Question

科学钻探中的测井应用

Answer 1

科学钻探的目的主要是通过钻孔获取岩心、岩屑、岩层中的流体(气体和液体)、实施地球物理测井和在钻孔中安放仪器进行长期观测，以获取地下岩层中的各种地学信息，进行地学研究。它可以分为大洋科学钻探、大陆科学钻探、极地钻探。

最早实施的深海钻探计划DSDP(1968～1983年)和大洋钻探计划ODP(1985～2003年)，30余年来在全球各大洋钻井近3000口，取心近30×10⁴m，验证了板块构造理论，创立了古海洋学揭示了洋壳结构和海底高原的形成，证实了气候演变的轨道周期和地球环境的突变事件，分析了汇聚大陆边缘深部流体的作用，发现了海底深部生物圈和天然气水合物。当ODP计划于2003年10月结束时，规模更大的综合大洋钻探计划IODP(2003～2013年)开始实施。

大洋钻探计划的成功，使人们的眼光转向了大陆。与海洋相比，大陆地壳要复杂得多。大陆岩石圈的形成、结构与演化历史都比大洋要复杂得多。要想揭开大陆动力学过程的规律性，只有通过大陆上系统的科学钻探来取得地球深部的岩心和数据，验证现有科学假说的真伪及不足。自20世纪70年代开始，先后有苏联、美、英、法、德等14个国家开展大陆科学钻探。

欧洲10个国家(德国、比利时、丹麦、法国、意大利、挪威、荷兰、英国、瑞典和瑞士)于1991年合作开展的欧洲南极冰芯钻探项目(EPICA)，拉开了极地钻探的序幕。

1996年由德、美、中三国发起的国际大陆科学钻探组织成立，中国开始进入大陆科学钻探领域。“中国大陆科学钻探工程”项目于1997年6月获国家科技领导小组批准，1999年9月27日获国家计委批准;于2001年8月4日开钻，2005年4月18日完钻(终孔深度5158m)，并在该孔建立了科学钻探长期观测基地。目前，仍在实施的中国大陆科学钻探项目有青海湖国际环境钻探项目(ICDP项目)、汶川地震断裂带科学钻探WFSD项目、白垩纪松辽盆地大陆科学钻探项目(973项目)。

地球是一个复杂系统，地球科学的发展已经越来越要求将大气圈、岩石圈、生物圈、水圈与深部地球和空间作为一个整体研究，需要地球科学各学科的交叉渗透。过去几十年，科学技术的发展为地球科学的交叉和融合创造了条件，地球科学的各分支学科系统科学地结合起来。

在科学钻探领域也不例外，在同一地质环境下地震、测井、岩心测量等获得的不同比例尺资料是描述地下地质情况极好的相互补充。地震剖面是区域描述的基础，测井比例尺中等且能给出钻孔周围区域连续的信息，岩样测量则给出详细的物理性质和年代。岩样在取心过程中经常受到各种扰动，测井可获得更大的岩石体积的一组连续信息;岩心深度和方向需根据测井资料确定，缺失岩心的井段岩性和地质构造可通过岩心和测井剖面对比恢复。相对地震测量，测井具有高得多的垂直分辨率和很小的横向分辨率，两者结合研究地下地质构造比任一种单一方法好得多。据1997年的统计，近25年的DSDP计划中仅有14%的钻孔实施测井，而1985年开始的ODP项目中实施测井的钻孔已占56%。近十几年来在德国、日本、美国、俄罗斯和乌克兰等国的大陆科学钻探中，测井发挥了重要的作用。

10.5.1大洋科学钻探中的测井

在综合大洋钻探计划(IODP)中，深度超过400m的井都必须进行地球物理测井。如果同一区域的相同层段已经测过井，可以不再测井;否则，必须经过测井部门负责人的认可。另外，每一次航行规划都会指定一名测井科学家负责与该航次的首席科学家及测井服务部门联系。

斯仑贝谢测井公司是国际大洋钻探计划(IODP)的合作伙伴，主要采用该公司的常规测井仪器和特种测井仪器，有时也采用其他几个测井公司的仪器。航次期间，部分测井资料(成像测井数据量太大，不便传输)被传送到岸上进行处理，然后再返回到船上。航次结束后一个月，可从测井服务部门得到全部可用的测井资料。Splicer和Sagan是现用的两个岩心与测井资料对比的软件包，Splicer主要用于岩心集成，Sagan主要用于测井－岩心对比解释。

在大洋钻探计划中，测井资料主要用于以下几方面的研究:

1)经济地质学;

2)地球化学;

3)地热学;

4)水文地质学;

5)古气候学;

6)岩石学。

10.5.2大陆科学钻探中的测井

科学钻探工程的目的不仅仅是打一口钻井，而是要取得来自于地球深部的直接证据以认识地球，验证已有的理论与假说。在钻探至地球深部后，辅以地球物理测井测量地下岩层的电、声、核、力学性质，以便评价地质构造、研究地壳热结构、研究地下流体及其运动机制、阐明地壳的结构及其演化、确定地壳应力场等。将钻探与地球物理测井相结合，便构成了伸入地球内部的“望远镜”，这便是大陆科学钻探的全面含义。可以说，测井在大陆科学钻探中具有举足轻重的作用。下面介绍几个代表性的大陆科学钻探项目。

10.5.2.1德国的大陆科学钻探计划(KTB)

德国的大陆深钻井(KTB)于1987年9月开钻，于1994年10月终孔，深度为9101m。KTB通过直接探测、原位测量，研究深部岩石的地球物理异常性质，调查与评价深部大陆地壳的物理与化学条件，以了解大陆地壳的结构、成分、动力学，演化及正在进行的过程与古过程。在该项目的实施过程中，在其先导孔的钻探中共使用了65种不同类型、不同方法的测井仪器，共测井398次;在主孔的钻探中，使用了50种不同类型、不同方法的测井仪器，共测井266次。KTB的地球物理测井，采用了当时世界上最先进的测井方法和技术，获得了大量的深部现场原位数据，为地球科学研究提供了丰富的、极为可靠的资料，图10.5.1为德国大陆深钻井7800～8600m测井实例。

图10.5.1 德国大陆深钻井7800～8600m测井实例

KTB计划的成功，与测井发挥的重要作用密不可分，该计划取得了以下成果:①研究地层热事件;②地质构造识别与定向;③地应力场测量;④岩性剖面重建。

10.5.2.2 科拉半岛的SG－3号大陆科学钻探计划

地球上的最深井———苏联科拉半岛的SG－3号深钻的钻探研究中，测井也发挥了重要的作用。在钻探的第一阶段(0～7000m)，曾采用较多的测井方法研究钻孔，其目的不仅是解决地质问题，而且要对各种测井方法所获得的信息进行比较，为钻探的第二阶段(井深>7000m)测井方法的优化组合创造条件。根据有关文字资料的不完全统计，该孔的测井方法组合达25种以上，测井方法包括声波、自然伽马、中子伽马、中子－中子、井中三分量磁测，以及井径、井斜、磁定位(套管接箍)、井液采集等方法。测量深度达7000m时使用了测井24种方法，达11500m时还有15种。图10.5.2为SG－3号深钻测井实例。

该科学深钻计划取得了以下成果:①建立了该钻孔反映的地壳上部构造的地球物理与岩石物理剖面模型;②根据所揭示的岩石物理性质垂直分带，对地壳构造获得了新的认识;③确定地球内部的温度规律;④研究了该钻孔揭露地层的应力状态。另外，该超深井面向超高压、超高温的测井环境，推动了测井技术的进步与发展。

图10.5.2 SG－3号深钻测井实例

10.5.2.3 中国大陆科学钻探计划———科钻一井

在中国的第一口大陆科学钻探工程钻孔的钻探工作中，实施了8次综合测井，采集到全井段的综合测井信息;实施了73次工程测井。主要的测井方法有:双侧向、微球聚焦、自然电位、自然伽马、自然伽马能谱、岩性密度、补偿中子、多极阵列声波、超声成像和微电阻扫描成像、井径、井温、井液电阻率、井斜、分区水泥胶结、套管接箍。

科钻一井的钻探工作中取得的主要测井成果如下:①变质岩测井响应特征分析和岩性识别;②岩心定向归位;③成像测井地质应用;④测井综合剖面;⑤变质岩测井解释的频谱分析方法;⑥中国大陆科学钻探测井信息系统;⑦主孔井眼三维可视化系统;⑧测井地震联合解释;⑨井中地球物理场分析。

无论是在大洋科学钻探领域，还是在大陆科学钻探领域，测井都发挥着不可或缺的作用，而且随着测井技术与方法的完善与进步，这一作用将越来越大。

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