流量测井技术在水文地质勘探中的应用.doc

-流量测井技术在水文地质勘探中的应用流量测井是以分析井内流体在不同深度上流量的变化为基础，从而了解井内流体流动状态的一种测井方法，是目前确定含水层位置、厚度、层数及分层流量和渗透性能的最有效方法。摘要：本文简介井中纵向水流的基本规律和藏量测井曲线及其重要性质；举倒说明该测井方法在水文地质勘察中的应用情况；并探讨其在水文地质工程勘察中的应用前景。关键词：流量测井 井中纵向水流 含水层静止水位 混合动水位1、序言流量测井作为矿井水文地质勘探的新技术在我国八十年代初开始使用。它以混合流理论为基础，动用流量测井仪，在钻孔抽(注)水条件下，通过测量钻孔不同截面上的水流流速及流量分析计算含水层的位置、厚度、渗透系数、导水系数等水文地质参数；确定在天然状态各含水层通过钻孔的相互补给关系及补给量大小和抽(注)水状态下各含水层的水动力学状态；天然状态下各含水层静止水位和抽(注)水状态下的动水位。对于一个揭露多个含水层的钻孔，利用流量测井技术只要进行一次抽水试验可以求取各含水层水文地质参数，因此大大缩短了勘探周期，也响应地减少了勘探费用。与传统的分层抽水方法相比，它一次测量钻孔全深，不仅节省大量人力、物力，而且还可得到许多分层抽水无法得到的含水层之间的水动力学特征。凡有纵向水流存在的钻孔，都可以应用该方法查明水文地质有关问题。该技术已在煤田地质、水电水利工程等领域得到了广泛的应用。2、井中纵向水流的基本规律实际上.在抽水、注水中，以及各含水层静止水位不同时，钻孔中普遍存在纵向水流。其流量在不同深度的变化，与所揭露的含水层和隔水层的层位、层数、厚度以及各含水层和隔水层的流量、水力状态(涌水或吸水)、渗透性能及其均匀性有关。井中纵向水流的基本规律可从以下两个方面来说。2.1 纵向水流通过井中一横截面在井中任一深度上取一垂直于井轴的横截面a，通过此截面a的纵向水流有以下几种情况。2.1.1 截面a以下有多少个含水层(1)若截面 a以下所有含水层(1n 层)均呈涌水状态时，则这些含水层涌出的水都将通过截面a向上流。相当于对截面a以下各含水层进行混合抽水。(2)若截面a以下所有含水层(1n层)均呈吸水状态时，则这些含水层的吸水量都将通过截面a向下流。相当于对截面a以下的各含水层进行混合注水。(3)若截面a以下的含水层，其中一部分呈涌水状态，而另一部分则呈吸水状态。这一类可有以下三种情况：第一种情况是涌水量总和大于吸水量总和。此时，有与两者差额相当的水量通过截面a向上流，相当于对截面a以下各含水层、段进行混合抽水，而混合动水位尚未降低到所有含水层的静止水位以下时的情形。第二种情况是涌水量总和小于吸水量总和。此时，有与两者差额相当的水量通过截面a向下流，相当于对截面a以下各含水层、段进行混合注水，而混合动水位尚未抬高到所有含水层的静止水位以上时的情形。第三种情况是吸水量总和等于涌水量总和。亦即井中混合水位等于截面a以下各层含水层的混合静止水位时，则没有纵向水流通过截面a。2.1.2 截面a以下只有一个含水层(1)该含水层的涌水量或吸水量通过截面a向上流或向下时.相当于对该层进行单层抽水或注水。(2)当该含水层的静止水位等于井中混合水位时，该层既不吸水也不漏水。就是说，没有纵向水流通过截面a。2.1.3 截面a以下没有含水层此时没有纵向水流通过截面a。2.2 纵向水流通过井中两横截面间在井中不同深度垂直于井轴取截面a和截面b，此两截面间含水层和隔水层的纵向水流流量有如下规律(1)通过横截面a和b的纵向水流流量之差，必等于两截面问所有含水层流量的代数和(设其问涌水量为正，吸水量为负)。(2)如截面间只有一个含水层i，则通过截面a和b的纵向水流流量之差，等于含水层i的流量。即Qa-Qb=Qi如水流方向是从b到a(设b在下，a在上)，则Qi为正值时，i为涌水层；反之，Qi为负值时，i为吸水层。(3)如两截面在同一含水层中，通过此两截面的纵向水流流量之差，等于此截面问那部分含水层的流量。(4)如两截面在同一隔水层中，通过此两截面的纵向水流流量之差等于零。3 、Q=(h)曲线及其基本性质以钻孔的深度为纵坐标(设向下为正)，与以通过钻孔不同深度横截面的纵向水流流量Q为横坐标所构成的曲线为流量测井曲线Q=f(h)。该曲线除有上述基本规律的结论外，尚有如下重要性质 3.1 曲线斜率与含水层水动力状态关系Q=(h)曲线上每一点的切线斜率，与其所对应的含水层的水动力状态之间，具有如下关系；(1)斜率为负值的线段所对应的岩层为涌水层；(2)斜率为正值的线段所对应的岩层为吸水层；(3)斜率为零的线段所对应的岩层为隔水层；(4)斜率小于零与斜率大于零线段之间必连结斜率为零的线段 亦即涌水层与吸水层之间，必介以隔水层。3.2 曲线拐点坐标与含水层厚度和流量关系斜率m0的线段上下两端点c及b的纵坐标等于该含水层的顶、底板；该两点纵坐标之差等于该含水层的厚度；横坐标之差等于该含水层的流量。即hc-hb=MQc-Qb=Q 3.3 曲线斜率与含水层渗透性能关系Q=(h)曲线上每一点的切线的斜率与其所对应的含水层的渗透性能存在如下关系：(1)在同一含水层中，曲线上每一点的切线斜率的绝对值|m|与其所对应的该深度的含水层的渗透系数K成正比。即|m|= CK 式中C为比例常数。(2)井中纵向流速不很大时.同一含水层中，K为常数时，亦即m为常数。即在均质含水层中Q=(h)曲线为一斜率不等于零的直线。(3)当K为一连续变数时，即在渗透系数逐渐变化的含水层中，Q=(h)曲线为一斜率连续变化的曲线。(4)当K为非连续变数时.即在具有层状结构的非均质含水层中Q=(h)曲线为一折线。3.4 曲线形态与井中水动力状态的关系Q=(h)曲线的形态随井的水动力状态的不同而异，类型甚多。4、应用实例以内蒙古农乃庙煤田鲁新煤矿水文补勘8-9号孔为例。该孔流量测井的目的是：划分各个含水层的位置及其深度、厚度；测定各分层涌水量；计算各含水层水文地质参数。4.1 钻孔结构该孔孔深465.00m，0.00m100.09m钻孔直径320mm，用219mm套管止水，套管外环状间隙用水泥浆全固管；100.00m465.00 m，孔径145 mm 为裸孔。4.2 地层该孔所穿过地层有煤系基底侏罗系布拉根哈达组，含煤地层为大磨拐河组，煤系上覆地层为新近系第四系。各层间均为不整合接触。4.3施测方法4.3.1 仪器设备本次测流使用的仪器为上海地质仪器厂生产的JWL-1型涡轮式流量仪一套及2000型绞车一台。4.3.2 施测范围本次流量测井范围为套管底口至终孔(孔深100.00m465 m)。4.3.3施测方法采用连续测量方法，在稳定流抽水状态下，让探管在孔内连续匀速运动，测得相应的流速曲线。每一降深沿下行及上行方向各测一条曲线。采用绞车控制探管速度，恒速15m/min。在自然状态下作一次静态测流；抽水过程中，每一降深水位稳定时作相应的动态测流。测点的距离一般选择为2m，在流量发生变化时加密到0.5m。该孔混合静止水位为2.77m。测井情况，抽水前先测了天然状态下的流量曲线，即静水曲线，未见异常，表明无相互补给现象。三次降深的动水位由大到小取点：第一点为5.39m；第二点为6.85m；第三点为6.90m。每点降深和水量都稳定4小时后开始测量，无论上测或下测都做重复测量，幅值差为12mm，相对误差为1.5%。各出水层反映明显.曲线特征一致，资料可靠。另外还测了井径曲线。井径曲线，孔深100.00 465.00m段平均井径为150mm。4.4 分层水量计算分层水量据井径情况分两段计算：(1)孔深100.00m以下段，孔径为150mm。分层水量Q计算采用下式(管道流式)：Q=KVS(e/h) 式中 V一纵向水流速度(m/h)；s一钻孔横截面积(u)； K一流量探头的涡轮系数，即与钻孔孔径相应的标定曲线N=KV-b的斜率。根据井径曲线求出对应段的横截面积s。由各次降深流量曲线中分别量出各个含水层顶底板幅值或转数.对下测曲线尚需减去电缆下降速度的幅值或转数，即为纯水流速度的幅值或转数。再由速度和转速或幅值关系曲线上查出相应的水速。最后，把水速乘以圆面积S即得流量Q。其顶板流量与底板流量之差值即为该含水层的流量。4.4.1 流量成果 绘制流量测井曲线以孔内流量为横坐标，钻孔深度为纵坐标，作自然状态下静态及抽水过程中动态每一落程稳定时的流量测井曲线，并将常规测井曲线绘入图中。 4.4.2 划分含水层根据流量测井曲线性质和解释方法，即可划分出钻孔试验段内发育有多少含水段，以及各含水段的厚度、深度。5、效果评价实践表明，流量测井方法在水文地质勘察中具有如下作用：(1)在钻孔抽、注水的条件下，可准确得含水层，隔水层的层位、厚度，水量和渗透系数等资料。比单纯的分层抽水只能得到抽水段的一个水量和渗透系数等参数的平均值，比现有各种水文测井只能取得含水层概略的定性资料，有了质的改善。显然，在水文地质勘察中，辅以流量测井，可以提高水文地质的工作质量。(2)对间距小的多含水层层位确定，既直观，又可靠。(3)对抽水孔的完整程度能直接得到反映，为水文地质计算提供依据。(4)可以查明套管漏水位置、漏水水量，检查止水效果。(5)通过流量测井技术，一次混合抽水试验可以确定多个含水层的水文地质参数，提高了工作效率，节约了勘探资金。以本次抽水为例，要获得钻孔89号孔三个含水层的水文地质参数，常规抽水需要进行三次抽水试验。一般一次抽水试验，从抽水开始到稳定水位结束持续时间多在7天左右。仅抽水抽