常规测井方法及其地质响应

第二章常规测井方法及其地质响应所谓常规测井方法主要是指目前在油气勘探开发中，探井测井，评价并测井、开发并测井工程中都要测量的测井方法，即所谓“九条”曲线系列——自然伽马、自然电位、井径岩性曲线，浅、中、深三电阻率曲线，声波、中子、密度三孔隙度曲线。在地层复杂的情况下再加上地层倾角、自然伽马能谱二项构成所谓的“十一条曲线”，这也是测井地质学研究所依靠的基本测井信息。这些测井方法从70年代的数字测井系列。到80年代的数控测井系列，直到90年代的成像测井系统（如5700和MAXIS—500）都保留着，也都是常测的项目。本章将简述它们的基本原理，测量信息，影响因素，所能解释的地质现象，重点不在于方法原理的数学推导，而在于其地质响应。第一节岩性、孔隙度测井系列一、自然电位测井在电阻率测井的初期，人们在钻井中就观测到了一种非人工产生的直流电位差，且可以毫伏级的精度记录下来，人们称之为自然电位。自然电位的测量很简单，即把一个测量电极放在井下，另一个放在地面，可以连续地测量出一条自然电位曲线，如果把曲线正极电位作为基准，则曲线的负峰处一般都是具有渗透性的砂岩。因此自然电位曲线可以作为划分岩性，判断储层性质的基本测井方法。1．自然电位产生的原因1）扩散电动势在纯水砂岩的井壁上产生的扩散电动势，是井壁的钻井液滤液与砂岩中地层水接触的结果。这些钻井液滤液是井内钻井液慢慢脱水产生的。钻井液滤液和地层水都主要含NaCI,假设钻井液滤液的浓度是Cwt，地层的水浓度是Cw,电阻率是Rw,—般是Cw>Crnf,RwVRnif，也就是说地层中的Nif“，CI离子都要由地层向钻井液滤液方向扩散，由于*的迁移速度比Na”快，于是在地层水内就富集正电荷，钻井液滤液中富集负电荷，形成了一个由于离子扩散而产生的电动势——扩散电动势，实验证明，纯水砂岩的扩散电动势等于：F7一二K.1。处（mV）（）H砂I\llg\111V'\““/”and式中凡——扩散电位系数，与溶液的成分和温度有关；aw和a加——分别表示地层水和钻井液滤液的电化学活度，与含盐量和化学成分有关。与纯水砂岩相邻的泥岩井壁上产生的扩散电动势，是泥岩所含的地层水与井壁钻井液滤液相接触的产物。泥岩所含的地层水其成分和浓度一般与相邻砂岩石中的水是一样的。由于泥岩的孔隙喉道极小，地层水都被束缚在泥岩的泥质颗粒表面。而泥质颗粒对C厂离于有选择性吸附的作用，CI离子都被束缚在泥质颗粒表面，不能自由移动，只有Na”可在地层水中移动。因此，在泥岩井壁上只发生Na”离子的扩散。这时形成的电动势，称为扩散吸附2.电位曲线形状的分析井内自然电流的分布如图2—2所示，它说明并内的电流强度不是均匀分布的。因为井内的自然电动势和自然电流的分布都对并轴有对称性，图上只绘了井和地层的一半。.I。—自然电位测井在井内测量的电位是自然。2－l；。l）a电流的电位降产生的。在离砂岩较远的泥岩”MHIa/上（如a点以上），自然电流甚小，几乎没\一上二甘【/有什么变化，所以大段泥岩上的自然电流曲砂岩/ 大【M 线基本是一条直线。过了a点，电流强度逐——下7一二三w“「一一不一渐增加，使井内电位逐渐降低（RwVR。帐。二D工_D\ 时），自然电位曲线缓慢偏向负的方向。在二0工】'泥岩与砂岩的接触面附近，井内电流强度最十由件除中最大白长由仿油纷刍剧偏图2—2自然电位曲线的形状和井内自然电”二二”—，7丁二厂：广二二厂厂．'－”_。_一_、角。付了地层界面.电流强度又逐步减小，

流的分布（RwVRmf）”““““”'“”'一'一““ ” 一由休眠统险极白长由计热线继续偏角.们速度减慢。若砂岩厚度较大，则在地层中部，自然电流很小，变化也很小，自然电位曲线几乎是与井轴平行的直线。在砂岩下部，自然电流又逐渐增加，但因其方向与砂岩上部相反，自然电流的电位降是使井内电位逐步增加，自然电位曲线向电位正的方向移动，其变化情况与砂岩上部类似，因此，若砂岩岩性均匀，自然电位曲线在砂岩上的异常对地层中点有对称性，异常幅度的半幅度应是地层的界面，异常幅度的大小应当等于自然电流在井内的电位降。4.自然电位曲线的应用1） 划分渗透性地层，并确定其界面明显的自然电位异常是渗透层的显著特征，自然电位曲线是划分渗透层的有效工具。一般可按半幅点确定渗透层的界面，但由于影响因素较多，用半幅点确定界面不是很难。实际工作中，常是以自然电位和微电极曲线的显示划分出渗透层，而以微电极和短电极的视电阻率曲线确定其界面，参考自然电位半幅点。2） 分析岩性因为自然电位是离子在岩石中的扩散吸附作用产生的，而岩石的扩散吸附作用与岩石的性质（岩石成分、组织结构、胶结物的成分及含量等），有很密切的关系，故可根据自然电位曲线的变化分析岩性，特别是分析岩性变化。如地层的岩性变细，泥质含量增加，常常表现为自然电位幅度降低。自然电位曲线可明显地划分出泥岩类（泥岩、页岩等）、砂岩、泥质砂岩，并可结合电阻曲线划分出有渗透性的生物灰岩等。因为自然电位曲线与岩性有密切关系，曲线变化又比较简单，比较形象，自然电位曲线也是地层对比的一项重要资料，标准测井都少不了自然电位曲线。3） 估算地层水电阻率在许多情况下，可以容易地由自然电位曲线求得准确的地层水电阻率。但在有些情况下（例如有非NaCI盐类存在，自然电位基线偏移或Rw变化不定）应当特别小心。有时有大的过滤电位存在（例如渗透率很低的地层，压力枯竭的地层及很重的钻井液）。在这种情况下，最好不要使用自然电位求Rw值，但是，经验指出，当地层有一定的渗透率，地层水是盐水，并且钻井液电阻率不是很高时，自然电位中的过滤电位成分可以忽略不计。在这些情况下认为静自然电位等于电化学电位。在已知剖面中若有足够厚的纯水层，就可根据自然电位曲线直接确定静自然电位值。通过厚渗透层处自然电位最大的负值做一条直线，而由夹在它们之间泥岩层的自然电位值作出泥岩基值。这两条直线间的差值（毫伏数）取作SSP。但在被测井段内，往往难于找到层厚而又没有侵人的纯渗透层。如地层薄，自然电位值必须经过校正以求得冲。二、伽马测井1．自然伽马测井把仪器放到井下，测量地层放射性强度的方法叫作自然伽马测井（三刊。这种方法已有很长的历史，自然伽马与自然电位测井相配合能很好地划分岩性和确定渗透性地层，自然伽马测井的另一优点是可在下套管井中测量。1） 岩石的放射性岩石中含有放射性元素，主要是铀（U）、钻（Th）、钾以）等放射性元素，所以岩石的放射性强度决定放射性元素的含量。238U的半衰期为4.5X109。，'23Th半衰期为1.42XW0a40K半衰期为1.25X109a。一般条件下，岩石的放射性物质含量很少。按照放射性的强弱可把沉积岩分成以下几类：门）放射性物质含量高：放射性软泥、红色粘土、黑色沥青质粘土的放射性物质含量高。海绿石砂岩、独居石、钾钒矿砂砾岩等具有高放射性含量。（2）放射性物质含量中等：浅海相和陆上沉积的泥质岩石，如泥质砂岩、泥质石灰岩泥灰岩等。以放射物质含量少：砂层、砂岩、石灰岩等。（4）放射性物质含量很少：硬石膏、石膏、岩盐、煤和沥青等。2） 自然伽马测并及应用1把自然伽马测井仪放到井下，测量地层放I＞泥质砂岩——ITOC\o"1-5"\h\z射性强度随深度变化的曲线，称为自然伽马曲D 、1线（GR）。1 ”一］美国石油学会在休斯敦大学建立了自然伽IS”质化村D9刻度井。该刻度井有两个低放射性地层，一回、、、、、 上D个高放射性地层，高放射性地层中含有钾【Z纯石灰岩14%日铀13ms/1平外24ms/1罗三者分另占总 D 7］放射性量的19%、47%和34%。定义高放射］\纯白云岩 l性地层与低放射性地层读数之差为20（）API单I ——〜 \I位，作为标准刻度单位。现今自然伽马测井的D厂 J――D横向比例都用API单位。【\二一l自然伽马测井曲线的应用如下：D 上D门）划分岩性。主要是根据地层中泥质含1煤D量的变化引起自然伽马曲线幅度变化来区分不【V泥质砂岩D同的岩性，图2一5是自然伽马测井曲线对不Dt硬石膏D同地层的响应，对于纯石灰岩、纯砂岩、白云I一一上Z岩、硬石膏，石膏、煤层及盐岩等，自然伽马D（上上二 二a显示低值；对于火山灰、泥岩显示高自然伽马d厂 上上工 5D值，而对于含泥质岩石自然伽马显示中等，并L一上二三二一一一一一一一一一一一一一 J且随着泥质含量增减而变化。一般来说，泥岩的自然伽马幅度为75〜150API单位，平均为图2—5自然伽马测井响应曲线100API单位，硬石膏和纯石灰岩为15〜20API单位，白云岩和纯砂岩的自然伽马幅度为20〜30API单位。但对某一地区来说，应该根据岩心分析结果与自然伽马曲线进行对比分析，找出地区性的规律，再应用于自然伽马曲线的解释。（2）进行地层对比。自然伽马曲线与地层中所含流体性质无关，地层水矿化度对其也没什么影响，因此自然伽马曲线幅度主要决定于地层中的放射性物质，通常对于不同岩性其幅度较为稳定。另外对比的标准层也易于选取，通常用厚层泥岩作为标准层，进行油田范围或区域范围内的地层对比。（3）估算地层中泥质含量。首先用自然伽马相对幅度的变化计算出泥质含量指数IGR：GRBM—GRmin1。=== e*IGKGRGRmn式中GR目的——目的层的自然伽马幅度；GRM纯泥岩层的自然伽马幅度；GR。｛ 纯砂岩层的自然伽马幅度。通常IGR的变化范围为0〜1,用下式将IGR转化为泥质含量VSh：ZG“互。一二 /1V、V。。=MM——\LJj'“2“1式中G——希尔奇指数，可根据实验室取心分析资料确定，北美第三系地层取G—3.7，老地层G=2。2.自然伽马能谱测井自然伽马测井只能测量地层中放射性元素的总含量，无法分辨地层中含有什么样的放射性元素，为此研制了自然伽马能谱测井，即测量不同放射性元素放射出不同能量的伽马射线，从而确定地层中含有何种放射性元素。1）自然伽马能谱测井原理不同岩石含有的化学成分不同，其放射性物质的成分也不一样，泥岩地层主要成分为粘土矿物，粘土矿物所含的放射性元素如表2—1所示。表2—1粘土矿物中铀（U）、社（Th）和钾化）的含量纯砂岩和碳酸盐岩的放射性元素含量都低，表2—2给出其大致的变化范围。但对于某些渗透性砂岩和碳酸盐岩地层，由于水中含有易溶的铀元素，并随水运移，在某些适宜条件下沉淀，形成具有高放射性渗透层，此时可用自然伽马能谱测井划分这样的地层。表2—2砂岩和碳酸盐中铀（U）、社（h）和钾①）的含量根据实验室对铀、针、钾放射伽马射线能100r 个。量的测定，发现钾放射的单色伽马射线，其能11。十14。。。V.铀及其衰变产物放射的是多扣【能谐伽马射线，在高能区内，1.76MeV的峰。L 上值明显，易于鉴别。处及其衰变产物放射多能后。n枷“射验。其中T62MeV峰值易于识别。图墨＄1＄12—6是铀、针、钾三种元素发射伽马射线的6”也。。。9。”晕1ill“”lig谱图。y。11,IJltl；川；.；1”一‘一IN0„自然伽马能谱测井仪的探测器部分与自然表伽马测井基本相同，使用N*（TI）闪烁计数一器，其输出脉冲的幅度与人射伽马射线能量成。LI。。正比，所不同的是自然伽马能谱测井仪增加了1i11中多道脉冲幅度分析器，能分别测量不同幅度的”七Y\#一一丫厂一一失一下一一脉冲数，从而得出不同能量的伽马射线能谱，伽马射线能量，”eV用以测定不同的放射性元素。自然伽马能谱测图2—6钾、针、铀放射的伽马射线能谱图井根据测出的伽马射线特征峰值，经刻度，输出的就是U、Th、K三条曲线与一条总的自然伽马曲线（图2—7）。00，、、00、00，、、00、I、 。＄。。2）自然伽马能谱测井的应用用自然伽马能谱测井可划分岩性。图2—7中4122〜4220m井段是纯石灰岩，U、Th、K三条曲线显示低异常，自然伽马也显示低异常，其上、下两层自然伽马值高，应为泥岩层。但在自然伽马能谱曲线上，上部泥岩U显示高值，K也稍高，是富含有机质的泥岩。下部泥岩K和Th的含量都高，U的含量也高，但低于上部泥岩，因此这是两个性质不同的泥岩层。图2—8中1600fi必和1638fi处，自然伽马曲线上显示两个尖峰，似乎应为两个薄泥岩层，但在自然伽马测井曲线中K，Th两条曲线无显示，而在U曲线显示两个尖峰，与自然伽马曲线吻合，表明这里不是泥岩层，应为一渗透层，并在该深度处U的含量较高，可能是溶有U的水运移中沉淀下来。利用ThAi比值曲线研究沉积环境，据经验统计，Th/U>7时，主要为陆相泥岩和铝土矿，这是风化完全、有氧化和淋滤作用的陆相沉积；2VTh/UV7为海相沉积环境，岩性为灰色和绿色泥岩及杂砂岩：Th/UV2，海相沉积，为黑色海相泥岩、石灰岩及磷酸盐岩。自然伽马能谱测井还能区分粘土矿物，图2—9是K、Th含量为粘土矿物的关系图。图中画出了不同矿物的分区带，根据自然伽马能谱测井得出的K、Th含量，即可鉴别地层含有粘土矿物。自然伽马能谱测井的用途是可能用来直接寻找放射性矿物。三、声波测并将一个受控声波振源放人井中，声源发出的声波引起周围质点的振动，在地层中产生体波即纵波和横波，在井壁一钻井液界面上产生诱导的界面波即伪瑞利波和斯通莱波。这些波作为地层信息的载体，被井下接收器接收，