中国石油大学(北京)测井原理3

1、 9/9中国石油大学(北京)测井原理3 一、电法测井 1阵列感应测井原理和主要特征。阵列感应测井与常规感应测井的优点。答：阵列感应测井仪AIT (Array Induction Imager Tool)，是基于20世纪40年代道尔(HDOLL)提出的感应测井几何因子理论发展起来的。阵列感应测井的最基本原理与普通感应测井原理类似，利用交流电的互感原理，使得在发射线圈中的交流电流在接收线圈中感应出电动势。由于发射线圈和接收线圈都在井内，发射线圈的交流电流必然在井周围地层中感应出涡流，而这个涡流对接收线圈的感应电动势发生影响。因此这个电动势与涡流强度有关，即与地层的地层电导率有关。阵列感应测井通常由

2、一个发射线圈T 和n 对不同电极距的接收线圈S j -R j 组成，S j （补偿线圈）和R j （接收线圈）串联在一起并反向缠绕。比传统感应测井测量信息多、侵入反映明显、分辨率高、探测深度深、地层电阻率测量准确以及分辨油气水明显等优点，可进行电阻率的井下三维成像。在油气勘探开发中具有良好的应用前景。 2深中浅测井怎么组合，什么情况下用什么样组合方式，即应用条件？答：1）双侧向-微球形聚焦测井组合主要用于水基钻井液、低侵和高阻地层的井中：深侧向测井视电阻率R LLd 主要反映地层电阻率变化；浅侧向测井视电阻率R LLs 主要反映侵入带电阻率变 化；微球形聚焦测井视电阻率R MSFL 主要反映冲

3、洗带电阻率变化。通过三条曲线幅度的相对变化，可以快速判断油、气、水层。(针对井液是否导电)2）双感应八侧向测井组合主要用于油基泥浆，高侵低阻的地层：深感应测原地层，中感应层侵入带，八侧向测冲洗带。 3阿尔奇公式的物理意义、并说明测井基础研究的基本问题和作用答:形式：0m W F R R a ?=，()01n n t w h I R R b S b S =-，相乘可得到m n t w w R R ab S ?=：因此，()1n m w w t S abR R ?=。地层因素F 是100%饱和地层水的岩石电阻率0R 与所含地层水电阻率W R 的比值，其大小主要取决于地层孔隙度，且与岩石性质、胶结情

4、况和孔隙结构等有关，但与地层水电阻率W R 无关。电阻增大系数I 是含油气岩石真电阻率t R 与该岩石100%饱含地层水时的电阻率0R 的比值，其大小基本决定于W S （或o S ），但与地层的孔隙度和地层水电阻率无关。由阿尔奇公式可见，测井基础研究的基本问题是探测对象的物理性质及变化规律，其作用是引导测井方法和测井系列的发展，提供测井资料解释模型。 4电磁波传播测井的特点、原理和应用答：电磁波传播测井是利用电磁波传播理论，测量电磁波在井眼地层中的传播时间和信号衰减，确定地层的介电常数的一种测井方法。电磁波传播用麦克斯韦方程来描述。测量电磁波通过单位长度的传播时间tpe 和单位长度信号衰减率A

5、。由于水的介电常数比石油及其它一些岩石矿物的介电常数都高出一个数量级，且矿化度的影响可以忽略（不随含盐量变化），因此用介电常数可以有效的区分油水层，计算含水饱和度。5对比侧向测井和感应测井原理、应用条件 答：侧向测井主要针对水基泥浆钻井条件下测量地层电阻率的需要，采用直流信号和屏蔽方法，激发直流电磁场，克服钻井内介质导电的影响，接受地层媒质的电场信号，测量地层电阻率。感应测井主要针对油基泥浆或空气钻井条件下测量地层电导率的需要，采用交流信号和聚焦方法，激发交变电磁场，克服钻井内介质不导电的限制，接受地层媒质感生的二次磁场信号，测量地层电导率。 对比分析感应测井和侧向测井可见，测井方法研究的基本

6、问题是根据探测对象的物理性质参数和测量环境，研究相应的物理场性质及变化规律，设计合适的测量方法。 6微电阻率扫描测井原理及应用 答：以FMI 为例，仪器主要由传输部分、控制部分、绝缘短节、采集线路、测斜仪、四个极板和液压装置部分组成。FMI 有四个臂，每个臂上有一个主板和一个翼板（可以折叠），每个主板和翼板上各装有24个钮扣电极阵列，可获得0.2m 的分辨率。FMI 测量时，八个极板全部紧贴井壁，由地面装置控制推靠器极板体发射一交变电流，电流通过井内泥浆柱和地层构成的回路而回到仪器上部的电路电极。推靠器、极板体金属连接形成等电位，使处于极板中部的阵列电流能垂直于极板外表面（即井壁）进入地层。测

7、量阵列电扣上的电流强度，经适当处理可刻度为彩色或灰色等图象，反映地层微电阻率的变化。应用范围包括：1）裂缝识别和评价；2）进行高角度薄层评价；3）地层沉积环境分析；4）地层层内结构分析和地质构造解释；5）帮助岩心定位和描述。 7简述影响地下岩层电阻率和介电常数的主要因素。地层电阻率的大小取决于下列因素：1）岩石孔隙内地层水的电阻率；2）岩石孔隙构造的几何形态；3）岩石的含水（油气）饱和度（Sw）。4）泥质含量和成分。 地层介电常数的大小取决于下列因素：1）岩石孔隙构造的几何形态；2）岩石的含油气（水）饱和度（Sw）；3）泥质含量和成分。 8成像测井原理（参数=数据） 答：成像测量的实质是运用一

8、个物理可实现系统来完成对被测物场某种特性分布的Radon 变换和逆变换。Radon 变换体现为对物场不同方向的投影测量，反映的是投影方向上某种物场特性分布参数对投影数据的作用变化规律；Radon 逆变换则是运用投影数据确定该物场特性分布参数的过程。 Radon 公式奠定了成像测量理论和计算的数学基础，在实际应用中尚需解决一些具体问题。Radon 逆变换公式是对所有方向射线进行积分，而在成像测量中，只能获取有限条射线上函数的积分估计值。因此必须解决数据的离散或有限等问题，一方面需要有正确而合理的投影测量采集足够的物场特性数据，另一方面需要有可靠而实用的计算方法由测量数据快速确定物场特性的分布参数

9、。 9试分析地层水和泥浆含盐浓度比Cw/Cmf、泥质含量、温度、地层电阻率、地层厚度、井径、侵入等因素对自然电位的影响。答：1）当Cw Cmf 时，渗透性层段SP 负异常；当Cw i 才存在第二临界角（ts =90o ）()12s i n c f s v v -=)。当i =ts 时，发生横波临界折射；而当V s f 2c 。要想激发偶极子波、四极子波，声源的频率要大于 f 2c 和f 4c 。四极子波的幅度比偶极子波的幅度要小100多倍。井径越大，截止频 率越低，反之亦然。3)只有在截止频率附近，多极子波的速度才等于地层横波的波速。4)多极子波激发的声场可大大压抑滑行纵波，几乎使多极子波成为

10、首波，其后有斯通利波。5)多极子波具有明显的偏振特性，因而通常称为弯曲波。这种测井仪器的最大优点是它能够在任意地层测量地层的横波波速。 20.图示说明单发双收声波测井仪测量地层的中点与仪器记录点（两个接收探头的中点）的不一致现象。如果井壁到探头的距离 是0.3米，岩层的第一临界角是620，试计算仪器记录点与测量地层的中点之间的距离。（15分）(03,06) 答案：单发双收声波测井仪声系示意图如下，其中T为发射探头，R1和R2为接收探头；a为仪器的记 录点，b为测量地层的中点。由图可见，a和b是不重合的。当井壁到探头的距离是0.3米，岩层的第 一临界角是620时，测量地层的中点b与仪器记录点a之

11、间的误差ab为:ab=0.3*tg62o=0.56(m) 21.在下图中，横坐标为孔隙度（%），纵坐标为声波时差（）。图中的三条线是声波测井 中常用的M.krief、Wyllie和Raymer孔隙度与声波时差的关系曲线。请指出哪一条曲线表示 Wyllie时间平均公式，为什么？ 答：曲线表示Wyllie时间平均公式。因为Wyllie时间平均公式是声波时差与孔隙度的 单调、线性关系式。而M.krief和Raymer公式是声波时差与孔隙度的非线性公式。因此，曲线 表示Wyllie时间平均公式。 22.试分析声波在传播过程中幅度变化的原因。 声波在岩石中传播时，其幅度随着远离声源而不断减小。声幅衰减的

12、原因有三种：1）声波在传播过程中能量的分散。声波测井仪声源发射的声波，看似成球面波，随传播距离增加，声幅衰减。2）介质对声波能量的吸收。声波在介质中传播是依靠介质的振动来维持，质点振动时要克服与周围介质的摩擦力而消耗能量，并将声能转换成介质的热能，因此声波在传播过程中能量逐渐减小，直至最后消失，停止传播。岩石的声速与密度越小，对声波的吸收越多，声幅衰减越严重；声波频率越高，声幅的衰减也越大。3）声波在介质分界面的传播。以反射和折射为主。在界面多的时候，声波衰减大，因此在裂缝地层声幅衰减很大。 23.在充液井眼中，井壁上的声学边界条件是什么？ 在充液井眼中，井壁上的声学边界条件是：法向位移连续、

13、法向应力连续和切向应力为零。 24.简述瑞利波的性质。 答：瑞利波是存在于具有自由表面的固体表面波。它是沿着表面传播、沿固体介质深度方向的幅度逐渐减小的一种波。声表面波不频散，其传播速度约等于横波速度的0.9倍。声表面波可以看成是沿着固体表面作逆进椭圆偏振的声波。它是一种非均匀波。 25.试叙述声波测井的应用。 划分地层由于不同地层具有不同的声波传播速度，所以声波时差曲线可应用于划分地层。致密石灰岩、白云岩声速最高，时差最低，孔隙发育的石灰岩和白云岩，声速相对降低，时差增加。砂岩声速一般较低，时差较大，泥岩声速更低，在时差曲线上，时差很大，对钙质富集层，其普遍特点是声波时差小。 计算岩石孔隙度

14、岩石密度是控制地层声波速度的重要因素，而严实密度又和地层孔隙度有密切关系，因此声波速度可以较好地反映地层孔隙度。 判断气层、确定油气水接触面水、油、气的声速不同，由于水的声速大于油的声速。而油的声速又大于气的声速，特别是气的声速和油水的声速有很大差别，因此在高孔隙度和泥浆侵入不深的条件下，声波测井能够比较好的确定疏松砂岩的气层。 三、放射性测井 26.碳氧比能谱测井（C/O）是目前在套管井中测量剩余油饱和度最重要的测井方法，试回答以下问题：（10分） 1）简述碳氧比能谱测井的核物理基础。 答：碳氧比能谱测井利用高能中子（En14MeV）与地层核素的非弹性碰撞，发生（n，n）反应，放出特征能量和

15、数量的伽马射线。记录和分析特征伽马能谱（如氧为6.13MeV，碳为4.44MeV）即可确定地层中各元素的相对含量。C/O测井采用12C和16O作为指示元素，并利用油含碳（HC）水含氧（H 2O）的特点，可以很好的区分油水层和计算含油饱和度。 2）传统C/O测井仪有哪些主要不足？新型C/O测井仪在方法上有哪些改进？答：由碳氧比测井方法理论可知，当地层孔隙度较低（如小于15）时，由于岩石中流体的指示元素的相对含量小造成测量误差很大，且受井眼条件的影响明显。新型碳氧比测井方法的改进主要体现在：采用两个或更多的探测器，可以补偿井眼影响和增加探测灵敏度；采用高性能探测器元件（如BGO晶体，HpGe 晶体

16、），提高探测效率和增强能量分辨率；采用先进的激励、测量控制时序，提高能谱数据的信噪比等。 3）C/O测井中，有哪些非（n，n）反应对测井产生干扰？如何消除？答：在碳氧比测井中，除（n，n）反应外，还会 产生（n，n）、（n，P）、（n，）和（n，）等核反应。由于（n，n）反应主要发生在中子发射后的10-8-10-6s左右，因此只要 使中子脉冲宽度小于快中子在地层中的衰减时间（10s左右）并在此时间内测量非弹性散射伽马能谱（由于含有背景伽马辐射，有时也称为伽马总谱），即可在很大程度上避免受俘获伽马射线（俘获伽马射线测量是中子寿命测井的物理基础）、活化伽马射线以及自然伽马射线等的干扰。 4）C/O

17、测井仪主要由哪几部分组成？简述各部分的作用。答：C/O测井仪主要由以下几部分组成。（1）中子发生器（包括超高压电源）：按照控制命令向地层发射高能脉冲中子；（2）伽马探测器（NaI晶体PMT）：探测地层的非弹性散射伽马射线；（3）高压电源：为PMT提供阳极高压，该电压通常由MPU 控制；（4）脉冲放大器：放大伽马脉冲信号至能够被PHA 数据采集的电平；（5）PHA 电路：由脉冲鉴别、峰值保持、ADC、FIFO存储器和控制逻辑等组成，进行脉冲幅度到能谱数据的转换；（6）MPU及控制电路：井下仪器系统的数字控制；（7）数据传输接口电路：完成能谱数据的发送和对地面系统控制命令的接收等。 （5）C/O

18、测井的数据处理方法有哪几种？各自的特点是什么 答:a）伽马能窗法。选择指示元素的特征伽马能区来表示元素的浓度，如碳窗选在3.174.64MeV，氧窗选在4.866.34MeV。伽马能窗法数据处理简单，宽的能窗对仪器的稳谱性能要求较低，且由于总计数较高使统计涨落误差相对较小。 b）逆矩阵法。用逆矩阵法解析非弹性散射伽马能谱须对仪器的响应进行16O、12C、28Si 和24Ca 等指示元素标定，并根据微观反射截面函数联立求解，可得到各指示元素非弹性散射伽马的相对产额。然后，可对实际未知的非弹性散射伽马能谱进行求解。用逆矩阵法求解的特点是对元素含量的相对变化有较高的灵敏度。 27.放射性元素衰变常数

19、与衰变期的关系。 衰变常数：表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率。半衰期T 1/2：放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的时间。对于递次衰变系列，不管各子体的衰变常数如何，只有半衰期最长者支配整个衰变系列的衰变。也即在足够长的时间后，整个系列只剩下半衰期最长者及其后面的子体，且都按最长的衰变常数衰变。 28.砂岩骨架为石英，其分子式为SiO 2，已知O 的原子序数（核电荷数）为8；Si 的原子序数为14。(10分) 试求氧和硅元素的光电吸收指数Pe；由此求化合物SiO 2的光电吸收指数Pe；化合物SiO 2的等效电荷数Z eq 是多少。 解:由Pe 定义： P e O ()().=81004

20、47836(b/e)P e S i ()().b/e)由化合物Pe 求法：Pe l Z l Z i i i i =-1036 46.P e S iO ()()236464610142814281806=+?+?=-(b/e)由Z eq 定义：Z l Z l Z eq i i i i =()./.46 136可得SiO 2的等效电荷数：Z eq =+?+?=()./.14281428 117842464613629.已知N =0.08，Sand ma =2.653/cm g ，Limestone ma =2.713/cm g ,f =1.03/cm g ,求。（10分）

21、(03)答案：该地层的()0.08(1.0 2.71) 2.71 2.5732Limestone Limestone b N f ma ma ?=-+=-+=(灰岩中中子孔隙度为零) ()()()()2.65 2.5732 2.651 4.66% Sand Sand ma b ma f ?=-=-= 30.图示并说明含有天然气纯石灰岩的快中子挖掘效应。（10分）(03) 答案：如下图所示的两块岩石均为纯石灰岩，体积均为一立方厘米。设左边的岩块岩石骨架占的体 积为V1+V2，而淡水占的体积为V3。因岩石骨架中不含氢，所以这块岩石的含氢指数为H=V3。又设右 边的岩块V2被天然气充填，为了方便先设

22、天然气的含氢指数H g =0，其它条件与左边的岩块相同；这样， 两块岩石的含氢指数相同，都等于V3。但用超热中子法分别测定它们的孔隙度，对左边的岩石有N =H=V3；而对右边岩石却有N H g =V3。这就是说，在右边的岩块中，由于有V2体积的岩石骨架被“挖空”，而使得测出的孔隙度比实际的含氢 指数还要小，这种现象称为“挖掘效应”。这种现象的产生，是因为超热中子测井并不直接测定岩石的含氢指数，而是测定地层的中子减速长度。尽管两块岩石的含氢指数相同，但是由于右边那块岩石的快中子减速长度较大，所以出现挖掘效应。 31.说明伽马射线和物质作用的过程和机制。（10分）(06) 答：由于伽马射线能量不同

23、,与物质的作用不同,一般有光电效应,康普顿效应和电子对效应。1)光电效应：当伽马射线能量较小时(能量大约在0.01MeV0.1MeV)，它与原子中的电子碰撞，将全部能量传给一个电子，使电子脱离原子而运动，而伽马光子本身被完全吸收。2）康普顿效应：当伽马射线能量中等时，它与原子的外层电子发生作用,把一部分能量传给电子,使该电子从某一方向射出,而损失了部分能量的伽马射线向另一方向散射出去。这种效应称为康普顿效应，发生散射的伽马射线称为散射伽马射线。3）电子对效应：当伽马射线能量大于1.022MEV 时，它与物质的原子核发生作用,伽马射线转化为一对电子(正负电子)，而伽马光子本身被全部吸收。这种效应

24、称为电子对效应。 32.在井下高温环境中，最常用的伽马探测器由什么元件组成？对137Cs 伽马射线的能量分辨率可达多少？耐温指标可达多少？试 列出其它几种伽马探测器并简述其特点，在测井应用中有哪些限制。（10分）(06)最常用的伽马探测器由NaI（Tl）闪烁晶体和光电倍增管（PMT）组成，对137Cs的能量分辨率可达7，耐温可达150200。 常见的现代伽马探测器有BGO（Bi 4Ge 3O 12）、和高纯锗半导体探测器（HpGe）等。（写出其中的2种即算答对） BGO有较高的探测效率，不潮解，缺点是能量分辨率较低，不耐高温，如加保温瓶可用于测井。HpGe具有极好的能量分辨率，缺点是价格昂贵，

25、必须在超低温（液态氮）环境下工作，并且探测效率较低，因此限制了在测井中的应用。 33.岩性密度测井是当前勘探测井中重要的核测井方法，试回答以下问题：（10分）(06，07) （1）岩性密度测井采用什么核素作为伽马放射源？主要是基于什么考虑？ 答：岩性密度测井采用137Cs作为伽马放射源，光子能量为662keV。能量适中使康普顿散射截面较大且不产生电子对效应，源的半衰期较长，适合于测井密度应用。 （2）简述地层（真）密度b 、电子密度指数e 和视（石灰岩）密度a 的概念和相互关系。 答：体积密度也称为岩石密度b ，为单位体积岩石的质量（g/cm 3），对于不含水的纯岩石骨架密度为岩石的真实密度m

26、a 。伽马 射线与地层作用后产生的散射伽马射线特征反映的是地层的电子密度，为计算方便，定义电子密度指数e ，e 2n e /N A ，式中n e 为电子密度（电子数/cm 3），N A 为阿佛伽德罗常数。对于单元素物质e （2Z/A）b ，其中Z 为原子序数，A 为原子量。 为确定多元素组成的不同岩石的密度必须以某种标准岩性刻度仪器的响应。在经标准岩石（石灰岩）井中刻度后，仪器的测量值称为视（石灰岩）密度a 。在砂岩中b a ，在白云岩中b a 。对于饱含水的石灰岩有b ma （ma f ）*2.71-1.71 ，式中f 为流体密度，为孔隙度（100）。 （3）通过密度测井方法演变（改进）说明

27、岩性密度测井利用了哪几种核反应类型？ 答：早期的密度测井利用康普顿散射测量地层的电子密度，通过双探测器的补偿作用可求得体积密度，仪器在石灰岩标准井中刻度成视体积密度。现代岩性密度测井方法利用康普顿散射和光电效应测量地层密度和岩性。岩性密度测井中的关键技术是进行伽马能谱测量，而传统的密度测井仅对高于门槛电平的脉冲计数，因此岩性密度测井具有高的多的测量精度。 （4）简述岩石的（质量）光电吸收截面Pe与体积光电吸收截面U的概念和相互关系并作典型的Pe区不同U值时的伽马能谱示意图。 答：岩石中一个电子的平均光电吸收截面称为光电吸收截面指数Pe，Pef /n e =kZ 3.6，式中f 为 岩石的宏观光

28、电吸收截面，n e 为电子密度，k 为系数，Z 为原子序数。由于Pe 不便在体积模型中使 用，引入体积光电吸收截面指数U，设U2f /N A ，则有Ue Peb Pe，式中N A 为阿佛伽德罗常 数。U 对岩性非常敏感，如：石英为4.8，方解石为13.7，白云岩为9。对于复杂岩石成分，有 =i UiVi U ，式中Ui 为第i 种物质的体积光电吸收截面，Vi 为第i 种物质的相对体积含量。 34.自然伽马能谱测井是重要的核测井方法之一，试回答以下问题。（本题10分，每问5分）（06，07） （1）自然伽马能谱测井仪主要由哪几部分组成？简述各部分的作用。仪器一般采用什么方法稳谱？ 答：自然伽马能

29、谱测井仪一般采用40K核素作为能道指使，并由地面系统发送命令码通过调节井下PMT高压增益稳谱。 （2）常用的自然伽马能谱测井解谱处理方法有哪几种？试说明其中一种的设计思想。 答：常用的自然伽马能谱测井解谱处理方法有剥谱法（逐次差引解析法）、逆矩阵法和最小二乘法等。（以下对设计思想的论述只回答一种即可） 剥谱法以混合谱的线性叠加原理为基础。按照各核素成分特征伽马射线的全能峰能量顺序，m种核素取m个全能峰，并假设这些峰不受伽马射线能量较之为低的核素影响，对混合核素伽马能谱的多个特征峰窗从最高峰区逐次差引求解，再跟据与标准源刻度峰区的计数比较，最后得到各核素的含量。 逆矩阵法通过对混合核素伽马谱的代

30、数解析获得各核素的含量。设m种核素的待求含量（x i ）m1X ， 并测得m个特征峰窗口计数（c i ）m1C ，通过对一系列标准刻度获得系数矩阵（a ij ）mm A ，则有线性方程组A ?X C ，由X A -1?C 求解得到各核素的含量。 最小二乘法：为提高总计数减少统计涨落误差，可利用低能谱区计数，这时伽马能窗个数k多于核素种数m。设m种核素的待求含量 （x i ）m1X ，并测得m个特征峰窗口计数（c i ）m1C ，通过刻度可得到系数矩阵（a ij ）km A 和转秩矩阵（a ij ）mk A T ，利用加权最小 二乘法计算出权重因子矩阵（w ij ）kk W （为对角矩阵），则可得到各核素含量X A T ?W ?A -1A T ?W ?C 。 （3）地层岩石的自然伽马射线主要由哪些核素产生？其典型的射线能量是多少？ 答：地层岩石的自然伽马射线主要由40K、238U和232Th产生。其中40K产生1.46MeV的单能伽马射线，238U系采用214Bi的1.76MeV作为特征能量，232Th系采用208Tl的2.62MeV作为特征能量。 （4）自然伽马能谱测井成果的地质应用有哪些？（写出其中的4项即算答对）