利用测井资料研究岩土的物理状态和物理力学性质
。与实验室研究方法相互配合、相互检验，将提高场地岩土特性评价的质量。
地球物理测井方法研究和确定岩土的物理状态和物理力学性质，是基于岩土物理性质的差异，如表5-1-6和表5-1-7所示。从表中可以看出，电阻率测井、声波测井和核测井可以用来分析钻孔剖面中岩土的岩性，确定其孔隙度、密度和含水饱和度，估算渗透率，研究岩土的物理力学性质。下面介绍基本原理和测定方法。
表5-1-6地球物理测井钻孔剖面岩性分析结果(A)
表51-7地球物理测井钻孔剖面岩性分析结果(b)
1.岩石和土壤的孔隙度
岩土骨架矿物之间的空隙称为孔隙，岩土与其孔隙的体积比称为孔隙度。
物探和化探方法在城市建设中的应用
其中，Wφ为岩土孔隙所占的体积；w是岩土体积；孔隙度φ以百分比表示。
地球物理测井方法是根据充填孔隙的空间介质的物理性质与岩土固相(骨架矿物颗粒)的物理性质的差异来确定岩土的孔隙度。岩土固相的物理性质是由矿物颗粒组成和分选决定的。下面介绍电阻率测井、声波测井、伽马-伽马密度测井和相关曲线法计算岩土孔隙度的基本原理。
(1)电阻率测井
以纯砂岩为例，说明了电阻率测井测量岩土孔隙度的原理。纯砂岩的骨架矿物主要是应时和长石，电性相似，几乎不导电。而充填在孔隙中的地层水或钻井泥浆滤液是离子导电的，两者的区别相当明显，可根据图5-1-10中的方体积模型导出。
L=Lma+Lφ
W=Wma+Wφ=L2Lma+L2Lφ=L2(Lma+Lφ)
多孔性
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根据图5-1-10所示的模型，考虑到组成岩石骨架矿物的颗粒的分选和圆度不同，孔隙结构和孔道弯曲程度也不同，因此，模型可以等效为图5-1-11所示的形式，认为电流流动时骨架和孔隙是平行的。
图5-1-10方体积纯砂岩模型
图5-1-11方积纯砂岩等效模型
设Rt、Rma、Rw、ρt、ρma、ρw分别代表充填在孔隙中的岩土、骨架矿物和地层水的电阻和电阻率，Lw、Sw、Ww分别代表电流流过的孔道的长度、横截面和体积，则有
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考虑到骨架矿物部分不导电，即Rma→ ∞，只有充填在孔隙中的地层水是电流通道。这时，
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因此
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式中，表示孔道的曲折度，在实践中很难确定，因此Arnay提出了以下经验公式。
或者
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其中f称为地层因子或相对电阻率，反映岩土的孔隙度和孔隙结构，m称为胶结因子，与曲折度C有关，α为反映岩性特征的参数。可以看出，f是岩性、孔隙度和导电通道曲折度的函数，与后者关系更为密切。因此，只有通过实验测量出α和M值后，才能得到各工作区域的F值。根据国内外的经验，F有如下关系:
当沙层，
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当砂岩形成时，
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当多孔碳酸盐岩相对较纯时，
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由公式(5-1-24)可知，利用电阻率测井数据得到的地层水电阻率ρw和地层电阻率ρt，可以从上述类别中得到孔隙度值。
(2)声波测井
对于纯砂岩，应时、长石等矿物颗粒的声波传播速度远快于地层水，这种差异是利用声波测井计算岩土孔隙度的物理前提。声波测井记录的声波速度是滑动波沿井壁附近地层传播的平均值。在压实胶结的纯砂岩中，声波在矿物颗粒与孔隙水界面的传播现象可以忽略，因为其孔隙率很小(毛细管直径为0.05~0.002mm)。此时可以认为声波在岩石中是直线传播的，其传播时间等于滑行波通过岩石骨架和孔隙中流体的时间之和。
设T，tma，tf，T，tma，tf，V，Vma，Vf分别代表声波在岩石、骨架和孔隙流体中的传播时间、时差和速度。同图5-1-10型号有:
t=tma+tf
或者
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将上述公式两端的面积a相乘并除以体积w相同，做完就得到了。
t =(1-φ)δTMA+φδTF
由此得出威利方程。
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比如应时的TMA = 51.5μs/ft 1FT = 0.3048m(国际单位制)。
淡水的TF为200μ s/ft，NaCl浓度为100× 10-6的地层水的TF为189μ s/ft。将这些参数代入方程(5-1-25)，根据声波测井记录的t值即可得到。
(3)伽马-伽马密度测井
因为应时和长石的颗粒密度(即矿物密度)是孔隙中流体的两倍以上(矿物的σMa = 2.648g/cm3，淡水的σF = 1g/cm3，浓度为1000×10-6的NaCl溶液的σF = 1.067g)。
密度测井记录的散射伽马强度直接反映了与岩土电子密度有关的体积密度σH。仍然使用图5-1-10所示的纯砂岩体积模型，分别用GH、Gma、Gf、σH、σma和σf表示岩土、骨架和孔隙中流体的重量和密度，所以有
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公式中σma和σf分别是骨架和孔隙中流体的已知密度，σH由密度测井的观测结果给出。岩石的总孔隙度φ由密度测井测得。
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结合密度测井和声波测井结果，可以得到岩石次生孔隙度指数SPI。已知总孔隙度φ是原生孔隙度φp与次生孔隙度和裂缝度(SPI)之和，可以用来评价岩石中次生孔隙度和裂缝的发育程度，即，
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其中φp由声波测井结果给出。
(4)相关曲线法
所谓相关曲线法，就是利用某种岩土类型的不同物性参数与孔隙度之间的相关曲线(规板)来求解孔隙度。图5-1-12给出了电阻率ρt、纵波传播速度VP与泥岩(曲线3)、粉砂岩(曲线2)、砂岩(曲线1)密度σ和孔隙度的关系。知道了这些岩石和土壤类型的电阻率、P波传播速度和密度值，就可以从测量板计算出孔隙度。
图5-1-12ρS、VP、σ与孔隙度φ的关系曲线。
1—砂岩；2—粉砂岩；3-泥岩
在实践中，为了可靠地计算孔隙度值，应采用综合地球物理测井方法来确定。
2.岩石和土壤的岩性分析
在现代测井技术中，可以通过计算机对测井数据进行数字化处理，分析由砂和泥质岩土组成的钻孔地质剖面的岩性，分别得到地层的泥质含量、含砂量和孔隙度，并以图形的形式输出，如图5-1-13所示。该图分为两部分，左边部分是自然伽马强度随深度h变化的观测结果(GR)，右边部分是岩性分析结果。短线图案表示地层的含泥量，麻面图案表示地层的含砂量，空白表示地层的孔隙度。
图5-1-13 GR-CNL组合的岩性分析结果
(据蔡柏林1987)
岩土岩性分析的原理是利用体积模型法和岩石相交三角形来分析砂泥层的岩性。输入测井曲线可分为以下三种类型:①自然伽马测井(GR)-伽马-伽马密度测井(DEN)组合；②自然伽马测井(GR)和中子测井(CNL)相结合；③伽马-伽马密度测井(DEN)-中子测井(CNL)组合，声波测井(AC)可以代替中子测井。
(1)采用GR和DE ⅳ的组合。
1)用GR曲线计算泥质含量Wsh:如果地层中的天然放射性强度主要与地层中的泥质含量有关，而岩石骨架(如应时、长石)的天然放射性强度相当弱，则先计算天然伽马强度的相对值△G，即
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其中GR是解释层的自然伽马测井读数；GRmax和GRmin分别是解释层段纯泥岩和纯砂岩的自然伽马测井读数(附图5-1-14)。然后用以下公式计算泥质含量Wsh
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图5-1-14纯泥岩和纯砂岩自然伽马测井读数
式中，c为经验系数，对于老地层，c=2，对于新地层，c = 3.7 ~ 4。
目前，自然伽马测井是获取泥质含量(体积百分比)的主要方法。
2)用DEN曲线计算孔隙度φ:
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其中σsh为泥岩的密度值。
3)计算含沙量WSD:
WSD=1-Wsh-φ (5-1-2 8)
(2) GR和CNL是结合在一起的。
1)用GR曲线计算岩石的泥质含量，公式同前。
2)通过CN L曲线计算孔隙度φ。
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其中φH为中子测井值，φma、φsh和φf分别为岩石骨架、泥岩和孔隙水的中子响应值，均为已知值。
(3)用公式(5-1-28)计算含沙量WSD。
根据上述原理，中国地质大学测井教研室编制了程序，可用于砂泥层的岩性分析(图5-1-13)。
3.岩土的含水饱和度和渗透率
(1)岩土含水饱和度的测定
岩土含水饱和度Sw是岩土孔隙中的水体积Ww与总孔隙体积Wφ的比值。
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由测井资料确定含水饱和度有两种方法，一种是基于Arnay公式；另一种是快速直接显示法，如交会图法、重叠法等。现在介绍一下计算方法。因此，引入了比率I。
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其中Pt为孔隙中部分含水或无水地层的电阻率；ρ0为100%饱和水地层的电阻率。I称为电阻率上升率，去除了地层孔隙结构和地层水矿化度的影响，比值I只与含水饱和度有关，即
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其中n称为饱和指数，通常n=2。
将地层系数F与孔隙度的关系代入上述公式，可以得到含水饱和度的计算公式，即
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其中是地层因子，A和B是经验系数。需要指出的是，上述公式只能对孔隙(粒间或粒间孔隙)分布均匀的纯地层获得较好的计算结果，对裂缝和孔隙发育的地层仍可适用，但精度较差。对于泥质层，需要对公式的泥质影响进行修正，其计算公式如下
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式中，ρsh为泥质材料的电阻率；a=0.62 .
(2)渗透性
岩土的渗透性是指流体(或气体)在压差作用下穿过岩土的能力。岩土的渗透率k可由下式求得。
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其中l和s是样品的长度和横截面积，μ是流体的粘度，Q是单位时间内流体通过样品的体积，δ P是压差。实践中常用毫达西(mD)1mD(mD)= 9.87×10-10 m2(国际单位制)。
作为渗透率的单位。
实验表明，当只有一种流体通过时，测得的渗透率(称为绝对渗透率)只与岩土的孔隙结构有关，而与流体性质无关。测井解释中经常提到的渗透率是绝对渗透率。目前用测井资料计算渗透率是不准确的。图5-1-15是某地区电阻率测井结果估算渗透率的实例。只要测出岩土的真电阻率，就可以通过电阻率与渗透率的相关曲线来估算同一地区未知的岩土渗透率。
图5-1-15某地区电阻率测井结果估算渗透率实例
4.岩石和土壤密度
岩土密度是岩土质量与其体积的比值。
(1)矿物密度σma
每种岩土类型的矿物颗粒密度取决于其矿物成分，而矿物成分受次要因素的影响很小，并在整个后生演化期间保持不变。
矿物密度通常在实验室标本上测量，测量误差为0.01g/cm3。此外，还可以通过以下公式计算。
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其中σH、σf和φ可由测井数据确定。
(2)饱和水岩体密度σH
在钻井中，密度测井测得的密度一般相当于饱和水的岩土密度σH。在有利的条件下，即井壁平坦不扩孔，密度测井测得的σH的相对误差约为1g/cm3。σH值也可以通过以下公式计算。
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5.弹性波在岩土中的传播速度
测量钻孔内岩土中弹性波传播速度的方法有声波测井、PS测井、地层探测法、井间法等。利用实测的纵波速度VP和横波速度VS，结合密度测井结果，可以计算出岩土的弹性系数，见表5-1-1。
重庆地质仪器厂开发了JBS-I型便携式数字测井系统，包括上述测井方法的井下仪器和数据处理软件，适用于水文工程地质测井。