Question

　参数测井

Answer 1

地质灾害勘查中涉及的地理物理参数很多，包括电性参数、放射性参数、弹性参数、热学参数等，均与岩石的物理性质、状态有关。相应的参数测井方法包括电阻率测井、放射性测井、声波测井、井温测井及新发展的核磁共振测井、介电常数测井。前四种方法在前面章节中介绍，本节仅介绍可连接获取地层流体特征参数的核磁共振测井、介电常数测井两部分内容。

14.4.1　核磁测井

14.4.1.1　基本原理

核磁测井（Nuclear magnetism logging或Nuclear magnetic resonance logging）仪由流过强大电流的直流电线圈组成，由此产生磁场，使得质子按一定方向排列，当磁场消失后，质子也获得自由。通常像陀螺一样旋转的质子，开始从人工磁场的控制中解脱出来，回到原来为大地磁场所控制的排列方式中去，这一过程导致质子的旋进，通过测量质子旋进信号的强度、弛豫时间等参数进而求得孔隙度、饱和度、渗透率等有关地层参数。

14.4.1.2　观测方法

在核磁测井中测量核磁弛豫的方法主要有自由衰减度、自旋回波、反转恢复法等。

自由衰减度是利用某种方法使与静磁场B_o平行的核磁化强度M₀反转90°，以激发自由进动信号。例如：射频脉冲法使用一个90°射频脉冲，使原来的静磁场方向的磁化矢量反转90°，然后进行观测，得到的信号即是自由感应信号或称FID信号。另外还有一种方法即预极化法。在稳定磁场B_o的垂直方向上加以较强的预极化强度 B_p，由于极化磁场很强，最初沿稳定磁场建立起来的平衡态静磁化强度 M₀会发生偏转而转向沿总磁场的方向，在极化场的作用下，以纵向弛豫时间T₁确定的速率产生新的磁化强度M_p。在垂直于B₀方向上探测，在接收线圈中可以观测到一个频率的自由感应信号即FID信号，并按（14.2）式变化。

地质灾害勘查地球物理技术手册

自旋回波法是首先发射一个90°脉冲，接着再发射一个或一串180°脉冲，由此构成一次测量序列。在一个测量序列中，开始质子线性排列，其后依次为自旋扳倒、进动，重复以失相及重聚。

反转恢复法用于测量纵向弛豫时间T₁，测量原理见图14-7。初始磁化矢量B₀沿静磁场方向（图14-7a）施加一个与M₀完全反向的180°脉冲使B₀反转（图14-7b），经过τ延迟，z方向的纵向磁化矢量受纵向弛豫作用逐步恢复（图14-7c），更施加以90°脉冲将z方向剩余的纵向磁化矢量反转到x轴（或y轴），进行检测。测出FID（图14-7d）。经过一段延迟PD，使磁化矢量完全恢复正常，再开始下一个测量。

图14-7　反转恢复法测量原理

14.4.1.3　资料解释

核磁测井测量的主要是地层孔隙介质中氢核对仪器读数的贡献，它不受岩延迟性的影响，在解释孔隙度、渗透率等储层参数时，具有其他测井方法无法比拟的优势。

（1）孔隙度的解释

核磁测井与其他测井方法在孔隙度解释中的不同之处，就是核磁测井能解释束缚水流体和可动流体孔隙度。核磁测井的原始数据是所接收到的回波率，它是求各种参数和各种应用的基础。数据处理确定核磁共振孔隙度 φ_e、自由流体孔隙度φ_f和束缚流体孔隙度φ_b的方法是：对回波串的包络线做两指数、三指数或单指数扩展后，外推至零时间得到地层核磁共振自旋回波总信号A_ONMR，经刻度后成为核磁共振测得孔隙度φ_e。对大于一定门槛时间的所有回波包络线做单指数拟合后外推至零时间得到自由流体指数（可动流体孔隙度）；孔隙度也可以由反演提取的 T₂分布来评价。研究表明，短 T₂部分对应着岩石的小孔隙或微孔隙，而T₂长部分是岩石较大孔隙的反映。基于此，全部T₂分布的积分面积可以视为核磁共振孔隙度φNMR（φ_e）。

地质灾害勘查地球物理技术手册

通过选择一个合适的截止值 T_R，可以区分开反映小孔隙或为孔隙水的快速弛豫组分与反映可动孔隙中的慢速弛豫组分，使得大于 T_R的组分下面包围的面积与可产出的水相当。因此自由流体指数可以表示为：

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毛细管束缚孔隙度φ_b可以通过上面求得的φ_NMR和FFI相减求得，或者直接对 T₂分布小于 T_R的组分进行积分得到：

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因此可以看出，核磁测井可以很容易地求出不受骨架岩性影响的有效孔隙度φ_e，可动流体孔隙度φ_f、毛细管束缚水孔隙度φ_b等。

（2）渗透率的解释

目前由NMR参数或由NMR参数与其他参数结合建立的求取渗透率的关系式多达几十种，但归纳起来可分为三类：

由 T₂和φ_NMR（φ_e）建立渗透率模型（斯仑贝谢）：

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式中：T_2log为 T₂对数平均值，对砂岩地层通常取α_l=4,a₂=2。

由NMR测得的束缚水和可动流体参数组合φ_NMR、φ_FFI（φ_f）、φ_BVI（φ_b）、渗透率K建立的关系式（Coatas模型）：

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对于砂岩地层，通常取b₁=4,b₂=2。

由NMR得视扩展系数D所求得的S/V组合F与渗透率K建立关系式：

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其中：C为经验系数，受岩石表面弛豫能力的影响。对应不同地区，不同层段，C值不一样，需做岩心实验分析确定；F为泥浆滤液影响系数；S为孔隙表面积；V为孔隙体积。

14.4.1.4　技术要求

（1）要使产生的磁化场足够大，电流要求很大。

（2）要求有较长的极化时，测井时速度要非常慢。

（3）为了消除井液影响，有时需往泥浆中掺杂顺磁物质。

14.4.1.5　展望

核磁测井经过50年的发展，可以提供十分丰富的地层信息，能够定量确定有效孔隙度、自由流体孔隙度、束缚水孔隙度、孔径分布以及渗透率等参数。随着现代电子技术和计算机技术的飞速发展，其测量仪器和数据处理功能日益完善，核磁测井的应用范围也不断扩大。在地质灾害勘查方面可涉及许多灾种，如滑坡、崩塌等，核磁测井可以研究滑坡、崩塌区内的地层水分布情况，定量地给出有关参数，为地质灾害勘查和施工设计提供有关数据。可以预料，随着核磁测井技术的不断发展，其在地质灾害勘查工作中必将受到越来越广泛的重视。

14.4.2　介电测井

介电测井（Dielectric logging或Dielectric constant logging）是研究高频电磁场中岩石电学性质的一种测井方法。通过测量电磁波在穿过岩层后其相位的变化，来确定所探测岩石的介电常数，进而可确定地层的含水量。

14.4.2.1　基本原理

介电常数是表征介质极化能力的一个物理量。绝大多数矿物的介电常数是4～7，而水的介电常数约为80，具有明显的差异。因此，利用介电常数可以区分含水层与矿物。理论研究指出，高频电磁波在介质中传播时，其幅度和相位均与电磁波的频率、介质的介电常数和电导率有关。当采用较低频率时，电磁波幅度和相位的变化主要反映岩石电导率的变化，而很少反映岩石介电常数的变化。反之，采用较高频率时，电磁波的相位主要反映的是岩石介电常数的变化，而与电导率关系不大。电磁波的幅度则综合反映了介电常数及电导率的变化。因此采用较高频率（如60MHz）测量高频电磁波的相位，更有利于测定介质的介电常数。

14.4.2.2　观测方法

测井时，在井轴上放置三个线圈，组成一线圈系，其中一个为发射线圈，其余二个为接收线圈。当发射线圈供以高频交流电时，就会向地层辐射高频电磁波，穿过一段地层之后先后到达两个接收线圈，记录下高频电磁波经过一段距离（即两个接收线圈之间的距离）之后的相位差。对于不同性质的地层，其相位差的数值是不相同的，因此可根据所测地层相位差的大小及其变化规律，来分析地层。在高频条件下相位差的变化受地层电阻率的影响很小。

14.4.2.3　资料解释原则

介电测井是利用所测出的相位差的变化来反映地层的含水量的变化。因此，对于含水层，其含水量（即孔隙度与含水饱和度的乘积）增加，介电测井所测得的相位差也随之增加。

14.4.2.4　展望

介电测井能够准确区分含水层和非含水层，能反映地层的含水量变化。在地质灾害勘查工作中，可以解决滑坡体内地层水的含水量变化，对滑坡体的预测具有重要的作用。随着介电测井技术及设备的进一步发展，在地质灾害勘查工作中的应用领域将不断扩大，将会发挥出越来越重要的作用。