巖溶地基灌漿質(zhì)量評(píng)價(jià)的聲波全波列測(cè)井技術(shù)

謝忠球，張玉池，肖宏彬，范金釗

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082；2. 桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西 桂林，541004)

為了提高巖體的整體性和強(qiáng)度，降低透水性，在節(jié)理、裂隙較發(fā)育的灰?guī)r基巖內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿是常用的處理方法。在灌漿施工的過(guò)程中，由于各種原因，往往導(dǎo)致部分巖體區(qū)域的灌漿效果無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而影響巖體的整體強(qiáng)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(dǎo)灌漿施工是非常重要的。在實(shí)際工程中，灌漿質(zhì)量通常是通過(guò)對(duì)比灌漿前后的聲波速度及其變化來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)的?？缈茁暡–T法具有測(cè)試范圍大、定位準(zhǔn)確、測(cè)試精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但有局部存在盲區(qū)、耗時(shí)長(zhǎng)、測(cè)試費(fèi)用較高等缺點(diǎn)。常規(guī)聲波測(cè)井測(cè)量的是初至波的時(shí)間差，測(cè)量的聲速實(shí)際上是滑行波的速度，因而，時(shí)差曲線反映的是孔壁周圍的灌漿效果，孔壁以外只能進(jìn)行推測(cè)。近年來(lái)，聲波測(cè)井的影響因素、聲波全波測(cè)井的裂縫響應(yīng)特征、滲透性裂縫帶對(duì)斯通利波(Stoneley波)傳播的影響等都倍受關(guān)注[1-6]。為了評(píng)價(jià)巖體灌漿質(zhì)量，人們對(duì)聲波全波列測(cè)井技術(shù)進(jìn)行了研究并應(yīng)用到巖溶地基灌漿質(zhì)量檢查中[7-10]。在實(shí)際工程中，如何從復(fù)雜的波場(chǎng)信息中獲取探測(cè)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(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。為此，本文作者在理論分析和數(shù)值研究基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 理論基礎(chǔ)

位于井軸上的聲源在沿井軸方向相距z處產(chǎn)生的聲場(chǎng)可以寫(xiě)成如下形式[3]：

式中：S(ω)為聲源頻譜；kz為波數(shù)的軸向速度，地層傳輸響應(yīng)函數(shù)，由井壁邊界處的應(yīng)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(shù)是井內(nèi)流體與周圍地層的性質(zhì)、井眼孔徑、聲源頻率(或波長(zhǎng))以及傳播距離等。

1.1 裂縫性地層聲波全波列測(cè)井模擬

利用數(shù)值方法[11]，計(jì)算在裂縫性地層井孔中接收到的聲波全波列信號(hào)。在觀測(cè)信號(hào)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(lái)自井孔附近地質(zhì)構(gòu)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(cè)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(dá)較晚，混合在高頻的偽瑞利波中。當(dāng)遇到與井壁相交的滲透性裂縫時(shí)，由于流體在裂縫中流動(dòng)，斯通利波能量將顯著衰減，而且伴隨有反射現(xiàn)象。由于地下裂縫產(chǎn)狀及其性質(zhì)復(fù)雜多變，在井眼條件下表現(xiàn)形式更加復(fù)雜。研究表明[11]：斯通利波的透射強(qiáng)度和反射強(qiáng)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(zhuǎn)換波可以反映井外的大角度裂縫或?qū)咏缑妫皖l斯通利波反射波則對(duì)與井眼相交的小角度裂縫較敏感。

在變?cè)淳鄺l件下可以觀測(cè)得到裂縫性地層井孔中接收到的聲波全波列信號(hào)[11]，見(jiàn)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(dá)時(shí)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(cè)系統(tǒng)方便、直觀地觀測(cè)到反映相應(yīng)巖體結(jié)構(gòu)的波場(chǎng)信息。

圖2 變?cè)淳鄺l件下觀測(cè)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(shù)對(duì)聲波全波測(cè)井波場(chǎng)的影響分析

聲波測(cè)井的影響因素、聲波全波測(cè)井的裂縫響應(yīng)特征、滲透性裂縫帶對(duì)斯通利波傳播的影響等是從復(fù)雜波場(chǎng)信息中研究探測(cè)不同類型巖體軟弱裂隙層及評(píng)價(jià)其灌漿處理效果的有效信息的關(guān)鍵，為此，對(duì)不同巖性聲波全波測(cè)井的裂縫響應(yīng)特征進(jìn)行研究[11]。

不同巖性的聲波全波列測(cè)井信號(hào)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 不同巖性的聲波全波列測(cè)井信號(hào)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(dá)最晚，其幅度最??；砂巖斯通利波到達(dá)次之，灰?guī)r斯通利波到達(dá)最早，但其幅度與砂巖的差不多。因此，全波列聲波測(cè)井可以反映不同的巖性界面。

研究表明：全波列測(cè)井波場(chǎng)中，Stoneley波對(duì)井壁界面地層參數(shù)的變化反應(yīng)靈敏。滲透率對(duì) Stoneley波的波速影響極小，但對(duì)Stoneley波的衰減速率影響明顯。當(dāng)滲透率越大時(shí)，Stoneley波衰減越快；滲透率越小，波形的衰減則越慢，所以，應(yīng)用幅度信息評(píng)價(jià)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(chǎn)生反射現(xiàn)象，反射波幅度取決于滲透率的變化[3-5,12-16]。可見(jiàn)：斯通利波的速度、幅度及頻率與井壁地層的性質(zhì)特別是與其滲透性有密切關(guān)系。通過(guò)分析探測(cè)器接收到的聲波全波列陣列信號(hào)的屬性特征，可以了解井旁介質(zhì)的灌漿效果，有效地反映巖體的物理力學(xué)特性。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔資料，吉茶(湖南吉首—茶洞)高速公路的地形、地質(zhì)條件復(fù)雜。其中某特大橋勘察場(chǎng)地發(fā)育的地層主要為第四系的黏土、塊石和寒武系中統(tǒng)的灰?guī)r和下統(tǒng)的灰?guī)r、砂質(zhì)頁(yè)巖。巖層傾角平緩，一般在 15°以內(nèi)。受橋位地質(zhì)構(gòu)造及地形的影響，峽谷兩岸發(fā)育有構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙。為了提高基礎(chǔ)巖體的整體性和強(qiáng)度，在節(jié)理裂隙較發(fā)育的基巖內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，并進(jìn)行灌漿質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)時(shí)，鉆機(jī)先鉆孔至設(shè)計(jì)深度，然后洗孔，再進(jìn)行全波列測(cè)井試驗(yàn)。本次檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)，發(fā)射電壓為288～485 V，收發(fā)探頭間距為0.6 m，測(cè)點(diǎn)間距為0.1 m，從下至上進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，繪制掃描時(shí)間剖面圖(水平方向軸表示時(shí)間，垂直方向軸表示鉆孔井深度)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4所示為3號(hào)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(qiáng)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(gè)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(qiáng)的傾斜的反射波組表示該位置孔旁巖石裂隙相對(duì)發(fā)育，井旁地層中存在有一定徑向延伸長(zhǎng)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(xiàn)傾斜的反射波組，但是其強(qiáng)度較小、頻率較高，表明該位置的裂隙已經(jīng)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(jié)論被鉆孔檢測(cè)結(jié)果所驗(yàn)證。

圖4 3號(hào)鉆孔全波波形圖Fig.4 Full wave logging wave form of borehole 3

圖5 所示為5號(hào)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(qiáng) 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(wú)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(hào)鉆孔全波波形圖Fig.5 Full wave logging wave form of borehole 5

鉆孔檢測(cè)結(jié)果表明：全波列測(cè)井波場(chǎng)信息尤其是Stoneley波的波形、能量和反射系數(shù)反映的是有一定的徑向延仲長(zhǎng)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?？梢?jiàn)：測(cè)井聲波波場(chǎng)特征尤其是能量的增大與裂縫被充填的程度及張開(kāi)度直接相關(guān)。

巖體裂隙作為灌漿的對(duì)象，裂隙的寬度與方向、連通性、填充物性質(zhì)等對(duì)灌漿效果有較大影響。灌漿處理時(shí)，灌漿孔內(nèi)的漿液在壓力作用下，從灌漿孔內(nèi)向井周進(jìn)行滲透，在巖體內(nèi)部主要沿裂隙網(wǎng)絡(luò)中連通性較好的裂隙流動(dòng)；與滲流路徑相連通的張開(kāi)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(jié)石；與滲流路徑?jīng)]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(zhì)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(chǎn)生強(qiáng)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(wú)論溶洞多高都不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(jié)論

(1) 全波列測(cè)井信號(hào)屬性參數(shù)的特征及其變化規(guī)律可以準(zhǔn)確地反映巖體裂隙的位置及其特征，可用于評(píng)價(jià)裂縫帶的滲透性。不同的巖體結(jié)構(gòu)，聲波全波測(cè)井信號(hào)的波組特征及其振幅、頻率特性不同。直達(dá)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(zhǎng)度或者連通性較好的裂縫。

(2) Stoneley波頻率特性參數(shù)對(duì)地層滲透性和裂縫發(fā)育程度尤其敏感，主要特征表現(xiàn)為Stoneley波的時(shí)差增大、中心頻率降低、衰減增大、反射系數(shù)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(cè)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(cè)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)滑行波的探測(cè)深度，可以反映充填程度，達(dá)到評(píng)價(jià)灌漿效果的目的，在圖像的清晰度和精度方面都達(dá)到灌漿效果評(píng)價(jià)的相關(guān)要求，因此，該技術(shù)用于灌漿處理效果是可行的。

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