CN103487843B - 一种基于电阻率成像技术的地下水量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电阻率成像技术的地下水量测量方法，采用高密度电阻率法，对成一线的测井做连井电测试验，绘制ρ_s等值线断面图；同时利用地球物理测井方法及声波法等测量方法，依据地层与电性层的对应关系，采取地面与井中测量相结合的***观测方法，绘制研究区三维视电阻率成像图，将传统方法的散点精确值提高至连线剖面精确值，据此计算地下水含量，可较大地提高地下水量测量的准确度。

Description

一种基于电阻率成像技术的地下水量测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于电阻率成像技术的地下水量测量方法，属于地下水水量测量技术领域。

背景技术

地下水资源是自然界水循环***的重要组成部分，地下水资源量的勘测对分析研究区水文地质条件和水资源配置及评价都有着重要意义。地下水评价最常使用的方法是水均衡法，但水均衡法只能反映地下水的补给和***量，不能反映出地下水资源的实际总量，不少地下水勘测工程，如地铁、隧洞、建筑等开挖工程地下水量计算、山丘区找水工程的水量估算等往往需要分析研究区地下水的总储量，这需要运用水文地质物探和水文地质钻探勘测方法。

水文地质物探用途广泛，具有成本低、速度快等优点，主要用于探测研究区岩体构造及含水性能等。水文地质物探方法种类很多，常用的有地面物探和地球物理测井两类，其中，地面物探中的电阻率法由于成本低、适应性强，成为了水文地质地面物探中最普遍使用的方法。电阻率法通过测量岩石的电阻率，分析推断地质体的水文地质特征，但该法仅能对地质条件作粗略描述，多用于干旱地区及山丘区找水；地球物理测井是将地球物理勘探方法用于井孔中，研究井孔剖面和井孔周围的地质情况，可用于钻孔剖面的岩性分层，校正钻孔资料，判断含水带及确定水文地质参数等。水文地质钻探是地下水勘测最直接的勘探手段，但由于该法布孔复杂，施工困难，耗时长，成本高，在应用时需要特别慎重。

目前地下水储量测量的常用方法是工程物探和开采试验法，先用物探电阻率法查看地质状况，再钻井确认，根据钻井抽水试验运用克里金法插值拟合分析地下水资源储量。由于物探电阻率法的精确度不高，不能准确反映研究区的地质情况，通常仅用作在钻井测量前对研究区地质状况的定性分析，并不能用于地下水含水量的分析计算；抽水试验的精度较高，但成本高过程复杂，需要大量的准备工作，钻井的局部性也使得地下水含水量的计算多为散点估算值，不能从整体上反映地下水的分布状况，另外，常用的地下水量测量方法没有考虑孔隙率对地下水量的影响，地下水量测量精度不高。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于电阻率成像技术的地下水量测量方法，该方法经济易行，可较大地提高地下水量测量的准确度。

技术方案：一种基于电阻率成像技术的地下水量测量方法，尽量利用研究区内已有测井，如果测井数量不够不能反映整个研究区的地质情况，则考虑新增钻井。根据已有测井和新增测井的钻孔岩芯资料，初步判断测井区的地质分布情况。

采取地面与井中测量相结合的***观测方法。

地面测量***采用高密度电阻率法。

采用高密度电阻率法对成一线的测井做连井电测试验，绘制ρ_s等值线断面图。高密度电阻率法原理与电阻率法相同，但是该法在观测中设置了较高密度的观测点，采用多电位电极系，并增设了数据采集***，测量装置按电极排列方式的不同一般分为对称四极装置、偶极装置和差分装置等，在测量方法和仪器上也采取了一些措施，使得数据的精度高，抗干扰性强。在连井电测实验中，根据已知的地质资料选择适当的电极距（测量电极距一般可取1～5m，根据电阻率成像情况可作适当调整，对于常用的对称四极装置，供电电极距一般选取覆盖层厚度的5～10倍，测量电极距一般选取供电电极距的1/3～1/5），在测井连接线上直线布置多电位电机系，用多芯电缆把电极连接至接线盘，通过程控式电极自动转换器和增强型数字电阻率仪逐级观测，并用计算机和绘图仪，即可绘制出测井连线剖面的ρ_s剖面图和ρ_s等值线断面图。

井中测量***采用电测井法和声波法。

采用电测井法测量已有测井的视电阻率ρ_s，通过绞车、井口滑轮等仪器装备沿井轴放入供电电极和测量电极，测出电极之间电位差ΔU和供电电流I，根据电学性质计算所测视电阻率ρ_s的大小，绘制测井视电阻率ρ_s曲线，根据测井视电阻率ρ_s曲线划分地层，与钻孔岩芯资料相互验证，得到较为精确的测井地层划分图像和视电阻率ρ_s曲线，并以此作为确定的边界条件调整高密度电阻率法的ρ_s等值线断面图，对不合理的视电阻率ρ_s曲线进行平移和拟合，确保视电阻率ρ_s曲线在边界处平滑衔接。

在电测法测量之后，利用电测法井上装置将声速测井的井下仪器放入井轴中，根据声波传播速度在岩石、岩石骨架和孔隙液体中的不同，通过测量在岩石、岩石骨架和孔隙液体等不同地层中声波发射器发出声波到接收器接收到声波所用的时间，计算地下水含水层的孔隙率φ。

在研究区布设若干条交叉的连线测井，使测井覆盖整个研究区，采取相同的勘测方法绘制整个研究区的三维ρ_s等值线断面图，各类岩石的视电阻率ρ_s数值范围可在勘探手册上查得，地下水会造成岩层ρ_s值的明显减小，根据ρ_s等值线断面图上低阻区的分布范围即可判断含水层的厚度h和范围A，由此计算出地下水含水层的体积V，从而得出地下水含量V_s＝V·φ·η，其中η为地下水承压系数，对于潜水层η=1，对于承压含水层η为高出承压层上顶的压力水头高度（m）。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于电阻率成像技术的地下水量测量方法，利用水文地质物探方法中的高密度电阻率法、地球物理测井方法及声波法等测量方法，依据地层与电性层的对应关系，采取地面与井中测量相结合的***观测方法，绘制研究区三维视电阻率成像图，改进了传统以点定面的测量方法，实现以线定面，同时，采用声波法测量地下含水层的孔隙率φ，根据地下水承压情况计算承压系数η，从而得出区域地下水含量V_s＝V·φ·η。据此计算地下水含量，可较大地提高地下水量测量的准确度，且方法经济易行，需用的测量时间和人力少，能极大地降低测量成本。此外，结合井孔抽水试验资料，可进一步评价区域可开采地下水资源。

附图说明

图1为基于电阻率成像技术的地下水量测量方法流程图；

图2为对称四极、偶极和差分3种电极排列方式下测量装置原理图；

图3为研究区地面测线及测井位置分布图；

图4为高密度电阻率法实测的研究区ρ_s剖面图；

图5为连井电测试验及电测井法所得含边界ρ_s等值线断面图；

图6为研究区三维ρ_s等值线断面图；

图7为研究区含水层三维成像图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，基于电阻率成像技术的地下水量测量方法，尽量利用研究区内已有测井，如果测井数量不够不能反映整个研究区的地质情况，则考虑新增钻井。根据已有测井和新增测井的钻孔岩芯资料，初步判断测井区的地质分布情况。

采取地面与井中测量相结合的***观测方法。

地面测量***采用高密度电阻率法。

采用高密度电阻率法，对成一线的测井做连井电测试验，绘制ρ_s等值线断面图。高密度电阻率法原理与电阻率法相同，但是该法在观测中设置了较高密度的观测点，采用多电位电极系，并增设了数据采集***，在测量方法和仪器上也采取了一些措施，使得数据的精度高，抗干扰性强。在连井电测实验中，根据已知的地质资料选择适当的电极距，在测井连接线上直线布置多电位电机系，用多芯电缆把电极连接至接线盘，通过程控式电极自动转换器和增强型数字电阻率仪等设备逐级进行观测，并用计算机和绘图仪，即可绘制出测井连线剖面的ρ_s剖面图和ρ_s等值线断面图。

井中测量***采用电测井法和声波法。

采用电测井法测量已有测井的视电阻率ρ_s，通过绞车、井口滑轮等仪器装备沿井轴放入供电电极和测量电极，测出测量电极之间电位差ΔU和供电电流I，根据电学性质计算所测视电阻率ρ_s的大小，绘制测井视电阻率ρ_s曲线，根据测井视电阻率ρ_s曲线划分地层，与钻孔岩芯资料相互验证，并以此作为确定的边界条件调整高密度电阻率法的ρ_s等值线断面图。

可在电测法测量之后，利用电测法井上装置将声速测井的井下仪器放入井轴中，通过测量在岩石、岩石骨架和孔隙液体等不同地层中声波发射器发出声波到接收器接收到声波所用的时间，计算地下水含水层的孔隙率φ。

在研究区布设若干条交叉的连线测井，使测井覆盖整个研究区，采取相同的勘测方法绘制整个研究区的三维ρ_s等值线断面图，各类岩石的视电阻率ρ_s数值范围可在勘探手册上查得，地下水会造成岩层ρ_s值的明显减小，根据等ρ_s断面图上低阻区的分布范围即可判断含水层的厚度h和范围A，由此计算出地下水含水层的体积V。根据地下水承压情况计算承压系数η，对于潜水层η=1，对于承压含水层η为高出承压层上顶的压力水头高度（m），从而得出地下水含量V_s＝V·φ·η。

高密度电阻率法测量装置按电极排列方式的不同一般分为对称四极装置、偶极装置和差分装置等，其工作原理如图2中各分图所示。图2中C₁、C₂为供电电极，P₁、P₂为测量电极，实际测量过程中通过供电电极C₁、C₂向地下供电，通过测量各电极之间的距离及电位差，代入点源电场电位表达公式即可计算视电阻率ρ_s。

已知研究区内有5个均匀分布的测井井孔，分别标号为井孔1、2、3、4、5，如图3，测井的钻井岩芯资料显示研究区地下水位稳定，地层分布较为复杂。传统的抽水试验计算地下水量仅能得到散点精确值，再运用克里金法插值估算整个区域的地下水量，对于复杂地形精度往往无法满足要求。

图3中测井井孔1、2、3在一条直线上，采用高密度电阻率法，选用对称四极装置，根据地质资料选取电极距ρ_s=5m，在测井井孔1、2、3的连接线测线1上直线布置电极做连井电测试验，用多芯电缆把电极连接至接线盘，通过测量***逐级观测，并用计算机和绘图仪，绘制出测井连线剖面的ρ_s剖面图和ρ_s等值线断面图，见图4和图5，其中，图4为高密度电阻率法实测视电阻率ρ_s剖面图，图中横坐标15-43测点为研究区边界，高密度电法的测线两端要超出研究区范围进行测量，以保证研究区内ρ_s断面图的完整性，根据低阻区分布范围，判断上部深色区域为含水层；图5为研究区视电阻率ρ_s等值线断面图，测井1、2、3分别位于横坐标18、29、40测点处，断面深度选取到充分包含含水层的深度，图5中断面深度为38.8m。

在高密度电阻率法的基础上，采用电测井法测量测井1、2、3的视电阻率ρ_s，通过绞车、井口滑轮等仪器装备沿井轴放入供电电极和测量电极，测出电极之间电位差ΔU和供电电流I，根据电学性质可计算出视电阻率式中K为电极系系数，可通过实验方法求出。绘制测井视电阻率ρ_s曲线，根据视电阻率测井ρ_s曲线划分地层，与钻孔岩芯资料相互验证，得到较为精确的测井地层划分图像和视电阻率ρ_s值，如图5，并以此作为边界条件调整高密度电阻率法的ρ_s等值线断面图，对不合理的视电阻率ρ_s曲线进行平移和拟合，确保视电阻率ρ_s曲线在边界处平滑衔接。实例中在拟合视电阻率ρ_s曲线上新打若干测井进行验证，均取得了比传统克里金法更好的效果，证实经电测井法调整后的高密度电阻率法实测ρ_s曲线具有更高的精确度。

在电测法测量之后，利用电测法井上装置将声速测井的井下仪器放入井轴中，通过测量在岩石、岩石骨架和孔隙液体等不同地层中声波发射器发出声波到接收器接收到声波所用的时间ΔT、ΔT_m、ΔT_f，计算声波在相应物质中传播1m所需要的时间Δt、Δt_m、Δt_f，计算得地下水含水层的孔隙率φ=17.23%。

取研究区含水层土样测量干土的电阻率值范围为ρ_s=250～500Ω·m，根据地下水对岩层ρ_s值的影响，确定以ρ_s=239.7Ω·m为边界的低阻区为含水层范围，标定含水层的厚度h和范围A，如图6，在研究区布设若干条交叉的连线侧井，测井覆盖整个研究区，例如将测井2、4、5相连，采取相同的勘测方法绘制整个研究区的三维ρ_s等值线断面图，如图7所示，三维图中显示的是含水层的上下边界，由此积分计算出含水层的体积V=89293m³，研究区地下水含水层为潜水含水层，故地下水承压系数η=1，从而得出地下水含量V_s＝V·φ·η=15385m³。

为验证本发明方法的优越性，对研究区5个测井做群孔抽水试验，根据抽水试验结果，研究区给水度为0.15，地下水资源可开采量为1381m³，估算的地下水总量为9207m³，对研究区含水层开挖土样做土工试验测定含水率，并统计开挖量和抽水量，计算得研究区实际地下水资源量为15887m³。经比较，本发明提供的基于电阻率成像技术的地下水量测量方法具有更高的精确度，且与传统方法相比，更经济易行。

Claims (3)

1.一种基于电阻率成像技术的地下水量测量方法，其特征在于：

采取地面与井中测量相结合的***观测方法；地面测量***采用高密度电阻率法；

采用高密度电阻率法对成一线的测井做连井电测试验，绘制ρ_s等值线断面图；在连井电测实验中，根据已知的地质资料选择适当的电极距，在测井连接线的直线上布置多电位电机系，用多芯电缆把电极连接至接线盘，通过程控式电极自动转换器和增强型数字电阻率仪设备逐级进行观测，并用计算机和绘图仪，即可绘制出测井连线剖面的ρ_s剖面图和ρ_s等值线断面图；

所述适当的电极距的选择具体为：测量电极距可取1～5m，根据电阻率成像情况可作适当调整，对于常用的对称四极装置，供电电极距一般选取覆盖层厚度的5～10倍，测量电极距一般选取供电电极距的1/3～1/5；

在高密度电阻率法的基础上，井中测量***采用电测井法和声波法；

采用电测井法测量测井的视电阻率ρ_s，沿井轴放入供电电极和测量电极，测出测量电极之间电位差_ΔU和供电电流I，根据电学性质计算所测视电阻率ρ_s的大小，绘制测井视电阻率ρ_s曲线，根据测井视电阻率ρ_s曲线划分地层，与钻孔岩芯资料相互验证，得到较为精确的测井地层划分图像和视电阻率ρ_s曲线，并以此作为确定的边界条件调整高密度电阻率法的ρ_s等值线断面图，对不合理的视电阻率ρ_s曲线进行平移和拟合，确保视电阻率ρ_s曲线在边界处平滑衔接。

2.如权利要求1所述的基于电阻率成像技术的地下水量测量方法，其特征在于：在电测法测量之后，利用电测法井上装置将声速测井的井下仪器放入井轴中，根据声波传播速度在岩石、岩石骨架和孔隙液体中的不同，通过测量在岩石、岩石骨架和孔隙液体等不同地层中声波发射器发出声波到接收器接收到声波所用的时间，计算地下水含水层的孔隙率φ。

3.如权利要求2所述的基于电阻率成像技术的地下水量测量方法，其特征在于：在研究区布设若干条交叉的连线测井，使测井覆盖整个研究区，采取相同的***勘测方法绘制整个研究区的三维ρ_s等值线断面图，各类岩石的视电阻率ρ_s数值范围可在勘探手册上查得，地下水会造成岩层ρ_s值的明显减小，根据ρ_s等值线断面图上低阻区的分布范围即可判断含水层的厚度h和范围A，由此计算出地下水含水层的体积V；判断含水层的承压情况，计算地下水承压系数η，对于潜水层η=1，对于承压含水层η为高出承压层上顶的压力水头高度（m），从而得出地下水含量V_s＝V·φ·η。