Uso de datos de registro de pozos para estudiar el estado físico y las propiedades físicas y mecánicas de la roca y el suelo
. La cooperación y las pruebas mutuas con métodos de investigación de laboratorio mejorarán la calidad de la evaluación de las propiedades geotécnicas del sitio.
Los métodos de registro geofísico estudian y determinan el estado físico y las propiedades físico-mecánicas de la roca y el suelo, los cuales se basan en las diferencias en las propiedades físicas de la roca y el suelo, como se muestra en la Tabla 5-1-6. y Tabla 5-1-7. Como se puede ver en la tabla, el registro de resistividad, el registro sónico y el registro nuclear se pueden utilizar para analizar la litología de la roca y el suelo en perfiles de pozo, determinar su porosidad, densidad y saturación de agua, estimar la permeabilidad y estudiar las propiedades físicas y mecánicas de la roca. de suelo. Los principios básicos y los métodos de medición se presentan a continuación.
Tabla 5-1-6 Resultados del análisis de litología de registros geofísicos y perfiles de pozo (A)
Tabla 51-7 Resultados del análisis de litología de registros geofísicos y perfiles de pozo ( b)
1. Porosidad de rocas y suelos
Los espacios entre los minerales del esqueleto de la roca y el suelo se llaman poros, y la relación de volumen de la roca y el suelo con respecto a sus poros se llama porosidad.
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Entre ellos, Wφ es el volumen ocupado por la roca y los poros del suelo; w es el volumen de la roca y la porosidad del suelo φ; expresado como porcentaje.
El método de registro geofísico consiste en determinar la porosidad de la roca y el suelo en función de la diferencia entre las propiedades físicas del medio espacial que llena los poros y las propiedades físicas de la fase sólida de la roca y el suelo (partículas minerales esqueléticas). . Las propiedades físicas de la fase sólida geotécnica están determinadas por la composición y clasificación de las partículas minerales. A continuación se presentan los principios básicos del registro de resistividad, el registro sónico, el registro de densidad gamma-gamma y el método de la curva de correlación para calcular la porosidad de la roca y el suelo.
(1) Registro de resistividad
Tomando como ejemplo la arenisca pura, se explica el principio del registro de resistividad para medir la porosidad de la roca y el suelo. Los minerales esqueléticos de la arenisca pura son principalmente feldespato y feldespato, que tienen propiedades eléctricas similares y son casi no conductores. El agua de formación o el filtrado de lodo de perforación que llena los poros es iónicamente conductor y la diferencia entre los dos es bastante obvia, lo que se puede derivar con base en el modelo de volumen cuadrado en la Figura 5-1-10.
L=Lma Lφ
W=Wma Wφ=L2Lma L2Lφ=L2(Lma Lφ)
Porosidad
Aplicación geofísica y química del método de exploración en la construcción urbana
Según el modelo mostrado en la Figura 5-1-10, considerando la diferente clasificación y redondez de las partículas que componen los minerales del esqueleto de la roca, la estructura de los poros y el grado de La curvatura del canal también es diferente, por lo tanto, el modelo puede ser equivalente a la forma que se muestra en la Figura 5-1-11, considerando que el esqueleto y los poros son paralelos cuando fluye la corriente.
Figura 5-1-10 modelo de arenisca pura de volumen cúbico
Figura 5-1-11 modelo equivalente de arenisca pura de volumen cúbico
Supongamos que Rt, Rma, Rw , ρt, ρma y ρw representan respectivamente la resistencia y resistividad del suelo rocoso, los minerales esqueléticos y el agua de formación llenos en los poros, y Lw, Sw y Ww representan respectivamente la longitud, la sección transversal y el volumen del canal de poro a través de por donde fluye la corriente, entonces: p>
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Considerando que los minerales del esqueleto son parcialmente no conductores, es decir, Rma→∞, sólo la formación El agua que llena los poros es el canal actual. En este momento,
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Por tanto
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p >
En la fórmula representa la tortuosidad del canal, la cual es difícil de determinar en la práctica, por lo que Arnay propuso la siguiente fórmula empírica.
O
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donde f se denomina factor de formación o resistividad relativa, que refleja la porosidad de la roca y estructura del suelo y poros, m se llama factor de cementación, que está relacionado con la tortuosidad C, y α es un parámetro que refleja las características litológicas. Se puede observar que f es función de la litología, la porosidad y la tortuosidad de los canales conductores, y está más estrechamente relacionada con esta última. Por lo tanto, el valor F de cada área de trabajo solo se puede obtener después de medir los valores α y M mediante experimentos. Según la experiencia nacional y extranjera, F tiene la siguiente relación:
Cuando la capa de arena,
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Cuando cuando se forma la arenisca,
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Cuando las rocas carbonatadas porosas son relativamente puras,
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Se puede ver en la fórmula (5-1-24) que la resistividad del agua de formación ρw y la resistividad de formación ρt obtenidas mediante el uso de datos de registro de resistividad se pueden usar para obtener poros de las categorías anteriores. valor de grado.
(2) Registro acústico
Para la arenisca pura, la velocidad de propagación de las ondas acústicas de partículas minerales como el feldespato y el feldespato es mucho más rápida que la del agua de formación. Esta diferencia se debe a. mediante el uso de registros acústicos. Prerrequisitos físicos para el cálculo de la porosidad geotécnica. La velocidad acústica registrada por el registro sónico es el valor promedio de la onda deslizante que se propaga a lo largo de la formación cerca de la pared del pozo. En arenisca pura compactada y cementada, la propagación de ondas sonoras en la interfaz entre las partículas minerales y el agua de los poros puede ignorarse porque la porosidad es muy pequeña (el diámetro del capilar es de 0,05 a 0,002 mm). En este momento, se puede considerar que la onda sonora se propaga en línea recta en la roca, y su tiempo de propagación es igual a la suma del tiempo que tarda la onda deslizante en atravesar el esqueleto de la roca y el fluido en los poros.
Sean T, tma, tf, T, tma, tf, V, Vma y Vf el tiempo de propagación, la diferencia de tiempo y la velocidad de las ondas sonoras en rocas, esqueletos y fluidos de poros, respectivamente. Los mismos modelos que la Figura 5-1-10 incluyen:
t=tma tf
o
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Multiplica el área a en ambos lados de la fórmula anterior y divídela por el volumen w, y lo obtendrás.
t =(1-φ)δTMA φδTF
Esto lleva a la ecuación de Wiley.
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Por ejemplo, el oportuno TMA = 51,5μs/ft 1FT = 0,3048m (Sistema Internacional de Unidades).
La TF del agua dulce es de 200 μs/pie y la TF del agua de formación con una concentración de NaCl de 100×10-6 es de 189 μs/pie. Sustituyendo estos parámetros en la ecuación (5-1-25), se puede obtener en función del valor t registrado por el registro sónico.
(3) Registro de densidad gamma-gamma
Porque la densidad de las partículas de tiempo y feldespato (es decir, densidad mineral) es más del doble que la del fluido en los poros (densidad mineral) σMa = 2,648g/cm3, σF de agua dulce = 1g/cm3, σF de solución de NaCl con una concentración de 1000×10-6 = 1,067g).
La intensidad de dispersión gamma registrada por el registro de densidad refleja directamente la densidad aparente σH relacionada con la densidad electrónica de la roca y el suelo. Aún usando el modelo de volumen de arenisca pura mostrado en la Figura 5-1-10, GH, Gma, Gf, σH, σma y σf se usan para representar el peso y la densidad del fluido en la roca y el suelo, el esqueleto y los poros respectivamente, por lo que hay
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En la fórmula, σma y σf son las densidades conocidas de los fluidos en el esqueleto y los poros respectivamente, y σH está dada por los resultados de observación del registro de densidad. La porosidad total φ de la roca se mide a partir de registros de densidad.
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Combinando los resultados del registro de densidad y del registro acústico, se puede obtener el índice de porosidad secundaria de la roca SPI.
Se sabe que la porosidad total φ es la suma de la porosidad primaria φp y la porosidad secundaria y el índice de fractura (SPI), que puede usarse para evaluar el grado de desarrollo de la porosidad secundaria y las fracturas en las rocas, es decir,
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Donde φp viene dado por los resultados del registro acústico.
(4) Método de la curva de correlación
El llamado método de la curva de correlación consiste en utilizar la curva de correlación (placa calibradora) entre diferentes parámetros físicos y porosidad de un determinado tipo de roca y suelo para solucionar el problema de Porosidad. La Figura 5-1-12 muestra la relación entre la resistividad ρt, la velocidad de propagación de la onda longitudinal VP y la densidad σ y la porosidad de la lutita (curva 3), la limolita (curva 2) y la arenisca (curva 1). Conociendo los valores de resistividad, velocidad de onda P y densidad de estos tipos de rocas y suelos, se puede calcular la porosidad a partir de la placa de medición.
Figura 5-1-12 La curva de relación entre ρS, VP, σ y porosidad φ.
1: arenisca; 2: limolita; 3: lutita.
En la práctica, para calcular de manera confiable los valores de porosidad, se deben utilizar métodos integrales de registro geofísico para determinarlos.
2. Análisis de litología de rocas y suelos
En la tecnología de registro moderna, los datos de registro pueden procesarse digitalmente mediante computadoras para analizar la litología de rocas y suelos compuestos de arena y barro. La sección geológica del pozo se utiliza para obtener el contenido de lodo, el contenido de arena y la porosidad de la formación respectivamente, y generarlos en forma de gráficos, como se muestra en la Figura 5-1-13. La figura está dividida en dos partes. La parte izquierda es el resultado de la observación (GR) de la intensidad gamma natural que cambia con la profundidad h, y la parte derecha es el resultado del análisis litológico. El patrón de líneas cortas representa el contenido de lodo de la formación, el patrón de hoyos representa el contenido de arena de la formación y el espacio en blanco representa la porosidad de la formación.
Figura 5-1-13 Resultados del análisis de litología de la combinación GR-CNL
(Según Cai Bolin 1987)
El principio del análisis de litología geotécnica es el Se utilizan el método del modelo de volumen y los triángulos de intersección de rocas para analizar la litología de las capas de arena y lodo. Las curvas de registro de entrada se pueden dividir en los siguientes tres tipos: ① combinación de registro gamma natural (GR)-registro de densidad gamma-gamma (DEN); ② combinación de registro gamma natural (GR) y registro de neutrones (CNL); Combinación de registro de densidad (DEN)-registro de neutrones (CNL), el registro acústico (AC) puede reemplazar el registro de neutrones.
(1) Utilice una combinación de GR y DE ⅳ.
1) Utilice la curva GR para calcular el contenido de lodo Wsh: si la intensidad de radiactividad natural en la formación está relacionada principalmente con el contenido de lodo en la formación y la intensidad de radiactividad natural del esqueleto de la roca (como como feldespato, etc.) Si es bastante débil, primero calcule el valor relativo ΔG de la intensidad gamma natural, es decir,
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donde GR es la gamma natural de las lecturas de registro gamma de la capa de interpretación; GRmax y GRmin son las lecturas de registro de rayos gamma naturales de lutita pura y arenisca pura en el intervalo de interpretación respectivamente (Apéndice Figura 5-1-14). Luego utilice la siguiente fórmula para calcular el contenido de lodo Wsh
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Figura 5-1-14 Lectura de registro gamma natural de lutita pura y arenisca pura
En la fórmula, c es el coeficiente empírico. Para formaciones antiguas, c=2, y para formaciones nuevas, c = 3,7 ~ 4.
En la actualidad, el registro natural de rayos gamma es el principal método para obtener el contenido de lodo (porcentaje en volumen).
2) Utilizar la curva DEN para calcular la porosidad φ:
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donde σsh es el valor de densidad de la lutita.
3) Calcular el contenido de arena WSD:
WSD=1-Wsh-φ (5-1-2 8)
(2) GR y CNL son combinados juntos.
1) Utilice la curva GR para calcular el contenido de lodo de la roca. La fórmula es la misma que antes.
2) Calcular la porosidad φ a través de la curva CN L.
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Donde φH es el valor de registro de neutrones, φma, φsh y φf son los valores neutros del esqueleto de roca, lutita y poro. agua respectivamente. Los valores de subrespuesta son todos valores conocidos.
(3) Utilice la fórmula (5-1-28) para calcular el contenido de arena WSD.
Basándose en los principios anteriores, la Oficina de Investigación y Enseñanza de Registro de Pozos de la Universidad de Geociencias de China ha compilado un programa que se puede utilizar para el análisis litológico de capas de arena y lodo (Figura 5-1-13).
3. Saturación de agua y permeabilidad de roca y suelo
(1) Determinación de la saturación de agua de roca y suelo
La saturación de agua Sw de roca y suelo es la relación entre el volumen de agua Ww en los poros del suelo y el volumen total de poros Wφ.
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Existen dos métodos para determinar la saturación de agua a partir de datos de registro de pozos, uno se basa en la fórmula de Arnay y el otro es la visualización directa rápida; método, como el método del diagrama cruzado, el método de superposición, etc. Ahora introduzcamos el método de cálculo. Por lo tanto, se introdujo la proporción.
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Donde Pt es la resistividad de los estratos parcialmente conteniendo agua o anhidros en los poros ρ0 es la resistividad de 100 saturados de agua; estratos. I se llama tasa de aumento de resistividad, que elimina la influencia de la estructura de los poros de la formación y la salinidad del agua de la formación. La relación I solo está relacionada con la saturación de agua, es decir, la aplicación de métodos de prospección geofísica y geoquímica. en la construcción urbana
Donde n se llama índice de saturación, generalmente n=2.
Sustituyendo la relación entre el coeficiente de formación F y la porosidad en la fórmula anterior, se puede obtener la fórmula de cálculo de la saturación de agua, es decir,
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p>
Donde está el factor de formación, A y B son los coeficientes empíricos. Cabe señalar que la fórmula anterior solo puede obtener buenos resultados de cálculo para formaciones puras con poros uniformes (poros intergranulares o intergranulares). Todavía se puede aplicar a formaciones con fracturas y poros desarrollados, pero la precisión es deficiente. Para la capa fangosa, es necesario corregir la influencia fangosa de la fórmula. La fórmula de cálculo es la siguiente
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En la fórmula, ρsh es lodo Resistividad de materiales sólidos; a=0,62.
(2) Permeabilidad
La permeabilidad de la roca y el suelo se refiere al fluido (o gas) que pasa a través de la roca y el suelo. bajo la acción de la capacidad de diferencia de presión. La permeabilidad k de la roca y el suelo se puede obtener a partir de la siguiente fórmula.
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Donde l y s son la longitud y el área de la sección transversal de la muestra, μ es la viscosidad del fluido, y Q es el fluido por unidad de tiempo a través del volumen de la muestra, δP es la diferencia de presión. En la práctica, se utiliza comúnmente milidarcy (mD) 1mD (mD) = 9,87×10-10 m2 (Sistema Internacional de Unidades).
Como unidad de permeabilidad.
Los experimentos muestran que cuando solo pasa un fluido, la permeabilidad medida (llamada permeabilidad absoluta) solo está relacionada con la estructura de los poros de la roca y el suelo y no tiene nada que ver con las propiedades del fluido. La permeabilidad que a menudo se menciona en la interpretación de los registros de pozos es la permeabilidad absoluta. Actualmente es inexacto calcular la permeabilidad utilizando datos de registro de pozos. La Figura 5-1-15 es un ejemplo de estimación de la permeabilidad a partir de los resultados del registro de resistividad en un área determinada. Siempre que se mida la resistividad real de la roca y el suelo, la permeabilidad desconocida de la roca y el suelo en la misma área se puede estimar mediante la curva de correlación entre resistividad y permeabilidad.
Figura 5-1-15 Ejemplo de estimación de la permeabilidad a partir de los resultados del registro de resistividad en un área determinada
4. Densidad de la roca y del suelo
La densidad de la roca y El suelo es la densidad de la roca y el suelo. La relación entre la masa y su volumen.
(1) Densidad mineral σma
La densidad de las partículas minerales de cada tipo geotécnico depende de su composición mineral, mientras que la composición mineral se ve ligeramente afectada por factores secundarios y varía a lo largo de los Restos. sin cambios durante la evolución epigenética.
La densidad mineral se suele medir en muestras de laboratorio, con un error de medición de 0,01g/cm3. Además, también se puede calcular mediante la siguiente fórmula.
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Entre ellos, σH, σf y φ se pueden determinar a partir de datos de registro de pozos.
(2) Densidad del macizo rocoso saturado de agua σH
En la perforación, la densidad medida mediante el registro de densidad es generalmente equivalente a la densidad de la roca y el suelo saturados con agua σH. En condiciones favorables, es decir, la pared del pozo es plana y el agujero no está expandido, el error relativo de σH medido mediante el registro de densidad es de aproximadamente 1 g/cm3. El valor σH también se puede calcular mediante la siguiente fórmula.
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5. Velocidad de propagación de ondas elásticas en roca y suelo
Medición de roca y suelo en sondeos Métodos para la velocidad de propagación de ondas elásticas se incluyen el registro sónico, el registro PS, el método de detección de formaciones, el método de pozos cruzados, etc. Utilizando la velocidad de onda longitudinal VP y la velocidad de onda de corte VS medidas, combinadas con los resultados del registro de densidad, se puede calcular el coeficiente elástico de la roca y el suelo; consulte la Tabla 5-1-1.
La fábrica de instrumentos geológicos de Chongqing ha desarrollado el sistema de registro digital portátil JBS-I, que incluye instrumentos de fondo de pozo y software de procesamiento de datos para los métodos de registro anteriores, y es adecuado para el registro geológico de ingeniería hidrológica.