地球物理测井基本原理

《地球物理测井基本原理》中海能源发展股份有限公司钻采工程研究院2011年7月编写：金力钻目录地球物理测井：是指通过井下专门仪器，沿钻井剖面测量岩层的导电特性、声学特性、放射性、电化学特性等地球物理参数的方法。测井方法众多。电、声、放射性是三种最基本最常用的方法。每一种测井方法基本上都是间接地、有条件地反映岩层特性的某一侧面。要全面认识地下地质情况，发现和评价油气层，应综合使用多种测井方法。1.测井方法概况常规测井方法分类如下:1.测井方法概况成像测井方法分类如下:电成像(FMI/FMS/STAR/XRMI)声成像(USI/CBIL/CAST)阵列声波(DSI/XMAC_Ⅱ/WAVESONIC)阵列感应测井(AIT/HDIL/ARAI)核磁共振(CMR/MREX/MRIL_P)方位电阻率(ARI/HDIP/SEDT)对应为3大专业测井公司Schlumberger(MAXIS-500)、Atlas(ECLIPS-5700)、HALLIBURTON(EXCELL-2000)的仪器1.测井方法概况这些测井方法记录了电缆测井设备的不同发展阶段1、模拟记录阶段半自动测井仪（第一代）50年代引进51型电测仪JD—581多线型电测仪（第二代）2、数控测井阶段70年代3600数字测井仪（第三代）80年代CLS-3700、CSU、DDL数控测井仪（第四代）3、数控与成像测井并存阶段90年代ECLIP-5700、MAXIS-500、EXCELL-2000成像测井仪（第五代）目前在电缆测井的基础上,开展了随钻测井,项目都包括在电缆项目之中.1.测井方法概况2.1电法测井2.常规测井方法不同岩石以及岩石孔隙中所含的流体,其导电性是不同的,利用岩石导电性的差异来研究地质剖面和判别油气水层的方法,称为电法测井,包括:普通电法测井侧向测井感应测井自然电位测井电磁波传播测井2.1.1普通电法测井2.常规测井方法普通电法测井原理图•测量原理电极系供电测量某两点间的电位差视电阻率2.1.1普通电法测井2.常规测井方法梯度电极系：不成对电极到靠近它的那个成对电极之间的距离大于成对电极间距离的电极系电位电极系：不成对电极到靠近它的那个成对电极之间的距离小于成对电极间距离的电极系2.1.1普通电法测井-微电极测井2.常规测井方法为提高纵向分辨能力而设计出的一种贴井壁测量的特殊装置称为微电极。一般微电极系的结构如图，在微电极主体上，装有三个弹簧片扶正器，弹簧片之间的夹角为1200，在其中一个弹簧片上有硬橡胶绝缘板把供电电极A和测量电极M1M2按直线排列，微电极曲线是由微电位和微梯度两条电阻率曲线组成的。2.常规测井方法特点：a.电极距小，几乎不受围岩和泥浆的影响；b.探测深度浅，纵向分辨率高；c.在渗透层处一般有“幅度差”。应用：a.划分渗透性地层：探测较深的微电位视电阻率大于微梯度视电阻率，有幅度差。b.识别岩性：对于泥岩，微电极曲线平直，无幅度差；对于砂岩，微电极曲线有幅度差，砂岩越纯、物性越好，幅度差就越大；对于致密层，微电极电阻率高。c.确定砂岩的有效厚度：利用微电极曲线纵向分辨率高的特点，可以较准确地划分有效厚度。2.1.1普通电法测井-微电极测井2.1.2侧向测井2.常规测井方法普通电阻率测井法的主要缺点是测量电流的一部分沿井筒分流，即测量电流不能全部流进地层；另外它也不能深入地层很远，所以，测得的视电阻率与地层的真电阻率相差甚远。聚焦式电阻率测井法是针对这一问题，对普通电阻率测井的电极系加以改进而发展的一种新方法。聚焦式电阻率测井也叫侧向测井。它包括三侧向、七侧向、双侧向、微侧向、邻近侧向、球形聚焦和微球形聚焦等方法。这些方法中，电极系的结构、形状和尺寸不同，其探测特性也不同。2.1.2侧向测井-双侧向测井2.常规测井方法常用的双侧向测井采用2个柱状电极和7个体积较小的环状电极，它的电极系中除了主电极之外，上、下还装有屏蔽电极。主电流受上下屏蔽电极流出的电流的排斥作用，使主电流被聚焦，侧向流入地层的电极系测量方法，这就大大降低了井内流体和围岩对视电阻率的影响。电极排列如图2.常规测井方法2.1.2侧向测井-双侧向测井特点:1、深、浅侧向同时测量，分别用36Hz和230Hz的电流供电。用相应频率的选频电路进行监督和测量。2、很大的测量范围，一般是1-10000.m3、深侧向探测深度大（约2.2m），双侧向能够划分出0.6m厚的地层。2.常规测井方法2.1.2侧向测井-双侧向测井应用:1、适合于高阻剖面、盐水泥浆条件。2、划分剖面，判断油（气）、水层；3、求取地层真电阻率；4、用于高阻地层裂缝识别，储层评价。2.常规测井方法2.1.2侧向测井-双侧向测井砂岩地层DLL测井图2.常规测井方法2.1.2侧向测井-微侧向及微球形聚焦测井探测范围为6－8in，基本为冲洗带电阻率。纵向分辨率高，用于划分薄层及识别油气水层。微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定xoR微侧向探测深度较浅，受泥饼影响大，邻近侧向可克服泥饼厚度的影响，但探测深度较大，在一定范围内受原状地层电阻率的影响，只适合侵入较深的地层。微球聚焦测井既具备了两者的优点，又克服了两者的缺点，探测深度适当，介于微侧向和邻近侧向之间，受泥饼和原状地层的影响较小，主要反映侵入带电阻率的变化。2.常规测井方法微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定xoR1划分薄层由于主电流以很细的电流束穿过泥饼进入地层，受泥饼影响小，对地层的电阻率变化十分敏感，在岩性不同的界面处有明显的变化，纵向分辨能力强。2确定RxoxoR2.1.2侧向测井-微侧向及微球形聚焦测井2.常规测井方法2.1.3感应测井微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定xoR感应测井利用交流电的互感原理测量地层的导电性。在发射线圈T通以固定频率和固定幅度的正弦交流电，由于发射线圈的电磁感应的作用，在线圈系周围的地层中就会感生出涡流，地层中感生的涡流会形成磁场，该磁场在位于上方的接收线圈R中产生感应电压。当发射线圈中的电流恒定时，地层中涡流的强度与地层电导率有近似的正比关系。测量范围小于100Ω.m适合于淡水泥浆、油基泥浆条件，中低阻剖面。发射线圈接受线圈涡流深感应。探测半径为1.62米，中感应探测半径为0.8米。2.常规测井方法2.1.3感应测井微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定xoR感应对水层比侧向更为敏感2.常规测井方法2.1.4自然电位测井微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定xoR自然电位测井，就是测量井中自然电场电位。sp一般是由以下两种原因造成的：一种是由地层水和泥浆滤液之间离子的扩散作用和岩粒对离子的吸附作用（电化学电动势）产生的；另一种是由地层压力不同于泥浆柱压力时在岩石空隙中产生的液体过滤作用（动电学电动势）产生的。实际测井中，夹在泥岩中的砂岩层的自然电位幅度，基本上是产生自然电场的总电动势SSP，即：SSP=Ed–EdaSSP=–Klg(Rmf/Rw)SSP称为静自然电位。K=69.6mV。2.常规测井方法2.1.4自然电位测井特点微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定xoRa.曲线关于地层中点对称，地层中点处异常值最大。b.地层越厚，自然电位越接近静自然电位，地层厚度变小，自然电位值下降，且顶部变尖底部变宽，自然电位小于等于静自然电位。c.h4d时，自然电位的半幅点对应地层的界面。ｄ．自然电位没有绝对的零点，是以泥岩井段的自然电位曲线幅度作为基线。2.常规测井方法2.1.4自然电位曲线的影响因素微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定xoRa.地层水和泥浆中含盐浓度比值的影响。b.岩性的影响c.温度的影响d.泥浆和地层水化学成分的影响e.地层电阻率的影响f.地层厚度的影响g.井径扩大和侵入带的影响2.常规测井方法2.1.4自然电位曲线的应用微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定xoR识别岩性；划分储层当RWARmf正SPRWARmf负SP2.常规测井方法2.1.4自然电位曲线的应用微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定xoR识别油水层：SP曲线幅度低的为油层，高的为水层2.2声波测井2.常规测井方法声波在不同介质中传播时，其速度、幅度衰减及频率变化等声学特性是不同的。声波测井就是以岩石等介质的声学特性为基础而提出的一种研究钻井地质剖面、评价固井质量等问题的测井方法。声波测井分为声速测井和声幅测井。声速测井（也称声波时差测井）测量地层声波速度。地层声波速度与地层的岩性、孔隙度及孔隙流体性质等因素有关。因此，根据声波在地层中的传播速度，就可以确定地层孔隙度、岩性及孔隙流体性质。各类声波测井用的机械波是可闻声波或超声波。2.2声波测井2.常规测井方法声波速度测井简称声速测井，测量地层滑行波的时差△t（地层纵波速度的倒数，单位是μs/m或μs/ft）。目前，主要应用二种类型的声系（单发双收声系、双发双收声系）。R1R1R2R2RTTTT’单发单收双发双收BHC单发双收消除井筒影响消除扩径等影响通过检测首波来获得声波时差，只能测量到纵波时差接收阵列发射器2.2声波测井2.常规测井方法声波全波列波形图长源距声波全波列测井声速测井只利用了纵波的速度信息，而声波全波列测井则记录声波的整个波列，不仅可以获得纵波的速度和幅度信息，横波的速度和幅度信息，还可以得到波列中的其它波成分，如伪瑞利波、斯通利波等。为石油勘探和开发提供更多的信息，所以声波全波列测井是一种较好的声波测井方法。裸眼井中声波全波列成分在裸眼井中，接收器记录到的声波全波列波形图上，包括滑行纵波、滑行横波（硬地层）、伪瑞利波和斯通利波等各类井内声波，如图所示。纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直2.2声波测井-影响因素2.常规测井方法1地层厚度由于声速测井的输出（时差）代表0.5米厚地层的平均时差，因此它们的声速测井时差曲线存在一定差异。1.1厚层①对着厚地层的中部，声波时差不受围岩的影响，时差曲线出现平直段，该段时差值为该地层的时差值。当地层岩性或孔隙性不均匀时，曲线有小的变化，则取厚地层中部时差曲线的平均值作为它的时差值。②时差曲线由高向低和由低向高变化的半幅点处对应于地层的上、下界面。所以可以用半幅点划分地层界面。1.2薄层目的层时差受相邻地层时差影响较大。若相邻地层时差高于目的层的时差，则目的层时差增加；反之，目的层时差减小。不能应用曲线半幅点确定地层界面。2“周波跳跃”现象的影响在一般情况下，声速测井仪的两个接收换能器是被同一脉冲首波触发的，但是在含气疏松地层情况下，地层大量吸收声波能量，声波发生较大的衰减，这时常常是声波信号只能触发路径较短的第一接收器的线路。而当首波到达第二接收器时，由于经过更长的路径的衰减不能使接收器线路触发。第二接收器的线路只能被续至波所触发，因而在声波时差曲线上出现“忽大忽小”的幅度急剧变化的现象，这种现象就叫周波跳跃2.2声波测井-资料应用2.常规测井方法(1)确定岩石孔隙度：在已知岩石骨架、孔隙中流体和用声速测井测得的声波时差，即可以计应用平均时间公式或威利公式计算出岩层的孔隙度。(2)判断气层：由于气、水的声速差异大，水的声速大于气的声速，因此在高孔隙度和泥浆侵入不深的条件下，气层的声波时差产生周波跳跃或明显增大，因此，声速测井能够比较好的识别疏松砂岩气层。(3)划分岩性：由于不同的地层具有不同的声波时差，所以根据声波时差曲线可以划分不同的岩性地层。如识别钙质层、泥岩层等等。1.4.4其它应用2.2声波测井资料应用2.常规测井方法石灰岩白云岩砂岩硬石膏盐岩套管(us／m)155.8142.7182.1167.3219.8187(us／ft)47.543.555.55167572.3放射性测井2.常规测井方法根据岩石及其孔隙流体的某种核物理性质探测井剖面的一类测井方法。•优点是：裸眼井、套管井都能正常测井，不受钻井液的限制。•方法多，十余种：自然伽马测井、自然伽马能谱测井密度测井、岩性密度测井中子测井——中子伽马测井、补偿中子测井、井壁中子测井、中子寿命测井C/O能谱测井放射性同位素测井2.3放射性测井2.3.1自然伽马（G