Question

地球物理测井包括哪些方法？

Answer 1

油气田的地球物理法包括地球物理勘探和地球物理测井。地球物理勘探已在前一节中做了介绍，本节将介绍地球物理测井方法，简称测井。

地球物理测井已广泛应用于石油地质勘探和油气田开发过程中。应用测井方法可以划分井筒地层剖面、确定岩层厚度和埋藏深度、进行区域地层对比，还可以探测和研究地层的主要矿物成分、裂缝、孔隙度、渗透率、油气饱和度、倾向、倾角、断层、构造特征、沉积环境与砂岩体的分布等参数，对于评价地层的储集能力、检测油气藏的开采情况、精细分析和研究油气层等具有重要的意义。

目前，常用的测井方法主要有电法测井、声波测井和放射性测井等。

一、电法测井不同岩石的导电性不同，岩石孔隙中所含各种流体的导电性也不同。利用该特点认识岩石性质的测井方法称为电法测井。电法测井包括自然电位测井、电阻率测井和感应测井等。

1.自然电位测井1)基本原理自然电位测井是根据油井中存在着扩散吸附电位进行的。在打井钻穿岩层时，地层岩石孔隙中含有地层水。地层水中所含的一定浓度的盐类要向井筒内含盐量很低的钻井液中扩散。地层水所含的盐分以氯化钠为主，钠离子带正电，氯离子带负电。由于氯离子移动得快，大量进入井筒内钻井液中。致使井内正对着渗透层的那段钻井液带负电位，形成扩散电位。而这种电位差的大小与岩层的渗透性密切相关。地层渗透性好，进入钻井液里的氯离子就多，形成的负电位就高；地层渗透性差，氯离子进入钻井液里就少，形成的负电位就低。因此，含油渗透层在自然电位曲线上表现为负值，而不渗透的泥岩层等则显正值(图3-2)。

图3-2　自然电位曲线

2)测井方法自然电位测井装置如图3-3所示。将电极M放于井中，同时在地面放置另一电极N。两电极之间用电位差计连接起来，就可测得它们之间产生的电位差。若将井孔中的电极由下向上移动，则可测得一条与岩石及孔隙中液体有关的曲线。该曲线即为自然电位曲线。

图3-3　自然电位测井

3)自然电位曲线的主要用途自然电位测井是电法测井中必不可少的一项测井内容，自然电位曲线的主要用途有：

(1) 判断岩性，确定渗透性层位；(2) 估算地层的泥质含量；(3) 判断水淹层位。

2.电阻率测井1)基本原理各种物质的导电性可以用电阻率来表示。电阻率小的物质导电性好，电阻率大的物质导电性差。地下各种岩石的电阻率不同。即使岩石相同，若其孔隙中所含的流体不同，所含油、水、气的比例不同，其电阻率也不同。含油砂岩的电阻率高；含水砂岩的电阻率低。所以，测量电阻率的方法可以了解地下油层和岩石的性质。

2)测井方法自然电位测井是在不供电的情况下进行的。但是，电阻率测井必须供电，造成人工电场，用以激发被测物质的导电特性，从而测量出激发物质中任意两点之间的电位差。

如图3-4所示，设整个空间是均匀介质，A和B是供电电极，M和N是测量电极。测井时，当地面供电后，电流从A点流出来，流向四周的岩层和井眼钻井液中去，然后流回到B点。M、N两点之间的电位差由检流计测得。

图3-4　视电阻率测井

在均匀介质中，测量电阻率的计算公式为：

式中K为井中电极A、M、N所组成的电极系的系数，其大小只与三个电极之间的距离有关。上式表明：均匀介质的电阻率与测量电极系的结构、供电大小(I)及测量电位差(ΔV)有关。当电极系的结构和供电大小一定时，均匀介质的电阻率与测量电位差成正比。因此，当把电极系沿着井眼移动时，检流计所记录的电位差的改变就反映了M、N所在地层的电阻率的变化。

但在实际测井时，电极是放入了充满钻井液的井中。井筒周围是各种不同厚度、不同电阻率的地层。对于渗透性地层还有钻井液侵入，侵入带的电阻率往往不同于原地层的电阻率。在这种情况下，电流的分布是很复杂的，要从理论上得出电阻率的计算公式是很困难的。因此，我们从实测曲线上求出的地层电阻率有所失真，是近似值，称为视电阻率。这种曲线就叫做视电阻率曲线。地层的视电阻率不同于地层的真电阻率，但它们之间有一定的关系。一般来说，地层真电阻率越大，其视电阻率也越大。因而在井内测得的视电阻率曲线能反映井剖面的地层电阻率的相对变化，可用于研究井剖面的地质情况。

各种地层的电阻率是不同的。石灰岩、白云岩的电阻率高，砂岩的电阻率中等，泥岩、页岩的电阻率很低。就是同一种地层，电阻率也会不同。这是因为地层中所含流体和导电矿物不同、其温度和压力等也是不同的，它们都会引起地层电阻率改变。如果砂岩中含盐水，电阻率就低；若含淡水，电阻率就高。石油的电阻率很高。在一个储集层中，若上部含油下部含地层水，则含油部分的含水饱和度低，电阻率高，而含水部分的含水饱和度高，电阻率低。根据该层的电阻率自下而上由低升高的位置，在油井下套管以前就能把油水分界面的位置确定出来，如图3-5所示。

图3-5　视电阻率曲线

3)视电阻率曲线的主要用途视电阻率曲线的主要用途有：

(1) 研究储集层的渗透性、孔隙性和含油性；(2) 划分油层、气层和水层；(3) 进行地层对比；(4) 判断岩性。

3.感应测井前面讨论的电阻率测井方法需要井内有导电的液体，因此只能用于导电性能较好的钻井液中。然而，在油田的勘探过程中，为了获得地层的原始含油饱和度，个别井中需要使用油基钻井液。这种情况下井内没有导电介质，不能使用直流电法测井。为此进行研究，产生了感应测井。感应测井不仅可以用于油基钻井液的井中，还可以用于淡水钻井液的井中，是中等和低电阻地层的主要测井方法。在一定条件下，感应测井比电阻率测井法优越，因此已被广泛应用。

感应测井是利用电磁感应的原理来了解地层的导电性能。测量出的视电导率随井眼深度的变化曲线称为感应测井曲线。感应测井曲线的主要用途与电阻率测井曲线的主要用途相似。

二、声波测井利用不同岩石对声波的吸收能力和传播速度的差异，研究井下岩层、油层、气层、水层以及检查固井质量的测井法称为声波测井。

1. 岩石的声学性质与岩性的关系声波通过灰岩的速度快，通过砂岩的速度中等，而通过泥岩的速度小。岩石越致密，声波通过的速度越大。因此，储集层的孔隙度愈大，声速愈小；反之亦然。在砂泥岩地区，可用声速计算储集层的孔隙度。在储集层岩性和孔隙度相同的情况下，声速与储集层所含流体的性质有关，尤其是含气层，声速明显降低。此外，声速还与岩石结构有关。裂缝发育的岩石会造成声速明显降低。几种常见物质的声学特性见表3-3。

几种常见物质的声学特征

2.测量原理图3-6为声波时差测井原理图。当发声器发出一个声脉冲后，声波向四面传播。由于岩层比钻井液致密，井壁就成为声波的反射和折射面。声波传播到井壁时发生反射和折射。其中有一束折射波(又叫滑行波)沿井壁方向传播，并产生子波传到接收器，使之收到声波脉冲。在声波路径不变的情况下，通过这一路程的传播时间t与钻井液和岩石的声学特性有关。

图3-6　声波时差测井原理图

为了消除钻井液的影响，实际测井时常采用双接收器的仪器进行声波时差测井(图3-6)。当井径不变时，间距为Z的两个接收器收到的首波时间差Δt，就只与岩层的声学特性有关。因此，当测井仪沿着井眼由下往上移动时，就可测量出声波时差随井眼深度的变化曲线，该曲线称为声波时差测井曲线，其主要用途是：

(1)判断和划分岩性；(2)确定储集层孔隙度和划分裂缝性渗透层；(3)划分油层、气层、水层；(4)检查固井质量。

三、放射性测井放射性测井是根据岩石和介质的核物理性质研究钻井地质剖面、寻找油气藏以及研究油井工程问题的地球物理方法。根据探测射线的类型，放射性测井可分为两类，即探测伽马射线的伽马测井和探测中子的中子测井。

1. 伽马测井伽马测井方法包括自然伽马测井、伽马—伽马测井和放射性同位素测井等方法。这里只介绍自然伽马测井。

自然伽马测井是通过测量岩层的自然伽马射线的强度来认识岩层的一种放射性测井方法。自然伽马测井在井内所测得的伽马射线，是由岩层中自然存在的放射性元素的原子核在衰变过程中发射出来的。

1)基本原理不同岩石中放射性元素的种类和含量不同。岩石的放射性元素含量与岩石的岩性及岩石形成过程中的物理化学条件有关。一般来说在三大岩类中火成岩的放射性最强，其次是变质岩，最弱的是沉积岩。由于泥质颗粒细，具有较大的比面，使得它吸附放射性元素的能力较大。而且因为沉积时间长，有充分时间使放射性元素从溶液中分离出来与泥质颗粒一起沉积下来，所以泥质、粘土的放射性较高。

2)测量原理自然伽马测井的测量原理如图3-7所示。测量装置由井下仪器和地面仪器组成。井下仪器有探测器(闪烁计数器)、放大器、高压电源等几部分。自然伽马射线由岩层穿过钻井液及仪器外壳进入探测器。探测器将伽马射线转化为电脉冲信号，经过放大器把电脉冲放大后由电缆送到地面仪器。地面仪器把每分钟形成的电脉冲数转变成与其成比例的电位差进行记录。

图3-7　自然伽马测井原理图

1—高压电源；2—放大器；3—探测器；4—电缆；5—地面仪器井下仪器沿井身自下而上移动，就连续记录出井剖面上岩层的自然伽马强度曲线，该曲线称为自然伽马测井曲线。

在油气田勘探和开发中，自然伽马测井曲线主要用于划分岩性、确定储集层的泥质含量以及进行地层对比。

2. 中子测井中子测井是以中子源轰击岩石的测井方法的统称。根据源的不同，分成化学源和脉冲中子源。根据记录信息可划分为中子伽马测井、热中子测井、超热中子测井、脉冲中子测井、脉冲中子伽马能谱测井等。

当中子源产生的中子(叫快中子)高速射入地层后，由于不断地与地层中各元素的原子核碰撞，其速度减慢、能量降低。当其能量降低到0.025eV时即成为热中子。热中子在地层中作热运动，最终被地层中的某些原子核俘获。所产生的新的原子核能放出伽马射线，此射线称为中子伽马射线，也称俘获伽马射线或次生伽马射线。地层中各种元素的原子核对中子的减速、俘获作用是不相同的。中子能量的损失是碰撞角度和靶核的相对质量的函数。下面以中子伽马测井为例介绍中子测井的基本原理。

中子伽马测井是用仪器在井中测定中子伽马射线的强度。测井时用电缆把仪器放到井底，在向上提升仪器的同时进行测量。装在下井仪器下部的中子源向周围地层发射快中子。记录中子伽马射线的装置距离中子源约50～60cm(叫源距)，两者用铅屏蔽隔开。记录的射线强度转变成电脉冲后由电缆送到地面仪器。地面仪器把脉冲信号转变成与计数率成正比的电位差，再由照相记录仪记录成随深度变化的测井曲线。

中子伽马探测器在单位时间内测得的伽马射线数与地层中热中子的密度成正比。快中子与氢的原子核碰撞时损失的能量最多。当地层中氢含量大时，中子源发射出的快中子在中子源附近很快就变成热中子了，很快被地层吸收。只有很少一部分能达到探测器，因此中子伽马测井计数率就低；当地层中含氢少时，快中子能量衰减慢，在离中子源比较远的地方(即探测器附近)，多数中子才变成热中子，被俘获后放出的伽马射线多，则中子伽马测井计数率高。因此，中子伽马测井能够反映出地层的含氢量。

如果储集层岩石的骨架不含氢，地层岩石的含氢量就为孔隙空间的含氢量。若地层的孔隙空间饱含水或油，那么水或油的体积就是地层的孔隙体积，岩石的含氢量就只取决于孔隙度。因此，可以用中子伽马测井曲线来计算孔隙度。

四、测井资料的综合解释要正确应用测井数据、曲线等资料解决地质问题，必须对其进行综合解释。

一方面要对各种测井方法本身进行综合解释。这是因为每一种测井方法都是从某一种物理性质上间接反映地层的情况，而地层情况是千变万化的。因此，为了全面了解油气层的性质，人们通常在同一口井中用几种以至几十种不同的方法进行测量和综合分析。图3-8是应用5种测井方法测得的曲线来划分油层、气层、水层的。自然电位曲线上反映的油层、气层、水层的幅度值都较其他岩层高，据此可首先找到将油层、气层、水层。但是哪一层是油层、哪一层是水层、哪一层是气层？由于油层、气层、水层的自然电位接近，只根据自然电位曲线不能分析判别出来。然而在声波和中子伽马曲线上，气层的值比油层、水层的值都高，据此即可把气层和油层、水层分开。再利用油层比水层电阻率高的性质，通过视电阻率测井曲线把油层和水层分开。

图3-8　判断油气水层的测井资料综合解释

另一方面要对测井以外的资料(如该井的钻井、地质和工程资料等)进行综合分析和解释，搞清楚油层、气层和水层的岩性、储油物性(孔隙度和渗透率)、含油性(含油饱和度、含气饱和度或含水饱和度)等。

思　考　题

1. 什么叫油气田？什么叫含油气盆地？

2. 区域勘探和工业勘探分别可划分为哪两个阶段？

3. 地球物理勘探法主要包括哪些方法？简述各种方法的基本原理。

4. 地球化学勘探法的主要原理是什么？具体包括哪些方法？

5. 地质录井包括哪些方法？

6. 地球物理测井主要包括哪些方法？分别主要有哪些用途？

7. 简述声波测井的基本原理。