地球物理测井-云美厚

1、地球物理测井 （32学时）,云美厚,河南理工大学资源与环境学院,地球物理测井多媒体教学课件 适用对象：地质、煤成气等专业本科生,参考书目,1、尉中良等编地球物理测井地质出版社 2、楚泽涵等编著地球物理测井方法与原理（上册），石油工业出版社，2007，校图书馆-超星数字图书有 3、王群等编，矿场地球物理测井，石油工业出版社，2002。 4、网上查阅其他相关图书超星数字图书馆； 期刊 测井技术,绪 论,什么是地球物理测井？ 测井技术的分类与特点 测井技术能作什么？应用 为什么学习地球物理测井？ 如何学习本课程？ 测井技术发展简史,云美厚,什么是测井？,什么是地球物理测井？,测什么？,什么是地球物理

2、测井？,为什么能够测？,是一门边缘学科,是应用地球物理学的分支一，井中地球物理学的俗称，简称测井或测井技术。是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，采用相应仪器沿着井筒连续地测量反映岩石、矿石某种物理性质的地球物理参数，达到解决地质问题的一种地球物理方法(按键播放)。 岩石物理基础：导电性、电化学性，声学特性(弹性)、核物理性质（放射性）等 测量参数：地球物理参数(反映地球物理场特性) 目的和应用：研究油气田、煤田、煤层气、水文、工程、环境等方面的地下地质问题（如岩性、孔隙性、渗透性、流体特子那个）和钻井技术问题（井径、井斜、套管固结程度、裂缝等）。,什么是地球物理测

3、井？,2350 2400 2450,通常每隔50m标注一个深度标记，如,实际测井曲线无此深度标注,图头： 曲线名称 曲线类型 颜色 单位 数值范围,又称：地体学或大地物理学,又称：物理探矿学 应用地球物理学,研究大尺度和一般原理,勘察石油、煤、金属、非金属矿或其他地质体,地球物理学学科组成,狭义，通常，一般,广义地球物理学,计算地球物理学,深部探测,地球动力学,地面地球物理勘探 航空地球物理勘探 海洋地球物理勘探 井中地球物理勘探,按实施测量的空间位置和区域不同划分,地球物理勘探 (勘探地球物理学）,（地球物理测井）广义,云美厚,测井分类 I,目前国内外先进的测井方法有： 超声成像、多极子阵列

4、声波成像、微电阻率扫描成像、 核磁共振成像、地球化学测井等方法。,测井分类 I,目前国内外先进的测井方法有： 超声成像、多极子阵列声波成像、微电阻率扫描成像、 核磁共振成像、地球化学测井等方法。,测井分类 II,环境与煤层气为后发展起来的,形成相对独立的几门测井技术,间接地、有条件的测量方法。 方法种类多(系列化) 基本方法有电、声、放射性测井三种 特殊方法(电缆地层测试、地层倾角、成像、核磁共振测井) 其他形式(如随钻测井) 分辨率高（相对地面地震而言） 仪器综合化、记录数字化、操作程控化、解释自动化 多解性。每种方法都只能反映岩层地质特性的某一侧面。综合应用多种测井方法，并重视与钻井、录井

5、资料结合，才能全面认识地下地质面貌，发现和评价油气层,测井特点,在油气田勘探过程中用测井资料可以 确定岩性（矿物组成、孔隙度、渗透率、饱和度） 沉积环境(岩相)分析（深水、浅水、急流河相） 确定生油岩（有机碳含量，生油条件） 确定盖层（封闭性、厚度等） 储层评价（确定目的层，油气水分布、富集程度）,在油气田开发过程中，用测井可以 监测生产动态(产出流体性质-油/水，出水量，油水比例) 解决工程问题(套管是否变形，有没有损坏、脱落或变位，管外有无窜槽，射孔有没有射开) 注水开发过程中(分层注入量，有无窜流) 开发方案设计中(计算油层有效厚度，寻找剩余油富集区),测井能做什么？ 在石油、天然气勘探

6、开发中的应用,测井服务于石油天然气勘探开发的全过程,据侯俊胜国外地质勘探技术，1998,裸眼井煤层气储层测井勘探阶段 煤层识别和确定煤层厚度 煤质分析、孔隙度、含气量、渗透率和岩石力学参数计算等 套管井煤层气储层测井开发阶段 储层识别、厚度确定及检查水泥胶结情况等 生产测井开发阶段 了解井筒流体的动态参数和井内环境故障情况等,测井技术在煤层气勘探开发中的应用,测井技术可解决的主要水工环问题,地下水资源勘查(含水层性质、深度和厚度、范围等) 工程地质勘察与评价(识别裂隙带、溶洞和断层分布,风化程度) 岩土材料工程质量的无损检测(岩土层的工程力学参数) 地质灾害预测和环境地质评价与监测等,云美厚,

7、地球物理学与地质学的异同 共性：同属地球科学，研究对象相同 个性：研究方法不同，结果显示方式不同,为什么学习本课程？ 地质专业开设本科程的必要性及意义,测井为应用地球物理学的一个重要分支，是透过地表观测地下地质特性的最有利的手段之一，地质家只有了解测井方法、技术才能用好测井资料,云美厚,地球物理学与地质学的异同 共性：同属地球科学，研究对象相同 个性：研究方法不同，结果显示方式不同,为什么学习本课程？ 地质专业开设本科程的必要性及意义,测井为应用地球物理学的一个重要分支，是透过地表观测地下地质特性的最有利的手段之一，地质家只有了解测井方法、技术才能用好测井资料,云美厚,如何学习本课程？,学习要

8、点 1、重点掌握基本概念、基本方法步骤、及基本原理; 2、掌握测井基本图件格式、物理量单位、含义等； 4、初步掌握利用测井资料进行地质解释的基本方法; 5、了解不同测井方法之间的异同 学习方法 1、重视基本概念、方法原理的理解，不死记硬背； 2、注意整体内容的把握然后是细节 3、正确理解教与学的关系；,测井技术发展简史,电法测井是发展最早的地球物理测井方法， 1927年9月5日，在法国东部阿尔萨斯(A1sace)地区的佩彻布朗(Pechelbronn)，Schlumberger兄弟与H. G. Doll利用梯度电极系完成了实际电法测井，得到世界上第一条测井曲线，曲线清楚地指示了井下含油砂岩，标

9、志着现代地球物理测井的诞生。80年发展史 1929年，Schlumberger兄弟获得了用自然电位确定渗透性地层的专利； 1931年，实现了自然电位与电位电极系和梯度电极系一起测量，可以提供连续测井曲线。 1942年，G. E. Archie提出Archie(阿尔奇)公式，奠定了利用测井资料定量评价岩石流体饱和度的基础。,楚泽涵等编著，地球物理测井方法与原理（上册），石油工业出版社，2007,1949年，考虑到油基钻井液的井眼条件，HGDoll提出了感应测井，奠定了常规双感应测井研究和应用的基础 目前仍然是常用的重要电法测井方法。 1951年，出现聚焦侧向测井 20年后，发展了双侧向电阻率测井

10、仪，一直用到现在 20世纪80年代初，介电测井仪器开始应用 20世纪90年代开始， 发展了阵列侧向测井、方位侧向测井和阵列感应测井等 在地层倾角测井基础上发展了井壁电成像测井 在随钻测井中2MHz的电磁波测井得到普通应用 20世纪末期，过金属套管电阻率测井技术出现并应用,楚泽涵等编著，地球物理测井方法与原理（上册），石油工业出版社，2007,仪器：模拟记录测井仪 原理：用高灵敏度检流计测量回路电流得到探测系统测量端间的电位差变化，反映地层物理参数（电阻率、声波速度等）随深度的变化 记录方式：记录在照相纸或胶片上（静态的） 记录特点：采集数据量小，传输速率低。 主要方法：声速（纵波）测井、感应测

11、井和普通电阻率测井，配之以井径测井、自然电位测井和自然伽马测井等。,按照测井仪器、记录特点，测井技术发展大致分为四个阶段,第一阶段：模拟（记录）阶段（1927- 60年代末）,测井技术发展的总的趋势是装备由简到繁，再由繁到简， 以软件代替硬件， 简化装备， 降低造价。,仪器：数字测井仪 第一代记录系统：模拟测井+数字磁带记录 特点：基本保持了模拟记录的特征 现场进行模数转换，按一定的格式记磁带 现场只能采集数据，无法处理，应用不便 可在计算中心进行数据处理 第二代记录系统：模拟测井+计算机及外设 特点：模拟测井和数字测井并存 功能重复， 设备繁杂， 操作麻烦、造价高昂， 计算机仅用来采集数据，

12、未能在井场发挥作用 数据处理在室内进行 第三代记录系统：数字探管+计算机+软件 特点：采用数字化探管直接采集数字信息 计算机现场完成数据采集、记录、处理、显示 和打印定时测井曲线，方便了现场解释和使用 取消功能面板， 硬件最少 发展新方法无需更换系统,第二阶段 数字测井（1962-）数字化,第一代数字测井仪（据董守华地学仪器，1992）,代表性产品：英国BPB公司的Tu I数字测井仪 国产的Y41数字测井仪等,第二代数字测井仪（据董守华地学仪器，1992）,代表性产品：美国MOUNT SPORIS公司的系列II GEOSOURCE公司在澳大利亚制造的T500 澳大利亚GEOEX系统、匈牙利的K

13、D80、 国产TYsc2型数字测井仪等,第三代数字测井仪（据董守华地学仪器，1992）,代表性产品：美国CGC公司的COMPU-LOG、COMPU-LOGI 英国罗伯逊公司的G-100 美国MOUNT SPORIS公司的系列II改进型-1987年 上海地质仪器厂JXW-1型微机测井系统-1987年 渭南煤矿专用设备厂TYsc-3Q型数字测井仪-1990年,目前常用数字测井仪 特点：用数字磁带机记录，提高了测量精度，可靠性 便于计算机处理 相应测井方法: 具有浅、中、深探测的电阻率测井（一般是双感应 球形聚焦测井 或双侧向微球聚焦测井) 三孔隙度测井（声速、中子孔隙度、补偿密度测井） 井径测井

14、自然伽马测井 自然电位测井 称为常规的“九条曲线”测井。 作用：可较好地分层，识别岩性，求准孔隙度，计算地层真 电阻率和含油(气)饱和度，合理评价油(气)储层 不足：仪器复杂、开关旋钮很多，操作繁琐,第三阶段 数控测井（1976年-）遥控遥测,仪器：数控测井仪（以计算机为中心的遥控遥测系统） 特点：下井仪器作为计算机外设，通过电缆通讯系统与计算机实现 数据交换和井下仪器控制 仪器检测、测量数据处理、显示、曲线回放等通过软件实现 测量时，井下仪器信号直接变换为数字信号，用不同的编码 解码技术将信号沿电缆送至地面计算机 这样，有利下井仪的设计和更新，有利系统扩展 常用测井技术：常规测井 自然伽马能

15、谱测井、岩性密度测井、 碳氧比能谱测井、长源距声波测井、 电磁波测井以及地层学地层倾角（SHDT）测井等 新方法的应用：提供了更多的有用信息（信息更丰富） 应用领域更宽广 解决地质问题（如，评价油、气层）的能力更强。,第四阶段 成像测井（1990年-）集成化,成像测井发展背景： 油气勘探面临新问题，要求测井从方法理论到测量技术有更新的的发展，新问题包括 复杂岩性和隐蔽油气藏勘探开发 薄层、薄互层、裂缝储层、低孔低渗透层的评价 高含水油田开发中剩余油饱和度及分布的确定 固井质量、套管损坏等工程测井问题 地层压力、非均质和各向异性问题 成像测井功能 提供大量的物理信息， 给出高分辨率、可靠的2D或

16、3D目的层物理参数图像 研究各种非均质非线形问题， 评价油、气产层和其它勘探开发问题。,成像测井的主要用途： 确定倾角、探测裂缝、断层定位、孔洞定位、 岩心归位验证、描述薄层或薄互层及地层各向异性等 其他地质或工程应用 成像测井的特点： (1) 高速采集、并行处理。局域网高性能计算机系统 (2) 数据传输速率高 (3) 高分辨率，多探测点的电、声、核、核磁测井仪 (4) 一套完整的、适应各类复杂非均质储层参数定量 评价和地质应用、工程应用的软件包。 主要成像测井系统（目前） 斯仑贝谢公司 MAX500 贝克阿特拉斯 ECLIPS-2000 哈里伯顿公司 EXCELL-2000 成像测井主要下井

17、仪器 电成像、声成像和核磁共振成像测井三类。,1 .电成像： 斯仑贝谢公司的阵列感应成像仪(AIT)、全井眼微电阻率扫描成像仪(FMI)、方位侧向成像仪(ARI)、阿特拉斯的高分辨率感应仪(HDIL)等。 2.声成像： 偶极子横波(DSI)、环井眼数据成像仪(CBIL)、井下声波电视(BHTV)、超声波井眼成像仪(UBI)、超声波成像仪(USI)等。 3.核磁共振： 斯仑贝谢公司的核磁共振仪CMR 哈利伯顿-纽马(NUMAR)公司的 MRIL 贝克阿特拉斯公司的MR Explorer(MREX) 康普乐(Computalog)公司的新型NMR测井仪NMRT,第五阶段 网络测井（2004年-）网

18、络化 网络测井时代即将到来,目前，三大测井公司已开始研制和试验网络化测井地面系统,哈里伯顿公司 INSITE系统实时数据管理和分配系统，依靠一种公用数据库结构，公司所有的服务线都能管理和共享井场作业期间采集的数据，帮助远距离决策和合作。 INSITE Anywhere新一代基于因特网的数据传输系统，提供灵活的INSITE技术，不用安装专门的软件，只要输入用户名和密码，就可在世界任何地方、任何时候登陆互联网，享用油井数据。 贝克一阿特拉斯公司 FOX 系统网络化测井地面系统，仅网站上有宣传材料，未见投产应用方面的报道。,（原宏壮等，地球物理学进展，2005）,1、斯仑贝谢公司（美国）Schlum

19、berger Limited 全球最大的油田技术服务公司，成立于1927年，总部位于纽约、巴黎和海牙，在全球140多个国家设有分支机构。现有员工80,000多名，2007年公司收入为232.8亿美元，是世界500强企业。,世界三大测井公司,斯伦贝谢、阿特拉斯、哈里伯顿 三大测井公司的测井技术和设备代表着当今测井技术的发展方向和水平,2、阿特拉斯公司 Western Atlas International 旗下有：西方地球物理公司(Western Geophysical) 西方阿特拉斯测井服务公司(Western Altas Logging Services) 勘探与开发服务公司(E ,CSU、

20、3700等数控测井设备，面临淘汰,国产测井技术水平落后国外10年左右,石油工程,1什么是地球物理测井？ 2测井技术分类与特点是怎样的？ 3测井能作什么？ 4地质学与地球物理学有何异同？ 5. 世界三大测井公司为何？ 6. SPWLA代表什么？ 7. 测井技术的发展大致分为那几个阶段？,思考与练习,谢谢大家！,背景知识 钻井技术与钻孔结构,云美厚,河南理工大学资源与环境学院,地球物理测井多媒体教学课件 适用对象：地质、煤成气等专业本科生,背景知识钻井技术与钻孔结构,按钻井目的分类： 区域普查井：基准井、剖面井、参数井、构造井 探 井：预探井、初探井、详探井、边探井 开 发 井：生产井(油井气井)

21、、注入井(注水井注气井) 特殊用途井：检查井、观察井、调整井、救援井等 按井斜角不同分类： 直井、定向井、水平井（井斜角85 ） 按井深不同分类： 浅井 H9000m,钻井的种类以石油钻井为例,钻井范围,中国第一口世界记录延伸井（ERD）西江24-3-A14，测深9450米，1996 年11月20日开钻，1997年6月10日正式交井投产，扣除钻机改造时间，实际作业时间101天，成功实现了一口井开发一个小油田的设想，创造了全井水平位移8062.7米，裸眼井段5032米，MWD/LWD实时传输接收讯号深度9106米三项世界记录。,井眼直径：100mm500mm（1050cm） 井的垂直深度：122

22、62米(前苏联科拉半岛SC3井) 井的水平位移：一万米以上（正准备12000m、 14000m水平位移的井）,人工掘井：1521年之前 技术含量小 傻小子睡凉炕，全凭火力壮 人力冲击钻：15211835年 特点： 破岩与清岩交替进行；冲击力小，破碎效率低。 设备简单，起下钻方便。 在从猿到人的进化过程中，人类学会了使用简单工具 机械顿钻(冲钻)：1859-1901年 优点：设备简单, 起下钻方便 缺点：钻头功率小，破岩效率低，钻井速度慢 破岩和清岩交替进行 科学技术解放了了生产力 旋转钻：1901年发展起来的 特点：破岩与清岩相接进行。 旋转动力大，转速高，破碎效率高 缺点：设备复杂，起下钻繁

23、琐。 科学技术的发展使得机器变复杂了，人变简单了,钻井技术发展的四个阶段,第二代,第三代,第四代,旋转钻,云美厚,动力系统 (Power System) 动力机组（柴油机、柴油发电机、电动机） 传动机构（液力变矩器、传动箱） 旋转系统 (Rotating System) 由转盘、方补心、方钻杆、水龙头组成，它把旋转扭矩通过转盘、方补心和方钻杆传递给井下钻具和钻头 提升系统 (Hoisting System) 由井架、天车、游动滑车、绞车和大钩(Hook)组成，是一台功率强大的起重设备，起重量一般为100300吨。 循环系统 (Circulating System) 通过循环钻井液来清洁井底 井

24、控系统 (Well Control System) 防喷器、井控地面管汇、控制室等 辅助设备(Auxiliaries) 空气压缩机、发电机、各种自动记录仪表、供气设备等,旋转钻井钻机(Rotary Rig)的系统组成,起升系统,转盘,方钻杆,方补心,方瓦,云美厚,循环系统 (Circulating System),钻杆,钻头,稳定器,云美厚,钻柱：钻头到地面全部管柱的总称；由方钻杆、钻杆、钻铤等基本钻具组成,钻 头,自西安石油大学-钻机井技术精品课多媒体,环形钻进钻头,研磨型钻头,切削型钻头,冲击、压碎、剪切型,特种钻头,全面钻进钻头,云美厚,1、钻杆(Drill pipe) 两端带接头，且有

25、公母扣的空心园管。规范尺寸（外径）有 2 7/8”，3 1/2”，4 1/2“，5”， 5 1/2”，6 5/8”。长度一般7-10m 2.钻铤(Drill collar) 有公母扣的空心园柱管。主要用于给钻头施加钻压及控制井斜，规范外径尺寸有 3 1/2“，4 1/8”，4 3/8“，6 1/4”，7“，8”，9“，10”，长度4-10,采用高级合金钢制造。 3、方钻杆(Kelly )中空的四边形或六边形，比钻杆壁厚大三倍左右，具有高抗拉和抗扭强度。规范尺寸有：2 1/2“，3”，3 1/2“， 4 1/2”，5 1/2“。,钻具尺寸,1in=25.4mm 1ft=12in,钻井液分类,钻井

26、液：钻井时用来清洗井底并反岩屑携带到地面、维持钻井操作正常进行的流体,水基 泥浆,油基泥浆,(膨润土+水+化学处理剂+加重材料钻屑)水是连续相,(柴油+沥青/有机土+处理剂)油是连续相,钻井液作用,冷却和润滑钻头、钻具,清除井底钻屑并将其携带至地面,提供低渗透、韧性好的泥饼保护井壁,悬浮环空中的钻屑及加重材料,给钻头传递水力能量,稳定井壁及控制地层压力,从所钻地层获取资料,构成循环,失水(滤失) 定义：泥浆中的自由水在压差的作用下向具有孔隙的地层渗透的现象。 类型：瞬时失水、动失水、静失水。 钻井液内的水=化学结合水+吸附水+自由水 泥饼（滤饼） 定义：泥浆中水分进入地层，粘土颗粒附着在井壁上

27、，形成泥饼。 滤饼：在钻井液产生滤失的同时，在井壁表面形成一层固体颗粒胶结物。 滤饼形成的过程： 先由较大的颗粒将大孔堵塞一部分，然后次大的颗粒堵塞大颗粒之间的孔隙，依次下去，孔越堵越小。 滤饼有保护井壁的作用。故滤饼在井壁上的形成过程称为造壁过程。,渗透层钻井地层结构-宏观,钻井液 （水基、油机泥浆）,泥饼,冲洗带,过渡带-侵入带,原状渗透地层,页岩,泥饼形成类似上面的显微切片图所示 （此图非泥饼切片）,水分进入地层,泥饼,泥浆,渗透现象,泥饼形成过程微观,云美厚,受预应力作用（地层倾角大、断层附近地层破碎等）页岩坍塌示意图,泥饼主要形成于渗透层,页岩,页岩,页岩,渗透层,渗透层,渗透层,固

28、井与完井-下套管、注水泥、下油管、射孔、开发,表层套管,表层套管,生产套管（油层套管）,生产套管,中间套管 （技术套管）,尾管（衬管）,技术套管,保护产层油气通道,注水泥目的：固定套管、封隔油气水层,可以是多层 封隔复杂地层,封隔浅水层及疏松和复杂层 装井口、支撑后续套管,(45cm),(34cm),(31cm),(24.5cm),(17.8cm),(21.6cm),一口井的建井过程,钻前施工,钻井施工,完井施工,录井,谢谢大家！,电 法 测 井,云美厚,河南理工大学资源与环境学院,是三大测井方法之一，它利用岩层电学性质的差别，测量地层的电阻率、电导率或介电常数等电学参数，用来研究地质剖面，判

29、断岩性，划分油气水层，研究储集层的含油性、渗透性和孔隙性以及其它性质。 本部分主要内容：,电法测井,普通电阻率测井 侧向测井 微电极测井 感应测井,电测井岩石物理基础 自然电位测井 电阻率测井 介电（电磁波传播）测井,新方法,阵列侧向 过套管电阻率 阵列感应,分类：天然电场和人工电场 供电方式：直流电（低频）和交变电流 （高频）,云美厚,电测井岩石物理基础,电测井中，常用电学性质有： 导电性 电化学活动性 介电性 导磁性,1、表征导电性的物理量电阻率 电阻率定义：在国际单位制中，电流垂直通过边长为1m的均匀立方体物质时，所遇到的电阻值即为该物质电阻率。 单位：欧(姆)米，记作m。 特点：物质导

30、电性愈好，电阻率值愈小 反之，电阻率越大，导电性越差,岩石、矿石的导电性,各种天然金属为金属导体。地壳中不常见，如自然铜、金。 石墨是一种特殊电子导体； 金属导体导电性十分好，电阻率值很低，一般10-6 m 大多数金属矿物为半导体。 半导体电阻率高于金属导体，其性质与所含杂质种类和含量有关 半导体电阻率变化范围大，通常=10-6106 m 绝大多数造岩矿物为固体电解质 如，辉石、长石、云母、方解石、角闪石、石榴石等 固体电解质的电阻率很高，一般 106 m,2、固体矿物的导电机制,固体矿物,金属导体(电子导电:电子在外场中定向运动) 半导体（电子导电） 固体电解质（离子导电:离子定向运动）,3

31、、孔隙水的导电机制 孔隙水定义：存在于岩石裂隙或孔隙中的水分的统称 分布特征：几乎所有天然岩石都或多或少地含有孔隙水,纯蒸馏水导电性极差，几乎可看成是绝缘体 岩石孔隙水不同程度上总含有某些盐分(电解质)，当电解质溶于水形成电解液时会发生电离或离解（正、负离子分开）形成离子导体。 电解液的电阻率与其载流子（离解的正、负离子）浓度和迁移率成反比。 孔隙水电阻率一般远小于造岩矿物。 通常在1100m之间，很少超过100m,影响岩、矿石导电性的因素 岩石和矿石都是矿物的集合体，且常含有一定的孔隙水。电阻率必然与组成矿物及所含水的导电性、含量、结构、构造及其相互作用等有关。 1、岩石、矿石成分和结构对其

32、电阻率的影响 主要影响因素：胶结物和矿物颗粒的电阻率、形状及百分含量。大多数岩石和矿石可视为均匀相连胶结物和不同形状矿物颗粒所组成。 据等效电阻率的近似理论，不同结构岩石、矿石电阻率表达式不同 假设：岩石、矿石由胶结物（电阻率为1）和矿物颗粒（电阻率为2，百分体积含量为V）两种物质组成 矿物颗粒呈片状 电阻率具有方向性 沿着片状矿物面方向t适用并联模型 垂直片状矿物面方向n适用串联模型 且恒有， n-t0,1,V,2,1-V,体积比例模型,胶结物,矿物颗粒,胶结物,矿物颗粒呈针状电阻率一般也有方向性 沿矿物拉长方向t适用并联模型 垂直矿物拉长方向n适用混联模型 恒有， n-t0 等效电路结构比

33、较复杂,矿物颗粒为球形的岩石、矿石(如砂岩、砾岩、浸染状的金属矿石) 电阻率不具有方向性适用混联模型 一般，岩石、矿石的结构、构造对影响 矿物颗粒含量,层状构造岩石的电阻率 大多数沉积岩和某些变质岩，由于沉积旋回和构造挤压作用往往使两种或多种不同电性的薄层交替成层，形成层状构造。一般情况下层状岩石的电阻率也具有方向性，即各向异性。,沿层理和垂直层理的电阻率t和n分别为,纵向 电阻率,横向 电阻率,层状岩石的各向异性系数,平均电阻率：,表征层状岩石的各向异性程度,表征层状岩石的平均导电性,n,t,n,t,2、含水对岩石、矿石电阻率的影响 岩石都在不同程度上含有导电性较好、且彼此连通的水溶液 决定

34、于：含水量（饱和度） 孔隙水本身电阻率的高、低 水饱和砂、砾石电阻率与孔隙水电阻率水成正比，与其体积含水量(即湿度)成反比；,欠饱和(孔隙未被水充满)岩石，关系比较复杂。但变化总趋势与饱和情形相同,两个基本因素,孔隙度大，含水量大，湿度高，电阻率低； 连通孔隙，孔隙水对岩石电性影响较大； 不相连通的空穴式孔隙 (如喀斯特溶洞或喷出岩的气孔等)，即使充满孔隙水，对岩石整体电阻率的影响也较小。 节理或裂隙式孔隙具有明显方向性，往往使岩石电阻率具有各向异性，沿节理或裂隙方向电阻率较低，垂直方向上电阻率较高。,孔隙结构,3、岩石孔隙度和孔隙结构间接影响电阻率,4、温度对岩石、矿石电阻率的影响 地下地层

35、均具有一定的温度，故温度影响不可忽略 表现或变化特点： 电子导电矿物或矿石的电阻率随温度增高而上升； 离子导电岩石的电阻率随温度增高而降低。 我国平均低温梯度：增高1 /约40m。 地下1600m深处的地温比地面约高40。 1600m处， 金属矿物电阻率增高20， 含水岩石电阻率差不多降低一半 应用：观测深部岩石电阻率推断地下温度场变化 寻找地热资源或研究地质构造。,注意：0 以下，地表含水岩石或土壤的电阻率显著增大,5、压力对岩、矿石电阻率的影响 在压力极限内，增大压力将使孔隙水挤出，电阻率变大； 压力超出岩石破坏极限，则岩石破裂，电阻率降低；,自然状态下，电阻率并非为定值，具有一定变化范围

36、； 在所有物性中，电阻率的变化范围最大； 在电法勘探所研究深度范围内，岩石几乎全靠孔隙水导电。仅少数情况下矿物颗粒的作用占主导地位。 少数情况：导电矿物（磁铁矿、石墨或黄铁矿）含量高，且彼此相连； （电阻率很低，104m） 含水岩石的电阻率与岩石学特性和地质年代有间接关系 二者间接影响孔隙大小、孔隙水含量低、水的含盐量,岩、矿石的电阻率,岩、矿石的电阻率,一般情况下物质都是电中性的，即正、负电荷保持平衡。 1、什么是岩石激化？ 在特定自然条件下，岩石或矿石在各种物理化学过程作用下，能够形成面电荷和体电荷的性质称为岩石极化。 2、岩石极化分为两种类型：自然极化、激发极化 自然极化：形成自然电场

37、表面极化：由不同地质体接触处的电荷自然产生的 两相介质的体极化：由岩石固相骨架与充满空隙空间的液相接触处的电荷自然产生的 激发极化，是在人工电场作用下产生的极化。 激发极化电场,岩石和矿石的自然极化和激发极化特性,1电子导体的自然极化 周围产生稳定电流场的条件是： （1）不均匀性，（导体或溶液不均匀） （2）保持不均匀性,（借助外界作用） -使之不因极化放电而减弱。,岩石和矿石的自然极化特性,机理：因热运动金属离子或电子获得能量,越出金属进入溶液，破坏了二者的电中性，使金属带正电、溶液带正电，负电吸引溶液正电，形成双电层,2、离子导体的自然极化,离子导电岩石上所观测到的自然电场主要是由于动电效

38、应所产生的。主要包括过滤电场和扩散-吸附电场两种成因,过滤电场：存在一定压差，足够大,孔壁,液体流动方向,低压,高压,正离子层,正离子层,负离子层,岩石毛细孔的过滤作用形成了过滤电场,紧密层,紧密层,双电层,分散区,分散区,扩散区,云美厚,地壳中自然形成的过滤电场主要包括：裂隙渗漏电场、上升泉电场、山地电场和河流电场等。,地壳中自然形成的过滤电场主要包括：裂隙渗漏电场、上升泉电场、山地电场和河流电场等。,扩散-吸附电场,两种浓度不同的溶液相接触时，会产生扩散现象（溶质由浓度大的溶液移向浓度小的溶液里，以达到浓度平衡）。 在不同浓度溶液扩散过程中，正、负离子将随着溶质移动，但因岩石颗粒的吸附作用

39、，正、负离子的扩散速度不同，使两种不同离子浓度的岩石分界面上分别含有过量的正离子或负离子，形成电位差，称为扩散吸附电场。,扩散电位大小决定溶液的浓度差 还与溶液温度及所含离子种类有关 扩散-吸附电场强度一般较小，如，在地面观测到的河水与地下水接触处由于离子浓度差别形成的扩散吸附电场，一般约1020mV。,1、电子导体的人工极化（电极极化+氧化还原）,岩、矿石的人工极化（激发激化）特性,对外不显电性 不形成外场 双电层电位差称为平衡电极电位,供电前的 均匀双电层,供电时的极化现象,电荷重新分布，自由电子逆电场方向移动形成相当于等效电解电池的“阴极”；电流流出端，正电荷相对增多，相当于等效电解电池

40、“阳极” 溶液中的带电离子也在电场作用下发生相应运动，在两极形成正、负堆积 ，使通电前的正常双电层发生变化 对外显电性：“阴极”处，导体带负电，围岩溶液带正电；而“阳极”处，导体带正电，围岩带负电。 电极化形成超电压 超电压=极化双电层电位差平衡电极电位,断电后的放电现象,供电电流,代表性的假说双电层形变说 在外电流作用下、岩石颗粒表面双电层分散区之阳离子发生位移，形成双电层形变 激发极化速度和放电的快慢，决定于离子沿颗粒表面移动的速度和路径的长短,2、离子导体的激发极化,供电电流,供电前的 均匀双电层,供电时的 双电层变形,断电后的放电现象,上下两侧正电荷减少,岩、矿石的激发极化可分为理想的

41、两类： “面极化”激发极化均发生在极化体与围岩溶液的界面上；如、金属矿或石墨矿 “体极化”极化单元呈体分布于整个极化体内，如浸染状金属矿和矿化、石墨化岩石以及离子导电岩石； 面极化和体极化的差别只具有相对意义。严格说来，都是面极化（微观上极化均发生在岩石颗粒与溶液街面上） 实用中主要研究极化的宏观效应，故表现为体极化特征,岩石和矿石的激发极化特性 稳定电流场激发 交变电流场激发,矿化岩石激发极化(体极化)是其中许多细小颗粒极化效应的总和； 体极化比面极化的充、放电速度快得多； 描述稳定电流扬激发极化效应的参数为极化率，,U2(t)激发极化效应产生的电位差(简称二次场电位差) U(T)总场电位差

42、,极化率是与电流无关的常数;但极化率与供电时间T和放电时间t有关 将长时间供电(T,即充电达饱和)和断电瞬间(t0)测得的饱和极化率定义为岩石极化率,非矿化岩石的极化率通常很低，一般不超过12，仅少数达到45 非矿化岩石的充电和放电速度比矿化岩石更快,部分岩石、矿石极化率实测数据统计结果,超低频交变电流场中岩石、矿石的激电现象 激发激化频率特性,在稳定电流场（直流）供电情形下，得到的激发激化电位差随时间变化的现象称为激电效应的“时间特性”； 在超低频交变电流供电情况下，保持交变电流的幅值不变，激发激化电位差随频率变化的现象，称为激电效应的“频率特性”,直流激电(时间域)的观测与交流激电(频率域

43、)的观测，本质上是一致的，在数学意义上是等效的； 二者的差别主要在于观测的方法技术不同； 描述交流激发极化效应的参数频散率P或称为“百分频率效应”，定义为电场幅值在低频和高频之间的相对变化。,， 分别表示低频和高频时总场电位差幅值,形成条件：交变电场，频率很高（105Hz） 电性表现方式：传导电流与电阻率有关，满足欧姆定律 位移电流与介电常数有关 描述参数：相对介电常数r,岩石和矿石的介电性介电极化特性,传导电流密度：,， 为电导率，电阻率的倒数,位移电流密度：,， 为介电常数； 0为真空介电常数，08.8510-12F/m r 为相对介电常数，r= / 0,导电介质中总电流密度为二者之和,微

44、分欧姆定律,造岩矿物的r大多不超过1011；部分氧化物、硫化物和碳酸盐的r值可达20至80170(如金红石)； 沉积岩的r 变化范围较宽(2.540)；含水性是影响其介电常数的主要因素；因此，干燥的多孔岩石r最低，水饱和岩石r最高。 火成岩的r变化范围为715；超基性和基性岩石r相对偏高，酸性岩石较低； 变质岩的r 在517范围内变化；,岩矿石相对介电常数特点,磁性本质： 任何物质的磁性都是带电粒子运动的结果。 原子微观磁性：原于是组成物质基本单元， 原子=带正电的原子核+核外电子壳层 电子绕核沿轨道运动，具有轨道磁矩 电子还有自旋运动，具有自旅磁矩 原子核带正电，呈自旋转动，具自旋磁矩，数值

45、很小 原子总磁矩=电子轨道磁矩+自旋磁矩+原于核自旋磁矩 矢量和(因有方向),磁矩大小，与各自动量矩成正比,岩石和矿石的导磁性磁导率或导磁率,1、磁化强度和磁化率 磁化强度M：均匀无限磁介质在外部磁场H的作用下被磁化（无磁性变为有磁性）的程度。 M= H, H-磁场强度 单位：A/m或CGSM (m) 1A/m=10-3CGSM (m) 在国际单位制中，磁化强度和磁场强度量纲相同 在CGSM制中，磁化强度用高斯(Gs)，磁场强度用奥斯特(Oe) 磁化率：表征物质受磁化的难易程度，无量纲，实用中仍注以单位，1SI () =1/4 CGSM () 2、磁感应强度和磁导率 磁感应强度B：在各向同性磁

46、介质内部任意点上，磁化场H在该点产生的磁感应强度(磁通密度)为B=H SI单位：Wb/m2或N/(Am),成为特斯拉(T) 磁导率为，单位： H/m(亨(利)米） 真空介质磁导率0,且有B=0H 0 =410-7 H/m 相对磁导率r，是一个纯量，有 r= /0 r=1+ = 0(1+ ),表征磁性的物理量,磁导率（或导磁率）是电磁感应法中表征物质在磁化作用下集中磁力线性质的一个重要物性参数,大多数岩、矿石相对磁导率值接近于1； 铁磁性矿物(磁铁矿、磁黄铁矿和铁铁矿) r 1； 当岩石或矿石中含有大量铁磁性矿物时，r1；,自然电位测井,云美厚,河南理工大学资源与环境学院,电测井系列之一,什么是

47、自然电位？,定义：自然条件下，因地层介质自然激化形成的电场在空间上所造成的电位差。 一般用SP（Spontaneous Potential or Self Potential）表示 测井原理：测量电极在井内移动时，可测得与地层性质有关的电位变化（见图） 特点：自然产生，无需供电 自然电位曲线变化与岩性密切相关，能以明显的异常显示出渗透性地层(油气勘探为储集层、煤田勘探含水层) 自然电位测井优点： 简单，实用，低成本 是划分岩性和研究储集层(渗透层)性质的重要方法,原理：测量井中自然电场,v,M,N,井中电极M与地面电极N之间的电位差,返回,自然电位测井原理图,云美厚,扩散-吸附电场地层水矿化度

48、 (含盐浓度)与钻井液矿化度不同，引起离子扩散作用；岩石颗粒对离子的吸附作用正负离子扩散速度不同；（见图） 过滤电场地层压力与钻井液柱压力不同，在地层孔隙中产生的过滤作用 实践证明，扩散作用是井内自然电位产生的主要原因 过滤作用只在泥浆柱和地层间的压力差很大且泥 饼未形成前才有较大显示 通常钻井液柱压力略高于地层压力，压差较小， 且测井时泥饼已形成，故常忽略过滤电位,井内自然电位产生的两个主要原因,井内自然电场分布示意图,砂岩,泥岩,泥岩,钻井液,C1,C1,C2,Cmf,C1C2Cmf,扩散方向,泥岩结构、化学成分与砂岩不同，自然电位数值与砂岩差别大，且符号相反 粘土表面具选择吸附负离子能力

49、,云美厚,一、扩散吸附电位扩散电动势（Ed）-扩散动态平衡,Ed单位mV；浓度C1，C2单位g/L； Kd为扩散电位系数，单位mV;与溶液中盐类化学成分和温度有关 对NaCl溶液，当t=25(18 )时，测得Kd-11.6mV,当浓度不很大时，浓度与电阻率成反比,R1，R2分别为不同浓度液体电阻率,砂岩段：扩散电动势的形成 浓度为Cw的地层水和浓度为Cmf的泥浆滤液在井壁附近接触产生扩散现象，通常CwCmf。 扩散结果：地层水内富集正电荷 泥浆滤液中富集负电荷 形成扩散电动势Ed,Kd为扩散电位系数 Rw为地层水电阻率； Rmf为钻井液滤液电阻率,对NaCl溶液，t=25(18 ) Kd-11

50、.6mV,泥岩段：扩散-吸附电动势的形成 泥岩内地层水浓度为Cw和浓度为Cmf的泥浆滤液在泥岩井壁附近接触产生扩散现象，通常CwCmf。 泥岩特殊性：结构、化学成分与砂岩不同，粘土矿物表面具有选择吸附负离子的能力，故只有正离子可以自由移动，泥岩井壁主要为正离子扩散（见动画） 扩散结果：泥岩地层水内富集负电荷 泥浆滤液中富集正电荷 形成扩散-吸附电动势Eda,Kda扩散吸附电位系数 Rw为地层水电阻率 Rmf为钻井液滤液电阻率,也称薄膜电动势,对NaCl溶液，当t=25(18 )时，Kda59.1mV,成因：因过滤作用井壁附近聚集了大量负离子， 地层内部聚集了大量正离子 在地层和泥浆接触面两端形

51、成电位 相应电动势为过滤电动势，用Ef表示 渗透层（砂岩层）处：泥浆压力地层压力条件下 过滤电位与扩散吸附电位方向一致， 其数值与压力差及过滤液电阻率成正比， 与过滤液粘度成反比,二、过滤电位过滤电动势Ef,P为压力差，atm； Rmf为过滤溶液的电阻率，m； 过滤溶液粘度，厘泊，10-3Pas Kf过滤电位系数，与溶液成分、浓度有关,因压差小， 一般忽略不计,小结：自然电位成因自然激化,地层和泥浆之间电化学作用和动电学作用产生的 在砂泥岩剖面井中，自然电场主要由扩散电位和扩散吸附电位组成,砂岩与泥岩的自然电位分布,1、扩散吸附电位： 纯砂岩 -11.6 mV/18 纯泥岩 59.1 mV /

52、18 2、过滤电位（一般可忽略）： 泥浆柱与地层之间存在压差时，液体发 生过滤作用产生的。 与压差、滤液电阻率成正比 。 渗透层 平均值约为 0.77 mV,泥岩,砂岩,泥岩,+ + + + + +,+ + + + +, , ,Cl - Na+,Na+,Na+,+,-,+,-,扩散电位,吸附电位,自然电位测井曲线形状与特点,一、井内自然电位的分布,井内自然电场分布示意图,砂岩,泥岩,泥岩,钻井液,Csh,Csh,Csd,Cmf,CshCsdCmf,扩散方向,Eda1,Ed,Eda1,Eda2,Eda2,以砂泥岩剖面的油气井为例 钻井一般采用淡水钻井液钻进，测井时多遇到CwCmf 情况,井内自然

53、电位的等效电路,结论：在井与砂岩、泥岩的接触面上，自然电流回路的总自然电动势Es为各接触面上自然电动势的代数和,称为自然电位系数,砂岩中地层水矿化度,当t=25时， K=|-11.6|+|59.1|=70.7mV,其中，,井筒内钻井液滤液矿化度,当溶液浓度不很大时，浓度与电阻率成反比，有,如果砂岩含有泥质或泥岩不纯，将使总电动势减小，上式不可用,自然电位异常幅度的计算,回路电流强度I,实测自然电位异常幅度值Usp实际上是自然电流在井内泥浆电阻上的电位降,参考电流方向,实际电流方向,参考电流方向,实际电流方向,地面电法,M,N,测量电极,实际电流流向,参考电流方向,高电位,低电位,Usp=UMN

54、=UM-UN,泥岩,砂岩,实测为电位降 理论公式为电位升，所以计算和实测差一个负号,高电位,低电位,如何理解电位降-负异常,总自然电动势的含义： 相当于自然电流回路断路时的电压 自然电位幅度Usp是自然电位总电动势Es的一部分 对于纯水层砂岩（纯砂岩+水饱和）的总自然电动势，常称为它的静态自然电位，简称静自然电位， 用SSP（Static Self Potential )表示 为使用方便，实测SP曲线上不设绝对零线，而是以大段泥岩对应的自然电位曲线作为SP曲线的相对基线(称为泥岩基线，即零线)。这样，井中巨厚的纯水层砂岩井段的自然电位幅度可近似地认为是SSP，SSPES。 （因巨厚砂岩或泥岩层

55、的截面积比井的截面积大得多，rmfrsd，rmfrsh，UspEsSSP ,而对于一般有限厚地层， UspSSP ） 静自然电位的变化范围在含淡水岩层+50mV到含高矿化度盐水层的-200mV之间,自然电位测井曲线形状 将测量电极N放在地面泥浆池中，电极M用电缆送至井下沿井轴提升，测量自然电位随井深的变化（见动画图）所记录的自然电位随井深的变化曲线叫自然电位测井曲线(即SP曲线),电流小，变化小，曲线为直线 过a点后电流增大，当CwCmf时，自然电位逐渐降低，曲线偏向负方向 岩性界面b点处，电流最大，电位变化最大，曲线急剧向负向偏转 过地层界面后，电流密度减小，电位继续降低， 地层中心c点，电

56、流最小，曲线几乎变为平行井轴直线 砂岩底部，电流增大，电位增大，正向偏转,含水纯砂岩的自然电位理论曲线,条件：地层、钻井液均匀 上下围岩岩性相同,SP曲线特点： 曲线关于目的层中心对称，中心处异常值最大 目的层顶、底界面处， Usp变化最大 地层越厚，Usp越接近SSP，地层厚度变小， Usp下降，曲线顶部变尖，底部变宽Usp 4d时，Usp的半幅点对应地层的界面，可用曲线半幅点确定地层界面 厚度变小，界面处的曲线幅度值将离开半幅点向曲线峰值移动。此时半幅点不可用于确定顶底界面,实测曲线与理论曲线特点基本相同，但因测井时受多方面因素的影响，其不如理论曲线规则。 实测自然电位幅度为自然电流在井内

57、的产生的电位降，它永远小于自然电流回路的总电动势 泥岩（或页岩层）段，岩性稳定，在SP曲线上显示为一条电位不变的直线（泥岩基线） 渗透性砂岩段，SP曲线偏离泥岩基线，在足够厚的砂岩层中，曲线达到固定的偏转幅度，定为砂岩线。 砂岩SP曲线的异常幅度为地层中点(极大值)的自然电位与基线的差值(mV)。,实测SP曲线,相对泥岩基线而言，渗透性砂岩地层的自然电位曲线可向左或向右偏转，它主要取决于地层水和泥浆溶液的相对矿化度。 当CwCmf时，砂岩层段自然电位出现负异常 当CwCmf时，砂岩层段SP出现正异常； 当Cw=Cmf时，不存在形成自然电场的条件， 因而无自然电位异常出现。 Cw和Cmf的差别越大，所形成的自然电场的 总电动势越大 在砂泥岩剖而中，钻井一般用淡水钻井液(CwCm