井下常用物探方法

Ⅰ 煤矿井下探水的方法有哪些

煤矿井下探水一般采用专用钻机，打开钻孔，测定水压、水量、成分等。
采掘工作面遇有下列情况之一时，应立即停止施工，确定探水线，实施超前探放水，经确认无水害威胁后，方可施工：
（一）接近水淹或可能积水的井巷、老空或相邻煤矿时。
（二）接近含水层、导水断层、溶洞和导水陷落柱时。
（三）打开隔离煤柱放水时。
（四）接近可能与河流、湖泊、水库、蓄水池、水井等相通的导水通道时。
（五）接近有出水可能的钻孔时。
（六）接近水文地质条件不清的区域时。
（七）接近有积水的灌浆区时。
（八）接近其他可能突（透）水的区段时。

Ⅱ 采煤工作面水害条件探查

在工作面回采巷道形成后，应进行工作面水文地质条件探查，查明工作面底板灰岩含水层富水性，探查导水裂隙带的存在及分布情况，煤层底板隔水层厚度，L_1-3灰岩或奥陶系灰岩水导升高度等，从而为工作面防治水提供依据。

工作面水文地质条件探查采用钻探和井下音频电透视、井下直流电法等物探方法进行。工作程序是，首先进行井下音频电透视或井下直流电法物探，确定工作面导水断层或导水裂隙带的存在及分布，L_5-6灰岩含水层的富水性情况；利用钻探对物探方法确定的薄弱带、富水段进行验证，同时确定煤层底板隔水层厚度、L_1-3灰岩和奥陶系灰岩水导升高度。

（一）井下物探手段

1.井下音频电透视

音频电透视方法是在上回风巷、下顺槽施工，探测工作面内部煤层底板下0～50m层段含水层中富水性异常的分布范围、走向及其富水性的相对强弱等情况，探查隔水层裂隙发育带及其分布规律，为综合分析煤层底板隔水层性能提供依据。

2.直流电法探测

采用矿井高分辨电测深技术在工作面的上回风巷、下顺槽施工，探测底板下80m深度范围内含水性异常的分布位置与深度，分析含水层的富水特征。

上述两种井下探测手段是矿井开采中较为常用的方法，且探测方法相对简单。

首先在西翼采区22121工作面和东翼采区21091工作面进行井下音频电透视和直流电法探测，研究超化煤矿特定物性条件下不同物探方法的适用性及其解释规律，并推广应用于其他工作面。

（二）煤层底板隔水层隔水性能的探查及评价

深部煤层开采将受到下伏奥陶系灰岩承压含水层的底板突水威胁，因此煤层底板隔水层的隔水性能的探查及评价是带压开采研究的主要内容之一。主要包括以下内容：

1）奥陶系灰岩水原始导升高度和富水性的探查与研究。

2）煤底板原位地应力测试。

3）煤层底板薄层灰岩水入侵动态监测及水情预报。

（三）二₁煤下伏灰岩水的原始导升高度和富水性探测

据统计，华北型煤田在灰岩含水层顶部富集地段，煤层底板岩层底部都存在着不同程度的导升现象。灰岩水沿煤层底板隔水层裂隙的侵入，既降低底板隔水层的有效厚度，又在裂隙中积蓄了致裂的能量，产生裂隙尖端应力异常，在矿压作用下导致裂隙扩展。因此，探查导升高度对突水评价具有重要意义。

探测导升高度较为有效的方法就是电法，另外，该法还可以探测灰岩的深度。这项工作开展之前应由水文地质技术人员作出设计，探测结果，也应由水文地质技术人员参与确定导升高度和煤层隔水层的有效厚度，并对工作面的水文地质条件进行简单的评价。

电法探测一般是沿工作面的上下巷布置，具体采用直流电法还是音频电透视法，应由水文地质技术人员确定。由于超化煤矿西翼采区突水系数较大，理论上对于每个工作面都应进行该项工作。

（四）底板原位地应力普查与监测

原位地应力的测量对底板突水评价非常重要，底板岩体的应力大小是底板破裂的主要原因，是评价底板阻水性能的重要数据。应力主要的构成因素有：岩性，构造地应力（包括新构造应力和残余构造地应力），水压派生地应力和采矿派生地应力。

地应力的测量方法主要有水压致裂法、套芯法、套筒法和弹性波法等，其中水压致裂法和套芯法工艺复杂，井下实施困难，弹性波法受岩体物理性质参数影响很大，精度较差。这样，套筒法就成了矿井原位地应力测量行之有效的方法。

原位地应力测量分采前未受扰动底板地应力测量和开采过程中扰动地应力测量两个阶段，采前测到的地应力为静态地应力（初始应力），在反演求参和正演模拟中作为初应力应用。采动过程中测得的地应力为动态地应力，作反演求参的拟合对象和判别采矿底板破坏深度的依据，根据岩石力学参数和初始地应力就可以用电算法计算地应力场和底板破坏情况。这种方法的优点是可直接得到岩体的强度和破坏深度，缺点是没有考虑水压的作用，测点和测试时间短，对水的动态无法监测。

原位地应力测量将分两个阶段进行，第一阶段为原位地应力普查阶段，第二阶段为地应力监测阶段，各阶段探测的意义和工程布置如下：

原位地应力普查：本规划所涉及的块段地质构造相对简单，局部有断层发育。通过原位地应力普查，了解采前底板的原位地应力场，为底板阻水性评价提供依据。

拟分别安排在西翼采区的22101和23051工作面内进行原位地应力普查。测试工作在两个钻孔中进行，总进尺约70m。测试将分采前和采动过程中两次进行，第一次测试应在距切眼60m以外的钻孔内完成，第二次测试应在距工作面10～30m范围内的钻孔内进行。每次测试应在同一工作班内完成，以减少工作面推进对应力产生的影响。每个岩性分层中都必须布置测点，对于较厚的岩层，每3m应设置一个测点。孔深6～15m范围内，每1m布置一个测点，以较多的观测数据来判定采矿对底板的破坏深度。每次测试的数据处理应在现场完成，以便发现问题及时补救。

具体的操作方法和施工要求将另行设计。

（五）底板突水条件监测预警

1）监测目的：通过对薄层灰岩岩溶水和底板地应力的动态变化监测，预测底板水情，确定底板岩体力学参数、导升裂隙发育高度和采动底板破坏深度，为采煤工作面的水文地质评价提供依据。

2）监测内容：水压，水温，应力，应变。

3）监测方法：在采矿过程中，由于煤层底板的应力场和渗流场均会发生变化，承压水的入侵高度也将向上发展，产生递进导升现象，以致造成底板突水。因此，底板突水伴有岩体应力变化，水压、水温变化，水量增加等一系列征兆。这些征兆就是突水预测预报的依据。通过传感器可把这些征兆转变成电磁信号，然后再将电磁信号转换成地质信息。根据这些信息就可了解水情的变化，实现动态监测。

突水前兆监测系统由主控台（总站）、数据采集器（分站）和传感器组成。总站设在地面调度室或地测科，分站设在工作面的风巷或机巷内，传感器置于钻孔内。

4）预测方法：将原位测试得到的静态地应力作为初应力，监测的地应力增量作拟合的目标值，反求岩体力学参数和渗透系数。再用这些参数正演模拟开采过程，实现煤层底板突水条件的预警，并将正演结果以仿真图形的形式输出，实现可视化监测。

根据以往的力学计算，对于超化煤矿底板的厚度，监测范围宜在采前和采后各60m的区段内进行。

底板突水检测技术曾在淮北矿务局、皖北矿务局、澄合矿务局、韩城矿务局、肥城矿务局和临城矿务局应用过，取得了很好的效果。其中，在韩城矿务局马沟渠煤矿成功地预报了一次突水；淮北矿务局杨庄煤矿的检测避免了工作面疏干降压或底板加固工程。

该方法的优点是：①具有可视化功能。地面检测中心（总站）可以用图形的形式在屏幕上显示出监测到的各种曲线和底板剖面应力场、渗流场动态等值线和底板的变形与破坏状态。②具有预测功能。以原位测试得到的原始应力为初应力，利用有限元方法模拟开采，并计算出应力场、位移场和渗流场的动态值。以实现40～60m的超前预测，并以图形显示。③具有实时性特点。各种监测的物理量都可以在现场及时处理并显示出结果。

缺点是：无法测到原位地应力，电算时初始应力值需借用原位地应力测试值或用理论值。

本项工作与底板原位地应力普查同步进行可相互补充，预测效果更佳，拟先在西翼采区的22101和东翼采区的23051工作面内进行，最终的工作面将根据生产情况由生产单位和科研单位确定。测试工作面需要两个钻孔，总进尺约70m，监测位置将根据工作面的情况而定。监测方法可推广应用于后续工作面，监测之前应进行设计，详细方法和措施将在设计中说明。

（六）矿井防突水保障信息系统

煤矿防治水是一项经常性、综合性的系统工程，需要对多种信息进行及时准确的分析、计算，绘制所需图、表，仅靠人力通过传统的数据管理方法，不能满足矿井防治水快速、及时、准确的要求。应尽快建立和完善矿井防突水保障信息系统，包括地测信息系统（已建立）、煤层底板阻水性能综合评价体系、水化学快速判别系统。

1.煤层底板阻水性能综合评价体系

煤层底板隔水层的阻水性能是决定防治水策略的重要因素，是带压开采的基础，建立煤层底板阻水性能综合评价体系，才能正确评价隔水层的阻水性能。隔水层的阻水性能是指在煤层底板承压含水层水压和采动压力作用下阻止承压水涌出的能力，与隔水层的岩性、厚度、组合情况以及空隙特征有关。

煤层底板阻水性能综合评价体系将通过煤层底板强度测试、现场压水或注水试验、室内模拟等方法建立。

2.水化学快速判别系统

不同的水源具有不同的水化学成分，因此根据水化学成分的不同可以判断水的来源。矿井突水情况下，快速判断突水水源，对于正确制定抢险救灾方案，恢复矿井生产，减少突水损失都是至关重要的。水化学快速判别系统可根据矿井涌水的水化学成分，简洁、高效地确定突水水源，其成本之低也是其他方法无法比拟的。因此，它是矿井防治水的重要手段。

Ⅲ 井中物探

井中物探，或称钻井（钻孔）地球物理勘查，是指把接收传感器下到钻井中采集有关物理量数据，从而获得钻井周围某些待查隐伏目标有用信息的各种物探方法。

和前述测井方法不同之处在于，井中物探的勘查范围是钻井四周、钻井之间或钻井下方的较大空间。其具体范围决定于所用物探方法技术及探测目标状况，目前一般为井轴横向或井底垂向数十至数百米。

应当说明，某些主动源电法和弹性波法，有把激发源置于井中而在地面采集有关数据的工作方式，即“井-地”工作方式。按我们的分类原则它们应属于地面物探。事实上，主要采用井-地方式工作的某些物探方法，如充电法、接触极化曲线法、逆垂直地震剖面法等，我国物探界通常也是把它们视为地面物探方法。也有一些物探方法，如激发极化法、声波透视法等，我国许多物探工作者习惯上把它们的井-地工作方式和其地-井、井-井工作方式一概视为井中物探方法。另一方面，我们列为井中物探方法的垂直地震剖面法又常被地震工作者视为地面地震方法的组成部分。

（一）应用发展

井中物探在我国首先用于金属矿产勘查。1958年地质部门在辽宁大套岫峪铅锌矿区进行的井中单分量磁测应是我国井中物探工作的开端。此后，随着我国铁矿找矿工作的大规模展开，20世纪60～80年代井中磁测方法在全国大量推广使用，投入仪器数百台，勘测井孔数千个，成效卓着^[1～4]。20世纪60年代开始，井中激发极化法和井中电磁波法在我国铜、铅锌、镍、铬等矿产勘查中的应用也得到较快发展^[5～10]。上述三种方法在判断地面异常性质，找寻井旁井底隐伏矿体并推定其位置、延伸、边界、产状等方面发挥了特有的重要作用，曾被我地质部门物探工作者誉为“地下物探三朵花”。20世纪80～90年代，其他一些井中物探方法，包括井中脉冲瞬变电法、井中低频感应电法、井中弹性波法等也在我国金属矿勘查中得到应用，在一些地区取得良好效果^[11～14]。进入20世纪90年代，随着我国金属矿勘查工作特别是钻探工作量锐减，金属矿领域的井中物探工作也大幅度减少。

井中物探在我国的另一重要应用领域是油气勘查和开发。主要使用了井中弹性波法，其中包括20世纪80年代以来在我国快速发展的垂直地震剖面法，以及90年代获得应用的井间地震法及声波法。众所周知，近二十年来，垂直地震剖面法已成为我国油气地震工作的重要组成部分。它在辅助地面地震资料解释，研究井孔附近地层构造细节及岩性变化，预测钻头前方目的层深度和岩性等方面发挥重要作用^[15]。井间地震层析成像是近年油气领域最活跃的前沿技术之一，它在储层描述、油藏开发方面的作用日益显着^[16]。20世纪90年代中期我石油部门引进了井中重力仪器和技术，用于测量井周地层密度从而获得有关孔隙度及溶洞裂隙构造资料，初步取得成效^[17,18]。20世纪90年代后期，我石油部门又引进低频电磁成像仪器和技术，获得了较大井间距的电导率构造图像，认为在研究井间砂体连通性，监测储层水淹状况及残余油分布等方面有良好应用前景^[19]。

20世纪70年代初以来，井中物探在我国煤炭勘查中也有较多应用。主要是使用井中电磁波法勘查煤矿区地下溶洞裂隙等构造，在解决矿区水文地质特别是井下水害防治问题上发挥了良好作用^[9,10,20]。20世纪80年代中期以来，随着煤田地震工作的蓬勃发展，垂直地震剖面及井间地震方法也在煤炭勘查领域获得应用^[21]。20世纪90年代后期，我煤炭部门引进了钻孔地质雷达，取得初步成效^[22]。

20世纪80、90年代，井中物探在我国水文及工程勘查领域获得快速发展，其应用的广度已超过同期固体矿产勘查领域。使用方法主要是井中电磁波法和井中弹性波法。电磁波层析成像和弹性波层析成像在我国大桥、水库、电站及其他大型高层建筑基础探测，坝体及其他大型混凝土建筑质量检测，以及岩溶区地下暗河调查等方面发挥了重要作用^{[9,l0,23～27]}。

（二）技术进步

在我国曾经使用的井中物探方法主要有磁法、电法、弹性波法和重力法。其中电法和弹性波法又有多种具体方法及单井、井-井、地-井等工作方式。

1.井中磁法

井中磁法在钻井中采集地磁异常数据。和地面及航空磁测目前主要测定标量总磁异常不同，迄今为止我国井中磁测主要是测定地磁异常单个或三个分量。

1958年我地质部门用自制磁通门式单分量井中磁力仪在辽宁大套岫峪铅锌矿区试验，取得了我国首条井中磁测曲线，在磁黄铁矿层上获得明显地磁异常。当时，沿用了原苏联“磁测井”名称。1960年地质部门工厂曾生产出一批磁通门式单分量井中磁力仪，但性能不过关。随后，冶金部门在研制出补偿式磁通门单分量井中磁力仪的基础上，1965年试制出我国首台三分量井中磁力仪^[28]。1968年冶金和地质部门合作制出正式样机，1970年地质部门工厂开始批量生产我国首批野外推广应用的井中三分量磁力仪，其传感器采用了当时居先进水平的垂向三轴系统。1979年至1985年地质部门工厂又先后生产出两种型号小口径三分量井中磁力仪。它采用了五个磁敏元件，除测定地磁异常垂向和水平三分量外，还可同时测定钻井顶角。总体性能也有所改善。

这些井中磁力仪在全国强磁性矿床——主要是磁铁矿床的普查勘探中普遍推广应用。我国物探工作者在大量实践的基础上，对各种产状磁性体三维空间磁场（包括磁性体内部磁场）的理论及异常特征，单分量及三分量井中磁测数据处理解释作了深入研究，形成了一整套实用的野外及室内工作方法技术，并出版了专着^[1,29～31]。

由于在小口径下井探管中磁敏系统自动高精度定向技术和工艺等问题有待进一步解决，迄今我国所生产井中磁力仪垂向分量观测精度仅为±（100～150）nT，水平分量精度更低，尚仅能用于强磁异常探测，影响了这一方法的扩展应用。

2.井中电法

井中电法在我国起步于20世纪60年代中期。在此后的三十余年中，发展了包括传导类和感应类，低频和高频，频率域和时间域的多种方法。其中获得广泛应用的是井中激发极化法和井中电磁波法。

A.井中激发极化法和直流电法

井中激发极化法于20世纪60年代末由原苏联传入我国。我国对其较系统的研究、实验和应用始于20世纪70年代初，在一些金属矿区发现或追踪井旁隐伏矿体取得良好效果。由于井中激发极化法的应用理论基础和地面激发极化法相同，工作方法技术类似，在地面采集系统基础上增添简单设备即可实施井中采集，因此迅速在地矿、冶金、有色、核工业、建材等部门许多基层物探工作单位获得推广。

在推广应用的同时，我国物探工作者对井中激发极化法的数据采集及资料处理解释方法技术作了进一步研究，进行了系统的物理和数值模拟，编印了模型实验图册，编写出版了方法专着^[32～35]。地质部门仪器工厂还专门生产了配套的井中激发极化采集系统^[36]。

和地面方法一样，井中激发极化法在获得井周或井间激发极化异常的同时，也实现了井中直流电法作业，获得井周或井间电阻率分布资料。实际上，从20世纪60年代初开始，我国已经开展了某些在地面或邻井中以点源或线源方式供电，在井中观测电位或电位梯度分布的井中直流电法工作。在发现井旁或井间低电阻或高电阻矿体或其他异常体方面取得一些成效。20世纪80年代后期，特别是进入90年代，在地球物理层析成像技术发展带动下，井间直流电法也进一步受到重视，研究发展了根据井中直流电场数据获得井间电阻率分布图像的方法。我国物探工作者在这方面也取得了一些重要研究成果^[37～40]。

B.井中电磁波法

井中电磁波法（也称“钻孔电磁波法”或“井中无线电波法”）在我国起步于20世纪60年代初，借鉴了原苏联“阴影法”技术资料。1964年我地质部门科研单位研制出我国首台电子管电路的井中电磁波仪，次年即在安徽月山铜矿区找寻深部盲矿工作中发挥了重要作用。随后，这一方法在其他金属矿产及水文工程勘查工作中也取得良好成效，在技术上和应用上获得快速发展。1982年我国物探工作者编写出版了这一方法专着^[41]。

至20世纪末的三十余年中，我国地质、煤炭、铁道、地震等部门有关工厂及科研单位先后研制生产了14种型号适应于不同应用领域不同工作条件的井中电磁波采集系统，总数近200台。其工作频点由少到多进而实现宽带跳频扫描，频率范围扩展到0.3～35MHz,20世纪90年代初开始生产微机化采集系统。在配用小型宽频有源天线方面也作了一些努力，但尚未达到实用水平^[9,42～44]。

我国物探工作者在扩大井中电磁波法应用的同时，十分重视其理论和数据处理解释技术水平的提高。从最初的正常场对比、平面交会，到空间交会、吸收系数剖面，进而到层析成像，我国物探工作者作了大量深入研究工作。发展了多种处理解释方法，进行了系统的物理和数值模拟，形成了系统的处理解释软件并逐步升级^{[40,41,45～52]}。作为地球物理层析成像的重要组成部分，我国物探工作者在电磁波层析成像的理论、方法和软件方面取得了许多重要研究成果^[53～59]。

也应指出，迄今为止我国实际应用的地下（包括井中和坑道）电磁波方法及仪器尚仅限于利用振幅参数，限制了其功能和效果的进一步提高。早在20世纪80年代原苏联在这一方法中已开始综合利用振幅和相位两种参数，最近我国多参数地下电磁波系统的研究已经起步。

C.其他井中电法

除上述外，在我国曾经使用过的井中电法还有井中低频电法、井中脉冲瞬变电法和钻孔雷达方法。这些方法在我国开始使用较晚，工作不多。

20世纪80年代初，我地质部门勘查单位研制了频率域的井中低频电磁仪。它使用三种频率和地面回线源，曾在一些金属矿上试验应用取得较好效果，并通过模型实验编制了典型曲线图册，但未继续发展和推广应用^[10]。20世纪90年代后期，我石油部门和美国公司合作引进了井间低频电磁成像系统和技术。它使用10⁰～10³Hz间多个频点。在胜利油田工业性试验中获得了间距434m裸眼井对间及间距150m裸眼井-套管井对间良好的电导率图像资料^[19,60]。我国物探工作者对井间电磁成像的反算法也作了初步研究^[61]。

20世纪80年代中期，我有色金属工业和地质部门在发展地面瞬变电磁法的同时，也开展了一些地-井方式井中瞬变电磁法的试验和应用。引进并研制了有关仪器和下井探头，进行了模型实验，在一些矿区找寻井旁和井底隐伏矿体取得了成效^[14,62,63]。我国物探工作者在瞬变电磁法专着中也对井中瞬变电磁法作了系统论述^[64]。

1995年，我煤炭部门首次引进了瑞典公司生产的钻孔雷达系统，用它在煤矿区探测碳酸盐岩裂隙和溶洞发育情况。使用了单孔反射和跨孔层析成像两种工作方式，取得初步成效^[22]。

3.井中弹性波法

在我国使用的井中弹性波法包括井中地震法和井中声波法。前者的地-井和井-井工作方式分别被称为“垂直地震剖面法”和“井间地震法”；后者也有地-井和井-井工作方式。实际上，井中地震法和井中声波法工作频段相近或相同，具体作业方法技术也无实质性差异。通常，前者泛指使用各种不同类型震源和检波器（以井中三分量检波器为主）采集不同类型和性质弹性波（纵波和横波，透射、反射和折射波）数据的工作方式；后者则特指使用压电、磁致伸缩或电火花振源和压敏式井中检波器采集透射纵波的工作方式，故又常被称为“井中声波透视法”。

采用地-井工作方式的“地震测井”仅作为一种求取平均速度和层速度的参数测定手段，我们不将其列入井中地震勘查方法。

20世纪60年代末，井中声波透视法首先在原苏联开始应用和发展。20世纪70年代，我国一些部门有关单位开始研究用于工程领域的声波探测技术。1979年我铁道部门科研单位研制出用电火花振源的井中声波透视仪并用于野外岩体结构探测^[65]。1986年我地质部门科研单位研制成首台可用于矿产勘查记录声波走时和振幅的井中声波仪。此后又陆续研制生产了多种型号的微机化井中声波探测系统，形成了系列产品，配套了包括层析成像在内的处理解释软件。这些采集系统都使用电火花振源，并成功地把蓄能和控制电路全部置入下井探管，避免了电缆传输高压脉冲的损耗。井中声波法在我国矿产和工程勘查中取得了良好效果^[66,67]。

垂直地震剖面法在我国主要应用于油气勘查领域，煤炭及工程勘查工作中也有应用。它在提供地层岩层弹性力学参数，配合提高地面地震资料处理解释质量，研究井旁地质剖面，预报钻头前方反射层面等方面有重要作用。垂直地震剖面法于20世纪70年代在国外开始发展，很快引起我国物探工作者的重视。1983～1984年我地质及石油部门使用引进的井中三分量检波器，在江苏、中原、南海首先进行了试验，以后迅速在全国推广应用。1988年我国物探工作者编写出版了有关专着^[15]。我石油和地质部门工厂生产了多种型号的井中三分量检波器，满足了野外工作需要。我国物探工作者对垂直地震剖面法数据处理和反演解释方法技术的研究，包括偏移处理、波场分离、定向井资料处理、各向异性介质资料处理解释、纵横波联合解释等方面，取得了许多有价值的进展和成果^[68～76]。我国物探工作者还在用人工电场改善垂直地震剖面数据质量方面作了初步尝试^[77]。

井间地震方法研究在国外始于20世纪70年代，到20世纪80年代才随着井中震源等技术问题的解决和地球物理层析技术的兴起而得到发展。它能以比地面地震高得多的分辨率提供井间岩层、地层、储层特征及结构图像，因而日益受到重视。我国在20世纪80年代后期开始进行井间地震方法技术的试验研究。20世纪80年代末及90年代，井间地震法在我国工程领域，如大型或高层建筑基础勘查等方面取得了一些重要成果。1994～1995年开始在吉林、辽河、胜利等油田用于油气储层研究，随后在其他一些油田也获得应用。工作中使用了电火花震源、锤击震源、特制井中炸药震源及井中液压可控震源等多种类型震源。我国物探工作者在数据采集技术和井间观测系统的设计、采集系统的改进等方面取得了一些有益经验或研究成果^[78～82]。把井间地震和垂直地震剖面、逆垂直地震剖面、地面地震等方法综合应用形成所谓“立体地震法”的实践也取得良好效果^[83]。

我国井间地震方法实际应用历史尚较短，但对作为地球物理层析成像技术重要组成部分的弹性波层析成像技术，我国物探工作者自20世纪80年代后期开始就给予充分关注，在理论、方法、软件等方面做了大量工作。编写出版了专着，发表了许多有关论述，涉及弯曲射线、最短路径、最大熵、级联、透射、反射、折射、纵波、横波等射线层析和波动方程层析方法和算法，其中不乏有创意的进展和研究成果^[84～108]。

4.井中重力法

井中重力法的发展主要决定于井中重力仪制造技术。1966年国外研制出首台可实用的井中重力仪以来，虽也有新产品问世，但限于其较大外径，迄今仍只能在油气钻井中使用。主要用以测定井周地层宏观密度进而获得不受泥浆滤液侵入影响的孔隙度及裂缝溶洞发育情况。我石油部门1991年引进了美国拉科斯特公司井中重力仪，在重庆地区作了深井实测，对其效果和局限性作了初步分析研究^[17,18]。

（三）评价和差距

井中物探在我国起步较早，受到不同领域物探工作者和各有关部门的重视，在扩大应用和发展技术上作了积极努力。我国井中电磁波法和井中激发极化法技术及应用居世界先进水平，井中三分量磁测技术及应用在20世纪70～80年代曾一度堪称世界领先。我国在电磁波、电磁场及弹性波层析成像理论和方法研究方面也有不少先进水平成果。

作为物探向深部和立体空间扩展主要途径的井中物探，在我国的发展总体上尚不够理想。特别是近十余年，在一些方面和国际水平差距增大。我国井中三分量磁力仪研制长期停滞不前，迄今仍停留在二十年前的低精度水平，而国外已有高精度产品。井中瞬变电磁法在国外已成为在老矿区找寻大深度良导电性大型盲矿体的有力工具，生产了多种型号配有三分量深井探头的大功率瞬变电磁系统，而我国目前还只能开展一些较浅的单分量工作。我国实用的井中电磁波法尚停留在仅利用振幅参数阶段。井中物探工作离不开钻孔，而由于认识上和管理上的原因，我国近年在金属矿上使用地质勘查钻孔进行井中物探工作的非技术性困难增多，也影响了适用于这一领域的井中物探技术的发展。

Ⅳ 常用井下物理测井方法介绍

1.视电阻率测井

(1)视电阻率测井原理

在实际测井中,岩层电阻率受围岩电阻率、钻井液电阻率、钻井液冲洗带电阻率的影响,井下物探测得的电阻率不是岩层的真电阻率,这种电阻率称为视电阻率。视电阻率测井主要包括三部分:供电线路、测量线路和井下电极系,如图4-6所示。

图4-6 视电阻率测井原理图

在井下将供电电极(A,B)和测量电极(M,N)组成的电极系A,M,N或 M,A,B放入井内,而把另一个电极(B或N)放在地面泥浆池中。当电极系由井底向井口移动时,由供电电极A,B供给电流,在地层中造成人工电场。由测量电极M ,N测得电位差ΔU_MN。M ,N两点的电位差直接由它所在位置的岩层电阻率所决定,岩层电阻率越高,测得的电位差就越大;岩层电阻率越低,测得的电位差就越小。电位差的变化,反映了不同地层电阻率的变化。视电阻率测井实际上就是对电位差的连续测量,经过计算就可求得视电阻率。

(2)视电阻率曲线形态

视电阻率曲线形态与电极系的分类有关。当井下测量电极系为A,M,N时,称为梯度电极系;当井下测量电极系为M,A,B时,称为电位电极系。由供电电极到电极系记录点的距离称为电极距,常用的有2.5m梯度电极系和0.5m电位电极系。梯度电极系根据成对电极系(AB或 MN)与不成对电极系(AM或MA)的位置又分为顶部梯度电极系和底部梯度电极系。

实际测井中,底部梯度电极系曲线形态如图4-7所示。顶部梯度电极系曲线形态正好相反。

电位电极系曲线形态如图4-8所示,曲线沿高阻层中心对称,A表示异常幅度,A/2称为半幅点,岩层上下界面与半幅点位置对应。

图4-7 底部梯度电极系视电阻率曲线形状

图4-8 电位电极系视电阻率测井曲线形状

(3)视电阻率测井的应用

1)确定岩性。一般纯泥岩电阻率低,砂岩稍高,碳酸盐岩相当高,岩浆岩最高。根据视电阻率曲线幅度的高低,可以判断地下岩层的岩性。但当岩层中含高矿化度的地下水时,其对应的视电阻率相应降低。由于影响视电阻率的因素很多,曲线具有多解性,要结合岩屑、岩心等其他录井资料综合判断。

2)划分地层。实际应用中,以底部梯度电极系曲线的极大值划分高阻层的底界面,以极小值划分高阻层的顶界面,单纯用视电阻率曲线划分顶界面往往有一定误差,应结合其他曲线进行划分。视电阻率曲线确定高电阻岩层的界面比较准确,而对电阻率较低的地层则准确度较差。

2.自然电位测井

(1)自然电位测井原理

地层中有3种自然电位,即扩散吸附电位、过滤电位和氧化还原电位。扩散吸附电位主要发生在地热、油气井中,是我们主要测量的对象;过滤电位很小,常忽略不计;氧化还原电位主要产生在金属矿井中,这里不做研究。

在砂岩储层地热井中,一般都含有高矿化度的地热流体。地热流体和钻井液中都含有氯化钠(NaCl)。当地热流体和钻井液两种浓度不同的溶液直接接触时,由于砂岩地层水中的正离子(Na⁺)和负离子(Cl^-)向井液中扩散,Cl^-的迁移速度(18℃时为65×10⁵cm/s)比Na⁺的迁移速度(18℃时为43 ×10⁵cm/s)大,所以随着扩散的进行,井壁的井液一侧将出现较多的Cl^-而带负电,井壁的砂岩一侧则出现较多的Na⁺而带正电。这样,在砂岩段井壁两侧聚集的异性电荷(砂岩带正电荷,钻井液带负电荷)就形成了电位差。

与砂岩相邻的泥岩中所含的地层水的成分和浓度一般与砂岩地层水相同,泥岩中高浓度的地层水也向井内钻井液中扩散。但由于泥质颗粒对负离子有选择性的吸附作用,一部分氯离子被泥岩表面吸附在井壁侧带负电,井壁的井液一侧将出现较多的Na⁺而带正电。这样,在泥岩段井壁两侧聚集的异性电荷(泥岩带负电荷,钻井液带正电荷)就形成了电位差。

由于正负电荷相互吸引,这种带电离子的聚集发生因地层岩性不同,在两种不同浓度溶液的接触(井壁)附近,形成自然电位差(图4-9)。用一套仪器测量出不同段的自然电位差,就可以研究出地下岩层的性质。

(2)自然电位曲线形态

在渗透性砂岩地层中,若岩性均匀,自然电位曲线的形态与地层中点是对称的。异常幅度大小等于自然电流在井内的电位降。一般用异常幅度的半幅点确定地层顶底界面,如图4-9所示。

图4-9 井内自然电位分布与自然电位曲线形状

(3)自然电位测井的应用

A.划分渗透层

自然电位曲线异常是渗透性岩层的显着特征。当地层水矿化度大于钻井液矿化度时(地热水多为此例),渗透层自然电位曲线呈负异常,泥岩层自然电位曲线呈正异常。当地层水矿化度小于钻井液矿化度时则相反。

划分渗透层一般以泥岩自然电位为基线,砂岩中泥质含量越少,自然电位幅度值愈大,渗透性愈好;砂岩中泥质含量越多,自然电位幅度值就愈小,渗透性就变差。

划分地层界面一般用半幅点确定。但当地层厚度h小于自然电位曲线幅度Am时,自1/3幅点算起;地层厚度h≥自然电位曲线幅度5Am时,自上、下拐点算起。

B.划分地层岩性

岩石的吸附扩散作用与岩石的成分、结构、胶结物成分、含量等有密切关系,故可根据自然电位曲线的变化划分出地层岩性。如砂岩岩性颗粒变细,泥质含量越多,自然电位幅度值就降低,据此可划分出泥岩、砂岩、泥质砂岩等。

3.感应测井

(1)感应测井原理

感应测井是研究地层电导率的测井方法。井下部分主要测井仪器有:发射线圈、接收线圈和电子线路,如图4-10所示。在下井仪器中,当振荡器向发射线圈输出固定高频电流(I)时,发射线圈就会在井场周围的地层中形成交变电磁场,在交变电磁场的作用下,地层中就会产生感应电流(I),感应电流又会在地层中形成二次电磁场(或叫次生电磁场),在次生电磁场的作用下,接收线圈会产生感应电动势,地面记录仪将感应电动势的信号记录下来,就成为感应测井曲线。

图4-10 感应测井原理图

(2)感应测井曲线形态

由于感应电流大小与地层电导率成正比,所以,地层电导率大,感应测井曲线幅度高;地层电导率小,感应测井曲线幅度低。

(3)感应测井的应用

A.确定岩性

与其他曲线配合,可区分出砂岩、泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩等岩性。划分厚度大于2m的地层,按半幅点确定其界面;厚度小于2m的地层,因用半幅点分层较麻烦,实际中往往不用感应曲线分层。

注意的是,感应曲线上读的是电导率,其单位是毫欧姆/米(mΩ/m)。它的倒数才是视电阻率,单位是欧姆米(Ω·m)。

B.判断含水储层,划分界面

感应测井曲线对地层电阻率反应极为灵敏。由于电阻率的变化导致电导率的变化,水层电导率明显升高,分界面往往在曲线的急剧变化处。

4.侧向测井

(1)侧向测井原理

侧向测井是视电阻率方式之一,不同的是它的电极系中除有主电极系外,还有一对屏蔽电极,其作用是使主电流聚成水平层状电流(又称聚焦测井),极大地降低了钻井液、冲洗带和围岩的影响,能解决普通电极测井不能解决的问题,如在碳酸岩地层、盐水钻井液以及薄层交互剖面中提高解释效果。

侧向测井有三侧向、六侧向、七侧向、八侧向和微侧向。下面仅介绍常用的七侧向、八侧向、双侧向和微侧向。

(2)七侧向测井

1)七侧向测井是一种聚焦测井方法,其主电极两端各有一个屏蔽电极,屏蔽电极使主电流成薄层状径向地挤入地层,此时,井轴方向上无电流通过,七侧向测井曲线就是记录在不变的主电流全部被挤入地层时,所用的电压值。当地层电阻率较大时,主电流不易被挤入地层,所用的电压值就大;相反,当地层电阻率较小时,主电流容易被挤入地层,所用的电压值就小。在测井曲线上,对应高阻层,曲线有较高的视电阻率;对应低阻层,曲线有较低的视电阻率。

2)七侧向测井曲线的应用

七侧向测井曲线的特点是正对高阻层,曲线形状呈中心对称,曲线上有两个“尖子”,解释时取地层中点的视电阻率作为该高阻层的视电阻率值,取突变点作为地层的分界线,如图4-11所示。

七侧向测井可分为深、浅两种侧向。深侧向能反映地层深部的电阻率;浅侧向能反映井壁附近地层的电阻率变化。对于热储层而言,它仅反映钻井液冲洗带附近的电阻率变化。根据七侧向测井的特点,将它们组合起来,就能较好地划分地层所含流体的性质。此外,还可以求出地层的真电阻率。七侧向测井常用于孔隙型地层测井中。

图4-11 七侧向测井曲线形状图

(3)八侧向测井

八侧向测井是侧向测井的一种,原理与七侧向测井相同,实际为一探测深度很浅的七侧向测井,只是电极系尺寸大小和供电回路电极距电极系较近,因此看起来很像一个八个电极的电极系,故名八侧向。八侧向探测深度为0.35m,应用地层电阻率范围0～100Ωm,且泥浆电阻率大于0.1Ωm(魏广建,2004)。因八侧向探测深度浅,纵向分层能力较强。它是研究侵入带电阻率的方法,通常不单独使用,而是和感应测井组合应用,称为双感应-八侧向测井,是目前井下地球物理测井的主要测井项目。

(4)双侧向测井

双侧向电极系结构:由七个环状电极和两个柱状电极构成。

双侧向探测深度:双侧向的探测深度由屏蔽电极A₁,A₂的长度决定,双侧向采用将屏蔽电极分为两段,通过控制各段的电压,达到增加探测深度的目的。侧向测井由于屏蔽电极加长,测出的视电阻率主要反映原状地层的电阻率;浅侧向测井探测深度小于深侧向,主要反映侵入带电阻率。

双侧向纵向分层能力:与O₁,O₂的距离有关,可划分出h＞O₁,O₂的地层电阻率变化。

双侧向影响因素:层厚、围岩对深、浅双侧向的影响是相同的,受井眼影响较小。

双侧向测井资料的应用:

1)划分地质剖面:双侧向的分层能力较强,视电阻率曲线在不同岩性的地层剖面上,显示清楚,一般层厚h＞0.4m的低阻泥岩,高阻的致密层在曲线上都有明显显示。

2)深、浅侧向视电阻率曲线重叠,快速直观判断油(气)水层。

由于深侧向探测深度较深,深、浅测向受井眼影响程度比较接近,可利用二者视电阻率曲线的幅度差直观判断油(气)、水层。在油(气)层处,曲线出现正幅度差;在水层,曲线出现负幅度差。如果钻井液侵入时间过长,会对正、负异常差值产生影响,所以,一般在钻到目的层时,应及时测井,减小泥浆滤液侵入深度,增加双侧向曲线差异。

3)确定地层电阻率。

根据深、浅双侧向测出的视电阻率,可采用同三侧向相同的方法求出地层真电阻率Rt和侵入带直径Di。

4)计算地层含水饱和度。

5)估算裂缝参数。

(5)微侧向测井

微侧向装置是在微电极系上增加聚焦装置,使主电流被聚焦成垂直井壁的电流束,电流束垂直穿过泥饼,在泥饼厚度不大的情况下可忽略不计,测量的视电阻率接近冲洗带的真电阻率。

由于主电流束的直径很小(仅4.4cm),所以,微侧向测井的纵向分辨能力很强。因此,应用微侧向测井曲线可以划分岩性,划分厚度为5cm的薄夹层、致密层,常用于碳酸盐岩地层测井中。

5.声波时差测井

(1)声波时差测井原理

声波时差测井原理如图4-12所示,在下井仪器中有一个声波发射器和两个接收装置。当声波发射器向地层发射一定频率的声波时,由于两个接收装置与发射器之间的距离不同,因此,初至波(首波)到达两个接收器的时间也不同。第一个接收器先收到初至波,而第二个接收器在第一个接收器初至波到达Δt时间后才收到初至波。Δt的大小只与岩石的声波速度有关,而与泥浆影响无关。通常两接收器之间的距离为0.5m,测量时仪器已自动把Δt放大了一倍,故Δt相当于穿行1m所需的时间。这个时间又叫做声波时差,单位是μs/m (1s=10⁶μs)。声波时差的倒数就是声波速度。

图4-12 声波时差测井原理图

(2)声波时差测井的应用

A.判断岩性

岩石越致密,孔隙度越小,声波时差就越小;岩石越疏松,孔隙度越大,声波时差就越大。因此,可以利用声波时差曲线判断岩性,从泥岩、砂岩到碳酸盐岩声波时差是逐渐减小的(泥岩252～948μs/m;砂岩300～440μs/m;碳酸盐岩125～141μs/m)。

B.划分油、气、水层

当岩层中含有不同的流体时,由于流体密度存在差异,声波在不同流体中传播速度不同。因此,在其他条件相同的前提下,沉积地层中的流体性质也影响声波时差,如淡水声波时差为620μs/m,盐水为608μs/m,石油为757～985μs/m,甲烷气为2260μs/m。同样,岩石中有机质含量也可影响声波的速度,一般情况下,泥页岩中有机质含量越高,所对应的声波时差值越大(操应长,2003)。

实际应用中,气层声波时差较大,曲线的特点是产生周波跳跃现象。油层与气层之间声波时差曲线的特点油层小,气层大,呈台阶式增大;水层与气层之间声波时差曲线的特点是水层小,气层大,也呈台阶式增大。但水层一般比油层小10%～20%,如图4-13所示。

C.划分渗透性岩层

当声波通过破碎带或裂缝带时,声波能量被强烈吸收而大大衰减,使声波时差急剧增大。根据这个特征,可以在声波时差曲线上将渗透性岩层划分出来。

D.沉积地层孔隙度、地层不整合面研究

在正常埋藏压实条件下,沉积地层中孔隙度的对数与其深度呈线性关系,声波时差对数与其深度也呈线性关系,并且随埋深增大,孔隙度减小,声波时差也减小,若对同一口井同一岩性的连续沉积地层,表现为一条具有一定斜率的直线。但是,有的井声波时差对数与其深度的变化曲线并不是一条简单的直线,而是呈折线或错开的线段,可能就是地层不整合面或层序异常界面。

图4-13 声波时差测井曲线应用

6.自然伽马测井

(1)自然伽马测井原理

在自然界中,不同岩石含有不同的放射性。一般地,岩石的泥质含量越高放射性越强,泥质含量越低放射性越弱。其射线强度以γ射线为最。

自然γ测井中,井下仪器中有一γ闪烁计数器,计数器将接收到的岩层自然γ射线变为电脉冲,电脉冲由电缆传至地面仪器的放射性面板,变为电位差,示波仪把电位差记录成自然伽马曲线。岩层的自然伽马强度用脉冲/分表示,如图4-14所示。

图4-14 自然伽马测井装置及曲线形状图

h—岩层厚度;d₀—井径

(2)自然伽马曲线形态

1)自然伽马曲线对称于地层层厚的中点;

2)当地层厚度大于3倍井径时,自然伽马曲线极大值为一常数,用半幅点确定岩层界面;

3)当地层厚度小于3倍井径时,自然伽马曲线幅度变小,小于0.5倍井径时,曲线表现为不明显弯曲,岩层越薄,分层界限越接近于峰端,如图4-14所示。

(3)自然伽马测井的应用

A.划分岩性

在砂泥岩剖面中,泥岩、页岩自然伽马曲线幅度最高,砂岩最低,而粉砂岩、泥质砂岩则介于砂岩和泥岩之间,并随着岩层泥质含量增多而曲线幅度增高(见图4-15)。

在碳酸盐岩剖面中,泥岩、页岩自然伽马曲线值最高,纯灰岩、白云岩最低;而泥质灰岩、泥质白云岩则介于二者之间,并随着泥质含量的增加而自然伽马值也增加。

图4-15 应用自然伽马和中子伽马曲线判别岩性

B.判断岩层的渗透性

根据自然伽马曲线的幅度可判断泥质胶结砂岩渗透性的好坏,也可间接判断碳酸盐岩裂缝的发育程度,划分裂缝段。

C.进行地层对比

由于自然伽马曲线不受井眼、钻井液、岩层中流体性质等因素的影响,所以,在其他测井曲线难以对比的地层中,可用自然伽马曲线进行地层对比。

D.跟踪定位射孔

由于自然伽马测井不受套管、水泥环的影响,所以,在下完套管之后的射孔作业中,将下套管的自然伽马测井曲线与裸眼测井曲线对比,确定跟踪射孔层位。

Ⅳ 煤炭勘探有什么物探方法最好，为什么有详细的解答么 谢谢急用

常用的煤田物探方法有重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、地球物理测井和遥感物探等，其中以地震法、电法和测井应用得最广泛。
最好的还属于地震勘探，最初用折射法进行地质填图，圈定煤系的分布范围并判别岩性，目前已普遍采用共反射点多次覆盖方法。由于煤层同顶底板岩层的物性有明显的差异，煤层界面的反射系数远大于一般岩层，可达0.3～0.5。因此，具有一定厚度的煤层或煤层组往往形成能量强、稳定、连续的标准反射波，对追踪煤层、反映构造特点均有利。地震勘探具有较高的精度，所以常用于煤田的勘探阶段。现阶段煤田地震勘探解决的主要地质问题包括：确定覆盖层厚度，进行覆盖层下的地质填图，圈定煤系赋存范围，探测同煤层有关的地质构造，确定煤系基底深度等。

Ⅵ 目前常用的物探方法有哪些

物探方法是一种间接的观测方法，是利用物理学原理和仪器获得已知岩矿石标本或模型的物性参数及其规律，再根据已建立的物性规律(数学物理模型) 去解释野外实际观测的参数值，然后再将物探成果(物性剖面、断面、平面图等) 解译为地质成果。

常用工程物探方法及特点

①电法勘探：包括电测深法、电剖面法、高密度电法、自然电场法、充电法、激发极化法、可控源音频大地电磁测深法、瞬变电磁法等；
②探地雷达：可选择剖面法、宽角法、环形法、透射法、单孔法、多剖面法等；
③地震勘探：包括浅层折射波法、浅层反射波法和瑞雷波法；
④弹性波测试：包括声波法和地震波法。声波法可选用单孔声波、穿透声波、表面声波、声波反射、脉冲回波等；地震波法可选用地震测井、穿透地震波速测试、连续地震波速测试等；
⑤层析成像：包括声波层析成像、地震波层析成像、电磁波吸收系数层析成像或电磁波速度层析成像等。