地面自然电位测量方法

⑴ 地面物探方法

地面物探方法已被证明是探测地下岩性、划分地层和确定地质构造的有效手段之一。几乎所有的地面物探方法均可用于寻找地下水和判定地下水的某些特征。但是绝大多数物探方法并不是直接测定出地下水本身的物性显示，而是通过测定出有利于蓄水的岩石、构造或裂隙、空洞等的物性显示间接判断地下水的存在以及它们的分布情况。当然，在岩石物性的显示中也包含有水的作用，但水的作用一般要较岩石矿物、化学组分、可溶盐含量、结构等方面的作用小得多。因此，准确地说，多数物探方法是间接找水的方法。

这些物探方法，首推电阻率法、磁法、放射性方法、热辐射法也常用到，而地震和重力法等相对使用较少。

近年来，随着应用物理技术的发展，人们力求研制出一些对地下水物性反映比较敏感的物探方法，以达到直接进行找水的目的。但是，在这些所谓“直接找水方法”所测得的物性异常中，除了地下水的作用外，仍然不同程度地包含了岩石本身物理性质和裂隙、通道等因素的影响，只不过它们较前述的一般物探方法包含了更多的地下水本身的物性显示。

考虑到一般电阻率法等间接找水的物探方法已在各种地球物理勘探和专门的水文地质物探专着中有详尽的论述，我们仅在此列表简述（表12-1）。我们将在这里着重介绍那些目前在寻找地下水方面较为有效，又有发展前途的地面物探方法。

表12-1 地面物探方法分类表

一、自然电场法

这是一种比较“古老”又行之有效的物探方法。这种方法以地下存在的天然电场为场源。由于天然电场主要与地下水通过岩石孔隙、裂隙通道时的渗透作用和离子扩散、吸附作用有关，因此可根据在地面上测量到的电场变化情况，查明地下水的埋藏、分布和运动状况。这种方法主要用于寻找地下掩埋的古河道、基岩含水破碎带，以及确定水库、河床和堤坝的渗漏通道，也可测定抽水井的影响半径和地下水流速。

自然电场法的使用条件，主要决定于地下水渗透作用形成的过滤电场的强度。一般只有在地下水埋藏较浅、水力坡度较大和所形成的过滤电场强度较大时，才能在地面测量到较明显的自然电位异常。为加强其异常显示，可采用人工场的充电法。

二、激发极化法

这种方法是根据供电极断电后，由电化学作用引起的岩石和地下水放电电场（即二次场）的衰减特征来寻找地下水。二次场的衰减特征可用视极化率（η_s）、视频散率（P_s）（交流极化法的基本测量参数）、衰减度（D）、衰减时（τ）表示。判断地下水存在效果较好的测量参数通常是τ和D。τ是指二次电位场（ΔU_z）衰减到某一规定数值时（通常规定为50%）所需的时间（单位为s）。D亦是反应极化电场（即二次场）衰减快慢的一种测量参数（用百分数表示）。由于岩石中的含水或富水地段水分子的极化能力较强，因此二次场一般衰减较慢，故D和τ值相对较大。

激发极化法和电阻率法一样，分为测深法、剖面法和测井法。其中，激发极化测深法用得最多，主要用于寻找层状或似层状分布的含水层以及较大的溶洞含水带，并可确定它们的埋藏深度。还可根据含水因素（M_s）和已知钻孔涌水量的相关关系，大致估计设计钻孔的涌水量。

由于激发极化所产生的二次场值小，故这种方法不适用于覆盖层较厚（如大于20 m）和工业游散电较强的地区。

三、交变电磁法

电磁法是近20～30年才推出的新物探方法。目前已在生产中使用的有甚低频电磁法（利用超长波通讯电台发射的电磁波为场源）、频率测深法（以改变电磁场频率来测得不同深度的岩性）、地质雷达法（利用高频电磁波束在地下电性界面上的反射来达到探测地质对象的目的）等。其中，甚低频法对确定低阻体（如断裂带、岩溶发育带和含水裂隙带）比较有效。而地质雷达则具较高的分辨率（可达数厘米），可以测出地下目的物的形状、大小及其空间位置。

近年来，前苏联科学家又设计出一种新的能直接寻找地下水的电磁法，即核磁找水法。其原理如下：由于水具弱磁性，故在磁场作用下，其磁矩将沿地磁的方向排列。当在垂直地磁场方向施加一定强度和频率的人工磁场时，水分子就会产生核磁共振现象。其磁振动率将会在地面铺设的金属线圈中产生一定的电流感应讯号。测定出这种讯号的强度，就可确定出地下水的埋深和富集程度。

四、放射性探测法（天然放射性找水法）

放射性探测法，是随着近年来核辐射理论迅速发展而推出的一种崭新的地球物理探测方法。它不用人工场源、测量仪器体积小，操纵方法简单、工效高，使用不受地形条件限制，是一种很有前途的物探方法。

自然界存在三个放射性元素系（铀—镭系、钍系和锕系）和一些不成系的天然放射性元素，但在岩石和水中分布较广泛的，主要有铀（U）、镭（Ra）、氡（Rn）、钍（Th）和钾（⁴⁰K）。天然放射性元素发生衰变时能放出α、β、γ射线，而这些射线的强度可利用核辐射探测仪器加以测定。尚需指出，用放射性方法所测量到的射线主要是氡及其子体产生的，而铀、镭等元素放出的射线是次要的，故氡及其子体是放射性探测法首先重视的对象。

放射性探测法主要适用于寻找基岩地下水。这是基于以下原因：①不同类型岩石，由于其放射性元素含量不同，其放射性强度常有差异；②岩石中断裂带和裂隙发育带，常是放射性气体运移和聚积的场所，故可形成放射性异常带；③在地下水流动过程中（特别是在出露地段），由于水文地球化学条件的突然改变，可导致水中某些放射性元素的沉淀或富集，从而形成放射性异常。

放射性探测的方法很多，目前使用较多的方法有：

（1）γ测量法。所测量的是铀、钍、钾等放射性元素及其子体辐射出的射线的总强度。

（2）放射性能谱测量法。它除能测量出γ射线总强度外，并能区分出铀、钍、钾的γ辐射强度。

（3）射气测量法。该方法是用射气仪（测氡仪）测量土壤中放射性气体（主要是氡气）的浓度，以发现浮土下基岩中的放射性异常带。

（4）α径迹测量法和α卡法。这两种方法均是测量土壤盖层中α射线的方法。

（5）²¹⁰Po法。它和α卡法一样，是一种测量土壤层中氡气长期积累量的化探方法。

⑵ 自然电位测井

自然电位测井是沿井身测量岩层或矿体在天然条件下产生的电场电位变化的一种测井方法。自然电位测井诞生于1931年，是世界上最早使用的测井方法之一，测量简便且实用意义很大，所以至今依然广泛应用。

在生产实践中人们发现，将一个测量电极放入裸眼井中并在井内移动，在没有人工供电的情况下，仍能测量到电场电位变化。这个电位是自然产生的，所以称为自然电位。

1.1.1 井中自然电位的产生

研究表明，井中自然电位包括扩散电位、扩散吸附电位、过滤电位和氧化还原电位等几种。钻井泥浆滤液和地层水的矿化度(或浓度)一般是不相同的，两种不同矿化度的溶液在井壁附近接触产生电化学过程，结果产生扩散电位和扩散吸附电位;当泥浆柱与地层之间存在压力差时，地层孔隙中产生过滤作用，从而产生过滤电位;金属矿含量高的地层具有氧化还原电位。

在石油井中，自然电位主要由扩散电位和扩散吸附电位组成。

1.1.1.1 扩散电位

首先做一个电化学实验，实验装置如图1.1.1所示。用一个渗透性隔膜将一个玻璃缸分隔成左右两部分，分别往玻璃缸两边注入浓度不同的NaCl溶液(浓度分别为C_w和C_m，且C_w>C_m)，然后在两种溶液中各插入一个电极，用导线将这两个电极和一个电压表串联起来，我们可以观察到电压表指针发生偏转。

玻璃缸左右两边溶液的浓度不同，那么高浓度溶液中的离子受渗透压的作用要穿过渗透性隔膜迁移到低浓度溶液中去，这种现象称为扩散现象。对于NaCl溶液来说，由于Cl^－的迁移率大于Na⁺的迁移率，因此低浓度溶液中的Cl^－相对增多，形成负电荷的富集，高浓度溶液中的Na⁺相对增多，形成正电荷的富集。于是，在两种不同浓度的溶液间能够测量到电位差。虽然离子继续扩散，但是Cl^－受到高浓度溶液中的正电荷吸引和低浓度溶液中的负电荷排斥作用，其迁移率减慢;Na⁺则迁移率加快，因而使两侧的电荷富集速度减慢。当正、负离子的迁移率相同时，电动势不再增加，但离子的扩散作用还在进行，这种状态称为动态平衡。此时接触面处的电动势称为扩散电动势或扩散电位。

图1.1.1 扩散电位产生示意图

在砂泥岩剖面井中，纯砂岩井段泥浆滤液和地层水在井壁附近相接触，如果二者的浓度不同，就会产生离子扩散作用。假设泥浆滤液和地层水只含NaCl，应用电化学知识，可由Nernst方程求出井壁上产生的扩散电位:

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式中:E_d为扩散电位，mV;l₊、l_－分别为正、负离子迁移率，S/(m·N);R为摩尔气体常数，等于8.313J/(mol·K);T为热力学温度，K;F为法拉第常数，等于96500C/mol;C_w、C_mf分别为地层水和泥浆滤液的NaCl质量浓度，g/L。

在溶液浓度比较低的情况下，溶液的电阻率与其浓度成反比，因此，式(1.1.1)可改写为:

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式中:R_w、R_mf分别为地层水和泥浆滤液的电阻率，Ω·m。令:

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称K_d为扩散电位系数，mV。则式(1.1.2)可简写为:

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利用式(1.1.3)可以计算溶液的K_d值。当温度为18℃时，NaCl溶液的K_d值为－11.6mV。

通常情况下，地层水的含盐浓度大于泥浆滤液的含盐浓度，即C_w>C_mf，因此扩散结果是地层水中富集正电荷，泥浆中富集负电荷。

1.1.1.2 扩散吸附电位

如果用泥岩隔膜替换上述实验中的渗透性隔膜，而不改变其他条件，重新进行实验，会出现什么现象呢?通过观察，发现电压表指针朝相反方向偏转，表明浓度大的一侧富集了负电荷，而浓度小的一侧富集了正电荷(图1.1.2)。

图1.1.2 扩散吸附电位产生示意图

用泥岩隔膜将两种不同浓度的NaCl溶液分开，两种溶液在此接触面处产生离子扩散，扩散总是从浓度大的一方向浓度小的一方进行。由于黏土矿物表面具有选择吸附负离子的能力，因此当浓度不同的NaCl溶液扩散时，黏土矿物颗粒表面吸附Cl^－，使其扩散受到牵制，只有Na⁺可以在地层水中自由移动，从而导致电位差的产生。这样就在泥岩隔膜处形成了扩散吸附电位。

在砂泥岩剖面井中，泥岩井段泥浆滤液和地层水在井壁附近相接触，产生的扩散吸附电位可以表示为:

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式中:称K_da为扩散吸附电位系数，它与岩层的泥质阳离子交换能力Q_v有关。在Q_v接近极限值的情况下，岩石孔隙中只有正离子参加扩散，可看作Cl^－的迁移率为零，因此由式(1.1.3)得到K_da:

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在溶液浓度比较低的情况下，式(1.1.5)可改写为:

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1.1.1.3 过滤电位

溶液通过毛细管时，毛细管壁吸附负离子，使溶液中正离子相对增多。正离子在压力差的作用下，随同溶液向压力低的一端移动，因此在毛细管两端富集不同符号的离子，压力低的一方带正电、压力高的一方带负电，于是产生电位差，如图1.1.3所示。

图1.1.3 过滤电位形成示意图

岩石颗粒与颗粒之间有很多孔隙，它们彼此连通，形成很细的孔道，相当于上述的毛细管。在钻井过程中，为了防止井喷，通常使泥浆柱压力略大于地层压力。在压力差的作用下，泥浆滤液向地层中渗入。由于岩石颗粒的选择吸附性，孔道壁上吸附泥浆滤液中的负离子，仅正离子随着泥浆滤液向地层中移动，这样在井壁附近聚集大量负离子，在地层内部富集大量正离子，从而产生电位差，这就是过滤电位。根据Helmholz理论，可以得出估算过滤电位的表达式:

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一般认为，在泥饼形成之前，当泥浆柱与地层之间压力差很大时，才能产生较大的过滤电位。由于油井泥浆柱与地层之间压力差不是很大，而且在测井时已形成泥饼，泥饼几乎是不渗透的，上述压力差降落在泥饼上，因此Eφ常忽略不计。

1.1.1.4 氧化还原电位

由于岩体的不均匀性，当它与泥浆接触而发生化学反应时，某一部分会因失去电子而呈正极性，另一部分则会因得到电子而显负极性，因此，二者之间便产生电位差，称为氧化还原电位。氧化还原电位仅产生于电子导电的固相矿体中，例如煤层和金属矿。沉积岩中基本没有氧化还原电位。

1.1.2 自然电位测井原理与曲线特征

1.1.2.1 自然电位测井原理

自然电位测井使用一对测量电极，用M、N表示，见图1.1.4。测井时，将测量电极N放在地面，电极M用电缆送至井下，沿井轴提升电极M测量自然电位随井深的变化，所记录的自然电位随井深的变化曲线叫自然电位测井曲线，通常用SP表示。

自然电位测井极少单独进行，而是与其他测井方法同时测量。例如，自然电位测井可以和电阻率测井同时测量。

1.1.2.2 井中自然电场分布与自然电位幅度的计算

以砂泥岩剖面井为例来说明井中自然电场分布特征。通常情况下，钻井过程中采用淡水泥浆钻进，泥浆滤液的浓度往往低于地层水的浓度。此时，在砂岩层段井内富集有负电荷，而在泥岩层段井内富集正电荷。由扩散电位和扩散吸附电位形成的自然电场分布如图1.1.5所示。

图1.1.4 自然电位测井原理图

图1.1.5 井中自然电场分布示意图

在砂岩和泥岩接触面附近，自然电位与E_d和E_da都有关系，其幅度可由图1.1.6(a)所示的等效电路求得。在此等效电路中，E_d和E_da是相互叠加的，这就是在相当厚的砂岩和泥岩接触面处的自然电位幅度基本上是产生自然电场的总电位E_总的原因，其值为:

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式中:K为自然电位系数，mV。通常把E_总称为静自然电位(SSP)，运算时写为U_SSP。此时E_d的幅度称为砂岩线，E_da的幅度称为泥岩线。

为了使用方便，实际自然电位测井曲线不设绝对零线，而是以大段泥岩对应的自然电位曲线作为其相对基线(即零线)。这样，巨厚的纯砂岩部分的自然电位幅度就是静自然电位值U_SSP。而实际上，在井中所寻找的砂岩储集层大部分是夹在泥岩层中的有限厚的砂岩，如图1.1.6(b)所示。此时，砂岩层处的自然电位异常幅度不等于SSP，用ΔU_SP表示。假设自然电流I所流经的泥浆、砂岩、泥岩各段等效电阻分别是r_m、r_sd、r_sh，由Kirchhoff定律得:

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所以，自然电流为:

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图1.1.6 计算U_SSP、ΔU_SP值的等效电路图

电阻r_m上的电位降，即ΔU_SP=Ir_m，从而得到:

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整理得:

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对于巨厚层，砂岩和泥岩层的截面积比井的截面积大得多，所以r_mr_sd，r_mr_sh，因此ΔU_SP≈U_SSP。而对于一般有限厚地层则ΔU_SP<U_SSP。

1.1.2.3 自然电位测井曲线特征

针对目的层为纯砂岩、上下围岩为泥岩的地层模型，计算得到一组自然电位理论曲线，如图1.1.7所示，它是一组曲线号码为 (地层厚度/井径)的ΔU_SP/U_SSP随深度变化的关系曲线。

理论曲线具有以下特点:曲线相对于地层中点对称;厚地层(h>4d，d为井径)的自然电位曲线幅度值近似等于静自然电位，且曲线的半幅点深度正对着地层界面深度，参见曲线号码 的曲线，与横坐标ΔU_SP/|U_SSP|=0.5的直线相交的两点(即半幅点)正好和对应地层的界面深度一致;随着地层厚度的变薄，对应界面的自然电位幅度值离开半幅点向曲线的峰值移动;地层中点取得曲线幅度的最大值，随着地层变薄极大值随之减小(ΔU_SP/|U_SSP|值接近零)，且曲线变得平缓。

实测曲线与理论曲线的特点基本相同，但由于测井时受井内环境及多方面因素的影响，实测曲线不如理论曲线规则。在早期的测井曲线图上，自然电位测井曲线没有绝对零点，而是以大段泥岩处的自然电位测井曲线作基线;曲线上方标有带极性符号(+，－)的横向比例尺，它与曲线的相对位置不影响自然电位幅度ΔU_SP的读数。自然电位幅度ΔU_SP的读数是基线到曲线异常极大值之间的宽度用横向比例尺换算出的毫伏数。现在采用计算机绘制测井曲线图，与其他常规测井曲线一样，自然电位测井曲线也具有左右刻度值，见图1.1.8。

图1.1.7 自然电位测井理论曲线

图1.1.8 自然电位测井曲线实例

在砂泥岩剖面井中，钻井一般用淡水泥浆(C_w>C_mf)，在砂岩渗透层井段自然电位测井曲线出现明显的负异常;在盐水泥浆井中(C_w<C_mf)，渗透层井段则会出现正异常。因此，自然电位测井曲线是识别渗透层的重要测井资料之一。

1.1.3 影响自然电位的因素

在砂泥岩剖面井中，自然电位曲线的幅度及特点主要决定于造成自然电场的总自然电位和自然电流的分布。总自然电位的大小取决于岩性、地层温度、地层水和泥浆中所含离子成分和泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。自然电流的分布则决定于流经路径中介质的电阻率及地层的厚度和井径的大小。这些因素对自然电位幅度及曲线形状均有影响。

1.1.3.1地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值的影响

地层水和泥浆滤液中含盐量的差异是造成自然电场中扩散电位E_d和扩散吸附电位E_da的基本原因。E_d和E_da的大小决定于地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值 。以泥岩作基线，当C_w>C_mf时，砂岩层段则出现自然电位负异常;当C_w<C_mf时，则砂岩层段出现自然电位的正异常;当C_w=C_mf时，没有自然电位异常出现。C_w与C_mf的差别愈大，曲线异常愈大。

1.1.3.2岩性的影响

在砂泥岩剖面井中，以大段泥岩处的自然电位测井曲线作基线，在自然电位曲线上出现异常变化的多为砂质岩层。当目的层为较厚的纯砂岩时，它与围岩之间的总自然电位达到最大值，即静自然电位，此时在自然电位曲线上出现最大的负异常幅度。当目的层含有泥质(其他条件不变)时，总自然电位降低，因而曲线异常的幅度也随之减小。此外，部分泥岩的阳离子交换能力减弱时，会产生基线偏移，渗透层的自然电位异常幅度也会相对降低。

1.1.3.3温度的影响

同样岩性的岩层，由于埋藏深度不同，其温度是不同的，而K_d、K_da都与热力学温度成正比例，这就导致埋藏深度不同的同样岩性岩层的自然电位测井曲线上异常幅度有差异。为了研究温度对自然电位的影响程度，需计算出地层温度为t(℃)时的K_d或K_da值。为计算方便，先计算出18℃时的K_da值，然后用下式可计算出任何地层温度t(℃)时的K_da值:

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1.1.3.4 地层水和泥浆滤液中所含盐的性质的影响

泥浆滤液和地层水中所含盐类不同，则溶液中所含离子不同，不同离子的离子价和迁移率均有差异，直接影响K_d或K_da值。

在纯砂岩井段中，地层水中所含盐类改变时，K_d也随之改变，见表1.1.1。因此，不同溶质的溶液，即使在其他条件都相同的情况下，所产生的E_d值也有差异。

表1.1.1 18℃时几种盐溶液的K_d值

1.1.3.5 地层电阻率的影响

当地层较厚并且各部分介质的电阻率相差不大时，式(1.1.12)中的r_sd、r_sh与r_m相比小得多，此时对于纯砂岩来说ΔU_SP≈U_SSP。当地层电阻率增高时，r_sd、r_sh与r_m比较，则不能忽略，因此ΔU_SP<U_SSP。地层电阻率越高，ΔU_SP越低。根据这个特点可以定性分辨油、水层。

1.1.3.6 地层厚度的影响

从图1.1.7所示的自然电位理论曲线上可以看出，自然电位幅度ΔU_SP随地层厚度的变薄而降低，而且曲线变得平缓。由于地层厚度变薄后，自然电流经过地层的截面变小，式(1.1.12)中的r_sd增加，使得ΔU_SP与SSP差别加大。

1.1.3.7井径扩大和泥浆侵入的影响

井径扩大使井的截面加大，式(1.1.12)中r_m相应减小，因此ΔU_SP降低。

在有泥浆侵入的渗透层井段所测的自然电位幅度ΔU_SP比同样的渗透层没有泥浆侵入时所测得的ΔU_SP要低。这是由于泥浆侵入使地层水和泥浆滤液的接触面向地层内部推移的缘故，相当于产生自然电场的场源与测量电极M之间的距离加大，而测量的自然电位下降。侵入越深，测得的ΔU_SP越低。

1.1.4 自然电位测井的应用

自然电位测井是一种最常用的测井方法，有着广泛的用途。

1.1.4.1 划分渗透性岩层

一般将大段泥岩层的自然电位测井曲线作为泥岩基线，偏离泥岩基线的井段都可以认为是渗透性岩层。渗透性很差的地层，常称为致密层，其自然电位测井曲线接近泥岩基线或者曲线的幅度异常很小。

识别出渗透层后，可用自然电位测井曲线的半幅点来确定渗透层界面，进而计算出渗透层厚度。半幅点是指泥岩基线算起1/2幅度所在位置。对于岩性均匀、界面清楚、厚度满足 的渗透层，利用半幅点划分岩层界面是可信的。如果储集层厚度较小，自然电位测井曲线异常较小，利用半幅点求出的厚度将大于实际厚度，一般要与其他纵向分辨率较高的测井曲线一起来划分地层。

1.1.4.2 地层对比和研究沉积相

自然电位测井曲线常常作为单层划相、井间对比、绘制沉积体等值图的手段之一，这是因为它具有以下特点，见图1.1.9。

1)单层曲线形态能反映粒度分布和沉积能量变化的速率。如柱形表示粒度稳定，砂岩与泥岩突变接触;钟形表示粒度由粗到细，是水进的结果，顶部渐变接触，底部突变接触，漏斗形表示粒度由细到粗，是水退的结果，底部渐变接触，顶部突变接触;曲线光滑或齿化程度是沉积能量稳定或变化频繁程度的表示。这些都同一定沉积环境形成的沉积物相联系，可作为单层划相的标志之一。

2)多层曲线形态反映一个沉积单位的纵向沉积序列，可作为划分沉积亚相的标志之一。

3)自然电位测井曲线形态较简单，又很有地质特征，因而便于井间对比，研究砂体空间形态，后者是研究沉积相的重要依据之一。

4)自然电位测井曲线分层简单，便于计算砂泥岩厚度、一个沉积体的总厚度、沉积体内砂岩总厚度、沉积体的砂泥比等参数，按一个沉积体绘出等值图，也是研究沉积环境和沉积相的重要资料。如沉积体最厚的地方指出盆地中心，泥岩最厚的地方指出沉积中心，砂岩最厚和砂泥比最高的地方指出物源方向，沉积体的平面分布则指出沉积环境。

图1.1.9 自然电位测井曲线形态特征

1.1.4.3 确定地层水电阻率

在评价油气储集层时，需要用到地层电阻率资料。利用自然电位测井曲线确定地层水电阻率是常用的方法之一。

选择厚度较大的饱含水的纯砂岩层，读出自然电位幅度ΔU_SP，校正成静自然电位U_SSP，并根据泥浆资料确定泥浆滤液电阻率R_mf。对于低浓度的地层水和泥浆滤液来说，利用式(1.1.8)可以求出地层水电阻率R_w。在浓度较高的情况下，溶液的浓度与电阻率不是简单的线性反比例关系，此时可以引入“等效电阻率”的概念，即不论溶液浓度如何变化，溶液的等效电阻率与浓度之间保持线性反比例关系。式(1.1.8)可以改写为:

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式中:R_mfe为泥浆滤液等效电阻率，Ω·m;R_we为地层水等效电阻率，Ω·m。

利用上式可以求出地层水等效电阻率，再根据溶液电阻率与等效电阻率的关系图版可以求出地层水电阻率。

1.1.4.4 估算泥质含量

自然电位测井曲线常被用来估算砂泥岩地层中的泥质含量，估算方法有以下几种。

方法一。利用经验公式估算，当砂泥岩地层中所含泥质呈层状分布形成砂泥质交互层，且泥质层与砂质层的电阻率相等或差别不大时，地层的泥质含量可用下式求得:

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式中:U_PSP为含泥质砂岩的自然电位测井曲线幅度，mV。

方法二。利用岩心分析资料和数理统计方法，找出自然电位与泥质含量之间的关系，建立泥质含量计算模型，然后利用这种模型来求取泥质含量。该方法适合于具有较多岩心分析资料的地区。

1.1.4.5 判断水淹层

在油田开发过程中，常采用注水的方法来提高油气采收率。如果一口井的某个油层见到了注入水，则该层就叫水淹层。油层水淹后，自然电位测井曲线往往发生基线偏移，出现台阶，见图1.1.10。因此，常常根据基线偏移来判断水淹层，并根据偏移量的大小来估算水淹程度。

图1.1.10 水淹层自然电位测井曲线示意图

⑶ 电法测井

电法测井是指以研究岩石及其裂隙流体的导电性、电化学性质及介电性为基础的一类测井方法，包括以测量岩层电化学特性、导电特性和介电特性为基础的测井方法。常用的有自然电位测井、视电阻率测井、侧向测井、微电极系及激发极化测井。

7.3.1.1 自然电位测井

自然电位测井是以岩石的电化学活动性质为基础的测井方法。

(1)井中自然电场的产生

井中自然电场的产生主要取决于岩石的岩性、地下水与泥浆的矿化度和含盐成分。在测井中，钻井剖面以砂、泥岩为主，所观测到的自然电位主要是由扩散作用、扩散—吸附作用和过滤作用所产生的。

扩散电位:不同浓度的两种溶液之间可形成电位差，这一电位差所产生的电场反过来又会减慢原来运动较快的离子，而加速原来运动较慢的离子。当这一电位差达到某一数值而使正、负离子的实际迁移速度达到相同时，在两种溶液中的正、负离子就不再富集。这时扩散达到动态平衡状态，两种溶液之间便建立起一个稳定的电位差。这种由离子扩散作用所产生的电动势称为扩散电动势。

扩散—吸附电位:对于含泥质的岩层(如粘土、泥岩、亚砂土及亚粘土等)，由于泥质颗粒具有选择性吸附负离子的特性，从而使迁移率较快的负离子(如Cl^－离子)的实际运动速度大大降低，而原来迁移较慢的正离子(如Na⁺离子)的实际运动速度相对加快，其结果使得在低浓度的溶液中富集了正离子，而在高浓度的溶液中则富集了负离子，从而产生了与纯扩散作用相反的电场。这种在离子扩散过程中又伴随着吸附现象而产生的电动势称为扩散—吸附电动势。

过滤电位:过滤电位是因地层水与泥浆柱之间存在着压力差而产生的。地下水溶液在压力差的作用下通过岩石孔隙时，因构成孔隙壁的岩石颗粒具有选择性吸附负离子的作用，故在孔隙壁形成固定的负离子层，而孔隙内溶液中相对过剩的正离子便同溶液一起向压力低的孔隙一端移动。这样就在孔隙两端富集了不同符号的离子，从而形成了电位差，称为过滤电动势。

实测得的自然电位是由扩散电动势、扩散—吸附电动势和过滤电动势所共同产生的电位差。一般情况下，考虑到泥浆柱与地层水之间的压力差比较小，而且在井壁上有泥饼的存在，过滤电位实际上很小，故其对实测自然电位的影响常忽略不计。

(2)自然电位测井的装置形式

自然电位测井的测量装置如图7.5所示，它只需—测量回路而不需供电装置，通常将测量电极置于井内作为移动电极，另一测量电极布置在地面上。自然电位测井是测量沿井轴移动的自然电位差，自然电位测井与地面自然电位法类似，它是通过测量钻井剖面的自然电场变化，来判断地下目标层的位置、特性以及解决其他相关的地质问题。

(3)自然电位测井曲线

在水文测井中，用自然电位测井曲线可以划分渗透性地层以及确定咸、淡水分界面等。图7.6为河北某地利用自然电位测井曲线确定咸、淡水分界面的实例。由于在62m以上的浅层砂层中的地层水矿化度高于泥浆的矿化度，故其自然电位测井曲线呈现负异常。在62m以下的深层砂层所含地层水的矿化度低于泥浆的矿化度，其自然电位测井曲线呈现正异常。一般确定咸、淡水分界面位置的方法是:若淡水层位于咸水层下部，则将咸、淡水层之间的隔水层底界面定为咸、淡水分界面;若淡水层位于咸水层上部，则将二者之间的隔水层顶界面定为咸、淡水分界面。

图7.5自然电位测井装置示意图

图7.6利用自然电位测井曲线划分咸、淡水分界面

7.3.1.2 视电阻率测井

(1)视电阻率测井的方法原理

视电阻率测井是以岩、矿石电阻率差异为物理依据，通过测量人工直流电场沿钻孔剖面的变化，来研究钻孔地质剖面的一种主要电测井方法。视电阻率测井原理如图7.7所示，其中供电电路由电源E、电流表mA、可变电阻R及供电电极A，B构成，测量电路由地面测量仪器G和测量电极M，N构成。

图7.7视电阻率测井原理示意图

供电电极A通过大地与供电电极B形成的稳定电流场，其电流线的分布受到供电测量电极周围岩石导电性差异的影响，而造成M与N之间的电位差ΔU_MN的变化。通过地面测位差测量仪器观测的ΔU_MN，便可以了解视电阻率随固定电极排列沿井筒移动的变化曲线。

(2)常规视电阻率测井电极系

在常规测井中，通常井内只有三个电极时构成三电位电极系。三电位电极系有梯度电极系和电位电极系。

根据成对电极的测量位置不同，将成对电极位于上部的称为顶部梯度电极系;将成对电极位于下部的称为底部梯度电极系。

电位电极系就是在三电极系中供电电极与测量电极之间的距离远小于测量电极的间距。

(3)理论视电阻率测井曲线

电位电极系视电阻率ρ_s测井曲线，如图7.8(a)所示，为高阻厚层(无钻孔影响，采用理想电位电极系AM)理论视电阻率测井曲线和实测视电阻率曲线。

图7.8(b)为高阻厚层上的实测ρ_s曲线，与理论曲线相比可以看出，二者的形状基本相似，只是实测曲线因受钻孔井径和泥浆等因素的影响，使ρ_s曲线的极大值变小，平直段消失，曲线变圆滑。这时高阻岩层分界面的位置可以用分离点a'b'来确定。

图7.8高阻厚层上的电位电极系视电阻率测井曲线

(4)视电阻率测井曲线的应用

图7.9为山西临汾YDWQ地热井的一段视电阻率实测曲线(细线为自然电位)。它是采用模拟组合测井仪的探管电极系和数字测井记录仪测量层位的。该段孔径为191mm，地层为奥陶系中统。从图可以看出，泥质灰岩的视电阻率值很低，有上、中、下三层;底部的纯石灰岩视电阻率很高，界面也很陡直;上部的石灰岩因岩溶裂隙发育，视电阻率值相对较低，变化较大，个别地方接近泥质灰岩。解释时结合自然γ与γ－γ曲线区别是因岩溶还是泥质引起的低视电阻率值异常。

图7.9视电阻率测井曲线实例

⑷ 地球物理探测方法

常用的地球物理方法与探测垃圾填埋场所使用的方法基本相同，有直流电阻率法（DC）和甚低频电磁法（VLF-EM），瞬变电磁法（TEM），激发极化法（IP）。探地雷达（GPR），浅层地震反射，井中CT（跨孔电阻率成像法）等方法的应用也逐渐增加。从国内外大量成功事例来看，直流电阻率法（含高密度电阻率法）仍然是应用最广泛，效果最显着的方法之一。电阻率法是测量地下物体电性特征的方法，它与孔隙度、饱和度、流体的导电性密切相关，电阻率法已被广泛应用于地下水、土的污染调查。特点是垂向分辨率高，探测深度有限。

实例一

土耳其某垃圾场地下水污染电阻率法调查。场地地质情况：露天垃圾堆放场位于土耳其某市东南，这一地区是土耳其重要的水源地之一。第四纪的冲积层厚达100 m，主要以渗透性良好的卵砾石、沙和粘土组成，是当地的主要含水层，地势西南高，东北低。垃圾未经任何处置，直接露天堆放在上面。垃圾堆下面也没有任何的渗漏液收集系统。据调查，有2/3的含水层已受到不同程度的污染。水中NO₃的含量是世界卫生组织限定的饮用水标准的5倍以上。电法勘察的目的是调查污染的范围，为布置监测孔提供最佳的位置。采用的方法有电阻率法（DC）和甚低频电磁法（VLF-EM）。在垃圾场的下游垂直地下水流向的方向布置了11条剖面，每条剖面200～250 m长不等（图8.3.4）。剖面间隔40 m，斯伦贝格排列，试验了从0.5～30 m 6种电极距的效果。从图8.3.5看出，0.5 m极距的视电阻率测量结果以很高的视电阻率为特征，主要反应的是表层的较大的卵砾石层，含水量少。极距为1 m和5 m的视电阻率结果主要反应了饱气带内地下水不饱和情况的电场特征，与0.5 m也没有太大差别，只是在横向上有一点不同。10～25 m电极距反应了地下污染源的电场特征，在图的东北角，视电阻率降为10 Ω·m，是污染的发源地，而表层的视电阻率在1000 Ω·m以上，视电阻率差异十分显着。

图8.3.4 测线布设位置示意图

图8.3.5 不同极距的视电阻率测量平面图

实例二

中国北方某市的两处垃圾填埋场渗出液的实测电阻率分别为0.39 Ω·m和0.40 Ω·m，远远低于自来水的电阻率23 Ω·m（表8.3.7）。与日本Boso Peninsula垃圾场的测量

表8.3.7 垃圾填埋场渗漏液电阻率测试结果

结果很相近。与清洁的自来水电阻率32.040 Ω·m相比，二者相差80多倍。含水土层的视电阻率在10 Ω·m左右，与上述土耳其的例子相当，这就为电阻率测量提供了充分依据。测量装置见图8.3.6，计算公式如下：

环境地球物理学概论

式中：S为水样的横截面积；I为电流；V为电压；L为MN间的距离。

（1）北京阿苏卫垃圾填埋场渗漏检测

这是北京兴建的第一个大型垃圾卫生填埋场，位于北京市昌平县沙河镇北东约6 km，地处燕山山脉以南的倾斜平原地带，山前冲洪积扇的中上部位，是城区地下水及地表水的上游部位。该区基底为第四纪洪积层，有粘土、粉质粘土、沙土、中细沙层。粘土层渗透系数为1.0×10^-8 cm/s～9.42×10^-7cm/s，隔水性好，但局部有渗透系数达1.84×10^-3cm/s的粉沙土透水层，区域地下水由北西流向南东。日处理垃圾2000 t，全机械化操作，属现代化卫生填埋场，底部为不透水的粘土层，厚度0.4～1.4 m不等，反复压实作为隔水层，设有渗沥液收集系统，周围设有观测井。堆场向下深4 m，计划垃圾堆高40 m。

在北京市政管理委员会的支持下，第一次利用地球物理探测方法进行渗漏检测，在同一条剖面上选用了高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达法、地温法及化学分析法。

测线布置在地下水下游方向，填埋场的南侧，南围墙外面，并与南墙平行，相距8 m，测线长660 m（图8.3.7，彩图）。

用美国SIR-10A探地雷达仪，100 MHz屏蔽天线，时窗400 ns。地温法采用日本UV-15精密测温仪，仪器精度0.1℃。化学分析样取1.5 m深土样，实验室用气相色谱分析三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烯等有机污染物。这三种方法的测量结果，都没有异常显示。说明该区地表粘土层比较致密，渗透性不好。

高密度电阻率法，使用E60B仪器，电极距3 m，斯伦贝格排列，同时沿剖面布置60个电极。数据经预处理后，进行二维反演。勘测深度15 m。视电阻率的水平距离深度剖面见图8.3.8（彩图）。

由图可见，在4～8 m深度有一层高阻（＞30 Ω·m）层，但并不连续，反应了本区粘土层的特征。垃圾渗沥液由局部透水层渗入深部。在220～240 m处9 m深度以下的低阻（＜10 Ω·m）体，经钻井证实为垃圾渗漏液污染的结果。已于2002年开始施工，做地下水泥防渗墙处理。

图8.3.6 测定垃圾渗漏液电阻率的装置

（2）北京某垃圾填埋场的渗漏探测

垃圾填埋场是近年兴建的大型卫生填埋场，底部铺设有塑胶衬底的防漏层，有渗沥液收集装置，有效填埋面积19.6×10⁴ m²（300亩强），日填埋垃圾2500 t，设计封顶高度为30m。基底为第四纪松散沉积物，厚度在100 m左右，第一含水层顶深10～20 m，厚度5～10 m，粗沙到细沙；第二含水层顶深20～30 m，厚度9～25 m，沙砾石层，渗透系数40～200 m/d。第三含水层顶深38～60 m，厚度8～15 m，以中粗沙和砾石为主。地下水由西北流向东南。现已下降形成漏斗。浅层水质较差，不能饮用。

根据渗沥液的电阻率值差异，主要使用高密度电阻率、瞬变电磁法以及探地雷达方法。考虑到地下水流方向，三条测线布置在填埋场的东南方向，测线I位于东侧，距填埋场平均27.5 m（长400 m）；测线Ⅱ和测线Ⅲ在填埋场南侧，测线Ⅱ距填埋场平均35.5 m（长741 m）；测线Ⅲ距填埋场15 m左右（长700 m）。测线Ⅱ高密度电阻率法距离深度剖面结果示于图8.3.9（彩图）。垃圾填埋场地表深5～10 m主要是干砂质粘土层，电阻率比较高，向下测到的电阻率低（＜15 Ω·m），应当是垃圾渗漏液。根据阿尔奇法则ρ_土=ρ_液·a·φ^-m，式中：a=1；m=2；ρ_液=0.39。土壤孔隙度φ取30%，则ρ_土=4.4与剖面中ρ_视=5是很接近的。说明低阻区是渗漏液的地下分布。在垃圾场东边，剖面I10～15 m以下有渗漏区（A1.1；A1.2）。在垃圾场南边，10 m以下有渗漏区，剖面Ⅱ（图8.3.9）中可划分出3个较大的异常段（A2.0，A2.1，A2.2）及几个小异常体。渗漏液异常分布清晰可见。

电磁法（EM）：电磁法一般用来圈定淡水和咸水的界限，对地下水研究应用较多的是瞬变电磁法（TEM法）和探地雷达法（GPR法）。在我国北方某市垃圾填埋场渗出液检测证明TEM是有效的，瞬变电磁法沿测线Ⅱ进行的，仪器为长沙白云仪器开发公司研制的MSD-1脉冲瞬变电磁仪，采用20 m×20 m供电线圈工作，目的在于了解较深部情况。测量结果如图8.3.10（彩图）所示。在深40 m以下，有三个异常区段，即A2.0（0～15 m）；A2.1（50～60 m）；A2.2（80～100 m）。揭示了渗漏液污染范围在向深部扩展。

实例三

废弃物填埋场为了防止渗漏，常用塑料作为衬底，形成隔离层，比单纯的依靠粘土层作为隔离层要有效。但由于废弃物中常混有尖硬物质或在堆放废弃物时层层压实，遇到局部软（硬）土而受力不均，使污水由漏洞流出。常规的标准方法是污水示踪，或监测污水压力变化，这样做时间长，而且要大流量时，才是有效的，也很难提供进行修补的确切位置。

应用适当布置电极位置的电阻率法，可以准确测定漏洞位置（Willianl Frongos，1997）。有塑料膜衬底的废物填埋场，正在使用，两个供电电极，一个放在填埋场内（A），一个放在塑料膜之外（B），可以放置在足够远处，如图8.3.11所示。驱动电流流过漏洞，漏洞就是电流源。填埋场内废物的电阻率由于正在填埋，很不稳定，一般为2～10 Ω·m。面积为1 m²，厚度为1 mm埋入地下的聚乙烯膜的电阻率为10000 Ω·m，衬底外土壤是导电的，电阻率为20 Ω·m。对于一个漏孔的平面塑料膜而言，在均匀半空间的表面上，点源用格林函数可以描述通过漏孔流过电流引起的电位。如果孔径不大，则电流（U）可写为

环境地球物理学概论

式中：I为通过漏孔的电流（为总电流的一个分量）；ρ为基底土壤电阻率，R是漏孔与源之间的距离；c为常数，代表参照电极的任意电位。

图8.3.11 漏洞探测观测系统工作原理图

图8.3.12 点源（漏孔）电流归一化电位图

图8.3.12是漏孔上的电位函数的图示，其观测网为30 m×24 m，观测点间距1 m。孔位（点源）：x=14 m，y=11 m，z=0，电极进深0.5 m。

用这个方法在斯洛伐克一个填埋场，发现6个漏洞，其中5个较小，属点源异常；一个较大的裂口，6个异常都被开挖证实。进行了修补（修补后异常消失），观测确定的漏孔位置平均误差约为30 cm。

如果填埋场衬底塑料膜不是一层，而且漏洞不在同一位置，要测定每层塑料膜漏洞位置，难度要大一些。如图8.3.11所示，可以分层跨层分别布置电极，如在测第一层塑料膜漏洞时应当将B电极放在第一层与第二层塑料膜之间的导电物质之中。

实例四

澳大利亚北部有一个铀矿山，1980年开始开采，计划于2005年关闭。在开采过程中，大量的废渣和废液被滞留在尾矿坝中。现在发现尾矿坝中富含Mg²⁺和的废水，沿着地下裂隙和断裂，发生渗漏，在周围一些地表的植物中已检测出上述离子浓度有明显增加。从钻孔水文调查结果发现，废液的渗漏是广泛和无规律的。这已对当地的自然环境构成严重危害。矿业公司为调查渗漏情况，采用了多种物探方法：自然电位法（SP）（也称氧化 还原法）、激发激化（IP）法、直流电阻率法（DC）、瞬变电磁法（TEM）。研究区的地质构造情况和测线布置见图8.3.13。已有的测量结果表明：在河床地带的片麻岩的电阻率在1900～8300 Ω·m，地表沉积物的厚度在2～5 m之间，粉砂质粘土和粘土的电阻率在0.1～600 Ω·m范围。对当地的水文地质情况的调查结果发现，主要有两个含水层：第一含水层是地表粘土和风化后的岩石，厚度在20 m；第二含水层实际就是基岩中的断裂带。两套含水系统是互相连通的。地下水位的升降随季节而变化，在干燥季节，水位的日下降幅度在12～14 mm。在丰水季节，地下水位的日上升幅度在14～40 mm之间。枯水期与丰水期地下水位的相对落差为2～3 m。

图8.3.13 研究区位置及主要的地质构造分布

在测线1、测线2、测线3分别进行了自然电位、直流电阻率法、激发激化法测量，并重点分析了测线的直流电阻率法、激发激化法测量结果以及二维（2D）自然电位的结果。

激发激化法测量：斯伦贝格排列，31个接收电极，由一根电缆与接收机相连。极距10 m，一个发射电极距测线1.7 km（视为无穷远），另一个发射电极置于两接收电极之间，随测线一同向前移动。电极排列见下图8.3.14，剖面布置见图8.3.15（彩图）。发射电极AB和接收电极MN以n×a的距离同时向两边移动，获得测线上电阻率随深度的测深剖面。

在图 8.3.16（彩图）中，有三个比较大的近地表异常，中心位置分别是 8370 E，8525 E，8650 E。前两个异常是由粘土和粉砂质粘土层引起的，第三个异常紧邻南北向的2 a断裂，认为是渗漏引起的异常。其次，可以看出，从西到东，激电异常有增加的趋势，从距测线1（距测线3约150 m）的钻孔地下水的化验结果发现地下水中Mg²⁺和的浓度向东逐渐升高，证实了激电的结果。

图8.3.17（彩图）是电阻率观测结果，在8250E、8300E和8350E处呈低电阻率异常。前一个异常与片麻岩和眼球状片麻岩地质单元的交界处对应，视为地层差异引起的异常。8300E异常正好位于一个灌溉用的水管下面。8350E和8500E的低阻异常都与当地的灌溉有关。8550E处的高阻异常正好对应于片麻岩地层。

从激电法和直流电阻率法的测量结果来看，激电法对地表污染（2～5 m）的反应没有电阻率法灵敏，这是由于在很小的极距下（10 m）地表污染还不足以产生明显的激电效应，相对于地下含有高浓度的污染物而言，被污染的粘土层和地下水更容易产生明显的激电效应。

图8.3.14 斯伦贝格排列

图8.3.18（彩图）是在不同的时间观测到的自然电场变化，尽管图形在形状上略有差异，但基本上保持了很好的一致性。为了避免其他方法的干扰，测量是在激电法和直流电阻率法结束后进行。对自然电法的解释需结合实际进行，因为自然电场的场源不固定，受地下水水力梯度，水中离子浓度的综合影响。在靠近断层的地方，显示高电位。其次，还进行了电磁法测量：50 m单线圈，25 m点距。视电阻率的反演精度小于1%（图8.3.19，彩图），与电阻率法、自然电位法有良好的对应关系。

⑸ 地球物理测井包括哪些方法

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3-8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。