⑴ 地球物理測井，主要有哪些方法以及原理
地球物理測井主要手螞檔有電法測井，用電阻等於電壓除以電流的原物州理測。聲波測井，主要是根據岩石的聲學特性來測井，聲波裡麵包含超聲等測井畢亂。核測井主要是根據元素在自然狀態或者被外界放射性物質激發後的核反應原理測井。核磁共振測井，主要是利用氫元素被磁化後到恢復原狀態的時間等特性來測井，能有效測量孔隙度，流體等。電磁波測井，主要是根據法拉第電磁感應原理測量地層的電導率。主要的測井方法就這些。
⑵ 常用井下物理測井方法介紹
1.視電阻率測井
(1)視電阻率測井原理
在實際測井中,岩層電阻率受圍岩電阻率、鑽井液電阻率、鑽井液沖洗帶電阻率的影響,井下物探測得的電阻率不是岩層的真電阻率,這種電阻率稱為視電阻率。視電阻率測井主要包括三部分:供電線路、測量線路和井下電極系,如圖4-6所示。
圖4-6 視電阻率測井原理圖
在井下將供電電極(A,B)和測量電極(M,N)組成的電極系A,M,N或 M,A,B放入井內,而把另一個電極(B或N)放在地面泥漿池中。當電極系由井底向井口移動時,由供電電極A,B供給電流,在地層中造成人工電場。由測量電極M ,N測得電位差ΔUMN。M ,N兩點的電位差直接由它所在位置的岩層電阻率所決定,岩層電阻率越高,測得的電位差就越大;岩層電阻率越低,測得的電位差就越小。電位差的變化,反映了不同地層電阻率的變化。視電阻率測井實際上就是對電位差的連續測量,經過計算就可求得視電阻率。
(2)視電阻率曲線形態
視電阻率曲線形態與電極系的分類有關。當井下測量電極系為A,M,N時,稱為梯度電極系;當井下測量電極系為M,A,B時,稱為電位電極系。由供電電極到電極系記錄點的距離稱為電極距,常用的有2.5m梯度電極系和0.5m電位電極系。梯度電極系根據成對電極系(AB或 MN)與不成對電極系(AM或MA)的位置又分為頂部梯度電極系和底部梯度電極系。
實際測井中,底部梯度電極系曲線形態如圖4-7所示。頂部梯度電極系曲線形態正好相反。
電位電極系曲線形態如圖4-8所示,曲線沿高阻層中心對稱,A表示異常幅度,A/2稱為半幅點,岩層上下界面與半幅點位置對應。
圖4-7 底部梯度電極系視電阻率曲線形狀
圖4-8 電位電極系視電阻率測井曲線形狀
(3)視電阻率測井的應用
1)確定岩性。一般純泥岩電阻率低,砂岩稍高,碳酸鹽岩相當高,岩漿岩最高。根據視電阻率曲線幅度的高低,可以判斷地下岩層的岩性。但當岩層中含高礦化度的地下水時,其對應的視電阻率相應降低。由於影響視電阻率的因素很多,曲線具有多解性,要結合岩屑、岩心等其他錄井資料綜合判斷。
2)劃分地層。實際應用中,以底部梯度電極系曲線的極大值劃分高阻層的底界面,以極小值劃分高阻層的頂界面,單純用視電阻率曲線劃分頂界面往往有一定誤差,應結合其他曲線進行劃分。視電阻率曲線確定高電阻岩層的界面比較准確,而對電阻率較低的地層則准確度較差。
2.自然電位測井
(1)自然電位測井原理
地層中有3種自然電位,即擴散吸附電位、過濾電位和氧化還原電位。擴散吸附電位主要發生在地熱、油氣井中,是我們主要測量的對象;過濾電位很小,常忽略不計;氧化還原電位主要產生在金屬礦井中,這里不做研究。
在砂岩儲層地熱井中,一般都含有高礦化度的地熱流體。地熱流體和鑽井液中都含有氯化鈉(NaCl)。當地熱流體和鑽井液兩種濃度不同的溶液直接接觸時,由於砂岩地層水中的正離子(Na+)和負離子(Cl-)向井液中擴散,Cl-的遷移速度(18℃時為65×105cm/s)比Na+的遷移速度(18℃時為43 ×105cm/s)大,所以隨著擴散的進行,井壁的井液一側將出現較多的Cl-而帶負電,井壁的砂岩一側則出現較多的Na+而帶正電。這樣,在砂岩段井壁兩側聚集的異性電荷(砂岩帶正電荷,鑽井液帶負電荷)就形成了電位差。
與砂岩相鄰的泥岩中所含的地層水的成分和濃度一般與砂岩地層水相同,泥岩中高濃度的地層水也向井內鑽井液中擴散。但由於泥質顆粒對負離子有選擇性的吸附作用,一部分氯離子被泥岩表面吸附在井壁側帶負電,井壁的井液一側將出現較多的Na+而帶正電。這樣,在泥岩段井壁兩側聚集的異性電荷(泥岩帶負電荷,鑽井液帶正電荷)就形成了電位差。
由於正負電荷相互吸引,這種帶電離子的聚集發生因地層岩性不同,在兩種不同濃度溶液的接觸(井壁)附近,形成自然電位差(圖4-9)。用一套儀器測量出不同段的自然電位差,就可以研究出地下岩層的性質。
(2)自然電位曲線形態
在滲透性砂岩地層中,若岩性均勻,自然電位曲線的形態與地層中點是對稱的。異常幅度大小等於自然電流在井內的電位降。一般用異常幅度的半幅點確定地層頂底界面,如圖4-9所示。
圖4-9 井內自然電位分布與自然電位曲線形狀
(3)自然電位測井的應用
A.劃分滲透層
自然電位曲線異常是滲透性岩層的顯著特徵。當地層水礦化度大於鑽井液礦化度時(地熱水多為此例),滲透層自然電位曲線呈負異常,泥岩層自然電位曲線呈正異常。當地層水礦化度小於鑽井液礦化度時則相反。
劃分滲透層一般以泥岩自然電位為基線,砂岩中泥質含量越少,自然電位幅度值愈大,滲透性愈好;砂岩中泥質含量越多,自然電位幅度值就愈小,滲透性就變差。
劃分地層界面一般用半幅點確定。但當地層厚度h小於自然電位曲線幅度Am時,自1/3幅點算起;地層厚度h≥自然電位曲線幅度5Am時,自上、下拐點算起。
B.劃分地層岩性
岩石的吸附擴散作用與岩石的成分、結構、膠結物成分、含量等有密切關系,故可根據自然電位曲線的變化劃分出地層岩性。如砂岩岩性顆粒變細,泥質含量越多,自然電位幅度值就降低,據此可劃分出泥岩、砂岩、泥質砂岩等。
3.感應測井
(1)感應測井原理
感應測井是研究地層電導率的測井方法。井下部分主要測井儀器有:發射線圈、接收線圈和電子線路,如圖4-10所示。在下井儀器中,當振盪器向發射線圈輸出固定高頻電流(I)時,發射線圈就會在井場周圍的地層中形成交變電磁場,在交變電磁場的作用下,地層中就會產生感應電流(I),感應電流又會在地層中形成二次電磁場(或叫次生電磁場),在次生電磁場的作用下,接收線圈會產生感應電動勢,地面記錄儀將感應電動勢的信號記錄下來,就成為感應測井曲線。
圖4-10 感應測井原理圖
(2)感應測井曲線形態
由於感應電流大小與地層電導率成正比,所以,地層電導率大,感應測井曲線幅度高;地層電導率小,感應測井曲線幅度低。
(3)感應測井的應用
A.確定岩性
與其他曲線配合,可區分出砂岩、泥岩、泥質砂岩、砂質泥岩等岩性。劃分厚度大於2m的地層,按半幅點確定其界面;厚度小於2m的地層,因用半幅點分層較麻煩,實際中往往不用感應曲線分層。
注意的是,感應曲線上讀的是電導率,其單位是毫歐姆/米(mΩ/m)。它的倒數才是視電阻率,單位是歐姆米(Ω·m)。
B.判斷含水儲層,劃分界面
感應測井曲線對地層電阻率反應極為靈敏。由於電阻率的變化導致電導率的變化,水層電導率明顯升高,分界面往往在曲線的急劇變化處。
4.側向測井
(1)側向測井原理
側向測井是視電阻率方式之一,不同的是它的電極系中除有主電極系外,還有一對屏蔽電極,其作用是使主電流聚成水平層狀電流(又稱聚焦測井),極大地降低了鑽井液、沖洗帶和圍岩的影響,能解決普通電極測井不能解決的問題,如在碳酸岩地層、鹽水鑽井液以及薄層交互剖面中提高解釋效果。
側向測井有三側向、六側向、七側向、八側向和微側向。下面僅介紹常用的七側向、八側向、雙側向和微側向。
(2)七側向測井
1)七側向測井是一種聚焦測井方法,其主電極兩端各有一個屏蔽電極,屏蔽電極使主電流成薄層狀徑向地擠入地層,此時,井軸方向上無電流通過,七側向測井曲線就是記錄在不變的主電流全部被擠入地層時,所用的電壓值。當地層電阻率較大時,主電流不易被擠入地層,所用的電壓值就大;相反,當地層電阻率較小時,主電流容易被擠入地層,所用的電壓值就小。在測井曲線上,對應高阻層,曲線有較高的視電阻率;對應低阻層,曲線有較低的視電阻率。
2)七側向測井曲線的應用
七側向測井曲線的特點是正對高阻層,曲線形狀呈中心對稱,曲線上有兩個「尖子」,解釋時取地層中點的視電阻率作為該高阻層的視電阻率值,取突變點作為地層的分界線,如圖4-11所示。
七側向測井可分為深、淺兩種側向。深側向能反映地層深部的電阻率;淺側向能反映井壁附近地層的電阻率變化。對於熱儲層而言,它僅反映鑽井液沖洗帶附近的電阻率變化。根據七側向測井的特點,將它們組合起來,就能較好地劃分地層所含流體的性質。此外,還可以求出地層的真電阻率。七側向測井常用於孔隙型地層測井中。
圖4-11 七側向測井曲線形狀圖
(3)八側向測井
八側向測井是側向測井的一種,原理與七側向測井相同,實際為一探測深度很淺的七側向測井,只是電極系尺寸大小和供電迴路電極距電極系較近,因此看起來很像一個八個電極的電極系,故名八側向。八側向探測深度為0.35m,應用地層電阻率范圍0～100Ωm,且泥漿電阻率大於0.1Ωm(魏廣建,2004)。因八側向探測深度淺,縱向分層能力較強。它是研究侵入帶電阻率的方法,通常不單獨使用,而是和感應測井組合應用,稱為雙感應-八側向測井,是目前井下地球物理測井的主要測井項目。
(4)雙側向測井
雙側向電極系結構:由七個環狀電極和兩個柱狀電極構成。
雙側向探測深度:雙側向的探測深度由屏蔽電極A1,A2的長度決定,雙側向採用將屏蔽電極分為兩段,通過控制各段的電壓,達到增加探測深度的目的。側向測井由於屏蔽電極加長,測出的視電阻率主要反映原狀地層的電阻率;淺側向測井探測深度小於深側向,主要反映侵入帶電阻率。
雙側向縱向分層能力:與O1,O2的距離有關,可劃分出h＞O1,O2的地層電阻率變化。
雙側向影響因素:層厚、圍岩對深、淺雙側向的影響是相同的,受井眼影響較小。
雙側向測井資料的應用:
1)劃分地質剖面:雙側向的分層能力較強,視電阻率曲線在不同岩性的地層剖面上,顯示清楚,一般層厚h＞0.4m的低阻泥岩,高阻的緻密層在曲線上都有明顯顯示。
2)深、淺側向視電阻率曲線重疊,快速直觀判斷油(氣)水層。
由於深側向探測深度較深,深、淺測向受井眼影響程度比較接近,可利用二者視電阻率曲線的幅度差直觀判斷油(氣)、水層。在油(氣)層處,曲線出現正幅度差;在水層,曲線出現負幅度差。如果鑽井液侵入時間過長,會對正、負異常差值產生影響,所以,一般在鑽到目的層時,應及時測井,減小泥漿濾液侵入深度,增加雙側向曲線差異。
3)確定地層電阻率。
根據深、淺雙側向測出的視電阻率,可採用同三側向相同的方法求出地層真電阻率Rt和侵入帶直徑Di。
4)計算地層含水飽和度。
5)估算裂縫參數。
(5)微側向測井
微側向裝置是在微電極繫上增加聚焦裝置,使主電流被聚焦成垂直井壁的電流束,電流束垂直穿過泥餅,在泥餅厚度不大的情況下可忽略不計,測量的視電阻率接近沖洗帶的真電阻率。
由於主電流束的直徑很小(僅4.4cm),所以,微側向測井的縱向分辨能力很強。因此,應用微側向測井曲線可以劃分岩性,劃分厚度為5cm的薄夾層、緻密層,常用於碳酸鹽岩地層測井中。
5.聲波時差測井
(1)聲波時差測井原理
聲波時差測井原理如圖4-12所示,在下井儀器中有一個聲波發射器和兩個接收裝置。當聲波發射器向地層發射一定頻率的聲波時,由於兩個接收裝置與發射器之間的距離不同,因此,初至波(首波)到達兩個接收器的時間也不同。第一個接收器先收到初至波,而第二個接收器在第一個接收器初至波到達Δt時間後才收到初至波。Δt的大小隻與岩石的聲波速度有關,而與泥漿影響無關。通常兩接收器之間的距離為0.5m,測量時儀器已自動把Δt放大了一倍,故Δt相當於穿行1m所需的時間。這個時間又叫做聲波時差,單位是μs/m (1s=106μs)。聲波時差的倒數就是聲波速度。
圖4-12 聲波時差測井原理圖
(2)聲波時差測井的應用
A.判斷岩性
岩石越緻密,孔隙度越小,聲波時差就越小;岩石越疏鬆,孔隙度越大,聲波時差就越大。因此,可以利用聲波時差曲線判斷岩性,從泥岩、砂岩到碳酸鹽岩聲波時差是逐漸減小的(泥岩252～948μs/m;砂岩300～440μs/m;碳酸鹽岩125～141μs/m)。
B.劃分油、氣、水層
當岩層中含有不同的流體時,由於流體密度存在差異,聲波在不同流體中傳播速度不同。因此,在其他條件相同的前提下,沉積地層中的流體性質也影響聲波時差,如淡水聲波時差為620μs/m,鹽水為608μs/m,石油為757～985μs/m,甲烷氣為2260μs/m。同樣,岩石中有機質含量也可影響聲波的速度,一般情況下,泥頁岩中有機質含量越高,所對應的聲波時差值越大(操應長,2003)。
實際應用中,氣層聲波時差較大,曲線的特點是產生周波跳躍現象。油層與氣層之間聲波時差曲線的特點油層小,氣層大,呈台階式增大;水層與氣層之間聲波時差曲線的特點是水層小,氣層大,也呈台階式增大。但水層一般比油層小10%～20%,如圖4-13所示。
C.劃分滲透性岩層
當聲波通過破碎帶或裂縫帶時,聲波能量被強烈吸收而大大衰減,使聲波時差急劇增大。根據這個特徵,可以在聲波時差曲線上將滲透性岩層劃分出來。
D.沉積地層孔隙度、地層不整合面研究
在正常埋藏壓實條件下,沉積地層中孔隙度的對數與其深度呈線性關系,聲波時差對數與其深度也呈線性關系,並且隨埋深增大,孔隙度減小,聲波時差也減小,若對同一口井同一岩性的連續沉積地層,表現為一條具有一定斜率的直線。但是,有的井聲波時差對數與其深度的變化曲線並不是一條簡單的直線,而是呈折線或錯開的線段,可能就是地層不整合面或層序異常界面。
圖4-13 聲波時差測井曲線應用
6.自然伽馬測井
(1)自然伽馬測井原理
在自然界中,不同岩石含有不同的放射性。一般地,岩石的泥質含量越高放射性越強,泥質含量越低放射性越弱。其射線強度以γ射線為最。
自然γ測井中,井下儀器中有一γ閃爍計數器,計數器將接收到的岩層自然γ射線變為電脈沖,電脈沖由電纜傳至地面儀器的放射性面板,變為電位差,示波儀把電位差記錄成自然伽馬曲線。岩層的自然伽馬強度用脈沖/分表示,如圖4-14所示。
圖4-14 自然伽馬測井裝置及曲線形狀圖
h—岩層厚度;d0—井徑
(2)自然伽馬曲線形態
1)自然伽馬曲線對稱於地層層厚的中點;
2)當地層厚度大於3倍井徑時,自然伽馬曲線極大值為一常數,用半幅點確定岩層界面;
3)當地層厚度小於3倍井徑時,自然伽馬曲線幅度變小,小於0.5倍井徑時,曲線表現為不明顯彎曲,岩層越薄,分層界限越接近於峰端,如圖4-14所示。
(3)自然伽馬測井的應用
A.劃分岩性
在砂泥岩剖面中,泥岩、頁岩自然伽馬曲線幅度最高,砂岩最低,而粉砂岩、泥質砂岩則介於砂岩和泥岩之間,並隨著岩層泥質含量增多而曲線幅度增高(見圖4-15)。
在碳酸鹽岩剖面中,泥岩、頁岩自然伽馬曲線值最高,純灰岩、白雲岩最低;而泥質灰岩、泥質白雲岩則介於二者之間,並隨著泥質含量的增加而自然伽馬值也增加。
圖4-15 應用自然伽馬和中子伽馬曲線判別岩性
B.判斷岩層的滲透性
根據自然伽馬曲線的幅度可判斷泥質膠結砂岩滲透性的好壞,也可間接判斷碳酸鹽岩裂縫的發育程度,劃分裂縫段。
C.進行地層對比
由於自然伽馬曲線不受井眼、鑽井液、岩層中流體性質等因素的影響,所以,在其他測井曲線難以對比的地層中,可用自然伽馬曲線進行地層對比。
D.跟蹤定位射孔
由於自然伽馬測井不受套管、水泥環的影響,所以,在下完套管之後的射孔作業中,將下套管的自然伽馬測井曲線與裸眼測井曲線對比,確定跟蹤射孔層位。