应用地球物理4钻井地球物理勘探.doc

应用地球物理4：钻井地球物理勘探教学大纲课程编号：0801223022课程名称：应用地球物理4：钻井地球物理勘探课程英文名称：Applied geophysics 4: Geophysical Cuell togging总学时：64学分：3.5开课单位：地球探测科技学院，地球物理系授课对象：地球探测科技学院，勘查技术与工程专业本科生前置课程：普通物理一、教学目的与要求应用地球物理4：钻井地球物理勘探是应用地球物理系列课程之一，是勘查技术与工程专业的学科基础课程，本教学大纲适用于勘查技术与工程专业的本科教学。通过本课程教学，使学生掌握电测井、声测井、核测井及研究油井的其它测井方法的基本原理，了解与测井资料解释与处理与测井数据采集有关的基础知识和基本概念，为进一步学习测井资料解释与数据处理、测井数据采集原理与技术课程打下基础。通过对本课程的学习，学生应掌握各种主要测井方法的工作原理，了解如何根据地质与工程问题选择测井系列的能力。二、教学内容应用地球物理钻井地球物理勘探绪论钻井地球物理勘探在钻孔中进行的各种地球物理勘探方法的总称。又称为：地球物理测井、矿场地球物理、油矿地球物理。简称为“测井”。1石油勘探与开发过程的几个阶段（测井在其中的位置）；1）地质调查查明含油气盆地、提出含油气远景区；2）物探帮助查明盆地状况，通过详查找出有利储油的构造；3）钻探了解地质分层，寻找出油气层；4）测井划分渗透性地层，判别渗透层含油气情况；5）试油与采油为了解油井动态变化及研究井的技术状况，还须进行测井。测井是贯穿在整个石油勘探与开发过程中的一个不可缺少的环节。2有关“井”的几个概念1）钻井又称钻孔，井孔，井眼2）泥浆用于将钻井过程中产生的岩屑排出地面；保持对地层产生适当压力，防止发生井喷。3）裸眼井与套管井3测井发展简只（从评价油气层的角度来看）第一阶段：测井始于1927年，法国；我国1939年在四川首次测井。仅有普通电阻率法及自然电位法两种测井，只能测量视参数，定性估计储层情况。第二阶段：研究出一套根据视参数确定岩层电性参数的解释方法横向测井；1942年Archie提出了研究电阻率、饱和度、孔隙度之间关系的Archie公式。上述进展使储层评价进入半定量阶段。（介绍孔隙度、饱和度、渗透率概念）。第三阶段：50年代中后期开始，出现一批新型测井方法，使储层评价进入定量阶段。新出现的测井方法：感应测井、侧向测井、微侧向测井；声波测井；密度测井与中子测井等。第四阶段：60年代以后，计算机技术引入测井；对各种的理参数与储量参数和参数之间的关系有了进一步的认识；解释模型更接近实际地层；综合解释方法成为求解岩石成分及储量参数、饱和参数的主要方法。4测井可解决的油气勘探开发问题1）划分钻孔的岩性剖面，找出含油气储杂层，确定油气层的埋深及厚度；2）定量或半定量估计岩层的储杂性能（孔隙度、渗秀率）；3）确定岩层的含油气性质（含油气饱和度及油气的可动性）；4）研究岩层产状，进行剖面对比，研究岩性变化及构造；5）在油田开发过程中，研究油层动态情况（油水分布的变化情况）；6）研究钻孔的技术状况（井径、井斜、井温、固井质量）；7）研究地层压力、岩石强度等问题。5常用石油测井方法1）以岩石导电性为基础的一组方法；普通电极系电阻率法测井；微电极系测井；侧向测井及微侧向测井；感应测井、阵列感应测井、介电测井；微电阻率扫描成像测井。2）以岩石电化学性质为基础的一组方法；自然电位法人工电位法3）以岩石弹性为基础的一组测井方法声波速度测井；声波幅度测井；声波电视测井；声波井壁成像测井；4）以物质的原子物理和核物理性质为基础的一组侧井方法；自然伽马测井；密度测井及岩性密度测井；中子测井；中子寿命测井；中子活化测井；能谱测井；同位素示躁测井核磁测井。5）其它测井方法热测井气测井地层倾角测井检查井内技术状况的测井（井径、井斜）6测井仪器发展概况1）半自动模拟记录仪器2）全自动模型记录仪器3）数字记录仪器4）数控测井仪器5）成像测井仪器现代测井仪器及测井技术发展特征方法系列化；仪器综合化；记录数字化；损伤程控化；解释自动化。本课程学习要点：本课程是地球物理勘探的一个独立分支，与其它物探方法相比，物理原理基本一致，差别在于所用仪器的传感器可直接靠近地层，因此表层（或中间层）的影响远小于地面的探方法；有些测井方法，地面无法使用；测井不仅可在单井中进行而且可在井间进行。学习本课程时应充分注意测井的特殊性。本课程各章讲述重点：1各种测井方法的基本原理；2各种测井方法的影响因素；3各种测井方法的主要用途；4各种测井方法中的基本概念。第一章普通电阻率测井电阻率法测井根据岩石导电能力的差异，在钻孔中研究岩层性质和区分它们的一套测井方法。它包括普通电极系电阻率法测井，微电极系测井，侧向测井，感应测井等方法。普通电阻率法测井使用普通电极系的电阻率法测井。电阻率法测井的物理依据石油和水的电阻率相差很大，同样的储杂层，含油时比含水时电阻率要高。11电阻率法测井的基本知识1岩石电阻率电阻率的概念：导线电阻用r = RL/S式表示，式中系数R与物质的材料有关，称为电阻率。单位为m。岩石电阻率的影响因素：矿物成份、孔隙度、孔隙流体的性质、温度等。储杂层岩石导电性（电导率）可用下式表示：Ct = ACw + BCm式中Cw孔隙中流体的电导率；Cm粘土表面导电性造成的附加电层率；A, B系数。不含粘土的砂岩层，电阻率可表示为：Rt = ARw式中，A= 1/A 与岩石孔隙结构、孔隙大小是否含油气有关，可将上式改写为：Rt = FIRw式中F与孔隙结构、孔隙大小有关的系数，称为“地层因素”。F可写成：F = a /m式中为孔隙度，a和m与岩性及胶结程度有关的系数。I称为电阻率指数或电阻增大率，与岩石含油气有关。I与岩石中含油气饱和度有关式中Sw、S0分别为含水饱和度和含油饱和度，n为系数。孔隙流体的电阻率为Rw，它与含盐多少、盐的类型及温度有关。2电阻率测井现场的一般情况电阻率法测井，首先是研究在一定供电电流的情况下电场分布的问题，然后再根据电场与电阻率的关系确定出岩层电阻率，并划分出不同电阻率的地层。3描写电场分布的基本方程和边界条件极定电流场基本方程为拉普拉斯方程：2V = 0根据测井具体情况，解方程的边界条件有4项：在接近点电源的点上，电位V的表示式与在单一介质中的情况相同；在无限远点（r），V0；在两种介质的界面上，V是连续的，即V1 = V2；电流穿过介质界面时，电流密度结向分量连续。根据基本方程和边界条件，可计算出在一定介质分布情况下，电场的分布（这就是地球物理正演问题）。4均匀无限各向同性介质中电场的分布在均匀无限各向同性介质中，稳定电流场分布的基本公式：测井时，利用距供电电极A一定距离的测量电极M和N测量空间两点间的电位差，该电位差为：解上式得：式中：，称为电极系系数5泥浆侵入带产生原因泥浆柱静压力大于地层压力冲洗带侵入带结构：泥饼过渡带（环带）侵入带原状地层分类：增阻泥浆侵入：减阻泥浆侵入。6视电阻率在非均匀介质中，利用电极系按Ra = KVMN / I式测得的Ra，并不是真电阻率，而是电极系周围介质综合影响的结果。7电极系成对与不成对电极1）电位电极系2）梯度电极系顶部梯度电极系、度部梯度电极系12视电阻率理论曲线形状1电位电极系特征：曲线对着地层中心是对称的；当时，对着地层中心的Ra值接近地层其电阻率R。2梯度电极系地层很厚时，对着地层中间一段的视电阻率13视电阻率测井曲线的应用1钻井地质剖面的划分标准测井2估计岩层真电阻率横向测井14微电极系电阻率法测井1微电极系测井的基本概念计算公式仍为2微电极系测井曲线的应用1）划分渗透性地层正幅度差微电位的视电阻率大于微梯度的视电阻率2）确定地层有效厚度，划分钻井剖面。一、本章授课内容重点1视电阻率测井的基本知识。2微电极系测井的主要用途。二、基本概念岩石电阻率视电阻率泥浆侵入带增阻泥浆侵入减阴泥浆侵入电极系微电极系正幅度差第二章聚流电极系电阻率法测井泥浆矿化度很高、地层电阻率很高，地层很薄围岩影响很大的情况下，普通电极系电阻率法测井，由于分流作用强而无法求准地层电阻率，为解决这一类问题，发展了聚流方式的电阻率法测井，即侧向测井。21三电极侧向测井1基本原理主电极两侧的屏蔽电极通以与主电极相同极性的电流，由于屏蔽电流的作用，使主电极的电流或水平片状进入地层。按下式求视电阻率2测量原理恒流型、恒压型、既不恒流也不恒压型3影响视电阻率的因素1）电极系参数的影响电极系长度C C愈大探测深度愈大；主电极长度L0 厚层影响不大，薄层时，L0增加，则Ra将下降；电极系直径 对Ra影响不大。2）地层参数的影响层厚与围岩的影响地层愈薄，围岩影响愈大。井眼直径和泥浆影响井眼直径愈大，泥浆对电流的分流影响愈大。侵入带影响增加侵入较减阻侵入对Ra影响大。4三侧向测井曲线的解释1）划分钻井剖面，判断渗透性地层；2）确定岩层电阻率。22七电极侧向测井1基本原理较三侧向电极系增加两组监督电极测量监督电极与远电极之间的电压，按下式计算Ra2影响七侧向视电阻率的因素视电阻率值由主电流片范围内介质的电阻率所决定，主电极电流片径向深入地层的深度，取决于电极系的聚热参数g。式中为电极系长度L0，为电极距，q愈大，探测深度愈大，但q 值不能过大。3七侧向测井曲线及其解释1）曲线特点上、下围岩电阻率相同时，曲线对称；曲线拐点处的宽度比地层厚度小一个电极距，对于薄层用侧向测井不能准确划分地层界面。2）能够解决的问题划分剖面；确定岩层电阻率。23微侧向测井和邻近侧向测井用于探测井壁附近（冲洗带）地层电阻率。1基本原理微侧向：测量过程中，调节屏蔽电极A1的电流，使监督电极M1M2之间的电位差为零，测量M1（或M2）与N电极之间的电位差，按式计算视电阻率。邻近侧向：极板较微电极极板大，带有两个聚热电极，探测深度稍大于微侧向，在泥饼厚度较大时适用。2曲线解释1）划分剖面和划分渗透层。2）确定侵入带电阻率。24微球形聚热测井适用于侵入比较浅，但泥饼厚度较大的情况。测量过程中，主电流I0保持不变，电路自动调整屏蔽电流Ia，使监督电极M1，M2之间的电位差，测量M1与M2中点（O）与M0之间的电位差，则视电阻率经过M0的等位面近似与井壁相切，因此，测量实际是要消除泥饼影响小。主由流等位面呈球形，故称为微球形聚热。1本章授课内容重点1）各种侧向测井方法的基本原理及电极系结构特点；2）各种侧向测井的主要应用条件；3）从生产实际需要讲解各种侧向测井发展过程。2基本概念近似几何因子3思考问题1）为什么要发展多种类型的侧向测井方法？2）侧向测井方法中，通过什么途径来改变电极系的探测深度？第三章感应测井感应测井可在井眼不导电的情况下（如油基泥浆井，空气钻井等）测量地层的电导率。这种方法对低阻层反应灵敏，因此更适合区分低阻油、水层和油水过渡带。31感应测井的基本理论感应测井是利用交变电磁场研究岩石导电性的一种方法。发射线圈T，通以20kHz交变电流，该电流在周围介质中产生交变电磁场中。1在介质中适应出环形电流i1，同时在接收线圈R中，产生感应电动势E1。环形电流i1，在介质中亦将引起二次磁场2，1在R中引起适应由动势E2。1在R中引起的电动势为无用信号，而2在R中引起的感应电动势E2与i1有关，i1又与地层导电能力有关，因而，通过测量E2的大小，便可测量介质的导电能力。在均匀无限介质的条件下，通过求解电磁场的基本方程可得出，接收线圈中，总适应电动势的表达式：该式展开后，可简化为：上式中，虚部是无用信号，实部与成正比，是有用信号，二者相位上差90。这就是感应测井的基础。上式的得出是忽略了三次方以上的高次项的结果，是忽略了趋肤效应影响的一种近似方法。这样就可把有用信号看作是介质各部分所引起的感应由动势线性相加的结果，这种方法就是“几何因子”理论。几何因子理论要点认为发射电磁场与每个单元环电磁场之间互不发生作用（即幅度衰减和相位移动场可忽略）认为电磁波瞬间便可通过地层，（而实际地层中电磁波传播速度仅为自由空间的0.15%）。根据几何因子理论，得到的接收线圈中的有用信号为：dE2 = kgds几何因子g的物理意义：在均匀无限介质中，任意一点上截面积为一个单位的单元介质环对总信号的相对供献。32感应测井线圈系特性空间各部分介质对总的感应电动势贡献大小是由每部分介质的电导率与它的几何因子两部分因素决定的，因此，必须研究几何因子的空间分布，才能研究各部分介质对感应电动势的贡献，而几何因子的空间分布与线圈系结构有关，因而必须研究线圈系的特性。线圈系的分层能力和探测深度是考察感应测井的重要参数。对线圈系的基本要求：总的无用信号为0；径向特性：钻孔对测量结果的影响应该最小；纵向特性：上下围岩的影响要小，分层能力要强；上、下围岩电导率相同时，曲线对应地层中心应该对称。1双线圈系的纵向探测特性纵向特性沿线圈系轴向，不同距离处介质对读数的相对影响。纵向微处几何因子单位水平层的几何因子。纵向积分几何因子厚度为h的水平层的几何因子。2双线圈系的径向探测特性径向特性垂直于井轴不同距离处介质对读数影响的相对大小。径向微分几何因子将介质分或无数个以井轴为轴线的单位厚度的圆角，每个圆角的几何因子。径向积分几何因子半径为d/2无限延伸的圆柱体的几何因子。3双线圈系存在的问题：1）纵向特性地层比较薄时，围岩影响大，地层界面不明显；2）径向特性井的影响大，探测深度浅；3）无用信号远大于有用信号。4多线圈系特性采用多线圈系的目的：改善线圈系的纵向和径向探测特性；方法：增加一些线圈，使它们与原来的线圈构成新的线圈，对这些线圈对的有用信号，主要来自浅部和围岩，用这些信号去抵消主线圈对相应部分的信号，从而提高来自地层深处的信号的比例。叠加原则：复合线圈系的径向特性和纵向特性是组成该线圈系的各个简单双线圈系的径向特性和纵向特性的线性叠加。33感应测井曲线形状曲线特征：1地层界面对应于曲线的半幅度点处；2上、下围岩电导率不同时，曲线不对称，但界面仍对应于各自的半幅点处；3地层较薄时，按半幅点确定的厚度，稍大于实际厚度；4视电导（阻）率，接近于地层真电导（阻）率。34感应测井曲线的解释为定量研究地层的储量特性与含油气特性，需对感应测井测得的视电导率（a）进行一系列校正，以便求出真电导率。校正内容：井眼、传播效应、围岩、侵入带1曲线的分层与读值分层厚层，界面对应于半幅点处；薄层，（3d）自然伽马曲线对称，地层界面对应于曲线半幅度点处，射线强度（曲线幅度）可达到饱和值；薄地层（h3d）曲线对称，地层界面从半幅度点向峰值方向移动，射线强度达不到饱和值。1统计涨落的影响放射性衰变是一种符合统计规律的随机现象，因此，在相同条件下，同样时间间隔t内，进行重复测量。每次测得的值Ni都是彼此不同的，这种现象称为统计涨落。由于统计涨落现象的存在，其测量精度要用误差来估计，统计涨落具有偶然误差的性质，通常取均方根据差为标准误差。在单次测量情况下，可认为用相对误差表示在仪器中采用计数率电路的情况下，由于计数率电路中含有RC积分电路，其时间常数对误差亦有影响。此时：值大小对曲线形状影响很大，测井时需适当选取值。2计数率电路的影响为了使需要研究的最薄地层的曲线幅度达到接近地层实际平均值的要求，仪器通过地层的时间应满足t 3的要求，由此得出最高测速应为：64井的条件对自然伽马测井曲线的影响自然伽马测井有效探测深度只有20余厘米，因此井眼附近介质如泥浆、套管、水泥环等物质的影响不可忽略。这些介质的影响以吸收射线为主。利用图板进行校正。65自然伽马测井曲线的应用1判断岩性和划分渗透性地层。2确定贮煤层的泥质含量。条件：不含地层中粘土矿物的放射性强度应该是相同的；除粘土矿物之外，岩石中水含有其它放射性矿物。3地层对比利用自然伽马测井曲线进行地层对比的优点。自然伽马测井曲线读数一般情况下与岩石孔隙中的流体性质无关；自然伽马测井曲线一般与泥浆性质无关；在自然伽马测井曲线上容易找到对比用的标准层。4定位射孔时用来确定射孔枪的下进深度。66自然伽马能谱测井自然伽马测井可区分钾、钾等元素的含量。利用地层中铀、钾含量可解决下述问题：1利用自然伽马测井解决地质问题。2寻找铀和钾盐；3确定粘土含量和粘土矿物的类型。本章小结一、内容重点1自然伽马法工作原理，放射性基本知识；2自然伽马法测量原理及射线探测器；3自然伽马法的用途。二、基本概念核素同位素放射性同位素衰变、射线半衰期活度剂量克镭当量API单位刻度统计涨落时间常数三、思考问题1岩石天然放射性是什么原因造成的？为什么和泥质有密切关系？2自然伽马法探测什么参数？自然伽马能谱法探测什么参数？3射线探测器有哪几种类型？都能探测射线的哪种参数？4自然伽马曲线有什么特征？如何改善曲线形状？5什么是能谱测量？第七章密度测井密度测井是利用岩层对射线的吸收性质，研究钻井剖面上岩层密度的变化，进而研究岩层地质特点的测井方法。由于它是以研究散射射线为基础的，因而又称为散射测井或伽马伽马测井。71密度测井原理1伽马射线与物质的相互作用1）光电效应2）康普顿吴有训效应3）形成电子偶对于造岩元素（较轻的元素），当射线能量在0.2525Mev之间时，射线的吸收，几乎全部由康普顿吴有训效应所造成。2电子密度与体积密度在测井用射线源的能量范围（0.661.33Mev）内，射线与物质的作用，主要是康普顿吴有训效应，康吴效应的几率与单位体积物质中的电子数有关。对于单元素组成的物质：对于分子物质：岩孔隙充满淡水时，体积密度与电子密度指数响应方程为：由上两式可得出体积密度与电子密度之间的关系，在含淡水石灰岩中进行刻度，可得出3吸收方程经地层散射后，-射线强度I可表示为下式：此式即为射线吸收方程，式中为平均吸收系数，与密度等因素有关。72影响密度测井的因素1源距，射线源能量及强度的影响。源距的类型：负源距，此时计数率与密度成正比零源距，此时计数率与密度无关正源距，此时计数率与密度成反比测井通常采用正源距进行。2探测深度探测深度与射线初始能量及介质密度有关，一般的10cm左右。3泥饼影响和补偿密度测井1）泥饼影响泥饼及泥浆夹层的存在将使密度测井产生误差，当泥饼中含量晶石（BaSO4）时，影响更大。2）补偿密度测井仪采用长短两种源距同时进行测量，短源距测量值较长源距测量值受泥饼影响更大，用来校正泥饼影响，校正采用脊肋曲线来进行。73密度测井的应用1石油测井中的应用密度测井主要用来求取地层孔隙度和识别岩性2在火乙田勘探中的应用主要利用密度测井划分、识别火乙层。74岩性密度测井1基本原理岩性密度测井是利用光电效应的-测井。2测量原理测量散射射线低能段与高能段的能谱，高能段射线强度主要与介质密度有关，低能段受康普顿散射和光电效应双重影响。记录低能段与高能段计数的比值，可得到光电吸收截面指数e，e与岩性有关。本章小结一、内容重点1射线与物质作用的三种效应。2地层密度与散射射线强度间的关系。3源距与密度测量的关系。4泥饼影响与脊肋曲线。5如何根据密度求取地层孔隙度。6岩性密度测井的物理依据。二、基本概念脊肋曲线光电吸收指数岩石体积密度散射射线堆源距正源距负源距视源距三、思考问题1通过地层密度与散射射线强度间的关系，说明密度测井原理。2通过脊肋曲线说明泥饼和含量晶石泥饼对测量结果有什么影响，如何消除？3密度测井中，如何求取地层孔隙度？与声波测井求得的值有什么差别？二者之差代表什么意义？4岩性密度测井是怎样区分岩性的？第八章中子测井中子测井是利用中子与物质相互作用的各种效应，研究钻井剖面岩层性质的一组方法（包括中子热中子、中子超热中子、中子、中子寿命、中子活化等）。81中子测井的物理基础1核反应与人工放射性利用粒子、质子、中子轰击稳定元素，通过核反应产生放射性核素，产生的放射性核素其衰变规律与天然放射性核素相同。测井常用人工放射性核素：60Co、65Zn、131I等。测井中常用的核反应：(n,), (, n), (d , n)等。2中子与物质相互作用中子与物质作用可发生不同的反应，发生哪种反应与中子能量与物质成分有关。1）中子按能量的分级：快中子、中能中子、慢中子（超热中子、热中子）。2）中子与物质（原子核）的相互作用。非弹性散射弹性散射放射性俘获3）截面有效截面散射截面俘获截面全有效截面宏观有效截面微观有效截面4）中子吸收过程的表述参数平均对数能量缩减减速长度Lf扩散长度Ld热中子平均寿命3中子中子测井和中子伽马测井理论实质是研究中子的空间分布、时间分布与物质性质之间的关系。1）热中子的空间分布氢是最重要的减速物质，中子方的分布与介质中氢含量有密切的关系。中子中子测井与中子测井就是通过中子方的半径的变化来研究介质中含氢量的大小。2）中子射线的空间分布中子射线的空间分布，基本上取决于热中子的空间分布。82中子测井的解释与应用1中子测井的影响因素1）探测范围：与井的条件及地层中含流体性质、孔隙度大小等因系有关，在20cm60cm之间变化。2）井的影响3）侵入带影响2解释与应用1）确定孔隙度应用条件：地层中不含带结晶水的矿物，地层孔隙为油、水充满。N = Alg+B2）划分岩性剖面3）划分含气层4）划分油水界面5）定位射孔时定深用83中子测井测量原理及刻度1中子源连续式中子源（普通中子源）常用镅铍源。脉冲式中子源（中子发生器）。2中子测井测量原理热中子探测器：含硼盖革计数管闪烁计数器（晶体含硼、锂）超热中子探测器：利用含氢介质减速，再用镉过滤器去掉热中子。3补偿中子测井仪采用长、短源距组合进行测量、探测深度大，受井眼（泥饼、井径等）影响小。4中子测井刻度在石灰岩标准井中进行。本章小结一、内容重点1中子与物质的相互作用。2截面的概念。3中子中子，中子伽马测井原理。4中子测井的应用。5中子源、中子的探测、仪器刻度。二、基本概念弹性散射非弹性散射放射性俘获快中子热中子超热中子有效截面宏观有效截面平均对数能量缩减减速长度扩散长度三、思考问题1强减速物质，强吸收物质在中子测井中具有什么意义？2中子测井确定孔隙度时，要进行哪些校正？为什么？3如何探测热中子和超热中子。4同位素中子源（普通中子源）工作原理是什么？选用时要考虑哪些基本参数。5试利用中子方的分布状态，说明含氢量、含氯量变化对中子测井结果的影响。实验课教学：钻井地球物理勘探是通过地球物理方法解决钻孔中的地质与工程问题的一套测井技术方法，因此它具有很强的实践性，为培养学生的实践能力，增加学生的感性认识，本课程共安排四个实验课内容，使之与课堂理论教学互相配合，提高学生的测井知识水平。实验课内容：1实验1：水槽地层模型视电阻率测量。学时：2时间安排：第一章普通电阻率法讲完之后实验目的：1了解视电阻率测井曲线测量原理。2了解视电阻率测井仪器工作原理。3认识测井电极系