波被儀器接收晶體接收。因為發射晶體和接收晶體的間距是一定的，所測得的聲波傳播時差與傳播速度成反比。根據需要可以把傳播時差換算為聲波速度，結合其他物理參數，還可以計算出橫波速度，從而進行巖性的劃分、彈性參數的計算，為工程勘察所利用。

2理論基礎

巖石的聲速指的是聲波在巖石中的傳播速度。理論和實踐證明，巖石的聲波速度主要與密度有關，并且是隨著巖石密度的增大而增大，其主要影響因素有以下幾點：

(1)巖性。在不同巖性的巖石中，聲波傳播速度不同，這是因為不同巖性的巖石密度不同，一般純凈的石灰巖一砂巖一砂質泥巖一泥巖的密度依次減小，它們的聲波速度也依次減小。

(2)巖石結構。巖石膠結性差、疏松，聲波速度低；而巖石膠結性好、致密，則聲波速度高。巖石中的裂縫、溶洞等均會對聲波速度產生較大影響。

(3)巖石孔隙間的儲集物。巖石中孔隙問的儲集物不同，也會對巖石的聲波速度產生影響。

(4)地層埋藏深度及地質時代。地層埋藏的深淺及地層時代的新老均對聲波在地層中的傳播產生影響。巖性和地質時代相同，地層埋深大、壓力大，則聲波速度高；反之，地層埋深淺、壓力小，由聲波速度低。同一巖性，老地層比新地層聲波速度高。聲波在不同介質中的傳播速度見表1。

3應用范圍

(1)劃分鉆孔巖性。不同的巖層具有不同的聲波傳播速度，因此聲速測井可以判斷地層巖性，結合電阻率、自然伽瑪等參數，對鉆孔巖性進行劃分。

(2)確定巖層風化、氧化帶。巖石因風化、氧化，膠結程度變差，疏松甚至破碎，強度減弱，密度減小，波速減小。測得的聲波速度與新鮮完整巖石的聲波速度進行比較，波速減小量反映了巖石的疏松、破碎程度，據此可確定巖層風化、氧化帶。

(3)解釋裂隙和軟弱夾層。巖層因為有裂隙及軟弱夾層的存在，聲波傳播速度在此處降低，聲速測井曲線產生低的異常是解釋裂隙及軟弱夾層的主要依據。

(4)確定彈性參數。根據彈性力學的知識，可根據介質密度D，介質中聲波傳播的縱波速度v與橫波速度v確定介質的彈性參數：式中：E為介質的彈性模量；k為體積模量；u為切變模量；8為泊松比。聲速測井一般提供的是縱波時差△，并可換算為縱波速度v，而橫波速度v由經驗公式計算：

4應用實例

4．1劃分鉆孔巖性

我市一綜合樓AQJ1號勘察鉆孔的綜合測井成果如圖1所示，鉆探揭露的地層主要有黏土、砂質黏土、砂巖、泥巖。其中，砂巖、砂層的縱波速度較高，黏土的縱波速度較低，砂巖、砂層的視電阻率為高異常、自然伽瑪為低異常，在綜合分析解釋的基礎上，劃分了鉆孔巖性剖面，分層效果良好。

4．2確定巖層風化、氧化帶

(1)I號抽水蓄能電站ZK01號勘察鉆孔的綜合測井成果如圖2所示，所測深度內均為石英砂巖，垂深17．2m以下縱波速度平均為6200m／s，而在17．2m以上縱波速度平均僅為3300m／s。其原因即為淺部巖層風化、氧化，成為卸荷帶，波速明顯減小。

(2)Ⅱ號抽水蓄能電站SZK02號勘察鉆孔的測井成果如圖3所示，鉆探揭露的基巖是花崗巖，縱波速度曲線在46．20m以淺為較低異常(最低170Ore／s，平均在3500rids左右)，確定46．20m以淺為巖層風化、氧化帶。

4．3解釋裂隙和軟弱夾層

裂隙和軟弱夾層都是工程建筑，特別是水利工程建設中需要重點處理的地質問題。Ⅲ號抽水蓄能電站LN01號勘察鉆孔的測井成果如圖4所示。鉆孔揭露的巖層也是花崗巖，在孔深21．5O～22．0O，33．8O～34．4O，40．1O～40．90m縱波速度曲線均表現為低尖峰異常，與視電阻率曲線低尖峰異常一一對應，分析解釋為巖層裂隙，經與鉆探取心資料對比，完全吻合。當裂隙在后期充填泥質后就成為軟弱夾層，曲線反映與裂隙相似。

4．4確定彈性參數

將測井計算的巖土層力學性質與實驗室獲得的巖土層樣的力學性質進行對比，發現兩者具有一定的相關性和可比性，可作為評價巖土層強度的依據，為工程勘察參考所利用。汝陽縣前坪水庫ZK3號工程勘察鉆TLN井成果見表2。由于聲波測井是連續的(一般0．05m，精度高)，計算的彈性參數也是連續的，根據需要，可以從測井數據庫導出大于等于0．05m多種深度間隔的彈性參數數據表，非常方便。

5結語

2000年至今，先后對我市多個高層建筑的工程勘察鉆孔進行了聲速測井。在工程勘察中，巖土層的動彈模量等彈性參數反映了巖土層的相對強度，能夠為建筑設計提供一定的參考依據。聲速測井除了能夠計算各種彈性參數外，還能夠進行巖性劃分、圈定巖體氧化帶、解釋軟弱夾層等，在工程勘察中發揮了重要作用。依據聲速測井資料，結合視電阻率和密度參數，較好地劃分了風化、氧化帶，確定了新鮮基巖面位置和裂隙及軟弱夾層，劃分了鉆孔巖土層和建筑場地土的類型。實踐證明，聲速測井應用效果良好，產生了較好的經濟和社會效益。