地球物理测井.ppt

中国石油华北技师学院崔树清 第三讲地球物理测井 在石油勘探和开发中 认识和掌握地下地质情况目前所使用的方法主要有两种 一种是通过钻井取芯 井壁取芯及地质录井方法 对岩样进行直接地观察 描述 分析和鉴定 确定岩层的地质性质 二是通过对岩层的地球物理性质即电学性质 声学性质 热学性质及放射性等方面的研究 间接地确定岩层的地质性质 后者就是地球物理测井所担负的任务 岩层有各种地球物理特性 相应地出现了各种各样的地球物理测井方法 主要可分成电法测井 非电法测井和其它测井三种 电法测井 包括普通电极系测井 微电极测井 侧向测井 感应测井及自然电位测井 非电法测井 包括声波测井和放射性测井 此外 还有井径 井斜 地层倾角以及用于油气开采中的生产测井等 自1927年法国斯伦贝谢兄弟成功地进行了世界上第一口电阻率测井以来 可以将测井技术的发展史分为四个阶段 自1927年至60年代末称为模拟测井阶段 使用的主要测井方法是声速 纵波 测井 感应测井和普通电阻率测井 配之以井径 自然电位和自然伽马等测量 数据采用照相纸或胶片纪录 其特点是采集的数据量小 传输速率低 测井技术发展史 60 70年代可称为数字测井阶段 借助计算机采用数字磁带机进行数字记录 提高了测量精度 增加了可靠性 提高了数据处理速度 测井方法和数据处理方法有了很大发展 三孔隙度测井 声波 密度 中子 深 中 浅三电阻率测井 再加上井径测量 自然伽马测井和自然电位测井 称之为常规的 九条曲线 测井 用这些测井资料可以较好地分层 识别岩性 求取孔隙度 计算地层电阻率 计算含油 气 饱和度 从而评价油 气 储层 此外 地层倾角测井的投产 提高了测井的地质应用能力 测井技术发展史 70年代末发展了数控测井 以计算机为中心的遥控 遥测系统 各种下井仪作为计算机的外件 通过电缆遥控系统实现数据的交换和控制 新的测井方法不断出现 如电磁波传播测井 自然伽马能谱测井 碳氧比能谱测井 岩性密度测井 长源距声波测井等 提取了更多的有用信息 扩大了测井的应用领域 提高了用测井资料评价油 气 层 解决地质问题的能力 测井技术发展史 随着勘探开发更复杂 更隐蔽的油气藏 对测井也提出了更高的要求 在此前提下 国外三大测井公司相继推出了自己的成像测井系统 即斯伦贝谢公司的MAXIS 500 西方阿特拉斯公司的ECLIPS 5700和哈利伯顿公司的EXCELL 2000 成像测井的下井仪器主要有声 电成像和核磁共振测井三大类 其特点主要是高采集 并行处理 搞一整套的软件包 国内成像测井技术的研究已经起步并取得阶段性成果 测井技术发展史 测井配合录井资料能解决的问题主要有 详细划分岩层 准确地确定岩层深度和厚度 定量或半定量估计油层的孔隙度 渗透率和含油气饱和度 进行地层对比 研究构造和地层沉积问题等 在油田开发中 提供油层动态的部分资料 研究井下技术情况 如井斜 井径 井温及固井质量等 一 电阻率测井 电阻率法测井包括普通电阻率测井 横向测井 微电极测井 侧向测井 感应测井等 尽管这些方法的具体特点和所要解决的问题各不相同 但它们的实质都是进行电阻率测井 1 普通电阻率测井 A B 供电电极 M N一测量电极 E一电源 r一调节电阻 一测量仪器 mA一毫安表 测量原理电极系 供电 测量某两点间的电位差 刻度 视电阻率 两种电极系 电位电极系梯度电极系电极距电极距越长 探测范围越大 NMA BAM 2 5米梯度0 5米电位 2 250 5 0 52 25 2 5电极距 测量电极 供电电极 供电电极 测量电极 电极系的三个电极之间 如果成对电极之间的距离 MN或AB 较大 即MN AM或AB AM 就叫做电位电极系 电极系的三个电极之间 如果成对电极之间的距离 MN或AB 最小 即AM MN或MA AB 叫做梯度电极系 图2普通电阻率测井测量原理图 a 电位电极系 b 梯度电极系 2 视电阻率实际测井中 电极系所测的电阻率与井内钻井液 渗透层的侵入 上下围岩的电阻率都有关系 各部分介质对测量结果的贡献大小很难用简单的方法计算出来 测量的岩层电阻率是各种影响的综合反映 这个电阻率称为视电阻率 图3梯度电极系和电位电极系实际测井曲线 曲线特点 1 高阻层梯度曲线高阻层处 视电阻率增大 曲线不对称 底界面附近 底部梯度曲线出现极大值 2 高阻层电位曲线高阻层处 视电阻率增大 曲线对称于层的中部 层界面附近 曲线有拐点 常用系列 2 5米和4米底部梯度电极 0 4米电位电极 梯度曲线电位曲线 影响因素 测量的视电阻率是电极系附近各种介质导电性的综合反映 减值屏蔽 1 电极系附近的地层电阻率和层厚是主要影响因素 2 不同的电极系 测量的曲线数值和形状不同 3 泥浆电阻率 井径 围岩电阻率及其厚度影响数值 4 高阻邻层的屏蔽影响 减值屏蔽 增值屏蔽 1 标准电极系与自然电位和井径曲线组合为标准测井 用于绘制综合录井图 划分地层剖面和地层对比 多数地区选用2 5米梯度电极系作为标准电极系 盐水泥浆井中采用电极距较长的梯度电极系 2 用于划分地层界面 3 用长电极梯度曲线 如4米梯度 定性分析储层含油性 4 短电极的电位曲线用于跟踪井壁取心 应用 2 侧向测井 普通电阻率测井在盐水钻井液或高阻薄层剖面测井时 由于泥浆和围岩的分流作用 使得普通电阻率测井获得的视电阻率远小于地层真电阻率 同时由于砂岩的泥质含量增加 形成不少的中阻地层 使得视电阻率曲线复杂 为此设计了使电流侧向进入地层的侧向测井 这种方法是聚焦测井的一种 1 三侧向测井基本原理 为使主电流侧向流入地层 三侧向电极系在主电极A0的上下方安置两个屏蔽电极A1 A2 并通以与主电流同极性的屏蔽电流 通过井下仪器电路的自动调节 保持两个屏蔽电极与主电极电位相等 完成对主电流的聚焦作用 其电流线分布图4所示 三侧向有深 浅三侧向之分 由于它们各电极长短不同 聚焦的能力不同 探测的径向范围也不一样 深的屏蔽电极长 回路电极距离远 迫使主电流束流人地层很远才能回到回路电极B 而浅三侧向两个屏蔽电极短 则探测的范围较短 储集层侵入特性示意图 2 三侧向测井曲线的应用三侧向测井实质上是视电阻率测井的一种 因此它能解决的问题与普通电阻率测井法相同 但是它受井眼 层厚 围岩的影响较小 分层能力较强 特别是划分高阻薄层 比普通电极系电阻率曲线要清楚得多 深浅三侧向曲线重迭法判断油水层由于三侧向曲线受泥浆侵入带的影响 而油层和水层侵入的性质一般情况下是不同的 油层多为减阻侵入 低侵 而水层多为增阻侵入 高侵 目前我国一些油田采用两种不同探测深度 深 浅 的三侧向的视电阻率曲线 进行重迭比较来判断油水层 在油层处 一般深三侧向的视电阻率Ra值大于浅三侧向的视电阻率Ra值 曲线出现正差异 在水层 一般深三侧向的视电阻率小于浅三侧向的视电阻率Ra 曲线出现负差异 图5是利用深浅三侧向曲线判断油水层的实例 图5深浅三侧向曲线在油水层的显示 3 微电极测井 1 微电极测井原理为了达到测量冲洗带电阻率的目的 设计了一个很小的电极距 微电极系是在主体上装2 3个弹簧片作为下井时的扶正器 图6微电极系1一主体 2一弹簧片 3一绝缘极板 4一电缆 2 曲线特点 微电位的探测深度为8 10cm 微梯度探测深度4 6cm 因此微电位所测的视电阻率主要反应渗透层井中洗带电阻率 而微梯度测量的结果主要受泥饼影响 通常采用重迭法将微电位与微梯度两条测井曲线绘制一张图中 当微电位曲线幅度 大于微梯度曲线幅度时 称正幅度差 小于时称负幅度差 渗透层井段基本都有幅度差 幅度差的大小与RmC Rxo 泥饼 冲洗带 值以及泥饼的厚度有关 幅度的高低与岩性有关 非渗透层无幅度差 砂泥岩剖面中泥岩数值低 且无幅度差 3 微电极测井资料的应用 A 划分岩性及确定渗透层有无幅度差将渗透层和非渗透层区分开 根据幅度大小和幅度差的大小地划分岩性 含油气砂岩和含水砂岩都有明显的幅度差 含水砂岩的幅度略低于含油砂岩的数值 含油性越好 这种差异越明显 如果岩层泥质含量增多 幅度值和幅度差将变小 泥岩 微电极曲线幅度低 没有幅度差或有很小的正 负不规则的幅度差 曲线呈直线状 致密砂岩或钙质砂岩 微电极曲线幅度特别高 常呈锯齿状或刺刀状 有幅度感不等的正或负的幅度差 生物灰岩 微电极幅度很高 正幅度差大 粉砂岩 幅度值较低 有较小的正幅度差 B 确定岩层界面微电极曲线的探测范围小 纵向分辨能力较强 划分薄互层组和薄夹层比较可靠 C 确定井径扩大的井段在井内如有井壁坍塌形成的大洞穴或石灰岩溶洞时 极板悬空 所测视电阻率接近钻井液电阻率值 这就是井径扩大了 D 可以确定冲洗带电阻率和泥饼厚度冲洗带电阻率Rxo是一个重要的参数 将微电极曲线的数值经泥饼校正后 可以求出准确的RxO和泥饼厚度 4 感应测井 1 感应测井原理 感应测井是利用电磁感应原理研究地层电阻率的一种测井方法 岩石的电导率是电阻率的倒数 电导率是衡量导电能力大小的物理量 岩石电阻率越大 导电能力越差 电导率越小 反之亦然 2 感应测井资料的应用 确定岩性 视电阻率曲线上幅度大的岩层 如油层 气层 致密砂岩层等 在感应曲线上恰恰是低幅度值 而低电阻率层 如泥岩层反而是高幅度值 判断油水层 划分油水界面 感应测井曲线对地层电导率反映极为灵敏 水层电导率明显高于油层 在油水界面附近 由于电阻率急剧变化 电导率同样表现出急剧变化 在感应曲线上表现是明显的 二 岩性孔隙度测井方法 1 密度测井2 中子测井3 声波测井 1 密度测井 密度测井是一种划分岩性 测量孔隙度较为有效的测井方法 密度测井仪由贴在井壁滑板上的伽马放射源 向地层发射出中等能量的伽马射线 在与地层的电子碰撞时 发生康普顿散射 采用与放射源固定距离的探测器记录散射的伽马射线 密度测井仪的读数主要取决于地层的电子密度 因电子密度与真实体积密度有线性关系 所以密度测井可以直接测量地层的体积密度 进而计算出地层孔隙度 2 中子测井 中子测井使用 中子源 发射一定能量的中子流 中子穿过泥浆进入地层 其能量逐渐衰减 最后减速为热中子 岩石对中子减速能力 主要取决于岩石中氢的含量 热中子被岩石的原子核俘获 便放出伽马射线 岩石对中子俘获能力主要取决岩层中氯的含量 选择不同的探测器 记录俘获的热中子的方法叫做中子 中子测井 记录俘获后放出的次生伽马射线的方法叫做中子伽马测井 中子测井是一种划分岩石成分与测量地层孔隙度的有效方法 中子测井资料主要用来确定地层的孔隙度 也可用来划分岩性及含气层 当地层水矿化度很高时 油层的测井读数高于水层 当地层孔隙中流体以含氢为主时 中子测井读数和孔隙中流体体积相对应 即中子测井读数等于孔隙度 补偿中子和中子伽马测井 基本原理中子源 快中子 地层介质 热中子补偿中子测井 测量地层对中子的减速能力 测量结果主要反映地层的含氢量 中子伽马测井 测量热中子被俘获而放出中子伽马射线的强度 两者均属于孔隙度测井系列 补偿中子和中子伽马测井的应用 1 确定储集层孔隙度 2 划分岩性 3 判断气层 4 套管井中子伽马推移测井寻找气层 中子伽马推移测井气层识别图 20 21 22 20 22合试日产油60 9吨 气43130方 Rt 7 9 6 2 m Ac 380 325 s mNG1 0 89 0 82 NG2 1 11 1 02 中子伽马推移法 安66井 3 声波测井 声波测井是记录单位距离声波传播的时间 即纵波速度的倒数 单位为 s m 声波测井仪的声系部分使用两个发生器交替发出声脉冲 而在相应的两对接受器中交替测量声波时差 由地面仪器加以平均 输出一条声波时差曲线 在沉积岩中 声波时差主要与岩石骨架 孔隙分布及孔隙中的流体性质有关 因此 根据怀利公式可以求得被压实砂岩地层的声波孔隙度 声波在水中传播速度 在石油中传播速度 在天然气中传播速度 利用声波时差曲线可划分气层 地层界面和裂缝带 三 确定泥质含量的测井方法 泥质是一种复杂的混合物 它由各种粘土矿物 高岭石 伊利石 蒙脱石 和细粉砂组成 由于泥质颗粒较细 吸附大量的束缚水 对各种孔隙度测井都有影响 尤其是当泥质含量较高时 它对孔隙度测井的影响不能忽视 因此通过以下各种测井方法可确定岩石中的泥质含量 1 自然伽马测井2 自然电位测井3 自然伽马能谱测井 1 自然伽马测井 1 岩石的自然放射性因为岩石中含有天然的放射性元素 铀 钍 钾 这些元素在衰变的过程中释放出大量的a 射线 岩石具有自然放射性 我们可以在井内测量到穿透力很强的 射线 不同的岩层 放射性元素的含量和种类不同 岩石的放射性元素含量与岩石的岩性及其形成过程中的各种条件有关 三大岩类中火成岩放射性最强 其次是变质岩 最弱的是沉积岩 一般情况下 沉积岩的放射性主要取决于岩层的泥质含量 2 自然伽马测井的测量原理 3 自然伽马曲线的应用 1 划分岩性根据不同的岩性自然伽马射线强度不同可以划分岩性 在砂泥岩剖面 纯砂岩GR最低 粘土岩GR最高 泥质砂岩较低 泥质粉砂岩和砂质泥岩较高 自然伽马随泥质含量的增加而升高 在碳酸盐岩地层 纯石灰岩和纯白云岩最低 泥岩和页岩最高 泥灰岩较高 泥质石灰岩 泥质白云岩界于其间 也是随泥质增加曲线数值增高 2 进行地层对比3 确定泥质含量 碳酸盐岩剖面放射性测井曲线 2 自然伽马能谱测井 它是自然伽马测井的新发展 其特点是对自然界常见的三种放射性元素量做出定量的估价 其测量提供四条曲线 即以百分数 表示的钾 K 以质量浓度 g m3 表示的铀 U 和钍 Th 含量以及总的自然伽马 GR 自然伽马能谱测井在判断粘土类型 确定其含量 研究沉积相和评价油层特性等方面都有独特的优点 地层中铀与粘土含量之间没有很好的规律性 铀不但容易被粘土所吸附 也经常与有机物和碳酸盐岩相结合 同时也是其他放射性矿物的主要成分 所以铀的存在对求解地层泥质含量是干扰 而钍和钾的含量则与地层中的泥质含量有很好的相关性 所以自然伽马能谱测井的Th和K曲线以及无铀GRs曲线能够比较精确的计算地层泥质含量 3 自然电位测井 1 井内自然电位产生的原因 图不同浓度盐水接触面上的扩散作用 氯离子的迁移率大于钠离子的迁移率 实验证明 扩散电位的大小 决定于溶液浓度的浓度差 另外还与溶液的温度和溶液所含离子的种类有关 地层被井钻穿后 钻井液滤液和地层孔隙中的地层水直接接触 由于钻井液滤液的浓度不同于地层水溶液的浓度 通常称矿化度 它们之间就产生了离子的扩散作用 假定钻井液溶液和地层水溶液所含的盐类都是氯化钠NaCl 且地层水溶液的浓度大于钻井液溶液的浓度 这样扩散作用的结果 地层水内富集正电荷 钻井液溶液内富集负电荷 图砂岩与钻井液接触面上的电荷分布 由于泥岩的结构 化学成分与砂岩不同 所以在泥岩的井壁上形成的自然电位与砂岩相比 不但数值差别很大 而且符号也相反 由于泥岩的选择吸附作用 使Na 容易通过 而Cl 被泥质表面颗粒吸附 它好像离子选择薄膜一样 因此通过泥岩所产生的扩散吸附电位又称薄膜电位 2 自然电位的曲线形状 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 将它作为自然电位的基线 这就是泥岩基线 在渗透性砂岩地层处 自然电位曲线偏离泥岩基线 在足够厚的地层中 曲线达到固定的偏转幅度 后者定为砂岩线 自然电位曲线的异常幅度就是地层中点的自然电位与基线的差值 图砂泥岩剖面SP测井曲线 图砂泥岩自然电位测井曲线实例图自然电位曲线在碳酸盐岩剖面上的显示 3 自然电位曲线的应用 1 判断岩性 确定渗透性地层在砂泥岩剖面中 以泥岩的自然电位为基线 如果砂岩地层的岩性由粗变细 泥质含量增加 表现为自然电位幅度值降低 根据自然电位曲线可以清楚的划出泥岩 砂岩 泥质砂岩 自然电位曲线异常幅度的大小 可以反映渗透性好坏 通常砂岩的渗透性与泥质含量有关 泥质含量越小 其渗透性越好 自然电位异常幅度值越大 2 计算地层水电阻率3 估计地层的泥质含量4 判断水淹层位 图用自然电位判断水淹层 四 确定裂缝性地层的测井方法 1 声波全波列测井声波全波列测井仪是一种测量整个声波波列的仪器 它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他波成分 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新的测井方法 图裸眼井中声波全波列成分 图声波时差测井原理图 2 声波时差测井原理 在下井仪器中装有一个声波发生器和两个接收装置 相距一般为0 5m 当声波发生器发出某一频率的声波时 由于两个接收器与发生器之间的距离不同 两个接收器收到的声波时差 t相当于声波在地层内运行0 5m所需要的时间 仪器沿井筒上移可以得到 t沿井身变化曲线 不同性质的岩石其密度和结构不同 因此 声波在岩石中的传播速度也不同 据此可以根据声波的传播速度研究岩性特征 3 声波全波列测井资料的应用 1 判断岩性 岩石越致密 时差越小 岩石越疏松 孔隙度越大 时差就越大 2 区分油 气 水层 声波在水中传播速度大于大于在石油中的速度 在油中的速度大于在气层中的速度 在界面尤为明显 3 划分裂缝性渗透层 声波通过破碎带或裂缝带时 能量被大量吸收而衰减 使得声波时差急剧增大 产生周波跳跃 图声波速度测井曲线的周波跳跃实例 2 地层倾角测井 在地层倾角测井仪制成以前 要想知道地层的倾角 只有从岩芯上测量 而利用岩芯只能求得倾角而不能求得倾向 通常利用不在一条直线上的三口井的地层对比工作求得地层的倾角和倾向 地层倾角测井仪是通过测量一些参数 并且利用这些参数进行计算而得到地层的倾角和倾向的 倾斜岩层 由于构造的作用 使原来水平岩层发生倾斜与水平面有一交角 倾斜岩层的产状要素 走向 岩层延伸的方向 岩层层面与任意水平面的交线为走向线 走向线所指方向为走向 走向有两个 两值相差180 倾向 倾斜线与其水平投影线的夹角 倾角 岩层层面倾斜的方向 倾向只能有一个 图5 26地层倾角测井仪示意图 仪器外貌 测量原理图 地层倾角测井 图5 28断层的矢量图显示 地层倾角测井 五 工程测井方法 1 声波幅度测井 又称水泥胶结测井 CBL 声波在介质中传播时 其能量被逐渐吸收 声波幅度逐渐衰减 在声波频率一定的情况下 声波幅度衰减和介质的密度 弹性等因素有关 声波幅度测井就是通过测量声波幅度的