测井在水文地质钻探中划分咸淡水分界面的应用

时间：2024-07-28

于建丛，张永泽，黄文龙

(河北省地质矿产勘查开发局国土资源勘查中心(河北省矿山和地质灾害应急救援中心)，石家庄 050081)

0 引言

为了响应党中央、国务院加快京津冀协同发展的战略和《京津冀协同发展规划纲要》提出的河北省“三区一基地”定位，河北省国土资源厅决定开展基础性的地质环境勘查与研究工作。2017年，我单位承担了京津冀协同发展文安、任丘、大城、青县1∶50000环境地质调查项目，项目共布置探采结合孔30眼，孔深30～500 m，全孔取心后成井。

河北平原沿海地区由于常年海水入侵，咸水在浅层水当中普遍存在，对当地的经济发展和居民日常生活造成了严重影响。进一步查清含水层的位置和咸淡水分界面，确定水文地质探采井的淡水利用层位，不仅可以直接服务于当地工农业发展及居民生活，降低咸水带来的不良影响，还可以为建设储备用水源地提供准确的参考依据。

目前，对咸淡水分界面的探测常用方法主要有水化学指标法、同位素指标法和物探法[1]。水化学指标法和同位素指标法过程比较复杂，测试费用较高，对以生产和使用为主要目的的水文地质钻井不适用。相对而言，物探法较廉价，可以实时监测，同时不会破坏场地环境。

国外对咸淡水分界面的划分问题有很多研究。Moore Y H 等[2]采用解析法研究了地下水系统中的咸淡水分界面，Al-Garni M A 等[3]利用瞬变电磁法对沿海地区的海水入侵情况和咸淡水分界面进行了研究，这些研究均取得了很好的效果，且为科学测定咸淡水分界面提供了参考价值和理论依据。

国内相关研究虽然起步较晚，但是目前同样取得了丰硕的成果。吕贤弼[4]采用边界元法和Hcle-Shaw模型对水动力弥散效应相对较弱的海水入侵咸淡水分界面进行了研究；刘雪友[5]进行了河北平原中东部黑龙港流域浅层咸水入侵深层淡水及三维水流模型研究；张奇[6]模拟了海水入侵界面的动态变化，揭示了地下咸淡水区域的分布特征；宋海波[7]研究了华北平原典型区地下水质和咸淡水分界面的变化；刘晓红等[8]研究了不同影响因素对咸淡水分界面发展变化的影响；靳开民[9]深入分析了电测法在咸淡水分界面当中的应用；陈松等[10]分析了北部湾咸淡水分界面划分当中的电法应用，并且取得了较好的应用效果；刘全刚[11]研究了自然电位曲线在水文矿井划分咸淡水分界面当中的应用；崔相飞等[12]研究了阐述了海岸带咸淡水分界面的研究进展；束龙仓等[13]分析了确定咸淡水分界面的综合方法及应用。

1 水文地质背景

SK深1钻孔位于任丘市长丰镇南张村，水文地质钻探取心411.48 m。依据岩心描述，地层岩性主要为粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、中砂层。地层年代总体上可划分为全新统(Qh)、上更新统(Qp3)、中更新统(Qp2)、下更新统(Qp1)四段。以第四纪沉积物岩性为基础，以水文地质条件为依据，将河北平原的第四系含水岩系自上而下划分为4个含水层组。SK深1钻孔所在的中部平原区，在第二含水层组中段或底面以上赋存着厚度30～100 m的咸水体[14]。

1.1 全新统(Qh)

第一含水层组，0～31.00 m，包括上中下三段，厚度31.00 m。地层为黏土、粉质黏土和粉土层，颜色以黄色为主，中段部分呈灰黑色淤泥质，整层见钙质结核、锈染，中段见贝壳残片。

1.2 上更新统(Qp3)

第二含水岩组，31.00～140.00 m，包括上中下三段，厚度109.00 m。地层为粉质黏土、粉土、细砂、中砂、粗砂层。粉质黏土层，褐黄色，可见大量锈染，含铁锰染，钙质结核，大小为2～15 mm；粉土层，黄褐色，可见锈染，可见钙质结核，粒径2～30 mm，最大70 mm；粉细砂层，褐黄色，透水性较差，可见水平层理，轻锈染，铁锰染；中砂，灰褐色，含绣染，分选性较好，透水性较好，47.60～ 47.80 m和48.52～48.62 m段富含贝壳及其残片，大小约为20～70 mm；粗砂层，分选性较好，透水性好，可见锈染，偶见胶结砂块。

1.3 中更新统(Qp2)

第三含水岩组，140.00～337.20 m，包括上下两段，厚度197.20 m。地层为粉质黏土、黏土、粉土、粉砂、细砂、中砂层。粉质黏土层，以黄褐色为主，局部可见钙质结核，偶见灰绿染及锰染；黏土层，颜色以黄褐色、棕褐色为主，可见钙质结核，见轻灰绿染及锈染，偶见锰染，岩性不均一；粉土层，可见钙质结核，最大为20～30 mm，见灰绿色染，偶见锰染，岩性不均一，上细下粗；粉砂层，透水性较差，风化较大，局部可见锰染，风化较重，重锈染，含土质较多；细砂层，灰黄色为主，分选性好，透水性较好，见斜层理，局部可见锈染，可见粉质黏土胶结，下部可见钙质结核、胶结砂互层，最厚110 mm；中砂层，分选性中等，透水性较好，可见斜层理，局部见斑状锈染，可见钙质结核，大小为5～10 mm。

1.4 下更新统(Qp1)

第四含水层组，337.20 m至本层未揭穿，包括上下两段。地层为粉质黏土、黏土层、粉土、粉砂、细砂、中砂层。粉质黏土层，以黄褐色为主，可见钙质结核，见铁锰染，可见少量青绿条带，局部含砂质较多，约10%，可见灰绿侵染、点状锈染；黏土层，以褐黄色为主，局部呈棕—棕黄色，可见锰染、偶见绣染，可见钙质结核；粉土层，可见锈染，局部灰绿色侵染，岩性不均一，上细下粗，局部夹粉砂薄层，可见贝壳残片；粉砂层，分选性差，透水性较差，可见斜层理，含土质较多，见中度锈染，局部夹粉质黏土薄层；细砂层，以灰黄色为主，分选性较差，透水性较差，可见斜层理，岩性不均一，两边细中间粗，366.00 m以上含粉质黏土团块夹粉质黏土薄层，可见贝壳残片；中砂层，灰白色，分选性较好，透水性较好，岩性不均一，局部夹钙质胶结层。

2 物探测井

2.1 仪器选择

本次测井使用的仪器为河北力时力拓地质仪器有限公司生产的KH-3S型综合数字测井系统，在测井之前对仪器进行了全面检查，各项技术指标均符合中华人民共和国地质矿产行业标准《水文测井工作规范》(DZ/T0181-1997)相关条款要求。

2.2 技术要求

为确保物探测井的准确度，测井工作是在完成水文地质钻探取心，并通孔换浆以后进行的。物探测井过程技术要求：

(1)测井前要调整泥浆性能，使其密度和黏度均符合测井要求；

(2)连续测量记录，根据仪器不同可以一次测量全部数据，也可分次采集；

(3)探管在井内上提和下放速度不可过快或过慢，要符合仪器使用规定；

(4)仪器采样间隔设置不可过大，一般不应大于5 cm；

(5)B电极及电位电阻率测量的N电极可放在泥浆池或固定在孔口套管上，但二者不可直接接触；

(6)自然电位数据偏离严重时，可进行人工补偿；

(7)测量时应进行曲线初步分析，出现异常时应查找原因，有疑问时应重测；

(8)测井完毕，应进行数据解译，编制文字报告及相关曲线图表。

2.3 电阻率测井方法

电阻率测井法是以研究介质导电性为物理基础的一系列方法，基本理论是根据视电阻率曲线形态划分地层、确定其厚度，定量估算地层的电阻率和孔隙度等。

观测方法是在钻孔中放置与方法相应装置的电极系，通过供电电极向孔内地层通入电流产生电场，记录测量电极之间的电位差，当电极系沿着孔底向上以一定速度移动，就可测出钻孔整个剖面地层的视电阻值，图1为视电阻率测井原理图。

图1 视电阻率测井原理图Fig.1 Schematic diagram of apparent resistivity logging

图1中，A、B为供电极，M、N为测量电极。通过供电电路将强度为I的电流供入A电极，在地下介质中形成电位差计量测MN电极之间的电位差，求取地层视电阻率值。咸水相较于淡水属低阻，从而可以通过曲线划定咸淡水分界面[15]。

2.4 自然电位测井方法

自然电位测井是利用孔内自然电位曲线研究钻孔地质剖面的方法。

观测方法是将一电极M放入井中，另一个电极N置于地面接地，在不存在任何人工电场的情况下，在井中移动M电极，用仪器测量其相对于N电极间的电位差数值变化，图2为自然电位测井原理图。

图2 自然电位测井原理图Fig.2 Schematic diagram of spontaneous potential logging

利用自然电位求地层水电阻率的两个假设条件：自然电位只是由电化学作业产生的；地层为含水纯砂层。矿化度P与地层水电阻率Rw之间的关系为

(1)

式中：P为地层水的矿化度；t为地层温度(℃)。通过式(1)可知，地层水电阻率越低，水的矿化度越高[15]。

3 物探结果

根据物探测井结果可知咸水底界分界线在104.30 m处，即咸水段的视电阻率值低于15 Ω·m，属异常低值，自然电位值低于50 mV，属异常低值；咸淡水过渡段为104.30～123.05 m，视电阻率值15～17 Ω·m，自然电位值51～52 mV；淡水段视电阻率值高于18 Ω·m，自然电位值高于55 mV；个别薄层测量值存在一定误差。部分测井曲线及原始数据见图3，从曲线上自然电位及视电阻率可直观看出淡水段(123.05～142.10 m)均为峰值，及咸水与淡水的过渡段(104.30～123.05 m)。

表1 各代表含水层测井数值对比Table 1 Logging value comparison of representative aquifers

图3 SK深1钻孔部分测井曲线及原始数据Fig.3 Part logging curves and original data of SK-1 deep borehole