謝忠球，張玉池，肖宏彬，范金釗

(1. 中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙，410082；2. 桂林礦產地質研究院，廣西 桂林，541004)

為了提高巖體的整體性和強度，降低透水性，在節(jié)理、裂隙較發(fā)育的灰?guī)r基巖內進行固結灌漿是常用的處理方法。在灌漿施工的過程中，由于各種原因，往往導致部分巖體區(qū)域的灌漿效果無法達到設計要求，從而影響巖體的整體強度。如何有效地分析鉆孔附近裂隙巖體的充填效果，從而更有效地指導灌漿施工是非常重要的。在實際工程中，灌漿質量通常是通過對比灌漿前后的聲波速度及其變化來進行評價的?？缈茁暡–T法具有測試范圍大、定位準確、測試精度較高等優(yōu)點，但有局部存在盲區(qū)、耗時長、測試費用較高等缺點。常規(guī)聲波測井測量的是初至波的時間差，測量的聲速實際上是滑行波的速度，因而，時差曲線反映的是孔壁周圍的灌漿效果，孔壁以外只能進行推測。近年來，聲波測井的影響因素、聲波全波測井的裂縫響應特征、滲透性裂縫帶對斯通利波(Stoneley波)傳播的影響等都倍受關注[1-6]。為了評價巖體灌漿質量，人們對聲波全波列測井技術進行了研究并應用到巖溶地基灌漿質量檢查中[7-10]。在實際工程中，如何從復雜的波場信息中獲取探測不同類型軟弱裂隙層及其灌漿效果的有效信息、分析巖體滲透性以及裂縫和滲透性裂縫的分布特征是工程檢測的關鍵技術。為此，本文作者在理論分析和數值研究基礎上，結合工程實踐進行試驗研究。

1 理論基礎

位于井軸上的聲源在沿井軸方向相距z處產生的聲場可以寫成如下形式[3]：

式中：S(ω)為聲源頻譜；kz為波數的軸向速度，地層傳輸響應函數，由井壁邊界處的應力和位移連續(xù)條件決定。在井孔中，決定聲波傳播特性的主要參數是井內流體與周圍地層的性質、井眼孔徑、聲源頻率(或波長)以及傳播距離等。

1.1 裂縫性地層聲波全波列測井模擬

利用數值方法[11]，計算在裂縫性地層井孔中接收到的聲波全波列信號。在觀測信號中，除接收到滑行縱波、滑行橫波、偽瑞利波和Stoneley波外，還可接收到來自井孔附近地質構造界面的反射縱波。在記錄完整的聲波全波列中，首波一般是縱波，其次是橫波，然后是由偽瑞利波、斯通利波及一些多次反射波等組成的后續(xù)波。如圖1所示。

圖1 裂縫性地層模型聲波全波列測井的典型記錄Fig.1 Typical model of full-wave acoustic waveform in interstitial stratum model

在全波列各組分波形中，斯通利波頻率最低，能量較大，到達較晚，混合在高頻的偽瑞利波中。當遇到與井壁相交的滲透性裂縫時，由于流體在裂縫中流動，斯通利波能量將顯著衰減，而且伴隨有反射現象。由于地下裂縫產狀及其性質復雜多變，在井眼條件下表現形式更加復雜。研究表明[11]：斯通利波的透射強度和反射強度取決于地層中裂縫的寬度、充填物及其滲透率?？v波反射波或轉換波可以反映井外的大角度裂縫或層界面，而低頻斯通利波反射波則對與井眼相交的小角度裂縫較敏感。

在變源距條件下可以觀測得到裂縫性地層井孔中接收到的聲波全波列信號[11]，見圖2。

從圖2可以看出：隨著源距的不斷增大，滑行波和反射縱波的到達時間均向后推移，波的幅值逐漸變小。只要選擇合適的源距，就可以采用等源距觀測系統方便、直觀地觀測到反映相應巖體結構的波場信息。

圖2 變源距條件下觀測得到的聲波全波波列Fig.2 Acoustic full wave under condition of variable spacing

1.2 巖體地層參數對聲波全波測井波場的影響分析

聲波測井的影響因素、聲波全波測井的裂縫響應特征、滲透性裂縫帶對斯通利波傳播的影響等是從復雜波場信息中研究探測不同類型巖體軟弱裂隙層及評價其灌漿處理效果的有效信息的關鍵，為此，對不同巖性聲波全波測井的裂縫響應特征進行研究[11]。

不同巖性的聲波全波列測井信號示意圖見圖3。

圖3 不同巖性的聲波全波列測井信號示意圖Fig.3 Full wave acoustic logging diagram of different rocks

分析泥巖、砂巖、灰?guī)r3種地層的合成波形可以看到：泥巖的Stoneley波到達最晚，其幅度最小；砂巖斯通利波到達次之，灰?guī)r斯通利波到達最早，但其幅度與砂巖的差不多。因此，全波列聲波測井可以反映不同的巖性界面。

研究表明：全波列測井波場中，Stoneley波對井壁界面地層參數的變化反應靈敏。滲透率對 Stoneley波的波速影響極小，但對Stoneley波的衰減速率影響明顯。當滲透率越大時，Stoneley波衰減越快；滲透率越小，波形的衰減則越慢，所以，應用幅度信息評價裂縫要比速度信息可靠。由于相速度在滲透帶與其圍巖中的不同，斯通利波在滲透率突變界面將產生反射現象，反射波幅度取決于滲透率的變化[3-5,12-16]?？梢姡核雇ɡǖ乃俣?、幅度及頻率與井壁地層的性質特別是與其滲透性有密切關系。通過分析探測器接收到的聲波全波列陣列信號的屬性特征，可以了解井旁介質的灌漿效果，有效地反映巖體的物理力學特性。

2 工程應用

2.1 工程概況

根據地質調查及鉆孔資料，吉茶(湖南吉首—茶洞)高速公路的地形、地質條件復雜。其中某特大橋勘察場地發(fā)育的地層主要為第四系的黏土、塊石和寒武系中統的灰?guī)r和下統的灰?guī)r、砂質頁巖。巖層傾角平緩，一般在 15°以內。受橋位地質構造及地形的影響，峽谷兩岸發(fā)育有構造裂隙和卸荷裂隙。為了提高基礎巖體的整體性和強度，在節(jié)理裂隙較發(fā)育的基巖內進行固結灌漿處理，并進行灌漿質量檢測試驗。

2.2 實驗檢測結果分析

試驗時，鉆機先鉆孔至設計深度，然后洗孔，再進行全波列測井試驗。本次檢測采用HX-GMM-S50C型超磁致震源作為發(fā)射震源，采用CH-3型高靈敏度探頭接收。采用自激自收觀測系統，發(fā)射電壓為288～485 V，收發(fā)探頭間距為0.6 m，測點間距為0.1 m，從下至上進行測試。根據現場測試結果，繪制掃描時間剖面圖(水平方向軸表示時間，垂直方向軸表示鉆孔井深度)。測試結果見圖4和圖5。

圖4所示為3號鉆孔全波波形圖。在深度15，18和19 m處，存在2組特殊的V字型波組。其中下部一組為能量很強的傾斜的Stoneley波反射波組，上部一組為振幅較小的傾斜反射波組，表明在這2個位置的孔旁巖石存在裂隙，但是，裂隙發(fā)育程度不同。其中，能量很強的傾斜的反射波組表示該位置孔旁巖石裂隙相對發(fā)育，井旁地層中存在有一定徑向延伸長度連通性較好的裂縫帶。這一特征表明該位置灌漿效果不理想。深度為15處雖然也出現傾斜的反射波組，但是其強度較小、頻率較高，表明該位置的裂隙已經被漿液充填，但是，由于漿液材料與圍巖存在波速差異，從而仍然形成較小的波阻抗界面。這一結論被鉆孔檢測結果所驗證。

圖4 3號鉆孔全波波形圖Fig.4 Full wave logging wave form of borehole 3

圖5 所示為5號鉆孔全波波形圖。鉆孔上部13 m附近位置裂縫充填少, 波阻抗較大，形成強 Stoneley波反射波組。下部20 m和22 m處裂縫充填最好，Stoneley波振幅基本無異常。但由于漿液材料與圍巖存在波速差異，從而井壁附近仍然形成或者存在較小的波阻抗界面，反射縱波特征明顯，但波幅較小。

圖5 5號鉆孔全波波形圖Fig.5 Full wave logging wave form of borehole 5

鉆孔檢測結果表明：全波列測井波場信息尤其是Stoneley波的波形、能量和反射系數反映的是有一定的徑向延仲長度或稱連通性較好的有效裂縫。由裂縫連通的溶洞地層，其Stoneley波明顯衰減，連通性越好，衰減越大。反射縱波的屬性特征也很好地反映出井壁附近裂縫的充填情況。可見：測井聲波波場特征尤其是能量的增大與裂縫被充填的程度及張開度直接相關。

巖體裂隙作為灌漿的對象，裂隙的寬度與方向、連通性、填充物性質等對灌漿效果有較大影響。灌漿處理時，灌漿孔內的漿液在壓力作用下，從灌漿孔內向井周進行滲透，在巖體內部主要沿裂隙網絡中連通性較好的裂隙流動；與滲流路徑相連通的張開裂隙或延伸較短的裂隙，被漿液直接充填凝固后形成水泥結石；與滲流路徑沒有連通的裂隙或被忽略，或在灌漿壓力下被劈裂而部分充填，造成不同的充填效果[12]。不同充填物質其聲波的反射波屬性不一樣。充填流體的溶洞只需很小的深度就可以產生強反射，充填半流體和泥沙的溶洞則需要較大的高度。若充填泥砂已成巖，則無論溶洞多高都不會產生強反射[4]。分析表明：由裂縫連通的溶洞地層，Stoneley波明顯衰減，連通性越好，其衰減越量越大。

3 結論

(1) 全波列測井信號屬性參數的特征及其變化規(guī)律可以準確地反映巖體裂隙的位置及其特征，可用于評價裂縫帶的滲透性。不同的巖體結構，聲波全波測井信號的波組特征及其振幅、頻率特性不同。直達波速度和能量、Stoneley波的波形變化、能量衰減及其“V”字型特征可以直接反映井旁地層中是否存在一定徑向延伸長度或者連通性較好的裂縫。

(2) Stoneley波頻率特性參數對地層滲透性和裂縫發(fā)育程度尤其敏感，主要特征表現為Stoneley波的時差增大、中心頻率降低、衰減增大、反射系數增大。反射縱波屬性特征可以反映孔外(孔壁附近)巖體裂隙位置及其特征。

(3) 聲波全波列測井可以直接觀察和檢查鉆孔的孔壁及其附近巖體灌漿情況，不僅分辨率高，而且探測深度遠遠超過常規(guī)滑行波的探測深度，可以反映充填程度，達到評價灌漿效果的目的，在圖像的清晰度和精度方面都達到灌漿效果評價的相關要求，因此，該技術用于灌漿處理效果是可行的。

[1] 何濤, 史琦. 斯通利波在測井應用中的研究進展和現狀[J].北京大學學報: 自然科學版, 2002, 38(4): 510-516.HE Tao, SHI Qi. Advance and the status applications of stoneley of the research on wave in well logging[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2002, 38(4): 510-516.

[2] Chang S K, Liu H L, Johnson D L. Low-frequency tube waves in permeable rocks[J]. Geophysics, 1988, 53(4): 519-527.

[3] 李長文. 水平滲透性裂縫對井孔斯通利波傳播的影響[J]. 測井技術, 1996, 20(3): 162-168.LI Chang-wen. Effects of horizontal permeable fractures on the borehole stoneley waves[J]. Well Logging Technology, 1996,20(3): 162-168.

[4] 余春昊, 李長文. 利用斯通利波信息進行裂縫評價[J]. 測井技術, 1998, 22(4): 273-277.YU Chun-hao, LI Chang-wen. Application of stonley waves to fracture evaluation[J]. Well Logging Technology, 1998, 22(4):273-277.

[5] 胡學紅, 李長文, 余春昊. 用聲波全波列評價薄互儲集層[J].江漢石油學院學報, 1999, 21(4): 85-87.HU Xue-hong, LI Chang-wen, YU Chun-hao. Evaluating thin interbedded reservoir from acoustic full waveform train[J].Journal of Jianghan Petroleum Institute, 1999, 21(4): 85-87.

[6] Ashour A S. Wave motion in a viscous fluid-filled fracture[J].International Journal of Engineering Science, 2000, 38(5):505-515.

[7] 魏立巍, 秦英譯, 唐新建, 等. 數字鉆孔攝像在小浪底帷幕灌漿檢測孔中的應用[J]. 巖土力學, 2007, 28(4): 843-848.WEI Li-wei, QIN Ying-yi, TANG Xin-jian, et al. Application of digital borehole camera to quality test boreholes for grout curtain in Xiaolangdi water control project[J]. Rock and Soil Mechanics,2007, 28(4): 843-848.

[8] 楊唐斌. 用斯通利波評價裂縫的有效性[J]. 測井技術, 1998,22(2): 132-136.YANG Tang-bin. Evaluating the effective fracture with stoneley wave[J]. Well Logging Technology, 1998, 22(2): 132-136.

[9] 杜光升, 喬文孝, 王耀俊. 井孔附近垂直裂縫對縱波的反射[J]. 測井技術, 2000, 24(3): 203-206.DU Guang-sheng, QIAO Wen-xiao, WANG Yao-jun, et al.Compressional wave reflection from vertical fracture near-borehole[J]. Well Logging Technology, 2000, 24(3):203-206.

[10] 雷宛, 肖宏躍, 鐘韜, 等. 灌漿質量檢測的聲波 CT法及其與綜合檢測效果的對比[J]. 成都理工大學學報: 自然科學版,2006, 33(4): 336-344.LEI Wan, XIAO Hong-yue, ZHONG Tao, et al. Sound wave CT of the cement injection quality detection and comparison between its effect with that of the comprehensive detection[J].Journal of Chengdu University of Technology: Science &Technology Edition, 2006, 33(4): 336-344.

[11] 張玉池. 邊坡失穩(wěn)地球物理特征及其應用研究[D]. 長沙: 中南大學信息物理工程學院, 2007: 90-110.ZHANG Yu-chi. Study on geophysical feature of slope failure and its application[D]. Changsha: Central South University.School of Info-Physics and Engineering, 2007: 90-110.

[12] 李長文, 余春昊, 趙旭東, 等. 反射波信息在裂縫儲層評價中的應用[J]. 測井技術, 2003, 27(3): 198-202.LI Chang-wen, YU Chun-hao, ZHAO Xu-dong. Application of acoustic reflective waves in e-valuation of fractured reservoirs[J].Well Logging Technology, 2003, 27(3): 198-202.

[13] 車小花, 喬文孝, 杜光升. 利用反射縱波評價裂縫傾角的模擬實驗研究[J]. 測井技術, 2001, 25(5): 324-326.CHE Xiao-hua, QIAO Wen-xiao, DU Guang-sheng.Experimental investigation on evaluation of dips of fracture using reflected compressional waves[J]. Well Logging Technology, 2001, 25(5): 324-326.

[14] 車小花, 喬文孝, 李剛, 等. 確定井旁裂縫傾角和位置的實驗研究[J]. 石油大學學報, 2003, 27(2): 36-40.CHE Xiao-hua, QIAO Wen-xiao, LI Gang. Experiment on determining inclination and location of the cracks borehole-side[J]. Journal of China University of Petroleum, 2003,27(3): 36-40.

[15] 周繼宏. 探測井附近裂縫及其中流體性質的實驗初探[J]. 測井技術, 1999, 23(1): 6-8.ZHOU Ji-hong. A preliminary laboratory experiment on detection of near borehole fractures and their fluid properties[J].Well Logging Technology, 1999, 23(1): 6-8.

[16] 王乃星, 蘇華, 劉文明, 等. 聲波全波列測井中反射波成像分析[J]. 測井技術, 1998, 22(4): 278-283.WANG Nai-xing, SU Hua, LIU Wen-ming, et al. Acoustic response imaging technologies analysis about full-wave acoustic in well-logging[J]. Well Logging Technology, 1998, 22(4):278-283.