测井技术介绍.pdf

绪 论（2 学时） 绪 论（2 学时） 一、测井学和测井技术的发展 一、测井学和测井技术的发展 测井学是一个边缘科学，是应用地球物理的一个分支，它是用物理学的原理解决地 质学的问题，并已在石油、天然气、金属矿、煤田、工程及水文地质等许多方面得到应 用。30 年代首先开始电阻率测井，到 50 年代普通电阻率发展的比较完善，当时利用一套 长短不同的电极距进行横向测井，用以较准确地确定地层电阻率。60 年代聚焦测井理论 得以完善，孔隙度形成了系列测井，各类聚焦电阻率测井仪器也得到了发展，精度也相 应得以提高。测井资料的应用也有了长足的发展，随着计算机的应用，车载计算机和数 字测井仪也被广泛的应用。到现在又发展了各种成像测井技术。 二、测井技术在勘探及开发中的应用 二、测井技术在勘探及开发中的应用 无论是金属矿床、非金属矿床、石油、天然气、煤等，在勘探过程中在地壳中只要 富集，就具有一定特点的物理性质，那我们就可以用地球物理测井的方法检测出来。特 别是石油和天然气，往往埋藏很深，只要具有储集性质的岩石，就有可能储藏有流体矿 物。它不用像挖煤一样。而是只要打一口井，确定出那段地层能出油，打开地层就可以 开采。由于用测井资料可以解决岩性，即什么矿物组成的岩石，它的孔隙度如何，渗透 率怎么样，含油气饱和度大小。沉积时是处于什么环境，是深水、浅水、还是急流河相， 有无有机碳，有没有生油条件，能不能富集。在勘探过程中，可以解决生油岩，盖层问 题，也可以对储层给予评价，找到目的层，解释出油、气、水。 在油气田开发过程中，用测井可以监测生产动态，解决工程方面的问题。井中产出 的流体性质，是油还是水，出多少水，油水比例如何，用流体密度，持水率都可以说明。 注水开发过程中，分层的注入量，有没有窜流，用注入剖面测井都可以解决。生产过程 中，套管是否变形，有没有损坏、脱落或变位，管外有无窜槽，射孔有没有射开，都需 要测井来解决。对于设计开发方案，计算油层有效厚度，寻找剩余油富集区都离不开测 井。测井对石油天然气勘探开发来说，自始至终都是不可缺少的，是必要的技术。它服 务于勘探开发的全过程。 三、储层分类及需要确定的参数 三、储层分类及需要确定的参数 1储集层的分类及特点 石油、天然气和有用的流体都是储存在储集层中，储集层是指具有一定储集空间的， 并彼此相互连通，存在一定渗透能力的的岩层。储层性质分析与评价是测井解释的主要 任务。 1)碎屑岩储集层 它包括砾岩、砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩等。世界上有 40的油气储集在碎屑岩储 1 集层。碎屑岩由矿物碎屑，岩石碎屑和胶结物组成。最常见的矿物碎屑为石英，长石和 其他碎屑颗粒；胶结物有泥质、钙质、硅质和铁质等。控制岩石储集性质是以粒径大小、 分选好坏、磨圆度以及胶结物的成分，含量和胶结形式有关。一般粒径大，分选和磨圆 度好，胶结物少，则孔隙空间大，连通性好，为储集性质好。 2)碳酸盐岩储集层 世界上油气 50的储量和 60的产量属于这一类储集层。我国华北震旦、寒武及奥 陶系的产油层，四川的震旦系，二叠系和三叠系的油气层，均属于这类储层。 碳酸盐岩属于水化学沉积的岩石，主要的矿物有石灰石、白云石和过渡类型的泥灰 岩。它的储集空间有晶间孔隙、粒间孔隙、鲕状或钟孔状孔隙、生物腔体孔隙、裂缝、 溶洞等。从储层评价和测井解释的观点出发，将碳酸盐岩储集层的储集空间归为二类： 一类为原生孔隙，如晶间、粒间、鲕状孔隙等。另一类为次生孔隙如裂缝、溶洞等。前 者孔隙较小分布均匀。后者孔隙较大，形状不规则，分布不均匀。按孔隙结构特点碳酸 盐岩储集层可分为三类：孔隙型、裂缝型和溶洞型等。 (1)孔隙型碳酸盐岩储集层：它是粒间、晶间、生物腔体孔隙等，还有石灰岩白云岩 化后重结晶形成的均匀分布的孔隙。它们都是孔隙性的碳酸盐岩储集层。它们适用的测 井方法和解释方法与碎屑岩储集层基本相同，也是目前测井资料应用最成功的一类储集 层。 (2)裂缝型碳酸盐岩储集层：这类储层的储集空间主要由构造裂缝和层间裂缝组成， 由于裂缝的数量，形状和分布可能极不均匀，故孔隙度和渗透率也可能有很大变化，油 气分布也不规律，并且裂缝发育带渗透率高。 (3)洞穴型碳酸盐岩储集层： 这类储集层主要由溶蚀作用产生的。 洞穴形状大小不一， 分布不均匀，往往具有偶然性。用常规测井方法进行解释有很大困难。 2储集层的基本参数 在储集层的评价中，需要测井解释确定的参数有储层厚度、孔隙度、油气饱和度和渗 透率。 1) 孔隙度 岩石在形成过程及后期作用中会有粒间孔隙、晶间孔隙、裂缝及洞穴等。根据孔隙 流体在孔隙中能否流动，孔隙可分为总孔隙、有效孔隙。有效孔隙指互相联通的孔隙。 总孔隙指所有的孔隙空间。孔隙度是指岩石中孔隙所占的体积与岩石的体积之比。通 常用百分数表示。 2)饱和度 孔隙中油气所占孔隙的相对体积称为含油气饱和度，通常也用百分数表示。饱和度 2 又分为原状地层含烃饱和度、冲洗带残余烃饱和度、侵人带含烃饱和度，可动烃饱和度 等。 束缚水饱和度。是另一个重要的饱和度概念，通过它与总含水饱和度的关系可 以知道储集层是否能出水。 wirr s 3)岩层厚度 主要指储集层的岩层厚度，指的是有效孔隙，含烃饱和度下限所确定的岩层顶底界 所具有厚度。 4)渗透率 为了评价储层的生产能力，应了解油气水流过岩石孔隙的难易程度。当粘度为 110 -3 spa 的流体，在单位时间 1s钟内，两端压差为latm时，通过岩石单位截面lcm 2的 流体体积为该岩石的渗透率为 1m 2.渗透率分绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率， 绝对渗透率为岩石孔隙中只有一种流体存在时对岩石所测量的渗透率。有效渗透率为岩 石孔隙存在二种或二种以上的流体时，对其中某一流体所测量的渗透率，为该流体在这 种岩石中的有效渗透率。相对渗透率为有效渗透率与绝对渗透率的比值，它表示某种流 体流过岩石的难易程度。 四、测井系列的选择 四、测井系列的选择 合理和完善的测井系列是保障测井解释准确的先决条件。合理的测井系列可以解决 岩性问题，层厚、孔隙度、渗透率、饱和度及泥质含量问题。不同的地质条件，需要不 同的测井系列组合，见表 1。 1泥质指示和确定岩性的测井方法选择 泥质指示应能划分泥岩和非泥岩，并能确定泥质含量。基本上各种测井方法都能不 同程度的进行泥质解释。最常用的是自然伽马、自然电位和微电极。另外岩性测井和自 然伽马能谱测井也能解决这个问题。个别的地区，由于沉积速度快，自然电位不稳定， 也可以用其他测井方法解决泥质问题。在以后的泥质砂岩解释中有详细说明。测井系列 选择的标准是能准确的划分钻井剖面的岩性，能够准确的确定孔隙度，能够确定地层的 含水饱和度，或油气饱和度。如碳酸盐岩地层，三种孔隙度测井确定孔隙度，微球形聚 焦确定冲洗带电阻率，双侧向确定深浅电阻率，井径和自然伽马确定泥质含量。再如湖 泊相河流相的沉积地层，至少有一种孔隙度，微电极，深浅三侧向，加井径和自然电位， 有时加自然伽马。 表表 1 裸眼井测井系列裸眼井测井系列 井内流体 研究参数 推荐的测井项目 淡水钻井 液 岩性 swrw 自然电位、自然伽马、自然能谱、岩性密度测井 感应测井或侧向测井或电位梯度电极系测井微球形聚集测井 3 sxormf vclay k 几何参数 （msfl）或微侧向测井（mll）或微电极测井 密度测井、中子测井和（或）声波测井 地层测试器（rft） 地层倾角测井，四臂井径测井，井斜测量 盐水钻井 液 岩性 swrw sxormf vclay k 几何参数 自然伽马、自然能谱、岩性密度测井，自然电位 双侧向测井 微球形聚焦测井或微侧向测井密度测井、中子测井和（或）声 波测井地层测试器（rft） 地层倾角测井，四臂井径测井，井斜测量 油基钻井 液 岩性 swrw vclay k 几何参数 自然伽马、自然能谱、岩性密度测井 感应测井 密度测井、中子测井和（或）声波测井地 层测试器（rft） 四臂井径测井，井斜测量 空井 岩性 swrw vclay k 几何参数 自然伽马、自然能谱、岩性密度测井 感应测井 密度测井、中子测井 温度测井 四臂井径测井、井斜测井 2电阻率测井方法的选择 由于钻井后测井是在井眼中进行，井眼的大小。钻井液性能的差别，使得渗透层受 不同程度的污染，存在冲洗带、侵人带和原状地层的电阻率上的差异。电阻率测井应能 反应冲洗带、浅、中、深的电阻率数值上的变化。岩层的电阻率高低，岩层的厚薄，影 响地层真电阻率数值。所以选用的测井方法也不尽相同。这需要掌握各种方法的线性范 围、探测半径、聚焦的强弱、围岩和井的影响大小。对低电阻率地层一般选用双感应一 八侧向、微球形聚焦。对高电阻率地层一般选用，双侧向邻近侧向、微侧向电阻率系 列。对于较薄的地层微电极，三侧向或普通电阻率测井也可以很好的解决地质问题。 3孔隙度测井方法的选择 孔隙度测井一般探测深度较浅，对于储集层一般仅限于冲洗带。声速测井方法适用 于粒间和晶间孔隙，不能反映次生孔隙中的裂缝溶洞，适用于均匀分布的孔隙度。中子 孔隙度测井只反映岩层的含氢量的大小，并随含氢量的增加探测深度减小。密度测井反 映的是岩石的总孔隙度，分不清原生孔隙和次生孔隙。天然气对三种孔隙度都有影响， 岩性对孔隙度也有影响。 4 第一章 自然电位测井（2 学时） 第一章 自然电位测井（2 学时） 在生产实践中发现，在没有人工供电的情况下，测量电极 m 在井内移动时，仍测量 与岩性有关的电位随井深的变化曲线。由于这个电位是自然电位产生的，所以称为自然 电位，用 sp 表示。 第一节 井内自然电位产生的原因 井内自然电位产生的原因是复杂的，对于油井来说，主要有以下两个原因：地层水 矿化度与泥浆矿化度不同，引起离子扩散作用和岩石颗粒对离子的吸附作用；地层压力 与钻井泥浆柱压力不同时，在地层的微孔隙中产生过滤作用。 实践证明：油井的自然电位主要由扩散作用产生的，只有在泥浆柱和地层间的压力 差很大的情况下，过滤作用才成为较重要的因素。 一、扩散电位 一、扩散电位 井内自然电位的产生也是两种不同浓度的溶液相接触的产物。由于砂岩的渗透性较 好，当地层水浓度和泥浆滤液浓度不同时（通常）并在井壁附近接触 时，离子在渗透压力作用下，高浓度溶液的离子要穿过砂岩向溶液浓度较低的地层中扩 散，由于的迁移速率大于，经过一段时间的聚集后，地层内富集正电荷，泥浆 滤液中富集负电荷，见图 1-1。当扩散最终达到动态平衡时，在砂岩中两种不同浓度溶液 的接触面上产生自然电场，产生自然电位差。此时的电动势称为扩散电动势或扩散电位。 经实验测定扩散电动势（）可由下式进行表示： w c mf c w c mf c cl + na d e mf w dd c c kelg= （1-1） 当溶液浓度不很大时，溶液浓度与电阻率成反比，所以 w mf dd r r kelg= （1-2） 式中 扩散电位系数； d k 泥浆滤液电阻率； mf r w r地层水电阻率. 二、扩散吸附电动势（） 二、扩散吸附电动势（） da e 在井内泥岩表面附近，由于泥浆滤液浓度与地层水的浓度不同（） ，离子 在渗透压力作用下，仍然要由高浓度溶液向低溶液浓度中扩散，由于泥岩具有选择吸附 阴离子的能力，在粘土颗粒表面可以大量地吸附阴离子，而可以自由扩散，扩散结 w c mf c + na 5 果是在泥浆滤液中富集大量正电荷，而在地层中富集了负电荷，见图 1-1。这样就在泥岩 表面处形成扩散吸附电位，记为，其表达式为： da e )lg(lg w mf da mf w dada r r k c c ke= （1-3） 式中：扩散吸附电位系数； da k 地层水浓度； w c 泥浆滤液浓度 mf c 三、过滤电位 三、过滤电位 在岩石中，颗粒和颗粒之间有很多孔隙，它们彼此连通，形成很细的孔道，称为毛 细管。当泥浆柱的压力大于地层的压力时，泥浆向地层过渡，泥浆滤液通过井壁在岩石 孔道中流过。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有正离 子向地层中移动，这样在井壁附近聚集了大量负离子， 图 1-2 过滤电位形成示意图 在地层内部聚集了大量正离子，这样在地层和泥浆接触面两端形成的电位称为过滤电动 势，用表示，如图 1-2 所示。在泥浆压力大于地层压力的条件下，渗透层处，过滤电 位与扩散吸附电位方向一致，其数值与地层和泥浆柱之间的压力差及过滤溶液的电阻率 成正比，与过滤溶液的粘度成反比，即： f e mf ff rp ke = （1-4） 式中：压力差，； patm 过滤电位系数，与溶液的成分浓度有关； f k 过滤溶液的电阻率， mf rm 过滤溶液粘度，。 spa 3 10 过滤电位只有当地层与泥浆柱压力差很悬殊时，而且在泥饼形成以前，才有较大的 显示。但一般钻井时要求泥浆柱压力只能稍大于地层压力，相差不是很大，而且在测井 时已形成泥饼，因此一般井内过滤电位的作用可忽略不计。在砂泥岩剖面的井中的自然 电场主要由扩散电位和扩散吸附电位组成。 第二节 自然电位测井曲线特征 由于泥岩（或页岩层）岩性稳定，在自然电位测井曲线上显示为一条电位不变的直 线，将它称为自然电位的泥岩基线；在渗透性砂岩段，自然电位曲线偏离泥岩基线，在 足够厚的砂岩层中，曲线达到固定的偏转幅度，定为砂岩线。自然电位曲线的异常幅度 6 sp u就是地层中点的自然电位与基线的差值。 如图 1-3 所示， 图 1-3 为含水纯砂岩的自 然电位理论曲线。通常把井中巨厚纯水层砂岩井段的自然电位幅度近似地认为是静自然 电位，其值等于扩散电动势与扩散吸附电动势之和。横坐标为自然电位与静自然电 位之比，纵坐标为地层厚度，曲线号码为层厚与井径之比 ssp sspusp/hdh。当上下围 岩岩性相同时，曲线特征为： （1） 当地层泥浆是均匀的， 上下围岩岩性相同时， 自然电位曲线关于目的地层中心对称， 地层中心处异常值最大； （2）地层越厚， sp u越接近，地层厚度变小，ssp sp u下降，曲线顶部变尖，底部 变宽； sp ud sp u的半幅点对应地层的界面，因此较厚地层可用曲 线半幅点确定地层界面，随着厚度的变小，对应界面处的曲线幅度值离开半幅点向曲线 峰值移动。 实测曲线与理论曲线特点基本相同，但由于测井时受多方面因素的影响，实测曲线 不如理论曲线规则，见图 1-4。渗透性砂岩的自然电位对泥岩基线而言，可向左或向右偏 移，它主要取决于地层水和泥浆溶液的相对矿化度。当时，砂岩层段自然电位 出现负异常，当 mfw cc mfw cc 4d 时，自然电位异 常幅度近似等于静自然电位；当地层厚度 h 8 岩层， 负异常幅度较低， 而且随泥质含量的增多， 异常幅度下降； 此外， 含水砂岩的 还取决于砂岩渗透层孔隙中所含流体的性质， 一般含水砂岩的比含油砂岩的 要高。 sp u 水 sp u 油 sp u 在识别出渗透层后，可用“半幅点”法确定渗透层的上下界面位置（条件：h4d，d 为 井径） 。如果 h 或abma，梯度电极系又分为正装梯度电极系和倒装梯度电极系两种： 正装梯度：成对电极在不成对电极之下的梯度电极系。由于正装梯度电极系测出的 曲线在高阻层底界面出现极大值，所以也叫底部梯度电极系。 a r 倒装梯度：成对电极在不成对电极之上的梯度电极系。由于倒装梯度电极系测出的 曲线在高阻层顶界面出现极大值，所以也叫顶部梯度电极系。另外，根据供电电极的 多少，梯度电极系又分为单极供电梯度电极系和双极供电梯度电极系。 a r 梯度电极系的电极距为不成对电极到成对电极中点之间的距离，即 l=ao。mn的 中点 o 称为深度记录点。当成对电极间的距离无限小（在极限情况下等于 0）时的梯度 电极系叫理想梯度电极系。对理想梯度电极系其所求得电阻率为： i e aora 2 4= （2-13） 从式中可看出视电阻率和深度记录点 o 的电位梯度成正比， 故此电极系称为梯度 电极系。 a r 此外，电极系的表示方法：通常按照电极在井中的次序，由上到下写出代表电极的 字母，字母间写出相应电极间的距离， （以米为单位）表示电极系的类。如：a0.4m0.1n 表示电极距为 0.45m 的底部梯度电极系，电极 a、m 之间的距离为 0.4m，m、n 之间的距 离为 0.1m。 13 不同电极系的探测深度也是不同的。探测深度通常以探测半径 r 来表示，在均匀介 质中，以供电电极为中心，以某一半径划一假想球面，若假想球面内包含的介质对电极 系测量结果的贡献占整个测量结果的 50%， 则此半径 r 就是该电极系的探测深度或探测半 径。一般梯度电极系的探测范围是 1.4 倍电极距 l，而电位电极系的 r=2l。由此可知，l 越大探测深度也越大。 第二节 视电阻率曲线的影响因素 一、视电阻率曲线特征 一、视电阻率曲线特征 假定只有一个高电阻率地层，上下围岩的电阻率相等，并且没有井的影响，采用理 想电极系进行测量。来看一下视电阻率的理论曲线。 1. 电位电极系视电阻率曲线特征 （1）当上下围岩电阻率相等时，电位电极系的视电阻率曲线关于地层中心对称 （2） 当地层厚度大于电极距时， 对应高电阻率地层中心， 视电阻率曲线显示极大值； 地层厚度越大，极大值越接近于地层真电阻率（图 2-3） ；当地层厚度小于电极距时，对 应高阻层中心，曲线出现极小值。 （3）在地层界面处，曲线上出现“小平台”，其中点正对着地层的界面，随层厚降 低，“小平台”发生倾斜；当amhl 的中厚度岩层，其视电阻率曲线与厚地层的视电阻率曲线形状相似， 但随着厚度的减小，地层中部视电阻率曲线的平直段变小直到消失，见图 2-4。 （4）当用底部梯度电极系时，在薄的高阻层下方出现一个假极大值，它距高阻层底 界面为一个电极距，见图 2-5。 视电阻率曲线的主要应用有划分岩性剖面，计算储层的孔隙度和含油饱和度，定性 判断油水层和进行地层对比。 14 二、视电阻率曲线影响因素 二、视电阻率曲线影响因素 前面讨论的理论曲线是在理想条件下作出来的，即地层是水平的，采用理想电极 系，不考虑井的影响。实测曲线由于受井的影响变得平缓且曲线幅度降低，为正确使用 视电阻率曲线，有必要研究各种条件对视电阻率曲线的影响。 a r （1）井径、层厚的影响 当地层电阻率、电极距、泥浆电阻率等因素一定时，随着h/d降低（井径加大或地 层厚度减小） ，视电阻率曲线变得平滑。所以在其它条件相同时，高阻薄层视电阻率曲线 的幅度值比厚层要偏低。井径变化对视电阻率曲线的影响，归根结底是由于井内泥浆的 影响。通常泥浆电阻率低于地层电阻率，井径扩大，井的扩大，井的分流作用增大，视 电阻率值降低。为了使视电阻率曲线具有很好的划分地层的能力，要求钻井泥浆的电阻 率要大于五倍地层水电阻率。 （2）电极系的影响 从理论曲线分析中可知，电极系类型不同，所测视电阻率曲线形状不同。即使同一 类型的电极系在同样的测量条件下，电极系的尺寸不同，所测的视电阻率曲线的形状及 幅度也不一样。 （3）侵入影响 采用不同电阻率的泥浆钻井时，会对渗透性地层产生泥浆高侵和泥浆低侵现象，视 电阻率会受到影响。 泥浆高侵（增阻泥浆侵入） ：地层孔隙中原来含有的流体的电阻率较低，电阻率较高 的泥浆滤液侵入后，使侵入带岩石电阻率升高。这种情况多出现在水层。 泥浆低侵（减阻泥浆侵入） ：地层孔隙中原来含有的流体的电阻率比渗入地层中的泥 浆滤液的电阻率高时，泥浆滤液侵入后，使侵入带岩石电阻率降低。这种情况一般出现 在地层水矿化度不很高的油层。泥浆侵入对于测量和确定岩层真电阻率是一种因素， 但也可根据侵入类型粗略地估计渗透层含油、水情况。 t r （4）高阻邻层的屏蔽影响 以上讨论的是单一高电阻率地层的视电阻率曲线。实际测井工作中，经常碰到的是 许多高电阻率地层和低电阻率地层交互出现。如果各高阻层之间的距离小于 2 个电极距， 则相邻高阻层对供电电极发出的电流产生屏蔽作用， 因而使曲线形态发生畸变， 见图 2-6。 实践证明，高阻邻层的屏蔽作用，不仅与地层厚度，地层电阻率有关，而且还和电极系 类型，电极距，夹层厚度有关。在定性分析屏蔽影响时，要考虑以下几点： a、位于单电极方向的高阻层，可对另一高阻层产生屏蔽影响，但后者对前者的读数 基本上不产生影响。 15 b、当两个高阻层之间的距离小于电极距时，可产生减阻屏蔽。 c、当两个高阻层之间的距离大于电极距时，可产生增阻屏蔽。 （5）地层倾斜的影响 理论曲线是在水平岩层中得出的结果，而实际上大部分岩层总有些倾斜，所以实测 曲线与理论曲线形状和幅度都有所不同， 见图 2-7。 其它条件均相同， 只改变地层倾角， 所测的梯度电极系视电阻率曲线发生变化。若把利用倾斜地层中所测的划分岩层所得 到的厚度定义为视厚度。其曲线特点为： a r a h 随地层倾角增大， 极大值向地层中心移动， 使曲线变得较对称； 曲线的极大值随 增大而降低，曲线变得平缓，极小值模糊不清；，hha越大，和差别越大。 时，曲线还保持曲线的基本特征，只是确定的岩层厚度偏高。因此，在用视电阻 率曲线来确定地层真电阻率时，必须经过多次校正。 a hh 0 60 这种由井径引起的变化有一定的规律，如果发射探头在接收探头之下，则声波时差是先 变大，后变小，即曲线向右偏移突起，然后向左偏移凹进，如图 3-4（b）所示。 当采用双发双收声系时，如图 3-4（c）所示，在发射时，声波到达、的时 间分别为： 1 t 1 r 2 r 1 111111 11 v brat v ab t c + += （3-10） 1 211111 12 v rcat v ac t c + += （3-11） 29 则： 1 111211 11121 v brcr v cb ttt c += （3-12） 其中，为地层的纵波声速，为井眼流体的纵波声速，为两接收器的间距。 c v 1 v 11c b 同理，当发射声波脉冲时，记录的时差为： 2 t 1 222122 22212 v brcr v cb ttt c += （3-13） 22c b也为，的间距。 1 r 2 r 在实际情况中，可近似认为 2111 crbr=， 1222 crbr=。所以取平均时差时： c d c v l v cbcbtt t 222 221121 = + = + = （3-14） 这样就补偿掉了井眼不规则的影响。另外，双发双收声系还可克服仪器倾斜的影响。 双发双收声系的缺点是薄层分辨能力差，不如单发双收声系。这是由于滑行纵波必 须是入射波在传播过程中以一定的倾斜角入射到井壁上时才能产生，而双发双收声系采 取上下两端发射，使得两次时差记录的井段不能完全重合。特别是低速地层和大井径的 井眼，这一问题更为明显，而且有时会出现“盲区”现象。 主要是滑行波在传播时必须是以一定的倾斜角入射到井壁上时才能产生，特别是低 速地层和大井径的井眼，由于临界角大，这些现象更明显。如图 3-5，当发射声信 1 t 号时，和记录到的时差反映的是井段上的值；当发射时，和记录到的 时差反映的是井段上的值，因此，双发双收井眼补偿声波测井值并不能反映两个接 收探头和所对应地层的声速时差，也就是说，整个接收探头所对应的地层好像探测 不到一样。把这种由于双发双收声系测量引起的探测不到的地层层段称为盲区。 1 r 2 r 11b a 2 t 1 r 2 r 22b a 1 r 2 r 三、影响声速测井因素 三、影响声速测井因素 1、井径的影响。扩径段声波时差发生变化，使时差曲线出现假异常。 2、层厚的影响。声速测井仪对小于间距的薄地层分辨能力较差。减小间距可以提高 对于薄层的分辨能力，但是记录精度就受影响了，特别是探测深度也随之变浅。 3、周波跳跃的影响 含气的疏松砂岩、裂缝发育的地层以及泥浆气侵的井段，由于声能量的严重衰减， 经常出现周波跳跃现象。声波在具有裂缝和溶洞的地层中传播时，会因产生多次反射而 30 使能量明显衰减，特别是裂缝发育层段，滑行纵波的幅度急剧衰减，以致第二道接收波 列的首波不能触发记录，而往往是后续波以后的第二、第三或者第四各续至波触发记录。 这在声速时差曲线上表现为时差急剧增大，增大的数值有一定的规律，那就是以声波中 心频率周期的倍数增大，这种现象称为“周波跳跃”。所以周波跳跃是疏松砂岩气层和 裂缝发育地层的一个特征，可被利用来寻找气层或裂缝带。 四、声波时差测井资料的应用 四、声波时差测井资料的应用 1.声波测井曲线 声波测井曲线是声速测井仪测量到的声波时差随深度变化的关系曲线，对于比较理 想的地层，如厚的泥岩夹有砂岩薄层的情况，曲线如图 3-6。 声波曲线的特点： 当目的层上下围岩声波时差一致时，曲线对称于地层中点。 岩层界面位于时差曲线半幅点 在界面上下一段距离上，测量时差是围岩和目的层时差的加权平均效应，既不能 反映目的层时差，也不能反映围岩时差。 当目的层足够厚且大于间距时，测量时差的曲线对应地层中心处一小段的平均读 值是目的层时差。 2.声波时差测井资料的应用 划分地层。 不同岩性的地层时差值不一样，据此可划分地层。 在砂泥岩剖面，砂岩显示出较低的时差，而泥岩显示出较高的时差，砂岩中胶结物 的性质对声波时差有较大的影响，一般钙质胶结比泥质胶结的时差要低。在砂岩中，随 着泥质含量的增加，声波时差增大。页岩的时差介于泥岩时差和砂岩时差之间，砾岩时 差一般较低，且越致密时差越低。 在碳酸盐岩剖面，致密石灰岩和白云岩时差最低，如果含泥质，声波的时差稍微有 增高；如果是孔隙性和裂缝性石灰岩和白云岩，则声波时差明显增大，裂缝发育会出现 周波跳跃现象。在膏盐剖面，渗透性砂岩时差最高，泥岩由于普遍含钙、含膏，时差与 致密砂岩相近。如含有泥质，时差稍微增大。水石膏的时差很低，盐岩由于扩径严重， 声波时差曲线显示周波跳跃现象。 总之，声波时差的高低在一定程度上反映岩石的致密程度，特别是它常用来区分渗 透性砂岩和致密砂岩。 判断气层。气层的时差值比含油含水层的要高得多，另外，在含气层段，声波时 差往往会产生周波跳跃，在岩性一定的情况下，可用这一现象来指示气层。 31 估算地层的孔隙度 在均匀各向同性和完全弹性的介质中，声波的传播速度与介质的弹性和密度等有关。 而自然成层形成的岩石，其声速除与造岩矿物的成分、弹性、密度有关外，还与岩石的 孔隙度、孔隙流体和相态等有关。 通常，储集层中除了固相部分（骨架、胶结物和填充物） ，还包含孔隙中的油气水液 相部分。显然，岩石的孔隙体积（其大小用孔隙度来表示）对岩石的声速有很大影响， 因为液体或者流体的声速一般要比岩石固相部分的声速低。 在孔隙性地层中， 50 年代中期怀利在总结实验测量的基础上， 提出了时间平均方程， 它认为，声波在单位体积岩石中传播时间可分为两部分：一是岩石骨架部分，其体积为 （1） ；另一部分为岩石孔隙流体部分，其体积为，则 fma ttt+=)1 ( （3-15） 上式即为怀利时间平均公式，它从射线声学的角度，提出了声速与孔隙度为线性关 系的计算模型。其物理意义是：声波在单位厚度岩层中传播所用的时间，等于其在孔隙 中以流体声速传播经过等效的孔隙厚度所用的时间，以及在孔隙外岩石骨架部分以岩石 骨架声速传播经过等效骨架厚度所用的时间之和。当岩石骨架时差 ma t和孔隙流体时差 已知时，利用时差曲线的读数可求出地层孔隙度 f tt。 在压实的地层中且孔隙度较小时，求得的孔隙度是比较可靠的，但是如果在疏松的 地层和未压实的地层段上，利用它求得的孔隙度比实际值偏大。为此，有人提出应对所 求得的孔隙度进行压实校正，即将所求得的孔隙度乘以一个所谓的校正系数，使得校正 后的孔隙度值更可靠。 fma ttt+=)1 ( p c 1 （3-16） 第三节 长源距声波全波列测井 通常的声波测井，如声速测井和声幅测井，只记录纵波首波的传播时间和第一个波 的波幅，而且只是利用井孔中非常少的波列。实际上。发射探头在井孔中激发出的波列 携带了很多地层的信息，如果把声波全波列都记录下来，并且利用全波列信息来研究地 层的特性，有利于扩大声波测井在石油勘探中的应用。 一、裸眼井中声波全波列成分 一、裸眼井中声波全波列成分 在裸眼井中，由对称轴上的点声源激发的全波列是由多种波列成分组成的，在接收 换能器中可以接收到滑行纵波、滑行横波、伪瑞利波和斯通利波等。如图 3-7 32 滑行纵波具有传播速度快，幅度小的特点，是波列中的首波。滑行横波是紧接在纵 波后面，幅度大于滑行纵波，但传播速度小于滑行纵波；伪瑞利波是以大于第一临界角 入射到井壁上，并在井壁界面上多次散射所形成的高频散射的表面波。它具有截止频率， 其截止频率的相速度接近地层的横波速度，所以其紧跟滑行横波之后到达且与滑行横波 续至部分重叠，其幅度大于滑行纵波和横波；最后到达是斯通利波，它是发射与接收换 能器间经井内钻井液直接传播而又受到井壁地层传播的滑行横波制导的一种管波，它的 速度低于井内钻井液介质的纵波速度，其幅度最大。 二、声波全波列测井的记录方式和记录的信息 二、声波全波列测井的记录方式和记录的信息 1.记录方式 为了探测原状地层的声学特性，能记录速度较慢的波，声波全波列测井采用探测深 度大的长源距声系。采用长源距还可以从时间上把速度不同的波列成分分开。为了补偿 井眼变化的影响，声系采用双发双收声系。斯伦贝谢公司目前使用的长源距全波列测井 仪的声系由两个发射探头、和两个接收探头、组成，如图 3-8。该声系与前面 所讲的声系不同。 该声系的发射探头在声系的一端、 两个探头间的距离为 2。,只 见的距离 （近源距） 为 8， 两个接收探头之间的距离为 2， 与发射探头相同。 所以， 只见的距离为 12。 1 t 2 t 1 r 2 r ft 1 t 2 r ftft 2 t 1 rft 该声系可采用四种记录方式，、和， 1 t 1 r 1 t 2 r 2 t 1 r 2 t 2 r 也就是说该声系可组合成源距不同的四种单发单收声系，记录四条相应的时差曲线。 、补偿原理 在实际测井中，为了消除井眼扩大或缩小的影响，长源距声波测井也是采用双发双 收补偿速度测井方法，因而记录的时差基本上能够消除井径变化的影响。 如图 3-9 所示， 当测量某一井段时接收器和正对测量地层 1 r 2 rf时， 讨论发射探头 工作时的情况。 这时和接受的信号是由发射产生的。 设它们分别记录到的纵波 波至或横波波至为和，则记录到的相应的波的时间差为 1 t 1 r 2 r 1 t 11 t 12 t 1112 tttd=，相当于 由发射与 图 3-9 长源距声系井眼补偿原理图 d t 1 t 1 r 和组成的单发双收声系测量到的波的时间差。经过一段时间，由于声系提升，使和 正对着原测量地层 2 r 1 t 2 tf时，此时先后接收到和发生的声波，如果记这两列波列 的纵波或横波的波至分别为和，而且记它们的时间差为 2 r 1 t 2 t 21 t 22 t 2122 tttu=，这相当于 发射探头为、 接收探头为和组成的下发上收单发双收声系纪录的纵波或横波的时 间差，因此被测量的地层纵波或横波的时间差的补偿时差为 2 r 1 t 2 t 2/ )tt(t ud +=，这一结 果显然相当于双发双收声系利用补偿声速测量原理纪录的声波时差。 如图 3-9， 当考虑发 33 射、和接收及和发射、接收时，也有类似的情况，这是记录到的时差是 源距为 10和间距为 2时的双发双收补偿声速测量结果。一般认为，人们采用长源距 的优点在于利用纵波、横波等各个波群传播速度不同的特点，使得各种波在时域内能够 比较容易分开，这样有利于分析每种波群的传播速度。 2 t 1 r 2 r 1 t 2 t 1 r ftft 三、声波全波列测井资料的应用 三、声波全波列测井资料的应用 .估算储集层的孔隙度 可利用 raymer 平均时间修正公式： tt )( t t t dir fma m s p s + = 1 （3-17） 其中 dir 最好利用地区岩性的统计资料。 .判断岩性 横波时差与纵波时差比值与岩性密切相关，因此可以作 p t与 s t的交会图，不同岩 性分布范围不同，由此可以确定岩性。 3.划分含气层 储集层含气时，时差值增大，有时还出现周波跳跃现象，另外也可用 p t与 s t的交 会图判断含气层，如果与中子、密度测井综合应用，能更为准确地划分含气层。 4.判断裂缝带 对于裂缝带，纵、横波幅度下降。通常认为：垂直裂缝带纵波衰减明显低于横波衰 减，中到高角度裂缝带纵波衰减明显大于横波衰减，但对低角度裂缝带纵波衰减又明显 低于横波衰减。如果能与其它判断裂缝的测井方法综合利用，会得出更为准确的结果。 5.估算岩石力学的某些参数. 第四节 声波幅度测井 声波在介质中传播，其幅度会逐渐衰减，声波幅度的衰减在声波频率一定的情况下， 是和介质的密度、弹性等因素有关的。测量井下声波信号的幅度的声幅测井，目前主要 用于检查固井后水泥和套管的胶结情况。它是通过测量声波幅度的衰减变化来认识地层 特点以及水泥胶结情况的一种测井方法。 一、 岩石的声波幅度测井 一、 岩石的声波幅度测井 声阻抗是介质密度和传播速度的乘积=z，声耦合率是两种介质的声阻抗比 。两种介质的声阻抗相差越大，则声耦合率越差，声波能量就不容易透过界面， 传到第二介质的能量就少。阻抗相接近时，能量就容易透过界面在第二种介质中传播。 声波在地层中传播，能量和幅度有两种衰减形式，一是因为地层吸收声波能量而使幅度 v 21/z z 34 衰减，另一种是存在声阻抗不同的两种介质的界面反射，使声波幅度发生变化。这两种 变化往往同时存在，究竟哪种变化为主要跟就具体情况分析。如在裂缝发育及疏松岩石 井段，声波的衰减主要是由于地层的吸收能量所致；在下套管井中，各种波的幅度变化 主要和套管、水泥环、地层之间界面所引起的声波能量分布有关。因此在裸眼井测量声 波幅度可以划分裂缝带和疏松岩石地层，在套管井中测量声波幅度变化，可以检查固井 质量。 二、水泥胶结测井(cbl) 二、水泥胶结测井(cbl) 在下套管的井中注水泥后，套管与井壁之间的环形空间内应充满注入的水泥。如果 固井质量不好，套管与井壁之间的环形空间会残留泥浆。为了检查水泥与套管是否胶结 良好，因此提出了水泥胶结测井。 1.水泥胶结测井基本原理 cbl 下井仪器如图 3-10 所示，采用单发单收声系，源距为 3ft(0.91m)。可以近似认 为，发射换能器发出声波，其中以临界角入射的声波，在泥浆与套管的界面上折射，产 生沿这个界面在套管中传播的滑行波（即套管波） ，套管波又以临界角折射进入井内泥浆 到达接收换能器被接收。 仪器测量记录套管波的第一峰的幅度值（以 mv 为单位） ，即水泥胶结测井曲线。这 个幅度值的大小除了决定于套管与水泥胶结程度外，还受套管尺寸、水泥环强度和厚度 以及仪器居中情况的影响。 若套管与水泥胶结良好，这时套管与水泥环的声阻抗差较小，声耦合较好，套管波 的能量容易通过水泥环向外传播。因此，套管波能量有较大的衰减，测量记录到的水泥 胶结测井值就很小；若套管与水泥胶结不好，套管外有泥浆存在，套管与管外泥浆的声 阻抗差很大，声耦合较差，套管波的能量不容易通过套管外泥浆传播到地层中去。因此 套管波能量衰减较小，水泥胶结测井值很大，从而利用水泥胶结测井曲线值可以判断固 井质量。 2.影响水泥胶结测井曲线的因素 （1）测井时间的影响。灌注的水泥存在凝固过程，这是水泥强度不断增大的过程， 套管波的衰减与水泥强度有关，强度小衰减少，在为凝固、封固好的井段测井会出现高 幅度值，因此要待凝固后测井。测井过晚，会因为钻井液沉淀固结，井壁坍塌造成无水 泥井段声幅低值的假象，一般在固井后 2448h 之间测量最好。 （2）水泥环厚度的影响。实验证明，水泥环厚度大于 2cm，水泥环厚度对水泥胶结 测井曲线的影响是个固定值，小于 2cm 时，水泥环厚度越薄，曲线幅度值越高，因此， 应用声波幅度测 图 3-11 水泥胶结测井曲线实例 35 井检查固井质量时，应参考井径曲线进行。 （3）井筒内钻井液气侵会使声波能量发生较大的衰减。造成水泥胶结测井曲线幅度 降低的现象，在这种情况下，容易把没胶结好的井段误认为胶结良好。 3.cbl 测井曲线应用 图 3-11 给出了水泥胶结测井曲线，从图中可以见到： （1）在水泥面返离位置以上曲线幅度最大，在套管接箍处出现幅度变小的尖峰，这 是因为声波在套管接箍处能量损耗增大的缘故。 （2）深度由浅变深、曲线首次由高幅度向低幅度变化处为水泥面返高位置。 （3）在套管外水泥胶结良好处，曲线幅度为低值。 水泥胶结测井已广泛用于检查固井质量，并已总结出一套解释方法，如根据模拟井 实验表明，可用声波相对幅度的大小来判断固井质量： 声波相对幅度%100 泥浆 目的 a a （3-18） 目的 a：目的层井段的声波幅度。 泥浆 a：套管外全是泥浆的井段的声波幅度。 通常，相对幅度越小，固井质量越好；反之相对幅度越大，固井质量越差。根据实 验结果和实际经验，可将固井质量划分为三个等级： 胶结质量良好，相对幅度40% 根据相对幅度定性判断固井质量固然是水泥胶结测井解释的依据，但不能机械地生 搬硬套，还要参考井径等曲线，同时还要了解固井施工情况，如水灰比、水泥上返速度 和使用的添加剂类型等，必须综合各方面的资料，才能得出准确可靠的判断。 cbl 测量的是套管波的首波幅度。 首波幅度的大小主要取决于水泥与套管外壁的胶结 程度，因此只能解决第一界面（套管外壁与水泥环的界面）的问题，而水泥环与井壁（水 泥环与地层）之间是否胶结良好，即第二界面的问题是无法解决的。但由于水泥胶结测 井方法简单，易于解释，仍然是判断固井质量的常用方法。 三、变密度测井(vdl) 三、变密度测井(vdl) 为了更好地检查下套管井第一界面、第二界面的胶结程度，提出了变密度测井。变 密度测井采用单发单收声系，源距为 5ft(1.52m)，实际上为声波波列测井，可以接收到 套管波、水泥环波、地层波以及泥浆直达波。 .变密度测井测量原理 36 vdl 利用单发单收声系进行全波列测量，在 1ms的时间间隔内，能够测量套管波、水 泥环波，地层波等。在测量时把信号幅度的正半周保留，将负半周去掉，正半周的信号 输入到调辉管，将声波幅度的大小转变为光辉度的强弱，信号为零幅度时用灰色表示， 正幅度用黑色表示，黑色的深浅表示信号幅度的大小；负半周用白色表示，在照相记录 仪上就显示出随深度变化的黑、白相间的条纹，即显示为声波信号的强度时间记录。 见图 3-12。 .曲线分析 经过模拟实验发现，在不同的固井质量情况下，套管波与地层波的幅度变化有一定 的规律。如图 3-13，当套管外无水泥，只有泥浆时，此时第一界面声耦合不好，致使大 部分声能量沿套管传播，极小部分传到地层，甚至传不到地层，这是套管波的幅度很大， 而地层波的幅度很小，甚至看不到地层波（图 a） 。 当水泥环与套管及地层胶结良好时，声耦合好，声波能量基本上传到地层，此时套 管波幅度小，而地层波的幅度较大（图 b） 。当第一界面胶结良好，而水泥环与地层胶结 不好时，声波大部分能量传到水泥环中，由于水泥环吸收强，致使声波幅度明显衰减， 此时所有波的幅度都很低（图 c） 。当套管偏斜时，一侧与水泥胶结良好，而另一部分与 没有水泥，地层称为窜槽，声波能量一部分沿套管传播，另一部分传入地层，此时既有 地层波的显示，也有套管波的显示。另外，在 vdl 测井图（辉度图）中，套管接箍也有 显示，显示出“人字形”的条纹线。 四、分区水泥胶结测井(sbt) 四、分区水泥胶结测井(sbt) cbl或vdl是反映套管周围水泥胶结的平均状况，不能反映套管周围不同方位的水泥 胶结状况，近年来又发明了研究套管周围 360 0方位的水泥胶结情况的测井方法，称为分 区水泥胶结测井（sbt，阿特拉斯） 。该仪器有 6 个推靠滑板，每个滑板上装有一个发射 器和一个接收器，相邻两滑板之间的夹角为 60 0。测井时推靠器使滑板贴在套管壁上，每 个接收器接收相邻滑板上发射器发射的声波，这样就可以测出 6 条声幅曲线，每条曲线 显示 60 0张开角内水泥的胶结状况，这样就可以显示套管周围 图 3-13 不同固井情况下的套 管波及地层波 不同方位处水泥的胶结情况，进一步提高检查固井质量的精度。该仪器已投入工业性的 应用，取得了较好的使用效果。利用分区水泥胶结测井可以确定套管与水泥、地层与水 泥两个界面的水泥胶结状况；提供整个套管周围全方位的水泥胶结状况，克服了常规水 泥胶结测井的多解性；判断窜槽的位置，确定水泥返高和混浆带井段；能有效地评价大 直径套管井(直径 406 毫米)的水泥胶结状况。 五、 超声波电视测井（bhtv） 五、 超声波电视测井（bhtv） 37 测井时，发射换能器垂直向井壁发射超声波，发射后它又作为接收探测器测量反射 回来的波，根据反射波的幅度强弱，变为电讯号送入阴极射线示波管，把电信号转变成 荧光屏的亮点，其辉度大小与电信号的强弱成正比。换能器以均匀速度旋转和上升，荧 光屏上就扫描出一条扫描线。用余辉比较大的物质制作荧光屏，就可以用照相的方法把 荧光屏上的图像记录下来，就形成了超声波电视测井 六、噪声测井 六、噪声测井 在油井内通过测量噪声信号的幅度来检测管外窜槽位置和流量等油井的生产问题。 当井下液流或气流通过阻流位置时，也就是流体进入狭窄的孔道时，会产生湍流噪声。 测定噪声的频率和幅度，可以确定管外流体的流动为止，流量及其流型等。 噪声测井仪由井下仪器和地面仪器组成，下井仪器接收并放大噪声，噪声信号由电 缆传输到地面仪器经频率分析网络分四道用截止频率分别为 200hz，600hz， 1000hz,2000hz 的高通滤波器进行频谱分析， 分别记录四道的噪声电压峰值。 测井时防止 仪器运动噪声，采用点测，利用噪声测井信号可以辨别裸眼井中的出液位置，在注水井 中测量注水量，在套管井中确定套管破裂和出水位置。 38 第四章 放射性测井（6 学时） 第四章 放射性测井（6 学时） 放射性测井是根据岩石和介质的核物理性质，研究钻井地质剖面，寻找油气藏以及 研究油井工程的地球物理方法。放射性测井方法，按其探测射线的类型可分为两大类， 即探测伽马射线的伽马测井法和探测中子