《地球物理测井》ch11.密度和岩性密度测井.pdf

地球物理测井地球物理测井 主讲人 刘军锋主讲人 刘军锋 长江大学 地球物理与石油资源学院 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 第11章 地层密度和岩性密度测井 地层密度测井地层密度测井 Formation Density Log 利用人工伽利用人工伽 马源 马源 137Cs 发射的伽马射线与地层相互作用发生康普 发射的伽马射线与地层相互作用发生康普 顿散射效应的原理 测量进入探测器的散射伽马射线的顿散射效应的原理 测量进入探测器的散射伽马射线的 强度 从而确定地层密度强度 从而确定地层密度 岩性密度测井岩性密度测井 Litho density Log 利用人工伽马源利用人工伽马源 137Cs 发射的伽马射线与地层相互作用发生康普顿散 发射的伽马射线与地层相互作用发生康普顿散 射和光电效应的原理 用能谱分析方法分能带测量进入射和光电效应的原理 用能谱分析方法分能带测量进入 探测器的散射伽马射线的强度 进而获得岩石体积密度探测器的散射伽马射线的强度 进而获得岩石体积密度 和光电吸收截面指数 最终确定岩性和孔隙度和光电吸收截面指数 最终确定岩性和孔隙度 两者都是利用两者都是利用伽马射线和地层介质伽马射线和地层介质发生各种效应来发生各种效应来 研究地层性质的 因两者所用的轰击粒子和探侧的对研究地层性质的 因两者所用的轰击粒子和探侧的对 象都是伽马光子 故通称象都是伽马光子 故通称伽马 伽马侧井伽马 伽马侧井 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 岩石体积密度是单位体积岩石的质量 岩石体积密度是单位体积岩石的质量 单位是单位是 g cmg cm3 3 岩石体积密度是表征岩石性质的一个重要参数岩石体积密度是表征岩石性质的一个重要参数 密度测井与声速测井和中子孔隙度测井一起密度测井与声速测井和中子孔隙度测井一起 构构 成岩性成岩性 孔隙度测井系列孔隙度测井系列 第一节第一节 密度测井基本原理密度测井基本原理 过程 过程 放射性源向地层发射中等能量的伽玛射放射性源向地层发射中等能量的伽玛射 线 即高速中子 与地层中的电子碰撞 产生康线 即高速中子 与地层中的电子碰撞 产生康 普顿效应 散射 发生次生伽玛射线 接收器普顿效应 散射 发生次生伽玛射线 接收器 记录 换算为地层密度 记录 换算为地层密度 测井仪器 测井仪器 补偿双源距地层密度测井仪 补偿双源距地层密度测井仪 补偿测量原理 补偿测量原理 近探测器用于校正远探测器测近探测器用于校正远探测器测 量结果中的泥饼和井眼不规则影响 量结果中的泥饼和井眼不规则影响 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 地层中常见矿物和流体的密度地层中常见矿物和流体的密度 矿物或流体密度 克 立方厘米 石英2 65 方解石2 71 白云石2 87 钾盐1 98 盐岩2 165 石膏2 32 无烟煤1 4 1 8 烟煤1 2 1 5 淡水1 盐水 200000ppm 1 146 原油0 85 左右 天然气1 325 空气 0 188 第一节第一节 密度测井基本原理密度测井基本原理 1 康普顿效应与康普顿效应与介质密度的关系介质密度的关系 伽马射线与物质的相互作用包括 伽马射线与物质的相互作用包括 光电效应光电效应 1010 1 1 康普顿效应康普顿效应 1010 2 2 电子对效应电子对效应 1010 3 3 吸收系数 吸收系数 表征单位厚度的介质对伽马射线的吸收能力 表征单位厚度的介质对伽马射线的吸收能力 由上三式可见 只有由上三式可见 只有康普顿效应与介康普顿效应与介 质密度关系比较简单 质密度关系比较简单 1010 2 2 式表明康 式表明康 普顿散射引起的伽马射线减弱程度与介质普顿散射引起的伽马射线减弱程度与介质 密度密度 或电子密度或电子密度 成正比 成正比 1010 2 2 式是对单一元素物质表示的 式是对单一元素物质表示的 对于多种化合物也同样遵循这一关系 例对于多种化合物也同样遵循这一关系 例 如对于多中原子构成的矿物 其关系为 如对于多中原子构成的矿物 其关系为 1010 4 4 概念 电子密度概念 电子密度 10 5 电子密度指数电子密度指数 10 6 将式 将式 10 4 代入 可得电子密度指数为 代入 可得电子密度指数为 10 7 表 表 10 1 列出了地层中常见矿物的真密度与电 列出了地层中常见矿物的真密度与电 子密度指数的关系 从表中可看出子密度指数的关系 从表中可看出 地层中常见矿地层中常见矿 物及流体的比值物及流体的比值 均接近均接近1 就有就有 矿物的密度数据表矿物的密度数据表 矿物矿物 分子式分子式 密度密度 g cm 3 电子密度指数电子密度指数 视密度视密度 g cm 3 石英石英 SiO2 2 654 0 9985 2 650 2 648 方解石方解石 CaCO3 2 710 0 9991 2 708 2 710 白云石白云石 CaMg CO3 2 2 870 0 9977 2 863 2 876 硬石膏硬石膏 CaSO4 2 960 0 9990 2 957 2 977 钾盐钾盐 KCl 1 980 0 9657 1 916 1 863 岩盐岩盐 NaCl 2 165 0 9581 2 074 2 032 石膏石膏 CaSO4 2H2O 2 32 1 0222 2 372 2 351 无烟煤无烟煤 1 400 1 800 1 030 1 442 1 852 1 355 1 796 烟煤烟煤 1 200 1 500 1 060 1 272 1 590 1 173 1 514 淡水淡水 H2O 1 000 1 1101 1 110 1 000 矿化水矿化水 H2O NaCl 1 146 1 0797 1 237 1 135 原油原油 N CH2 0 85 1 1407 0 970 0 850 甲烷甲烷 CH4 CH4 1 247 1 247 CH4 a CH4 MZn ii 2 由此推论由此推论 任何岩石的体积密度与其电子密度任何岩石的体积密度与其电子密度 指数都有确定的关系指数都有确定的关系 而电子密度指数完全取决于而电子密度指数完全取决于 电子密度电子密度 后者又决定于康普顿吸收系数后者又决定于康普顿吸收系数 因而可因而可 以根据康普顿效应来测量岩石密度以根据康普顿效应来测量岩石密度 为了能够使伽马射线与物质的作用以康普顿效为了能够使伽马射线与物质的作用以康普顿效 应为主应为主 要保证伽马光子能量在要保证伽马光子能量在0 10 1 1 022MeV1 022MeV之之 间 间 测出电子密度就能确定体积密度测出电子密度就能确定体积密度 2 密度测井信息提取方法 密度测井信息提取方法 选用选用Cs137为伽马源 发射能量为为伽马源 发射能量为0 661MeV的伽马光子 的伽马光子 用伽马射线探测器 记录散射伽马计数率 且探测起始能量用伽马射线探测器 记录散射伽马计数率 且探测起始能量 定为定为0 1 0 2MeV 能在很大程度上避免光电效应的影响 能在很大程度上避免光电效应的影响 伽马源与伽马射线探测器中点间的距离称为源距 伽马源与伽马射线探测器中点间的距离称为源距 贴井壁测量 消除泥浆影响 贴井壁测量 消除泥浆影响 源与探测器间有伽马吸收物质 铅 源与探测器间有伽马吸收物质 铅 密度测井存在问题 泥饼的影响 不规则井眼 贴井壁不好密度测井存在问题 泥饼的影响 不规则井眼 贴井壁不好 发生的核衰变方程如下 发生的核衰变方程如下 体积密度的确定 体积密度的确定 康普顿效应 散射 的碰撞次数与地层康普顿效应 散射 的碰撞次数与地层 中的物质的中的物质的电子密度电子密度 电子数 电子数 平方厘米 平方厘米 有关 而电子密度与岩石的有关 而电子密度与岩石的体积密度体积密度有关有关 岩石密度与岩石骨架成份 孔隙流体 岩石密度与岩石骨架成份 孔隙流体 孔隙度大小等有关 有 孔隙度大小等有关 有 岩石密度 岩石密度 电子密度 电子密度 Z 原子序数 原子序数 M 原子量 原子量 e b 探测器接收到的伽马探测器接收到的伽马 射线强度包括两个过程 射线强度包括两个过程 1 伽马源发射的光子 伽马源发射的光子 经地层多次散射后经地层多次散射后能到达能到达 探测器探测器的光子数 的光子数 2 被探测器散射而 被探测器散射而改改 变方向或被吸收的变方向或被吸收的光子数 光子数 图图1010 1 1 密度测井计数率与源距的关系密度测井计数率与源距的关系 当源距很小时 前一过程为主 当源距大时 后一过程为主 当源距很小时 前一过程为主 当源距大时 后一过程为主 这样 密度大的地层中计数率随源距变化要比密度小的快 见这样 密度大的地层中计数率随源距变化要比密度小的快 见 上图 两条直线的交点对应的源距称为上图 两条直线的交点对应的源距称为零源距 零源距 d0 表示仪器 表示仪器 失去对密度的灵敏度 小于零源距叫失去对密度的灵敏度 小于零源距叫负源距负源距 大于零源距叫 大于零源距叫正源正源 距距 密度测井都采用正源距 实际距离与零源距之差称为 密度测井都采用正源距 实际距离与零源距之差称为视源距视源距 da d d0 一般而言 伽马光子会随着源距的增强而减小 一般而言 伽马光子会随着源距的增强而减小 则有 则有 因一般储集层都有泥饼 密度测井都采用不同源距的两个因一般储集层都有泥饼 密度测井都采用不同源距的两个 伽马射线探测器 以补偿泥饼对测量的影响 称为伽马射线探测器 以补偿泥饼对测量的影响 称为双源距补偿双源距补偿 密度测井密度测井 常用短源距为 常用短源距为15 25cm 长源距 长源距35 40cm 伽马源伽马源 短源距短源距 探测器探测器 长源距长源距 探测器探测器 图图10 2 双源距补偿密度测井仪器结构双源距补偿密度测井仪器结构 1 泥饼对计数率的影响 实验 泥饼对计数率的影响 实验 1 地层没有泥饼时 用长 短源距计数率 地层没有泥饼时 用长 短源距计数率 都可得到地层密度 而且两者结果一致 都可得到地层密度 而且两者结果一致 2 当存在泥饼时 长 短源距计数率将偏 当存在泥饼时 长 短源距计数率将偏 离正常位置 离正常位置 第二节第二节 泥饼影响及密度测井仪刻度方法泥饼影响及密度测井仪刻度方法 图图10 3 无泥饼时的实验曲线无泥饼时的实验曲线 即长 短源距探测器计即长 短源距探测器计 数率 对数坐标 呈线数率 对数坐标 呈线 性关系 所确定的直线性关系 所确定的直线 称为称为 脊线脊线 其斜率 其斜率 为为AL AS 该线与横轴的 该线与横轴的 夹角称为 夹角称为 脊角脊角 图图10 4中 泥饼影响中 泥饼影响 曲线称为 肋线 此曲线称为 肋线 此 图说明 不论泥饼密度图说明 不论泥饼密度 和泥饼厚度大小如何变和泥饼厚度大小如何变 化 根据化 根据 和和 在在 图上得到一点 然后沿图上得到一点 然后沿 该点附近肋线趋势移动该点附近肋线趋势移动 到脊线上便得地层密度 到脊线上便得地层密度 图图10 4 双源距补偿密度测井脊肋图双源距补偿密度测井脊肋图 2 补偿密度测井计算地层密度的方法 补偿密度测井计算地层密度的方法 3 密度测井仪器刻度方法 密度测井仪器刻度方法 密度测井仪器刻度至少要有两种不同密度的标准地密度测井仪器刻度至少要有两种不同密度的标准地 层或刻度块作为刻度标准 其中一种地层还要分有泥层或刻度块作为刻度标准 其中一种地层还要分有泥 饼和无泥饼两种情况 饼和无泥饼两种情况 刻度标准有一 二 三级刻度器 一般刻度井是刻度标准有一 二 三级刻度器 一般刻度井是 已知密度和孔隙度的纯石灰岩 饱含淡水 已知密度和孔隙度的纯石灰岩 饱含淡水 第三节第三节 密度测井的地质应用密度测井的地质应用 1 计算地层的孔隙度 计算地层的孔隙度 可将岩石分成两部分密度的加权平均值 可将岩石分成两部分密度的加权平均值 根据不同模型 选用不同的响应方程来计算密度根据不同模型 选用不同的响应方程来计算密度 孔隙度 孔隙度 1 1 1 87 2 71 2 65 2 f f f ma 盐水泥浆 淡水泥浆 性质选择孔隙流体密度 按泥浆 白云岩 石灰岩 砂岩 岩性选择岩石骨架密度 按已知 fma shma sh fma bma V 2 划分岩性 划分岩性 考虑到以上特点 常将密度孔隙度与补偿中子考虑到以上特点 常将密度孔隙度与补偿中子 孔隙度重叠显示以此来区分岩性 孔隙度重叠显示以此来区分岩性 孔隙度增加孔隙度增加 密度下降密度下降 密度值不能准确反映岩性密度值不能准确反映岩性 砂岩砂岩 2 65 灰岩灰岩 2 71 白云岩白云岩 2 87 盐岩盐岩 2 17 硬石膏硬石膏 2 97 淡水泥浆淡水泥浆 1 0 盐水泥浆盐水泥浆 1 1 g cm3 图图1010 5 5 某层系的某层系的LDTLDT CNLCNL GRGR曲线曲线 3 划分裂缝带或气层 含气地层 含气地层 b b降低 使降低 使 用密度计算的孔隙度增大用密度计算的孔隙度增大 而中子曲线因气层的含而中子曲线因气层的含 氢量降低 使中子孔隙度氢量降低 使中子孔隙度 变小变小 所以利用密度测井和中所以利用密度测井和中 子测井曲线重合可划分气子测井曲线重合可划分气 层层 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 第四节第四节 岩性密度测井 岩性密度测井 LDLLDL 岩性密度测井是密度测井的改进和扩展形式 它除了测量地岩性密度测井是密度测井的改进和扩展形式 它除了测量地 层的层的密度值密度值外 还能测量地层的外 还能测量地层的光电吸收截面指数光电吸收截面指数 Pe 该指该指 数与地层中矿物类型有关 即可以反映地层岩性 数与地层中矿物类型有关 即可以反映地层岩性 岩性密度测井仪和密度测井仪一样 岩性密度测井仪和密度测井仪一样 有一个有一个极板极板和一个和一个支撑臂支撑臂 极板上有一 极板上有一 个个伽玛源伽玛源和和两个探测器两个探测器 不同的是 不同的是 岩岩 性密度测井性密度测井的伽玛源发出的是的伽玛源发出的是622keV622keV的的 伽马射线 与地层碰撞后能量逐渐降低 伽马射线 与地层碰撞后能量逐渐降低 最后到通过产生光电效应被吸收 它测最后到通过产生光电效应被吸收 它测 量从量从中高能区中高能区 大于 大于150keV150keV 经 经康普顿康普顿 效应效应散射伽玛强度 测岩石密度 再散射伽玛强度 测岩石密度 再 测测低能区低能区经光电效应经光电效应吸收后的伽玛射线吸收后的伽玛射线 强度 光电强度 光电吸收截面指数吸收截面指数 而密度测 而密度测 井只测量前者 井只测量前者 DEN PEF曲线曲线 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 第四节第四节 岩性密度测井 岩性密度测井 LDLLDL 1 宏观光电吸收截面宏观光电吸收截面 单位体积的岩石对一个伽马光子的吸收概率 单位体积的岩石对一个伽马光子的吸收概率 A A 一个伽马光子与一个原子核的核外电子发一个伽马光子与一个原子核的核外电子发 生光电效应的概率 生光电效应的概率 A k z4 6 z 10 3 6 z k 仪器常数 仪器常数 10 3 6 A N0 b A e z 10 3 6 1 LDL测井的物理基础测井的物理基础 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 2 岩石质量光电吸收截面指数岩石质量光电吸收截面指数Pe Photoelectrsic Factor Pe 一个电子对一个伽马光子的光电吸收概率一个电子对一个伽马光子的光电吸收概率 Pe A Z z 10 3 6 岩性系数岩性系数 巴巴 电子电子 3 岩石体积光电吸收截面岩石体积光电吸收截面 U 指数指数 b cm3 沉积岩中沉积岩中 A Z 2 b 2 e N0 Ie 电子密度指数电子密度指数 人为规定 人为规定 U Ie Pe Pe b i n i iV UU 1 对岩性成分复杂的地层 对岩性成分复杂的地层 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 2 岩性密度测井原理 岩性密度测井原理 1 下井仪 一个下井仪 一个 源源 2个探测器个探测器 2 测量原理测量原理 分别记录高能区和低能分别记录高能区和低能 区的计数率 对计数率进行处理 区的计数率 对计数率进行处理 高能区计数率高能区计数率H fH f1 1 r re e r rb b 低能区低能区计数率计数率S fS f2 2 r re e U U 由由S HS H比值比值输出输出PePe U U曲线曲线 输出测井曲线有 输出测井曲线有 Pe U Pe U b b 岩性密度测井探测器窗口及伽马射线的测定岩性密度测井探测器窗口及伽马射线的测定 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 3 LDL资料的解释及应用资料的解释及应用 1 常见岩石的常见岩石的Pe U b值值 由此识别岩性 由此识别岩性 不同岩性 不同岩性 Pe U b不同 不同 U的差别最大 的差别最大 U Pe b 流体的流体的Pe U相对骨架来讲是很小的 相对骨架来讲是很小的 增大 增大 b降低降低 U降低 降低 而对而对Pe的影响很小 由的影响很小 由 此称此称Pe为岩性系数 为岩性系数 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 岩岩 性性 声波时差声波时差 密密 度度 克 克 立方厘米立方厘米 补偿中子补偿中子 PU 光电吸收截面指光电吸收截面指 数数 b e 微秒微秒 米米 微秒微秒 英尺英尺 砂岩砂岩 164 184 50 56 2 65 2 4 1 806 石灰岩石灰岩 156 47 5 2 71 0 5 084 白云岩白云岩 143 43 5 2 87 1 3 3 142 硬石膏硬石膏 164 50 2 98 2 5 055 石膏石膏 174 53 2 35 60 3 99 盐岩盐岩 220 67 2 03 3 4 65 烟煤烟煤 394 120 1 23 60 0 17 褐煤褐煤 525 160 1 19 52 0 20 高岭石高岭石 2 41 37 1 83 蒙脱石蒙脱石 2 02 44 2 04 伊利石伊利石 2 63 30 3 45 重晶石重晶石 226 68 8 4 09 2 266 8 黄铁矿黄铁矿 129 39 2 4 99 3 16 9 淡淡 水水 620 189 1 0 100 0 35 饱和盐水饱和盐水 608 185 1 10 100 不同岩性地层不同岩性地层 其测井响应值其测井响应值 幅度幅度 不同不同 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 岩性密度测井曲线识别岩性岩性密度测井曲线识别岩性 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 1 3 4 5 6 2 石英石英 白云石白云石 方解石方解石 Pe 0 2 0 4 图版法图版法 求出单求出单 矿物的矿物的 孔隙度孔隙度 作垂线作垂线 与斜线与斜线 的交点的交点 过交点过交点 作水平作水平 线线 已知的已知的P Pe e 与水平线与水平线 的交点的交点 据交点据交点 确定岩确定岩 性性 1 识别岩性识别岩性 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 白 马 白 马 8 井 煤 砂 岩 泥 岩 测 井 特 征 图 井 煤 砂 岩 泥 岩 测 井 特 征 图 第第1111章章 地层密度和岩性密度测井地层密度和岩性密度测井 2014 Yangtze University Production Logging Lab 2 计算泥质含量计算泥质含量Vsh 3 计算由三矿物构成的复杂岩石中各矿物的相对含量计算由三矿物构成的复杂岩石中各矿物的相对含量 用用U U求 体积模型写出 求 体积模型写出 fshshshma UVUVUU 1 mash fma sh UU UUU V 1 b maa 1 f U Umaa 1 Uf maa AVA BVB CVC Umaa UAVA UBVB UCVC VA VB VC 1 第第1111章章