井下常用物探方法

Ⅰ 煤礦井下探水的方法有哪些

煤礦井下探水一般採用專用鑽機，打開鑽孔，測定水壓、水量、成分等。
採掘工作面遇有下列情況之一時，應立即停止施工，確定探水線，實施超前探放水，經確認無水害威脅後，方可施工：
（一）接近水淹或可能積水的井巷、老空或相鄰煤礦時。
（二）接近含水層、導水斷層、溶洞和導水陷落柱時。
（三）打開隔離煤柱放水時。
（四）接近可能與河流、湖泊、水庫、蓄水池、水井等相通的導水通道時。
（五）接近有出水可能的鑽孔時。
（六）接近水文地質條件不清的區域時。
（七）接近有積水的灌漿區時。
（八）接近其他可能突（透）水的區段時。

Ⅱ 採煤工作面水害條件探查

在工作面回採巷道形成後，應進行工作面水文地質條件探查，查明工作面底板灰岩含水層富水性，探查導水裂隙帶的存在及分布情況，煤層底板隔水層厚度，L_1-3灰岩或奧陶系灰岩水導升高度等，從而為工作面防治水提供依據。

工作面水文地質條件探查採用鑽探和井下音頻電透視、井下直流電法等物探方法進行。工作程序是，首先進行井下音頻電透視或井下直流電法物探，確定工作面導水斷層或導水裂隙帶的存在及分布，L_5-6灰岩含水層的富水性情況；利用鑽探對物探方法確定的薄弱帶、富水段進行驗證，同時確定煤層底板隔水層厚度、L_1-3灰岩和奧陶系灰岩水導升高度。

（一）井下物探手段

1.井下音頻電透視

音頻電透視方法是在上回風巷、下順槽施工，探測工作面內部煤層底板下0～50m層段含水層中富水性異常的分布范圍、走向及其富水性的相對強弱等情況，探查隔水層裂隙發育帶及其分布規律，為綜合分析煤層底板隔水層性能提供依據。

2.直流電法探測

採用礦井高分辨電測深技術在工作面的上回風巷、下順槽施工，探測底板下80m深度范圍內含水性異常的分布位置與深度，分析含水層的富水特徵。

上述兩種井下探測手段是礦井開采中較為常用的方法，且探測方法相對簡單。

首先在西翼采區22121工作面和東翼采區21091工作面進行井下音頻電透視和直流電法探測，研究超化煤礦特定物性條件下不同物探方法的適用性及其解釋規律，並推廣應用於其他工作面。

（二）煤層底板隔水層隔水性能的探查及評價

深部煤層開采將受到下伏奧陶系灰岩承壓含水層的底板突水威脅，因此煤層底板隔水層的隔水性能的探查及評價是帶壓開采研究的主要內容之一。主要包括以下內容：

1）奧陶系灰岩水原始導升高度和富水性的探查與研究。

2）煤底板原位地應力測試。

3）煤層底板薄層灰岩水入侵動態監測及水情預報。

（三）二₁煤下伏灰岩水的原始導升高度和富水性探測

據統計，華北型煤田在灰岩含水層頂部富集地段，煤層底板岩層底部都存在著不同程度的導升現象。灰岩水沿煤層底板隔水層裂隙的侵入，既降低底板隔水層的有效厚度，又在裂隙中積蓄了致裂的能量，產生裂隙尖端應力異常，在礦壓作用下導致裂隙擴展。因此，探查導升高度對突水評價具有重要意義。

探測導升高度較為有效的方法就是電法，另外，該法還可以探測灰岩的深度。這項工作開展之前應由水文地質技術人員作出設計，探測結果，也應由水文地質技術人員參與確定導升高度和煤層隔水層的有效厚度，並對工作面的水文地質條件進行簡單的評價。

電法探測一般是沿工作面的上下巷布置，具體採用直流電法還是音頻電透視法，應由水文地質技術人員確定。由於超化煤礦西翼采區突水系數較大，理論上對於每個工作面都應進行該項工作。

（四）底板原位地應力普查與監測

原位地應力的測量對底板突水評價非常重要，底板岩體的應力大小是底板破裂的主要原因，是評價底板阻水性能的重要數據。應力主要的構成因素有：岩性，構造地應力（包括新構造應力和殘余構造地應力），水壓派生地應力和采礦派生地應力。

地應力的測量方法主要有水壓致裂法、套芯法、套筒法和彈性波法等，其中水壓致裂法和套芯法工藝復雜，井下實施困難，彈性波法受岩體物理性質參數影響很大，精度較差。這樣，套筒法就成了礦井原位地應力測量行之有效的方法。

原位地應力測量分采前未受擾動底板地應力測量和開采過程中擾動地應力測量兩個階段，采前測到的地應力為靜態地應力（初始應力），在反演求參和正演模擬中作為初應力應用。采動過程中測得的地應力為動態地應力，作反演求參的擬合對象和判別采礦底板破壞深度的依據，根據岩石力學參數和初始地應力就可以用電演算法計算地應力場和底板破壞情況。這種方法的優點是可直接得到岩體的強度和破壞深度，缺點是沒有考慮水壓的作用，測點和測試時間短，對水的動態無法監測。

原位地應力測量將分兩個階段進行，第一階段為原位地應力普查階段，第二階段為地應力監測階段，各階段探測的意義和工程布置如下：

原位地應力普查：本規劃所涉及的塊段地質構造相對簡單，局部有斷層發育。通過原位地應力普查，了解采前底板的原位地應力場，為底板阻水性評價提供依據。

擬分別安排在西翼采區的22101和23051工作面內進行原位地應力普查。測試工作在兩個鑽孔中進行，總進尺約70m。測試將分采前和采動過程中兩次進行，第一次測試應在距切眼60m以外的鑽孔內完成，第二次測試應在距工作面10～30m范圍內的鑽孔內進行。每次測試應在同一工作班內完成，以減少工作面推進對應力產生的影響。每個岩性分層中都必須布置測點，對於較厚的岩層，每3m應設置一個測點。孔深6～15m范圍內，每1m布置一個測點，以較多的觀測數據來判定采礦對底板的破壞深度。每次測試的數據處理應在現場完成，以便發現問題及時補救。

具體的操作方法和施工要求將另行設計。

（五）底板突水條件監測預警

1）監測目的：通過對薄層灰岩岩溶水和底板地應力的動態變化監測，預測底板水情，確定底板岩體力學參數、導升裂隙發育高度和采動底板破壞深度，為採煤工作面的水文地質評價提供依據。

2）監測內容：水壓，水溫，應力，應變。

3）監測方法：在采礦過程中，由於煤層底板的應力場和滲流場均會發生變化，承壓水的入侵高度也將向上發展，產生遞進導升現象，以致造成底板突水。因此，底板突水伴有岩體應力變化，水壓、水溫變化，水量增加等一系列徵兆。這些徵兆就是突水預測預報的依據。通過感測器可把這些徵兆轉變成電磁信號，然後再將電磁信號轉換成地質信息。根據這些信息就可了解水情的變化，實現動態監測。

突水前兆監測系統由主控台（總站）、數據採集器（分站）和感測器組成。總站設在地面調度室或地測科，分站設在工作面的風巷或機巷內，感測器置於鑽孔內。

4）預測方法：將原位測試得到的靜態地應力作為初應力，監測的地應力增量作擬合的目標值，反求岩體力學參數和滲透系數。再用這些參數正演模擬開采過程，實現煤層底板突水條件的預警，並將正演結果以模擬圖形的形式輸出，實現可視化監測。

根據以往的力學計算，對於超化煤礦底板的厚度，監測范圍宜在采前和采後各60m的區段內進行。

底板突水檢測技術曾在淮北礦務局、皖北礦務局、澄合礦務局、韓城礦務局、肥城礦務局和臨城礦務局應用過，取得了很好的效果。其中，在韓城礦務局馬溝渠煤礦成功地預報了一次突水；淮北礦務局楊庄煤礦的檢測避免了工作面疏干降壓或底板加固工程。

該方法的優點是：①具有可視化功能。地面檢測中心（總站）可以用圖形的形式在屏幕上顯示出監測到的各種曲線和底板剖面應力場、滲流場動態等值線和底板的變形與破壞狀態。②具有預測功能。以原位測試得到的原始應力為初應力，利用有限元方法模擬開采，並計算出應力場、位移場和滲流場的動態值。以實現40～60m的超前預測，並以圖形顯示。③具有實時性特點。各種監測的物理量都可以在現場及時處理並顯示出結果。

缺點是：無法測到原位地應力，電算時初始應力值需借用原位地應力測試值或用理論值。

本項工作與底板原位地應力普查同步進行可相互補充，預測效果更佳，擬先在西翼采區的22101和東翼采區的23051工作面內進行，最終的工作面將根據生產情況由生產單位和科研單位確定。測試工作面需要兩個鑽孔，總進尺約70m，監測位置將根據工作面的情況而定。監測方法可推廣應用於後續工作面，監測之前應進行設計，詳細方法和措施將在設計中說明。

（六）礦井防突水保障信息系統

煤礦防治水是一項經常性、綜合性的系統工程，需要對多種信息進行及時准確的分析、計算，繪制所需圖、表，僅靠人力通過傳統的數據管理方法，不能滿足礦井防治水快速、及時、准確的要求。應盡快建立和完善礦井防突水保障信息系統，包括地測信息系統（已建立）、煤層底板阻水性能綜合評價體系、水化學快速判別系統。

1.煤層底板阻水性能綜合評價體系

煤層底板隔水層的阻水性能是決定防治水策略的重要因素，是帶壓開採的基礎，建立煤層底板阻水性能綜合評價體系，才能正確評價隔水層的阻水性能。隔水層的阻水性能是指在煤層底板承壓含水層水壓和采動壓力作用下阻止承壓水湧出的能力，與隔水層的岩性、厚度、組合情況以及空隙特徵有關。

煤層底板阻水性能綜合評價體系將通過煤層底板強度測試、現場壓水或注水試驗、室內模擬等方法建立。

2.水化學快速判別系統

不同的水源具有不同的水化學成分，因此根據水化學成分的不同可以判斷水的來源。礦井突水情況下，快速判斷突水水源，對於正確制定搶險救災方案，恢復礦井生產，減少突水損失都是至關重要的。水化學快速判別系統可根據礦井涌水的水化學成分，簡潔、高效地確定突水水源，其成本之低也是其他方法無法比擬的。因此，它是礦井防治水的重要手段。

Ⅲ 井中物探

井中物探，或稱鑽井（鑽孔）地球物理勘查，是指把接收感測器下到鑽井中採集有關物理量數據，從而獲得鑽井周圍某些待查隱伏目標有用信息的各種物探方法。

和前述測井方法不同之處在於，井中物探的勘查范圍是鑽井四周、鑽井之間或鑽井下方的較大空間。其具體范圍決定於所用物探方法技術及探測目標狀況，目前一般為井軸橫向或井底垂向數十至數百米。

應當說明，某些主動源電法和彈性波法，有把激發源置於井中而在地面採集有關數據的工作方式，即「井-地」工作方式。按我們的分類原則它們應屬於地面物探。事實上，主要採用井-地方式工作的某些物探方法，如充電法、接觸極化曲線法、逆垂直地震剖面法等，我國物探界通常也是把它們視為地面物探方法。也有一些物探方法，如激發極化法、聲波透視法等，我國許多物探工作者習慣上把它們的井-地工作方式和其地-井、井-井工作方式一概視為井中物探方法。另一方面，我們列為井中物探方法的垂直地震剖面法又常被地震工作者視為地面地震方法的組成部分。

（一）應用發展

井中物探在我國首先用於金屬礦產勘查。1958年地質部門在遼寧大套岫峪鉛鋅礦區進行的井中單分量磁測應是我國井中物探工作的開端。此後，隨著我國鐵礦找礦工作的大規模展開，20世紀60～80年代井中磁測方法在全國大量推廣使用，投入儀器數百台，勘測井孔數千個，成效卓著^[1～4]。20世紀60年代開始，井中激發極化法和井中電磁波法在我國銅、鉛鋅、鎳、鉻等礦產勘查中的應用也得到較快發展^[5～10]。上述三種方法在判斷地面異常性質，找尋井旁井底隱伏礦體並推定其位置、延伸、邊界、產狀等方面發揮了特有的重要作用，曾被我地質部門物探工作者譽為「地下物探三朵花」。20世紀80～90年代，其他一些井中物探方法，包括井中脈沖瞬變電法、井中低頻感應電法、井中彈性波法等也在我國金屬礦勘查中得到應用，在一些地區取得良好效果^[11～14]。進入20世紀90年代，隨著我國金屬礦勘查工作特別是鑽探工作量銳減，金屬礦領域的井中物探工作也大幅度減少。

井中物探在我國的另一重要應用領域是油氣勘查和開發。主要使用了井中彈性波法，其中包括20世紀80年代以來在我國快速發展的垂直地震剖面法，以及90年代獲得應用的井間地震法及聲波法。眾所周知，近二十年來，垂直地震剖面法已成為我國油氣地震工作的重要組成部分。它在輔助地面地震資料解釋，研究井孔附近地層構造細節及岩性變化，預測鑽頭前方目的層深度和岩性等方面發揮重要作用^[15]。井間地震層析成像是近年油氣領域最活躍的前沿技術之一，它在儲層描述、油藏開發方面的作用日益顯著^[16]。20世紀90年代中期我石油部門引進了井中重力儀器和技術，用於測量井周地層密度從而獲得有關孔隙度及溶洞裂隙構造資料，初步取得成效^[17,18]。20世紀90年代後期，我石油部門又引進低頻電磁成像儀器和技術，獲得了較大井間距的電導率構造圖像，認為在研究井間砂體連通性，監測儲層水淹狀況及殘余油分布等方面有良好應用前景^[19]。

20世紀70年代初以來，井中物探在我國煤炭勘查中也有較多應用。主要是使用井中電磁波法勘查煤礦區地下溶洞裂隙等構造，在解決礦區水文地質特別是井下水害防治問題上發揮了良好作用^[9,10,20]。20世紀80年代中期以來，隨著煤田地震工作的蓬勃發展，垂直地震剖面及井間地震方法也在煤炭勘查領域獲得應用^[21]。20世紀90年代後期，我煤炭部門引進了鑽孔地質雷達，取得初步成效^[22]。

20世紀80、90年代，井中物探在我國水文及工程勘查領域獲得快速發展，其應用的廣度已超過同期固體礦產勘查領域。使用方法主要是井中電磁波法和井中彈性波法。電磁波層析成像和彈性波層析成像在我國大橋、水庫、電站及其他大型高層建築基礎探測，壩體及其他大型混凝土建築質量檢測，以及岩溶區地下暗河調查等方面發揮了重要作用^{[9,l0,23～27]}。

（二）技術進步

在我國曾經使用的井中物探方法主要有磁法、電法、彈性波法和重力法。其中電法和彈性波法又有多種具體方法及單井、井-井、地-井等工作方式。

1.井中磁法

井中磁法在鑽井中採集地磁異常數據。和地面及航空磁測目前主要測定標量總磁異常不同，迄今為止我國井中磁測主要是測定地磁異常單個或三個分量。

1958年我地質部門用自製磁通門式單分量井中磁力儀在遼寧大套岫峪鉛鋅礦區試驗，取得了我國首條井中磁測曲線，在磁黃鐵礦層上獲得明顯地磁異常。當時，沿用了原蘇聯「磁測井」名稱。1960年地質部門工廠曾生產出一批磁通門式單分量井中磁力儀，但性能不過關。隨後，冶金部門在研製出補償式磁通門單分量井中磁力儀的基礎上，1965年試制出我國首台三分量井中磁力儀^[28]。1968年冶金和地質部門合作制出正式樣機，1970年地質部門工廠開始批量生產我國首批野外推廣應用的井中三分量磁力儀，其感測器採用了當時居先進水平的垂向三軸系統。1979年至1985年地質部門工廠又先後生產出兩種型號小口徑三分量井中磁力儀。它採用了五個磁敏元件，除測定地磁異常垂向和水平三分量外，還可同時測定鑽井頂角。總體性能也有所改善。

這些井中磁力儀在全國強磁性礦床——主要是磁鐵礦床的普查勘探中普遍推廣應用。我國物探工作者在大量實踐的基礎上，對各種產狀磁性體三維空間磁場（包括磁性體內部磁場）的理論及異常特徵，單分量及三分量井中磁測數據處理解釋作了深入研究，形成了一整套實用的野外及室內工作方法技術，並出版了專著^[1,29～31]。

由於在小口徑下井探管中磁敏系統自動高精度定向技術和工藝等問題有待進一步解決，迄今我國所生產井中磁力儀垂向分量觀測精度僅為±（100～150）nT，水平分量精度更低，尚僅能用於強磁異常探測，影響了這一方法的擴展應用。

2.井中電法

井中電法在我國起步於20世紀60年代中期。在此後的三十餘年中，發展了包括傳導類和感應類，低頻和高頻，頻率域和時間域的多種方法。其中獲得廣泛應用的是井中激發極化法和井中電磁波法。

A.井中激發極化法和直流電法

井中激發極化法於20世紀60年代末由原蘇聯傳入我國。我國對其較系統的研究、實驗和應用始於20世紀70年代初，在一些金屬礦區發現或追蹤井旁隱伏礦體取得良好效果。由於井中激發極化法的應用理論基礎和地面激發極化法相同，工作方法技術類似，在地面採集系統基礎上增添簡單設備即可實施井中採集，因此迅速在地礦、冶金、有色、核工業、建材等部門許多基層物探工作單位獲得推廣。

在推廣應用的同時，我國物探工作者對井中激發極化法的數據採集及資料處理解釋方法技術作了進一步研究，進行了系統的物理和數值模擬，編印了模型實驗圖冊，編寫出版了方法專著^[32～35]。地質部門儀器工廠還專門生產了配套的井中激發極化採集系統^[36]。

和地面方法一樣，井中激發極化法在獲得井周或井間激發極化異常的同時，也實現了井中直流電法作業，獲得井周或井間電阻率分布資料。實際上，從20世紀60年代初開始，我國已經開展了某些在地面或鄰井中以點源或線源方式供電，在井中觀測電位或電位梯度分布的井中直流電法工作。在發現井旁或井間低電阻或高電阻礦體或其他異常體方面取得一些成效。20世紀80年代後期，特別是進入90年代，在地球物理層析成像技術發展帶動下，井間直流電法也進一步受到重視，研究發展了根據井中直流電場數據獲得井間電阻率分布圖像的方法。我國物探工作者在這方面也取得了一些重要研究成果^[37～40]。

B.井中電磁波法

井中電磁波法（也稱「鑽孔電磁波法」或「井中無線電波法」）在我國起步於20世紀60年代初，借鑒了原蘇聯「陰影法」技術資料。1964年我地質部門科研單位研製出我國首台電子管電路的井中電磁波儀，次年即在安徽月山銅礦區找尋深部盲礦工作中發揮了重要作用。隨後，這一方法在其他金屬礦產及水文工程勘查工作中也取得良好成效，在技術上和應用上獲得快速發展。1982年我國物探工作者編寫出版了這一方法專著^[41]。

至20世紀末的三十餘年中，我國地質、煤炭、鐵道、地震等部門有關工廠及科研單位先後研製生產了14種型號適應於不同應用領域不同工作條件的井中電磁波採集系統，總數近200台。其工作頻點由少到多進而實現寬頻跳頻掃描，頻率范圍擴展到0.3～35MHz,20世紀90年代初開始生產微機化採集系統。在配用小型寬頻有源天線方面也作了一些努力，但尚未達到實用水平^[9,42～44]。

我國物探工作者在擴大井中電磁波法應用的同時，十分重視其理論和數據處理解釋技術水平的提高。從最初的正常場對比、平面交會，到空間交會、吸收系數剖面，進而到層析成像，我國物探工作者作了大量深入研究工作。發展了多種處理解釋方法，進行了系統的物理和數值模擬，形成了系統的處理解釋軟體並逐步升級^{[40,41,45～52]}。作為地球物理層析成像的重要組成部分，我國物探工作者在電磁波層析成像的理論、方法和軟體方面取得了許多重要研究成果^[53～59]。

也應指出，迄今為止我國實際應用的地下（包括井中和坑道）電磁波方法及儀器尚僅限於利用振幅參數，限制了其功能和效果的進一步提高。早在20世紀80年代原蘇聯在這一方法中已開始綜合利用振幅和相位兩種參數，最近我國多參數地下電磁波系統的研究已經起步。

C.其他井中電法

除上述外，在我國曾經使用過的井中電法還有井中低頻電法、井中脈沖瞬變電法和鑽孔雷達方法。這些方法在我國開始使用較晚，工作不多。

20世紀80年代初，我地質部門勘查單位研製了頻率域的井中低頻電磁儀。它使用三種頻率和地面回線源，曾在一些金屬礦上試驗應用取得較好效果，並通過模型實驗編制了典型曲線圖冊，但未繼續發展和推廣應用^[10]。20世紀90年代後期，我石油部門和美國公司合作引進了井間低頻電磁成像系統和技術。它使用10⁰～10³Hz間多個頻點。在勝利油田工業性試驗中獲得了間距434m裸眼井對間及間距150m裸眼井-套管井對間良好的電導率圖像資料^[19,60]。我國物探工作者對井間電磁成像的反演演算法也作了初步研究^[61]。

20世紀80年代中期，我有色金屬工業和地質部門在發展地面瞬變電磁法的同時，也開展了一些地-井方式井中瞬變電磁法的試驗和應用。引進並研製了有關儀器和下井探頭，進行了模型實驗，在一些礦區找尋井旁和井底隱伏礦體取得了成效^[14,62,63]。我國物探工作者在瞬變電磁法專著中也對井中瞬變電磁法作了系統論述^[64]。

1995年，我煤炭部門首次引進了瑞典公司生產的鑽孔雷達系統，用它在煤礦區探測碳酸鹽岩裂隙和溶洞發育情況。使用了單孔反射和跨孔層析成像兩種工作方式，取得初步成效^[22]。

3.井中彈性波法

在我國使用的井中彈性波法包括井中地震法和井中聲波法。前者的地-井和井-井工作方式分別被稱為「垂直地震剖面法」和「井間地震法」；後者也有地-井和井-井工作方式。實際上，井中地震法和井中聲波法工作頻段相近或相同，具體作業方法技術也無實質性差異。通常，前者泛指使用各種不同類型震源和檢波器（以井中三分量檢波器為主）採集不同類型和性質彈性波（縱波和橫波，透射、反射和折射波）數據的工作方式；後者則特指使用壓電、磁致伸縮或電火花振源和壓敏式井中檢波器採集透射縱波的工作方式，故又常被稱為「井中聲波透視法」。

採用地-井工作方式的「地震測井」僅作為一種求取平均速度和層速度的參數測定手段，我們不將其列入井中地震勘查方法。

20世紀60年代末，井中聲波透視法首先在原蘇聯開始應用和發展。20世紀70年代，我國一些部門有關單位開始研究用於工程領域的聲波探測技術。1979年我鐵道部門科研單位研製出用電火花振源的井中聲波透視儀並用於野外岩體結構探測^[65]。1986年我地質部門科研單位研製成首台可用於礦產勘查記錄聲波走時和振幅的井中聲波儀。此後又陸續研製生產了多種型號的微機化井中聲波探測系統，形成了系列產品，配套了包括層析成像在內的處理解釋軟體。這些採集系統都使用電火花振源，並成功地把蓄能和控制電路全部置入下井探管，避免了電纜傳輸高壓脈沖的損耗。井中聲波法在我國礦產和工程勘查中取得了良好效果^[66,67]。

垂直地震剖面法在我國主要應用於油氣勘查領域，煤炭及工程勘查工作中也有應用。它在提供地層岩層彈性力學參數，配合提高地面地震資料處理解釋質量，研究井旁地質剖面，預報鑽頭前方反射層面等方面有重要作用。垂直地震剖面法於20世紀70年代在國外開始發展，很快引起我國物探工作者的重視。1983～1984年我地質及石油部門使用引進的井中三分量檢波器，在江蘇、中原、南海首先進行了試驗，以後迅速在全國推廣應用。1988年我國物探工作者編寫出版了有關專著^[15]。我石油和地質部門工廠生產了多種型號的井中三分量檢波器，滿足了野外工作需要。我國物探工作者對垂直地震剖面法數據處理和反演解釋方法技術的研究，包括偏移處理、波場分離、定向井資料處理、各向異性介質資料處理解釋、縱橫波聯合解釋等方面，取得了許多有價值的進展和成果^[68～76]。我國物探工作者還在用人工電場改善垂直地震剖面數據質量方面作了初步嘗試^[77]。

井間地震方法研究在國外始於20世紀70年代，到20世紀80年代才隨著井中震源等技術問題的解決和地球物理層析技術的興起而得到發展。它能以比地面地震高得多的解析度提供井間岩層、地層、儲層特徵及結構圖像，因而日益受到重視。我國在20世紀80年代後期開始進行井間地震方法技術的試驗研究。20世紀80年代末及90年代，井間地震法在我國工程領域，如大型或高層建築基礎勘查等方面取得了一些重要成果。1994～1995年開始在吉林、遼河、勝利等油田用於油氣儲層研究，隨後在其他一些油田也獲得應用。工作中使用了電火花震源、錘擊震源、特製井中炸葯震源及井中液壓可控震源等多種類型震源。我國物探工作者在數據採集技術和井間觀測系統的設計、採集系統的改進等方面取得了一些有益經驗或研究成果^[78～82]。把井間地震和垂直地震剖面、逆垂直地震剖面、地面地震等方法綜合應用形成所謂「立體地震法」的實踐也取得良好效果^[83]。

我國井間地震方法實際應用歷史尚較短，但對作為地球物理層析成像技術重要組成部分的彈性波層析成像技術，我國物探工作者自20世紀80年代後期開始就給予充分關注，在理論、方法、軟體等方面做了大量工作。編寫出版了專著，發表了許多有關論述，涉及彎曲射線、最短路徑、最大熵、級聯、透射、反射、折射、縱波、橫波等射線層析和波動方程層析方法和演算法，其中不乏有創意的進展和研究成果^[84～108]。

4.井中重力法

井中重力法的發展主要決定於井中重力儀製造技術。1966年國外研製出首台可實用的井中重力儀以來，雖也有新產品問世，但限於其較大外徑，迄今仍只能在油氣鑽井中使用。主要用以測定井周地層宏觀密度進而獲得不受泥漿濾液侵入影響的孔隙度及裂縫溶洞發育情況。我石油部門1991年引進了美國拉科斯特公司井中重力儀，在重慶地區作了深井實測，對其效果和局限性作了初步分析研究^[17,18]。

（三）評價和差距

井中物探在我國起步較早，受到不同領域物探工作者和各有關部門的重視，在擴大應用和發展技術上作了積極努力。我國井中電磁波法和井中激發極化法技術及應用居世界先進水平，井中三分量磁測技術及應用在20世紀70～80年代曾一度堪稱世界領先。我國在電磁波、電磁場及彈性波層析成像理論和方法研究方面也有不少先進水平成果。

作為物探向深部和立體空間擴展主要途徑的井中物探，在我國的發展總體上尚不夠理想。特別是近十餘年，在一些方面和國際水平差距增大。我國井中三分量磁力儀研製長期停滯不前，迄今仍停留在二十年前的低精度水平，而國外已有高精度產品。井中瞬變電磁法在國外已成為在老礦區找尋大深度良導電性大型盲礦體的有力工具，生產了多種型號配有三分量深井探頭的大功率瞬變電磁系統，而我國目前還只能開展一些較淺的單分量工作。我國實用的井中電磁波法尚停留在僅利用振幅參數階段。井中物探工作離不開鑽孔，而由於認識上和管理上的原因，我國近年在金屬礦上使用地質勘查鑽孔進行井中物探工作的非技術性困難增多，也影響了適用於這一領域的井中物探技術的發展。

Ⅳ 常用井下物理測井方法介紹

1.視電阻率測井

(1)視電阻率測井原理

在實際測井中,岩層電阻率受圍岩電阻率、鑽井液電阻率、鑽井液沖洗帶電阻率的影響,井下物探測得的電阻率不是岩層的真電阻率,這種電阻率稱為視電阻率。視電阻率測井主要包括三部分:供電線路、測量線路和井下電極系,如圖4-6所示。

圖4-6 視電阻率測井原理圖

在井下將供電電極(A,B)和測量電極(M,N)組成的電極系A,M,N或 M,A,B放入井內,而把另一個電極(B或N)放在地面泥漿池中。當電極系由井底向井口移動時,由供電電極A,B供給電流,在地層中造成人工電場。由測量電極M ,N測得電位差ΔU_MN。M ,N兩點的電位差直接由它所在位置的岩層電阻率所決定,岩層電阻率越高,測得的電位差就越大;岩層電阻率越低,測得的電位差就越小。電位差的變化,反映了不同地層電阻率的變化。視電阻率測井實際上就是對電位差的連續測量,經過計算就可求得視電阻率。

(2)視電阻率曲線形態

視電阻率曲線形態與電極系的分類有關。當井下測量電極系為A,M,N時,稱為梯度電極系;當井下測量電極系為M,A,B時,稱為電位電極系。由供電電極到電極系記錄點的距離稱為電極距,常用的有2.5m梯度電極系和0.5m電位電極系。梯度電極系根據成對電極系(AB或 MN)與不成對電極系(AM或MA)的位置又分為頂部梯度電極系和底部梯度電極系。

實際測井中,底部梯度電極系曲線形態如圖4-7所示。頂部梯度電極系曲線形態正好相反。

電位電極系曲線形態如圖4-8所示,曲線沿高阻層中心對稱,A表示異常幅度,A/2稱為半幅點,岩層上下界面與半幅點位置對應。

圖4-7 底部梯度電極系視電阻率曲線形狀

圖4-8 電位電極系視電阻率測井曲線形狀

(3)視電阻率測井的應用

1)確定岩性。一般純泥岩電阻率低,砂岩稍高,碳酸鹽岩相當高,岩漿岩最高。根據視電阻率曲線幅度的高低,可以判斷地下岩層的岩性。但當岩層中含高礦化度的地下水時,其對應的視電阻率相應降低。由於影響視電阻率的因素很多,曲線具有多解性,要結合岩屑、岩心等其他錄井資料綜合判斷。

2)劃分地層。實際應用中,以底部梯度電極系曲線的極大值劃分高阻層的底界面,以極小值劃分高阻層的頂界面,單純用視電阻率曲線劃分頂界面往往有一定誤差,應結合其他曲線進行劃分。視電阻率曲線確定高電阻岩層的界面比較准確,而對電阻率較低的地層則准確度較差。

2.自然電位測井

(1)自然電位測井原理

地層中有3種自然電位,即擴散吸附電位、過濾電位和氧化還原電位。擴散吸附電位主要發生在地熱、油氣井中,是我們主要測量的對象;過濾電位很小,常忽略不計;氧化還原電位主要產生在金屬礦井中,這里不做研究。

在砂岩儲層地熱井中,一般都含有高礦化度的地熱流體。地熱流體和鑽井液中都含有氯化鈉(NaCl)。當地熱流體和鑽井液兩種濃度不同的溶液直接接觸時,由於砂岩地層水中的正離子(Na⁺)和負離子(Cl^-)向井液中擴散,Cl^-的遷移速度(18℃時為65×10⁵cm/s)比Na⁺的遷移速度(18℃時為43 ×10⁵cm/s)大,所以隨著擴散的進行,井壁的井液一側將出現較多的Cl^-而帶負電,井壁的砂岩一側則出現較多的Na⁺而帶正電。這樣,在砂岩段井壁兩側聚集的異性電荷(砂岩帶正電荷,鑽井液帶負電荷)就形成了電位差。

與砂岩相鄰的泥岩中所含的地層水的成分和濃度一般與砂岩地層水相同,泥岩中高濃度的地層水也向井內鑽井液中擴散。但由於泥質顆粒對負離子有選擇性的吸附作用,一部分氯離子被泥岩表面吸附在井壁側帶負電,井壁的井液一側將出現較多的Na⁺而帶正電。這樣,在泥岩段井壁兩側聚集的異性電荷(泥岩帶負電荷,鑽井液帶正電荷)就形成了電位差。

由於正負電荷相互吸引,這種帶電離子的聚集發生因地層岩性不同,在兩種不同濃度溶液的接觸(井壁)附近,形成自然電位差(圖4-9)。用一套儀器測量出不同段的自然電位差,就可以研究出地下岩層的性質。

(2)自然電位曲線形態

在滲透性砂岩地層中,若岩性均勻,自然電位曲線的形態與地層中點是對稱的。異常幅度大小等於自然電流在井內的電位降。一般用異常幅度的半幅點確定地層頂底界面,如圖4-9所示。

圖4-9 井內自然電位分布與自然電位曲線形狀

(3)自然電位測井的應用

A.劃分滲透層

自然電位曲線異常是滲透性岩層的顯著特徵。當地層水礦化度大於鑽井液礦化度時(地熱水多為此例),滲透層自然電位曲線呈負異常,泥岩層自然電位曲線呈正異常。當地層水礦化度小於鑽井液礦化度時則相反。

劃分滲透層一般以泥岩自然電位為基線,砂岩中泥質含量越少,自然電位幅度值愈大,滲透性愈好;砂岩中泥質含量越多,自然電位幅度值就愈小,滲透性就變差。

劃分地層界面一般用半幅點確定。但當地層厚度h小於自然電位曲線幅度Am時,自1/3幅點算起;地層厚度h≥自然電位曲線幅度5Am時,自上、下拐點算起。

B.劃分地層岩性

岩石的吸附擴散作用與岩石的成分、結構、膠結物成分、含量等有密切關系,故可根據自然電位曲線的變化劃分出地層岩性。如砂岩岩性顆粒變細,泥質含量越多,自然電位幅度值就降低,據此可劃分出泥岩、砂岩、泥質砂岩等。

3.感應測井

(1)感應測井原理

感應測井是研究地層電導率的測井方法。井下部分主要測井儀器有:發射線圈、接收線圈和電子線路,如圖4-10所示。在下井儀器中,當振盪器向發射線圈輸出固定高頻電流(I)時,發射線圈就會在井場周圍的地層中形成交變電磁場,在交變電磁場的作用下,地層中就會產生感應電流(I),感應電流又會在地層中形成二次電磁場(或叫次生電磁場),在次生電磁場的作用下,接收線圈會產生感應電動勢,地面記錄儀將感應電動勢的信號記錄下來,就成為感應測井曲線。

圖4-10 感應測井原理圖

(2)感應測井曲線形態

由於感應電流大小與地層電導率成正比,所以,地層電導率大,感應測井曲線幅度高;地層電導率小,感應測井曲線幅度低。

(3)感應測井的應用

A.確定岩性

與其他曲線配合,可區分出砂岩、泥岩、泥質砂岩、砂質泥岩等岩性。劃分厚度大於2m的地層,按半幅點確定其界面;厚度小於2m的地層,因用半幅點分層較麻煩,實際中往往不用感應曲線分層。

注意的是,感應曲線上讀的是電導率,其單位是毫歐姆/米(mΩ/m)。它的倒數才是視電阻率,單位是歐姆米(Ω·m)。

B.判斷含水儲層,劃分界面

感應測井曲線對地層電阻率反應極為靈敏。由於電阻率的變化導致電導率的變化,水層電導率明顯升高,分界面往往在曲線的急劇變化處。

4.側向測井

(1)側向測井原理

側向測井是視電阻率方式之一,不同的是它的電極系中除有主電極系外,還有一對屏蔽電極,其作用是使主電流聚成水平層狀電流(又稱聚焦測井),極大地降低了鑽井液、沖洗帶和圍岩的影響,能解決普通電極測井不能解決的問題,如在碳酸岩地層、鹽水鑽井液以及薄層交互剖面中提高解釋效果。

側向測井有三側向、六側向、七側向、八側向和微側向。下面僅介紹常用的七側向、八側向、雙側向和微側向。

(2)七側向測井

1)七側向測井是一種聚焦測井方法,其主電極兩端各有一個屏蔽電極,屏蔽電極使主電流成薄層狀徑向地擠入地層,此時,井軸方向上無電流通過,七側向測井曲線就是記錄在不變的主電流全部被擠入地層時,所用的電壓值。當地層電阻率較大時,主電流不易被擠入地層,所用的電壓值就大;相反,當地層電阻率較小時,主電流容易被擠入地層,所用的電壓值就小。在測井曲線上,對應高阻層,曲線有較高的視電阻率;對應低阻層,曲線有較低的視電阻率。

2)七側向測井曲線的應用

七側向測井曲線的特點是正對高阻層,曲線形狀呈中心對稱,曲線上有兩個「尖子」,解釋時取地層中點的視電阻率作為該高阻層的視電阻率值,取突變點作為地層的分界線,如圖4-11所示。

七側向測井可分為深、淺兩種側向。深側向能反映地層深部的電阻率;淺側向能反映井壁附近地層的電阻率變化。對於熱儲層而言,它僅反映鑽井液沖洗帶附近的電阻率變化。根據七側向測井的特點,將它們組合起來,就能較好地劃分地層所含流體的性質。此外,還可以求出地層的真電阻率。七側向測井常用於孔隙型地層測井中。

圖4-11 七側向測井曲線形狀圖

(3)八側向測井

八側向測井是側向測井的一種,原理與七側向測井相同,實際為一探測深度很淺的七側向測井,只是電極系尺寸大小和供電迴路電極距電極系較近,因此看起來很像一個八個電極的電極系,故名八側向。八側向探測深度為0.35m,應用地層電阻率范圍0～100Ωm,且泥漿電阻率大於0.1Ωm(魏廣建,2004)。因八側向探測深度淺,縱向分層能力較強。它是研究侵入帶電阻率的方法,通常不單獨使用,而是和感應測井組合應用,稱為雙感應-八側向測井,是目前井下地球物理測井的主要測井項目。

(4)雙側向測井

雙側向電極系結構:由七個環狀電極和兩個柱狀電極構成。

雙側向探測深度:雙側向的探測深度由屏蔽電極A₁,A₂的長度決定,雙側向採用將屏蔽電極分為兩段,通過控制各段的電壓,達到增加探測深度的目的。側向測井由於屏蔽電極加長,測出的視電阻率主要反映原狀地層的電阻率;淺側向測井探測深度小於深側向,主要反映侵入帶電阻率。

雙側向縱向分層能力:與O₁,O₂的距離有關,可劃分出h＞O₁,O₂的地層電阻率變化。

雙側向影響因素:層厚、圍岩對深、淺雙側向的影響是相同的,受井眼影響較小。

雙側向測井資料的應用:

1)劃分地質剖面:雙側向的分層能力較強,視電阻率曲線在不同岩性的地層剖面上,顯示清楚,一般層厚h＞0.4m的低阻泥岩,高阻的緻密層在曲線上都有明顯顯示。

2)深、淺側向視電阻率曲線重疊,快速直觀判斷油(氣)水層。

由於深側向探測深度較深,深、淺測向受井眼影響程度比較接近,可利用二者視電阻率曲線的幅度差直觀判斷油(氣)、水層。在油(氣)層處,曲線出現正幅度差;在水層,曲線出現負幅度差。如果鑽井液侵入時間過長,會對正、負異常差值產生影響,所以,一般在鑽到目的層時,應及時測井,減小泥漿濾液侵入深度,增加雙側向曲線差異。

3)確定地層電阻率。

根據深、淺雙側向測出的視電阻率,可採用同三側向相同的方法求出地層真電阻率Rt和侵入帶直徑Di。

4)計算地層含水飽和度。

5)估算裂縫參數。

(5)微側向測井

微側向裝置是在微電極繫上增加聚焦裝置,使主電流被聚焦成垂直井壁的電流束,電流束垂直穿過泥餅,在泥餅厚度不大的情況下可忽略不計,測量的視電阻率接近沖洗帶的真電阻率。

由於主電流束的直徑很小(僅4.4cm),所以,微側向測井的縱向分辨能力很強。因此,應用微側向測井曲線可以劃分岩性,劃分厚度為5cm的薄夾層、緻密層,常用於碳酸鹽岩地層測井中。

5.聲波時差測井

(1)聲波時差測井原理

聲波時差測井原理如圖4-12所示,在下井儀器中有一個聲波發射器和兩個接收裝置。當聲波發射器向地層發射一定頻率的聲波時,由於兩個接收裝置與發射器之間的距離不同,因此,初至波(首波)到達兩個接收器的時間也不同。第一個接收器先收到初至波,而第二個接收器在第一個接收器初至波到達Δt時間後才收到初至波。Δt的大小隻與岩石的聲波速度有關,而與泥漿影響無關。通常兩接收器之間的距離為0.5m,測量時儀器已自動把Δt放大了一倍,故Δt相當於穿行1m所需的時間。這個時間又叫做聲波時差,單位是μs/m (1s=10⁶μs)。聲波時差的倒數就是聲波速度。

圖4-12 聲波時差測井原理圖

(2)聲波時差測井的應用

A.判斷岩性

岩石越緻密,孔隙度越小,聲波時差就越小;岩石越疏鬆,孔隙度越大,聲波時差就越大。因此,可以利用聲波時差曲線判斷岩性,從泥岩、砂岩到碳酸鹽岩聲波時差是逐漸減小的(泥岩252～948μs/m;砂岩300～440μs/m;碳酸鹽岩125～141μs/m)。

B.劃分油、氣、水層

當岩層中含有不同的流體時,由於流體密度存在差異,聲波在不同流體中傳播速度不同。因此,在其他條件相同的前提下,沉積地層中的流體性質也影響聲波時差,如淡水聲波時差為620μs/m,鹽水為608μs/m,石油為757～985μs/m,甲烷氣為2260μs/m。同樣,岩石中有機質含量也可影響聲波的速度,一般情況下,泥頁岩中有機質含量越高,所對應的聲波時差值越大(操應長,2003)。

實際應用中,氣層聲波時差較大,曲線的特點是產生周波跳躍現象。油層與氣層之間聲波時差曲線的特點油層小,氣層大,呈台階式增大;水層與氣層之間聲波時差曲線的特點是水層小,氣層大,也呈台階式增大。但水層一般比油層小10%～20%,如圖4-13所示。

C.劃分滲透性岩層

當聲波通過破碎帶或裂縫帶時,聲波能量被強烈吸收而大大衰減,使聲波時差急劇增大。根據這個特徵,可以在聲波時差曲線上將滲透性岩層劃分出來。

D.沉積地層孔隙度、地層不整合面研究

在正常埋藏壓實條件下,沉積地層中孔隙度的對數與其深度呈線性關系,聲波時差對數與其深度也呈線性關系,並且隨埋深增大,孔隙度減小,聲波時差也減小,若對同一口井同一岩性的連續沉積地層,表現為一條具有一定斜率的直線。但是,有的井聲波時差對數與其深度的變化曲線並不是一條簡單的直線,而是呈折線或錯開的線段,可能就是地層不整合面或層序異常界面。

圖4-13 聲波時差測井曲線應用

6.自然伽馬測井

(1)自然伽馬測井原理

在自然界中,不同岩石含有不同的放射性。一般地,岩石的泥質含量越高放射性越強,泥質含量越低放射性越弱。其射線強度以γ射線為最。

自然γ測井中,井下儀器中有一γ閃爍計數器,計數器將接收到的岩層自然γ射線變為電脈沖,電脈沖由電纜傳至地面儀器的放射性面板,變為電位差,示波儀把電位差記錄成自然伽馬曲線。岩層的自然伽馬強度用脈沖/分表示,如圖4-14所示。

圖4-14 自然伽馬測井裝置及曲線形狀圖

h—岩層厚度;d₀—井徑

(2)自然伽馬曲線形態

1)自然伽馬曲線對稱於地層層厚的中點;

2)當地層厚度大於3倍井徑時,自然伽馬曲線極大值為一常數,用半幅點確定岩層界面;

3)當地層厚度小於3倍井徑時,自然伽馬曲線幅度變小,小於0.5倍井徑時,曲線表現為不明顯彎曲,岩層越薄,分層界限越接近於峰端,如圖4-14所示。

(3)自然伽馬測井的應用

A.劃分岩性

在砂泥岩剖面中,泥岩、頁岩自然伽馬曲線幅度最高,砂岩最低,而粉砂岩、泥質砂岩則介於砂岩和泥岩之間,並隨著岩層泥質含量增多而曲線幅度增高(見圖4-15)。

在碳酸鹽岩剖面中,泥岩、頁岩自然伽馬曲線值最高,純灰岩、白雲岩最低;而泥質灰岩、泥質白雲岩則介於二者之間,並隨著泥質含量的增加而自然伽馬值也增加。

圖4-15 應用自然伽馬和中子伽馬曲線判別岩性

B.判斷岩層的滲透性

根據自然伽馬曲線的幅度可判斷泥質膠結砂岩滲透性的好壞,也可間接判斷碳酸鹽岩裂縫的發育程度,劃分裂縫段。

C.進行地層對比

由於自然伽馬曲線不受井眼、鑽井液、岩層中流體性質等因素的影響,所以,在其他測井曲線難以對比的地層中,可用自然伽馬曲線進行地層對比。

D.跟蹤定位射孔

由於自然伽馬測井不受套管、水泥環的影響,所以,在下完套管之後的射孔作業中,將下套管的自然伽馬測井曲線與裸眼測井曲線對比,確定跟蹤射孔層位。

Ⅳ 煤炭勘探有什麼物探方法最好，為什麼有詳細的解答么 謝謝急用

常用的煤田物探方法有重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探、地球物理測井和遙感物探等，其中以地震法、電法和測井應用得最廣泛。
最好的還屬於地震勘探，最初用折射法進行地質填圖，圈定煤系的分布范圍並判別岩性，目前已普遍採用共反射點多次覆蓋方法。由於煤層同頂底板岩層的物性有明顯的差異，煤層界面的反射系數遠大於一般岩層，可達0.3～0.5。因此，具有一定厚度的煤層或煤層組往往形成能量強、穩定、連續的標准反射波，對追蹤煤層、反映構造特點均有利。地震勘探具有較高的精度，所以常用於煤田的勘探階段。現階段煤田地震勘探解決的主要地質問題包括：確定覆蓋層厚度，進行覆蓋層下的地質填圖，圈定煤系賦存范圍，探測同煤層有關的地質構造，確定煤系基底深度等。

Ⅵ 目前常用的物探方法有哪些

物探方法是一種間接的觀測方法，是利用物理學原理和儀器獲得已知岩礦石標本或模型的物性參數及其規律，再根據已建立的物性規律(數學物理模型) 去解釋野外實際觀測的參數值，然後再將物探成果(物性剖面、斷面、平面圖等) 解譯為地質成果。

常用工程物探方法及特點

①電法勘探：包括電測深法、電剖面法、高密度電法、自然電場法、充電法、激發極化法、可控源音頻大地電磁測深法、瞬變電磁法等；
②探地雷達：可選擇剖面法、寬角法、環形法、透射法、單孔法、多剖面法等；
③地震勘探：包括淺層折射波法、淺層反射波法和瑞雷波法；
④彈性波測試：包括聲波法和地震波法。聲波法可選用單孔聲波、穿透聲波、表面聲波、聲波反射、脈沖回波等；地震波法可選用地震測井、穿透地震波速測試、連續地震波速測試等；
⑤層析成像：包括聲波層析成像、地震波層析成像、電磁波吸收系數層析成像或電磁波速度層析成像等。