测井技术

地球物理测井概述

地球物理测井，简称测井（Well Logging），是用各种地球物理方法在井中进行勘查工作的总称。将测井与地面地球物理相比，许多方法的基本理论大体相同。由于井下探测的特殊性，测井的探测环境、研究对象、数据采集，以及一整套数据处理和资料解释技术都与地面物探有着完全不同的概念。正是由于它能直接面对被探测对象进行测量，因而测量结果的真实性和可靠性，以及解决地下地质问题的能力和精细程度明显高于地面地球物理方法。也需要指出，由于测井探测范围的局限，所能提供的地球物理数据主要是井孔附近（探测器周围）介质的响应，即从宏观来看是一个井点的地层特征，从区域研究的角度，它又不如地面地球物理。根据探测对象及研究任务的不同，测井细分为油气田测井（石油测井）、煤田测井、金属与非金属测井和水文与工程测井几个小的分支。无论哪一类测井，都是根据地下不同岩、矿石或探测对象所表现的物理性质的差异，通过某种物理参数的测定来研究钻井地质剖面，确定目的层段，并对其进行定量或半定量评价。本篇主要讲述这一学科的一些基础理论、方法原理和资料处理解释技术。地球物理测井的最初工作始于法国（1927年），七十多年来，随着勘探工作的不断深入和科学技术的进步，测井技术经历了一系列的变革和发展，逐渐形成了以电学、声学、核学为主体，结合热学、磁学、力学和光学的一整套测井方法、仪器设备及资料解释技术。目前，已有的测井手段可多达数十种，根据它们的物理基础和应用领域，可作如下分类。13.1.1 按岩石物理性质分类（1）电测井类这是以研究岩石导电性、介电特性和电化学活动性为基础的一类测井方法。它利用某种井下装置或仪器，通过测量岩石的电阻率、介电特性和电化学特性来解决地下地质问题的，在各类矿产的勘探开发中应用最为广泛。属于这类的测井方法主要如下。1）普通视电阻率测井。2）侧向测井。包括深、浅侧向（或双侧向）、微侧向和微球形聚焦测井等。3）微电阻率（或微电极系）测井和微电阻率扫描测井。4）感应测井。包括深、中感应（或双感应）和阵列感应测井。5）电磁波传播测井。6）自然电位测井。（2）声测井类这是以研究声波在岩石中传播时，其速度、幅度和频率变化等声学特性为基础的一类测井方法。它广泛用于地震解释，确定地层孔隙度和储层裂缝分析等。属于这类的测井方法主要如下。1）声波速度测井。包括普通声波测井和偶极声波测井。2）声波幅度测井。3）声波全波列测井。4）井下声波电视。（3）核测井类这是以研究岩石核物理性质为基础的一类测井方法，也称放射性测井。它包括岩石的自然放射性和人工放射性两类，广泛应用于确定岩石性质与地层孔隙度，以及储层裂缝分析等。属于这类的测井方法主要如下。1）自然伽马及自然伽马能谱测井。2）密度测井。包括补偿密度和岩性密度测井。3）中子测井。包括补偿中子、中子寿命、次生伽马能谱和中子活化测井。（4）其他类型测井除了上述几个大的测井分类之外，还有一些测井手段具有一定的特殊性，它们如下。1）核磁测井。2）磁测井。3）重力测井。4）地层倾角测井。5）井径及井斜测量。6）井温测井。7）用于监控油气储层的流量测井和地层压力测井（电缆地层测试器）。13.1.2 按地质应用的测井组合分类不同测井手段由于其所测岩石物理性质和仪器结构设计等差异，解决地质问题的能力和侧重不尽相同。同时，也由于地下地质情况的复杂性，许多地质问题常常又需要多种测井方法共同配合去解决。因此，从实用的角度出发，有人又将测井按地质应用进行系列分类。因此，以下的分类组合只能理解为它的主要应用领域而不是全部。另外，有些测井方法还很难归类于某种地质应用之中。（1）饱和度测井系列目前，用于研究油气储层饱和度的测井方法主要是电阻率测井。这是因为组成储集岩石的矿物颗粒（骨架）和油气具有非常高的电阻率，其导电性主要与岩石孔隙中所含导电流体（水）的数量，即含水饱和度以及该流体的电阻率有关。因此，利用深、浅、微电阻率测井组合，如双侧向-微侧向（或微球形聚焦）组合，或深、中感应-微侧向组合，可以研究冲洗带含水饱和度和原状地层含水饱和度，进而确定可动油气和残余油气体积，这两类测井组合常称为饱和度测井系列。此外，可用以研究油气储层饱和度的测井方法还有中子寿命测井和电磁波传播测井，但它们在实际工作中应用较少。束缚水饱和度也是评价油气储层，特别是评价渗透率的重要参数，但所述这些测井方法均无能为力。核磁测井对确定这一参数有独到之处。（2）孔隙度测井系列目前，测定岩石孔隙度的测井方法主要是声波（速度）测井、密度测井和中子测井。需要指出，在定量研究岩石孔隙度时，岩性资料必不可缺。不知道岩性，孔隙度也难以求准。这三种方法的组合，能在一定程度上分析岩性并同时确定孔隙度。因此，有时又将它们称为岩性孔隙度测井。（3）岩性测井系列有些测井方法虽不能用于研究岩石孔隙度和饱和度，但确定岩性的能力较强，我们把它归为一类，称为岩性测井。这些方法是自然电位测井、自然伽马测井、岩性密度测井，以及自然和人工伽马能谱测井等。后三种测井方法对于定量评价复杂岩性的岩石成分具有重要的作用。（4）地层倾角测井系列地层倾角测井最初主要用于测量井下岩层的倾斜角和倾斜方位，并由此研究地质构造、断层和沉积特征等。随着探测仪器的不断改进，相继发展了高分辨率地层倾角测井和地层学地层倾角测井，这一测井方法的地质应用领域向着更精细的地层学和沉积学研究方向进一步发展。（5）成像测井系列成像测井是20世纪90年代迅速发展起来的新型测井技术，它主要由电成像测井、声成像测井、核成像测井，以及数字遥传系统的多任务数据采集与成像系统组成。其中电成像测井有地层微电阻率扫描成像和阵列感应成像测井等方法；声成像测井有偶极横波声波成像、超声波电视和阵列地震成像测井等方法；核成像测井有阵列中子孔隙度岩性成像、碳氧比能谱成像和地球化学成像测井等方法。这些成像测井技术，为复杂、非均质储层的地质分析和油气勘探开发提供了有效的手段。（6）其他还有一些测井方法，如井斜、井径测量及套管井声幅测井等常归为工程测井；中子寿命测井和碳氧比测井属于开发测井范畴；地层流量测量、压力测量以及井温、流体密度和持水率计测井等又属于生产测井等等。

地球物理测井

水文地质测井在水文地质勘查工作中日益得到广泛的应用。它主要用于钻孔剖面的岩性分层、判断含水层（带）、岩溶发育带和咸淡水分界面位置（深度）及确定水文地质参数等。当采用无心钻进或钻进取心不足时，物探测井更是不可缺少的探测手段。物探测井的地质—水文地质解释精度远比前述的地面物探方法精度高。目前，水文地质钻探中常用的测井方法及应用情况见表4-2。在实际工作中，各种测井方法要相互配合，以提供更多、更可靠的地质、水文地质信息。另外，物探测井要与钻探取心和水文地质观测资料密切配合，才能取得最佳效果。电法测井（或称电测井）在地球物理测井方法中使用广泛，效果好，且简便易行。电测井的工作原理是利用仪器（如JDC型轻便电子自动测井仪等），并通过电缆把井下装置（如电极系统）送入管井中进行测量。在电缆从井底向上提升的过程中，用仪器记录各地层的电阻率（ρS）、电位差（ΔU）等。通过绘制有关曲线，即可进行水文地质解释。电测井的资料，如有钻孔资料作校正，就会取得更好的效果。图4-5是某地根据管井的电测井曲线，划分地层和咸淡水分界。表4-2 常用的地球物理测井方法及应用情况图4-5 管井的电测井曲线和水文地质解释尚需指出，水文地质人员应根据工作任务，工作区的地质、水文地质条件和物探人员一起合理确定物探方法，选定物探测线、测点的布置方案和测量装置等。最好能使用综合物探手段完成同一项任务，以相互验证，取长补短，提高成果解释的可靠性和精度。值得注意的是，各种物探方法都有其局限性，其成果具有多解性。物探曲线常反映了探测对象本身和其他多种自然或人为因素的综合影响，因此，只有了解具体的地质—水文地质背景和各种干扰因素的可能影响，才能进行正确的解释，否则对于测量成果常常可以作出多种或错误的解释。所以在使用物探方法时，应针对具体地质环境，进行分析对比，综合研究，以便客观的反映地质和水文地质条件，从而使所得资料更为真实可靠。因为含水层或富水段没有固定不变的异常标志，为了提高测量成果解释的可靠性，最好首先在露头较好地段或已有勘探井旁进行试验，确定出探测对象异常的形态、性质和幅度，从而制定出可靠的解释标志。例如，在视电阻率较高的石灰岩、岩浆岩和砂岩中，一般以低阻异常作为有水的标志，但在视电阻率本来就较低的碎屑岩及结晶片理发育的岩石中，高阻异常带则常常是有水的标志。因此，符合已有水井旁试验得出的解释标志，才是可靠的。小结本章的重点是物探方法的使用条件和在水文地质调查中的应用。电法勘探中的电阻率法和电测井应用最广，应掌握该种方法及其应用。复习思考题1.水文地质物探方法的基本原理是什么？2.物探方法的使用条件是什么？3.水文地质物探的主要任务是什么？4.电法主要有哪些种类？应用情况如何？5.试述电阻率法的原理和应用条件？6.试述激发极化法的原理和应用条件？7.试述自然电场法的原理和应用条件？8.试述交变电场法的原理和应用条件？9.试述放射性探测法的原理和应用条件？10.地球物理测井的方法有哪些？应用情况如何？11.如何提高物探方法的可靠性和精度？

地球物理测井是什么？

地球物理测井（以下简称测井）是用专门的仪器沿钻井井身测量岩石的各种物理特性、流体特性（如导电性、导热性、放射性、弹性，等等），根据不同岩石及其内部流体的这些特性的差别，可以间接划分地层，判别岩性和油、气、水层。测井具有工艺简便、成本低、获取资料迅速、效果好等特点，取得的资料是油气田地质研究、油气田开发工作必不可少的资料。测井技术发展很迅速，不但能定性判断岩性，还可以定量确定岩石物性、地层产状；不但用于油气勘探地质解释，还用于钻井、试油、采油工程等。下面简要介绍几种常用的测井方法。一、视电阻率测井视电阻率测井的实质是利用地下不同岩石导电性能的差别，间接判断钻穿岩层的性质，在井中下入测井仪，沿井身测定岩层电阻率的变化情况，与钻井过程中取得的地层岩心、岩屑等资料结合，可以较准确地划分井中地层界线和确定地层岩性。（一）井下岩石电阻率的测量视电阻率测井装置如图3-3所示，主要是包括供电线路、测量线路和井下电极系三部分。井下电极系是通过电缆与地面供电—测量系统连接。电极共有四个：A、B、M、N。其中A、B为供电极，接入供电线路；M、N为测量电极，接入测量线路。接入同一电路中的电极称为成对电极。在井下，几个电极组成电极系，根据井内成对电极和不成对电极的距离不同，可以组成电位电极系和梯度电极系（见图3-4）。成对电极在不成对电极下方的电极系，称底部梯度电极系。图3-3　视电阻率测井原理图图3-4　电极系的电阻距与记录点为了表示电极系的大小和便于计算测量深度，规定了电极系的电极距L和记录点O。电位电极系的电极距L为两个相邻最近电极A、M之间的距离，记录点O为A、M的中间点；梯度电极系电极距L为不成对电极到成对电极中点的距离，记录点O为成对电极之间的中间点。当电极系由井底向井口移动时，由供电电极供给电流，在地层中形成人工电场。由测量电极M、N测量M、N两点的电位差ΔUMN。M、N两点的电位差主要由其所在位置附近的岩层电阻率决定：岩层电阻率越高，测得的电位差越大；反之，测得的电位差越小。沿井身电位差的变化反映了井内不同地层电阻率的变化。由于电极系是在井筒钻井液中移动，钻井液电阻率以及钻井液侵入地层后侵入带电阻率都与岩层真实电阻率不同，加上上下邻层屏蔽等因素的影响，使得M、N两点测得的电阻率不能代表岩层真电阻率，我们称为视电阻率，用Ra表示。可以根据不同电极距测量结果，求得岩层真电阻率。（二）视电阻率曲线形状将电极系沿井身移动，通过地面仪器记录，可以测得一条反映地下岩层视电阻率变化的曲线。1．梯度电极系视电阻率曲线当岩层厚度h大于电极距AO时，对于底部梯度电极系，在高电阻率岩层底界面出现视电阻率极大值（R1），而在其顶界面出现视电阻率极小值（R2），因此可以用这一特征划分岩层顶、底界面，如图3-5（a）所示。当岩层厚度小于电极距时，视电阻率曲线仍有上述特点，并出现假极大值。对于底部梯度电极系，假极大值位于岩层底界面以下一个电极距处，如图3-5（b）所示。图3-5　底部梯度视电阻率曲线2．电位电极系视电阻率曲线当岩层厚度大于电极距时，视电阻率曲线以岩层中点为界上下对称，在岩层中点出现视电阻率极大值。可以用曲线的半幅点划分岩层顶、底界面，如图3-6（a）所示。当岩层厚度小于电极距时，在高电阻率岩层的中心出现视电阻率极小值。在这种情况下，电位电极系视电阻率曲线不能反映岩层的真实情况，如图3-6（b）所示。图3-6　电位电极系视电阻率曲线（三）视电阻率曲线应用1．划分岩层界面在进行钻井地质剖面地质解释时，其他录井方法都不能准确确定岩层界面，必须依靠电阻率测井曲线来完成这项工作。根据各种类型电极系测得的曲线在岩层界面的特点，可以准确确定岩层分界面位置。当h＞AO时，曲线特征明显，岩层分界线位置可靠；当h＜AO时，曲线特征不明显，曲线分层的可靠程度降低，分层时需要参考其他测井曲线。2．确定岩性地层孔隙水中含盐，导电性强、电阻率低；油层含水少，电阻率高。因此，利用视电阻率曲线可以判断岩石的岩性，划分油、气、水层。对于碎屑岩地层剖面和碳酸盐岩地层剖面，视电阻率曲线特征分别如图3-7和图3-8所示。图3-7　碎屑岩沉积剖面视电阻率与自然电位曲线示例图3-8　碳酸盐岩沉积剖面视电阻率与自然电位曲线示例二、微电极测井上述视电阻率测井在测量薄层时，曲线幅度没有明显变化，这是上下邻层影响的结果。另外井筒中的钻井液及井径的变化也影响了曲线的形状，使得不能较准确地划分薄层界线。为了细分层，减少上下邻层、钻井液及井径对曲线的影响，改装下井的电极系，使电极系靠井壁测量岩层电阻率。改装后的电极系的最大特点是电极之间的距离大大缩小了（只有几厘米），由此得名为“微电极系测井”。图3-9　微电极测井下井装置1—仪器主体；2—弹簧片；3—绝缘板；4—电缆（一）微电极系结构微电极系安装在一个特殊的下井装置上（见＜ahref="327D4D36AC9F496DBA57E6C7DAB56D3D"＞图3-9＜/a＞）。图中，仪器主体上装有3个（或2个）弹簧片，互成120°（或180°）角；绝缘板装在弹簧片上，靠弹簧片的压力紧贴井壁。在三块绝缘板中，有一块装有三个电极A、M＜sub＞1＜/sub＞、M＜sub＞2＜/sub＞，称极板；电极之间的距离为0.025m；三个电极组成两组电极系，即A0.025M＜sub＞1＜/sub＞0.025M＜sub＞2＜/sub＞的微梯度电极系和A0.05M＜sub＞2＜/sub＞的微电位电极系。微电极系电极距短，探测半径小。实验证明，微梯度电极系探测半径为5cm，而微电位电极系探测半径为8cm左右。由于微电极系探测范围小，因此在测量时井壁上有无泥饼对测量结果影响很大，故微电极系测得的视电阻率只反映了靠近井壁附近岩层电阻率的情况。当井径扩大、弹簧片不能与井壁接触时测得的电阻率为钻井液电阻率。若井径不规则，极板与井壁接触不良，在极板与井壁之间夹有薄层钻井液（钻井液薄膜），同样影响测量值。（二）微电极测井曲线的应用解释微电极测井资料时，必须参考其他测井资料，方能得到正确的地质解释。微电极测井在定性解释方面主要是确定岩层界面和划分渗透层。1．确定岩层界面由于微电极系的电极距短小，紧贴井壁进行测量，消除了邻层屏蔽影响并减小了钻井液影响，因此岩层界面在曲线上反映得很清楚。利用微电极曲线，一般可以划分厚度为20cm的薄层。实验结果显示：微电极测井曲线的分层原理是用微电位曲线的半幅点来确定高电阻地层的顶、底界面。2．划分渗透层渗透性岩层的井壁上有泥饼存在，而非渗透性岩层没有泥饼，但井壁与极板间有钻井液薄膜，钻井液薄膜与钻井液对微电极测井都有影响，但影响大小不一样，因此，我们有可能根据微电极测井资料划分出渗透性地层。图3-10　微电极视电阻率曲线对于渗透层，泥饼厚度一般在0.2～2cm，泥饼电阻率为钻井液电阻率的1～3倍。形成泥饼后，靠近井壁的岩层孔隙被钻井液滤液充填，形成钻井液侵入带（见图3-10），其电阻率一般为3～10倍钻井液电阻率。微电位电极系的探测半径大于微梯度电极系，因此泥饼对微梯度电极系测量结果的影响大于微电位电极系。当用这两种微电极系对同一渗透层进行测量时，探测半径大的微电位电极系测得的视电阻率主要受侵入带电阻率的影响，显示出较高的数值；而微梯度电极系测得的视电阻率受泥饼影响较大，故显示较低的数值，此时两条微电极曲线出现幅度差。微电位曲线幅度大于微梯度曲线的幅度值，称作正幅度差。渗透性岩层在微电极曲线上一般呈正幅度差，如图3-10所示。只有当钻井液滤液矿化度很高，使得泥饼电阻率大于侵入带电阻率时，微电位曲线幅度低于微梯度曲线幅度，称为负幅度差。3．确定岩性在碎屑岩沉积剖面上，根据两条微电极曲线幅度差大小，可以定性判断岩层的渗透性好坏、泥质含量的多少。泥岩一般表现电阻率低，井壁无泥饼，曲线平缓，无幅度差。渗透性砂岩一般表现为曲线幅度值高，两条曲线存在正幅度差。随泥质含量的增加，岩层渗透性变差，泥饼变薄，正幅度差值变小。泥质粉砂岩的岩性致密，泥饼较薄，正幅度差很小，随泥质增加，正幅度差减小。三、自然电位测井如图3-11所示，在井内不供电情况下，测量电极M沿井身移动，可测量出M、N两点电位差，说明井内存在自然电场。井内自然电位的产生是钻井液与地层水之间离子扩散与吸附电化学活动作用造成的。自然电位测井就是测量自然电位随井深变化的数值，用以研究地下岩层性质的测井方法。自然电位曲线主要应用于以下两方面：（1）划分岩层界面。对于厚岩层，可用曲线半幅度点划分岩层界面；对于薄岩层，必须与视电阻率曲线配合，才能获得准确结果。（2）确定渗透性岩层。视电阻率较高的岩层，可能是具有渗透性的油气层或淡水层，也可能是致密岩层（火山岩、石灰岩等），如果配合自然电位曲线解释会获得明确结论，即当地层水矿化度Cw大于钻井液矿化度Cmf时，渗透性岩层的自然电位出现负异常，非渗透性致密层为正异常；而当Cw＜Cmf时，情况恰好相反，如图3-12所示。图3-11　自然电位测井原理示意图四、感应测井感应测井是研究地层电导率的测井方法。岩石的电导率是电阻率的倒数，单位为ms/m。电导率是衡量岩石导电能力大小的物理量，岩石的电阻率越大，电导率越小，导电能力越差。（一）原理下井仪器如图3-13所示，当振荡器向发射线圈输出固定频率的电流时，发射线圈就会在井周围地层中形成交变电磁场，此时地层中就产生感应电流（又称涡流）。感应电流是交变电流，该电流在地层中同时形成次生电磁场。在次生电磁场的作用下，接收线圈便产生感应电动势。该电动势大小与地层感应电流强度有关，感应电流强度大小与地层电导率成正比，通过电缆将接收信号输送到地面仪器，记录成曲线。（二）曲线的应用1．确定岩性地层电导率是地层电阻率的倒数，因此视电阻率曲线上幅度值大的岩层（如油层、气层、致密砂层等），在感应测井曲线上恰恰都是低幅度值；而低电阻率层（如泥岩层）反而为高幅度值。感应测井曲线上直接记录的是地层电导率，它可以换算成地层电阻率。2．判断油水层，划分油水界面感应测井曲线对地层电导率反应极为灵敏，水层电导率明显高于油层。在油水界面附近，由于电阻率的急剧变化，引起地层电导率的急剧变化，在感应测井曲线上表现明显。图3-12　自然电位曲线图3-13　感应测井原理图五、侧向测井当井剖面岩层电阻率普遍很高或井内充满高矿化度钻井液时，用普通电极系很难划分岩层和确定岩层电阻率。因此采用带聚集装置的电极系进行侧向测井。侧向测井电极系中除有主电极外，还有一对屏蔽电极，其作用是使从供电电极发出的电力线呈水平层状流入地层，目的是减小钻井液、侵入带和上下围岩对测量结果的影响。侧向测井按附加电极的个数和电极之间相对距离又分为三侧向、六侧向、七侧向和微侧向测井等，它们的测量原理是相同的。下面以三侧向测井为例来介绍。（一）基本原理三侧向测井电极系如图3-14所示。电极系是一个被绝缘物质分成三段的金属圆柱体，中间一段称主电极A0，两端两段称屏蔽电极A1、A2。测井时，主电极A0和屏蔽电极A1、A2通以相同极性的电流，并保持三个电极电位相等。由于电极系中绝缘物厚度很小，电极系长度很大，所以电极系的电场和一个完整的金属圆柱的电场基本一样。主电极的电流I0夹在电极A1、A2之间，被电极电流I1、I2屏蔽。因此主电极的电流不能四散，只能呈一板状电流束进入地层。可以从式（3-1）求得视电阻率值Rs：图3-14　三侧向测井原理图（A）—可控电路；R—可控电阻；E—电源；G—电位差计Rs=KU0/I0式中　K——电极系数，与电极的尺寸有关；U0——用电位差计G测得的电极电位，mV；I0——主电极的电流，A。U0/I0是主电极接地电阻，它表示主电极电流从电极发出后传至无限远之间的介质电阻，用R0表示，可以看作是井内钻井液电阻、侵入带电阻和地层电阻之和。对于高矿化度钻井液，钻井液电阻和侵入带电阻都很低，接地电阻主要取决于地层电阻。所以，在高矿化度钻井液中进行侧向测井，一般比普通电极系测井探测能力强。（二）曲线特点及应用侧向测井曲线中高电阻层具有对称性，最大值在地层中点，解释时只取最大值，可以近似以曲线突变点分层，对薄层分层能力比其他电阻测井要清晰得多。如果用两条不同电极距的三侧向测井曲线，由于其探测深度不同，受钻井液侵入带电阻率、岩层电阻率影响不一样，根据两条曲线的幅度差可以划分渗透层和油、气、水层。油层、气层曲线幅度差大，且显示正幅度差；水层幅度小或显示负幅度差。六、放射性测井在地层水矿化度较高的地区钻井，钻井液常被盐侵，使钻井液电阻率变低，电阻率测井将无法进行。放射性测井是根据岩石的核物理性质，利用岩层中存在的放射性元素或人工产生放射性射线，间接研究钻井地质剖面。由于放射性元素所产生的射线可以穿过金属物质，所以下套管的井中仍然可以进行测井工作。这为油气田投入开发以后了解油、气、水重新分布情况带来方便。因此放射性测井也广泛应用于解决井下工程技术问题。下面介绍两种常用的放射性测井方法。（一）自然伽马测井自然伽马测井是通过岩石的自然伽马射线强度来研究岩性的一种测井方法。1．自然伽马测井装置井内岩层自然放射性测量示意线路如图3-15所示。自然伽马测井装置包括井下仪器及地面记录装置两部分。记录放射性射线的主要装置是放电计数管，当有射线打入计数管时，它输出一个信号电流（脉冲），经放大器由电缆送到地面记录装置。岩石中自然放射性元素衰变放射出三种粒子，即α、β、γ射线。由于α、β射线的穿透能力弱，在未到达测量仪器之前就被吸收，因此仪器接收的放射性射线是γ射线。γ粒子打入计数管后便由计数管输出一个脉冲。射线强度与放射性元素每秒衰变次数有关，每衰变一次放出一定γ粒子。岩层中放射性元素越多，衰变放出γ射线强度越大，每分钟脉冲值越高（由于放射性元素衰变不稳定，故测得曲线呈锯齿状）。2．自然伽马测井曲线的应用自然伽马测井曲线可以配合其他测井资料或地质录井资料进行综合解释，确定岩层岩性。泥岩吸附放射性元素离子能力大，在自然伽马测井曲线上幅度值高；砂岩、碳酸盐岩、石膏等岩层在曲线上显示低幅度值；对于含泥质岩层，根据泥质含量多少，其在曲线上的幅度值介于上述两者之间，如图3-16所示。此外，曲线还可以判断岩层渗透性。从自然伽马测井曲线上比较容易选择区域性对比标准层，因此，当其他测井曲线难以进行地层对比时，可以用自然伽马曲线进行。另外，自然伽马测井可以在下套管的井中进行，因此广泛应用于工程技术测井，如跟踪定位射孔、找套管外窜槽等。（二）中子伽马测井中子伽马测井是一种人工的放射性测井法。它是用人工产生中子去“轰击”岩层，当中子与岩石中的矿物和岩石孔隙中流体的原子核碰撞后，中子损失了能量，最后被原子核俘获；原子核俘获中子以后，被激发成为激发状态的原子核，它由激发状态过渡到稳定状态时放出伽马射线。为了有别于自然伽马射线，将这种射线称为中子伽马射线或二次伽马射线。岩石性质不同，放出的二次伽马射线强度不同。中子伽马测井就是通过测量岩层原子核俘获中子后所放出的二次伽马射线的强度来研究钻井剖面的。图3-15　自然伽马测井装置1—放电计数管；2—放大器；3—高压电源；4—仪器外壳；5—地面记录装置图3-16　自然伽马曲线解释示例1．中子伽马测井装置中子伽马测井地面记录设备与自然伽马测井相同，井下仪器往往也与自然伽马测井仪合为一体，装置结构见图3-17：中子源是产生中子的装置；铅屏是消除干扰的装置，由于中子源在放出中子的同时，产生伽马射线，用铅屏可以消除伽马射线对中子伽马测井结果的干扰；计数管（3）是记录二次伽马射线的装置，由计数管中点到中子源的距离称为中子源距（L），一般L为60～70cm；计数管（4）是用来记录自然伽马射线的装置。2．中子伽马测井曲线的应用图3-17　中子伽马测井装置1—中子源；2—铅屏；3，4—计数管；5—地面记录装置1）判断岩性自然伽马测井曲线可以区分碎屑岩剖面中砂岩与泥岩地层。如果砂岩中也含有放射性元素，也会有较高的放射性强度，对于这种剖面仅用一条自然伽马测井曲线是很难区分的。此时可用中子伽马曲线与自然伽马曲线配合。对于含氢量较多的泥岩，中子伽马曲线呈低幅度，而砂岩呈现高幅度。2）判断油、气、水层在含高矿化度地层水的地区，地层水含大量氯化钠，水层中的氯含量远大于油层。在这种情况下，水层的中子伽马曲线显示高值，而油层为中等值，利用这个特点可划分油水界面。中子伽马测井判断气层更为有效，气层含氢量低于油水层，曲线上显示为高值。3）判断岩层孔隙度岩层孔隙中，在溶液性质一定的情况下，曲线幅度反映了岩层孔隙度的大小。七、声波时差测井声波时差测井是利用测定声波在地层中传播的速度，从而确定岩层特性和区分油、气、水层一种测井方法。（一）原理如图3-18所示，在井下仪器中装有一个声波发生器和两个接收装置，两个接收器与发生器之间的距离不同。声波发生器向地层发射一定频率的声波时，经地层传至接收器的初至波到达两个接收器的时间不相同，两者的时差为Δt（单位μs，1μs=10-6s），两个接收器一般相距0.5m，即Δt相当于声波在地层内通过0.5m所需的时间。随着仪器在井筒内上提，可以得到Δt沿井身的变化曲线。声波在岩石中传播速度随岩石密度的增加而加快。不同性质的岩石，其密度和结构不同，声波在岩石中的传播也速度不一样。因此，可以根据声波的传播速度来研究岩石特性。图3-18　声波时差测井原理图1—声波发生器；2—接收器1；3—接收器2（二）声波时差曲线的应用1．判断岩性岩石越致密，声波时差测井的Δt越小；岩石越疏松，孔隙度越大，Δt越大。2．区分油、气、水层声波在水中传播的速度大于在石油中传播的速度，而在石油中的传播速度大于在天然气中的传播速度，故孔隙中含有不同的流体可以从声波时差曲线上反映出来，对油气界面和气水界面划分尤为明显。八、井径测井在钻井过程中，由于钻井液、钻头和钻杆对地层的撞击等原因，使岩性不同的井段井径大小不一样。在地球物理资料解释和解决某些油气井技术问题时，需要了解沿井身井径的变化情况。（一）测量原理如图3-19所示，电阻式井径仪的仪器腿依靠弹簧的张力与井壁紧密接触，当井径改变时，仪器腿绕腿轴转动，使凸轮带动连杆上下移动，连杆与电位器滑动端相连接，可变电阻随井径改变而改变。图3-19　电阻式井径仪工作原理1—仪器腿；2—腿轴；3—凸轮；4—连杆；5—可变电阻（二）井径测井曲线的应用渗透性岩层井壁有泥饼，会使井径缩小；泥岩层、疏松岩层井壁易垮，井径变大；坚硬、致密层井径与钻头直径相近。因此可用井径曲线粗略判断钻穿地层的岩性。另外，可根据平均井径、套管直径及固井井段的长度，计算固井水泥用量。井径还可以作为地球物理测井曲线解释参考资料。

地球物理测井包括哪些方法？

油气田的地球物理法包括地球物理勘探和地球物理测井。地球物理勘探已在前一节中做了介绍，本节将介绍地球物理测井方法，简称测井。地球物理测井已广泛应用于石油地质勘探和油气田开发过程中。应用测井方法可以划分井筒地层剖面、确定岩层厚度和埋藏深度、进行区域地层对比，还可以探测和研究地层的主要矿物成分、裂缝、孔隙度、渗透率、油气饱和度、倾向、倾角、断层、构造特征、沉积环境与砂岩体的分布等参数，对于评价地层的储集能力、检测油气藏的开采情况、精细分析和研究油气层等具有重要的意义。目前，常用的测井方法主要有电法测井、声波测井和放射性测井等。一、电法测井不同岩石的导电性不同，岩石孔隙中所含各种流体的导电性也不同。利用该特点认识岩石性质的测井方法称为电法测井。电法测井包括自然电位测井、电阻率测井和感应测井等。1.自然电位测井1)基本原理自然电位测井是根据油井中存在着扩散吸附电位进行的。在打井钻穿岩层时，地层岩石孔隙中含有地层水。地层水中所含的一定浓度的盐类要向井筒内含盐量很低的钻井液中扩散。地层水所含的盐分以氯化钠为主，钠离子带正电，氯离子带负电。由于氯离子移动得快，大量进入井筒内钻井液中。致使井内正对着渗透层的那段钻井液带负电位，形成扩散电位。而这种电位差的大小与岩层的渗透性密切相关。地层渗透性好，进入钻井液里的氯离子就多，形成的负电位就高；地层渗透性差，氯离子进入钻井液里就少，形成的负电位就低。因此，含油渗透层在自然电位曲线上表现为负值，而不渗透的泥岩层等则显正值(图3-2)。图3-2　自然电位曲线2)测井方法自然电位测井装置如图3-3所示。将电极M放于井中，同时在地面放置另一电极N。两电极之间用电位差计连接起来，就可测得它们之间产生的电位差。若将井孔中的电极由下向上移动，则可测得一条与岩石及孔隙中液体有关的曲线。该曲线即为自然电位曲线。图3-3　自然电位测井3)自然电位曲线的主要用途自然电位测井是电法测井中必不可少的一项测井内容，自然电位曲线的主要用途有：(1) 判断岩性，确定渗透性层位；(2) 估算地层的泥质含量；(3) 判断水淹层位。2.电阻率测井1)基本原理各种物质的导电性可以用电阻率来表示。电阻率小的物质导电性好，电阻率大的物质导电性差。地下各种岩石的电阻率不同。即使岩石相同，若其孔隙中所含的流体不同，所含油、水、气的比例不同，其电阻率也不同。含油砂岩的电阻率高；含水砂岩的电阻率低。所以，测量电阻率的方法可以了解地下油层和岩石的性质。2)测井方法自然电位测井是在不供电的情况下进行的。但是，电阻率测井必须供电，造成人工电场，用以激发被测物质的导电特性，从而测量出激发物质中任意两点之间的电位差。如图3-4所示，设整个空间是均匀介质，A和B是供电电极，M和N是测量电极。测井时，当地面供电后，电流从A点流出来，流向四周的岩层和井眼钻井液中去，然后流回到B点。M、N两点之间的电位差由检流计测得。图3-4　视电阻率测井在均匀介质中，测量电阻率的计算公式为：式中K为井中电极A、M、N所组成的电极系的系数，其大小只与三个电极之间的距离有关。上式表明：均匀介质的电阻率与测量电极系的结构、供电大小(I)及测量电位差(ΔV)有关。当电极系的结构和供电大小一定时，均匀介质的电阻率与测量电位差成正比。因此，当把电极系沿着井眼移动时，检流计所记录的电位差的改变就反映了M、N所在地层的电阻率的变化。但在实际测井时，电极是放入了充满钻井液的井中。井筒周围是各种不同厚度、不同电阻率的地层。对于渗透性地层还有钻井液侵入，侵入带的电阻率往往不同于原地层的电阻率。在这种情况下，电流的分布是很复杂的，要从理论上得出电阻率的计算公式是很困难的。因此，我们从实测曲线上求出的地层电阻率有所失真，是近似值，称为视电阻率。这种曲线就叫做视电阻率曲线。地层的视电阻率不同于地层的真电阻率，但它们之间有一定的关系。一般来说，地层真电阻率越大，其视电阻率也越大。因而在井内测得的视电阻率曲线能反映井剖面的地层电阻率的相对变化，可用于研究井剖面的地质情况。各种地层的电阻率是不同的。石灰岩、白云岩的电阻率高，砂岩的电阻率中等，泥岩、页岩的电阻率很低。就是同一种地层，电阻率也会不同。这是因为地层中所含流体和导电矿物不同、其温度和压力等也是不同的，它们都会引起地层电阻率改变。如果砂岩中含盐水，电阻率就低；若含淡水，电阻率就高。石油的电阻率很高。在一个储集层中，若上部含油下部含地层水，则含油部分的含水饱和度低，电阻率高，而含水部分的含水饱和度高，电阻率低。根据该层的电阻率自下而上由低升高的位置，在油井下套管以前就能把油水分界面的位置确定出来，如图3-5所示。图3-5　视电阻率曲线3)视电阻率曲线的主要用途视电阻率曲线的主要用途有：(1) 研究储集层的渗透性、孔隙性和含油性；(2) 划分油层、气层和水层；(3) 进行地层对比；(4) 判断岩性。3.感应测井前面讨论的电阻率测井方法需要井内有导电的液体，因此只能用于导电性能较好的钻井液中。然而，在油田的勘探过程中，为了获得地层的原始含油饱和度，个别井中需要使用油基钻井液。这种情况下井内没有导电介质，不能使用直流电法测井。为此进行研究，产生了感应测井。感应测井不仅可以用于油基钻井液的井中，还可以用于淡水钻井液的井中，是中等和低电阻地层的主要测井方法。在一定条件下，感应测井比电阻率测井法优越，因此已被广泛应用。感应测井是利用电磁感应的原理来了解地层的导电性能。测量出的视电导率随井眼深度的变化曲线称为感应测井曲线。感应测井曲线的主要用途与电阻率测井曲线的主要用途相似。二、声波测井利用不同岩石对声波的吸收能力和传播速度的差异，研究井下岩层、油层、气层、水层以及检查固井质量的测井法称为声波测井。1. 岩石的声学性质与岩性的关系声波通过灰岩的速度快，通过砂岩的速度中等，而通过泥岩的速度小。岩石越致密，声波通过的速度越大。因此，储集层的孔隙度愈大，声速愈小；反之亦然。在砂泥岩地区，可用声速计算储集层的孔隙度。在储集层岩性和孔隙度相同的情况下，声速与储集层所含流体的性质有关，尤其是含气层，声速明显降低。此外，声速还与岩石结构有关。裂缝发育的岩石会造成声速明显降低。几种常见物质的声学特性见表3-3。几种常见物质的声学特征2.测量原理图3-6为声波时差测井原理图。当发声器发出一个声脉冲后，声波向四面传播。由于岩层比钻井液致密，井壁就成为声波的反射和折射面。声波传播到井壁时发生反射和折射。其中有一束折射波(又叫滑行波)沿井壁方向传播，并产生子波传到接收器，使之收到声波脉冲。在声波路径不变的情况下，通过这一路程的传播时间t与钻井液和岩石的声学特性有关。图3-6　声波时差测井原理图为了消除钻井液的影响，实际测井时常采用双接收器的仪器进行声波时差测井(图3-6)。当井径不变时，间距为Z的两个接收器收到的首波时间差Δt，就只与岩层的声学特性有关。因此，当测井仪沿着井眼由下往上移动时，就可测量出声波时差随井眼深度的变化曲线，该曲线称为声波时差测井曲线，其主要用途是：(1)判断和划分岩性；(2)确定储集层孔隙度和划分裂缝性渗透层；(3)划分油层、气层、水层；(4)检查固井质量。三、放射性测井放射性测井是根据岩石和介质的核物理性质研究钻井地质剖面、寻找油气藏以及研究油井工程问题的地球物理方法。根据探测射线的类型，放射性测井可分为两类，即探测伽马射线的伽马测井和探测中子的中子测井。1. 伽马测井伽马测井方法包括自然伽马测井、伽马—伽马测井和放射性同位素测井等方法。这里只介绍自然伽马测井。自然伽马测井是通过测量岩层的自然伽马射线的强度来认识岩层的一种放射性测井方法。自然伽马测井在井内所测得的伽马射线，是由岩层中自然存在的放射性元素的原子核在衰变过程中发射出来的。1)基本原理不同岩石中放射性元素的种类和含量不同。岩石的放射性元素含量与岩石的岩性及岩石形成过程中的物理化学条件有关。一般来说在三大岩类中火成岩的放射性最强，其次是变质岩，最弱的是沉积岩。由于泥质颗粒细，具有较大的比面，使得它吸附放射性元素的能力较大。而且因为沉积时间长，有充分时间使放射性元素从溶液中分离出来与泥质颗粒一起沉积下来，所以泥质、粘土的放射性较高。2)测量原理自然伽马测井的测量原理如图3-7所示。测量装置由井下仪器和地面仪器组成。井下仪器有探测器(闪烁计数器)、放大器、高压电源等几部分。自然伽马射线由岩层穿过钻井液及仪器外壳进入探测器。探测器将伽马射线转化为电脉冲信号，经过放大器把电脉冲放大后由电缆送到地面仪器。地面仪器把每分钟形成的电脉冲数转变成与其成比例的电位差进行记录。图3-7　自然伽马测井原理图1—高压电源；2—放大器；3—探测器；4—电缆；5—地面仪器井下仪器沿井身自下而上移动，就连续记录出井剖面上岩层的自然伽马强度曲线，该曲线称为自然伽马测井曲线。在油气田勘探和开发中，自然伽马测井曲线主要用于划分岩性、确定储集层的泥质含量以及进行地层对比。2. 中子测井中子测井是以中子源轰击岩石的测井方法的统称。根据源的不同，分成化学源和脉冲中子源。根据记录信息可划分为中子伽马测井、热中子测井、超热中子测井、脉冲中子测井、脉冲中子伽马能谱测井等。当中子源产生的中子(叫快中子)高速射入地层后，由于不断地与地层中各元素的原子核碰撞，其速度减慢、能量降低。当其能量降低到0.025eV时即成为热中子。热中子在地层中作热运动，最终被地层中的某些原子核俘获。所产生的新的原子核能放出伽马射线，此射线称为中子伽马射线，也称俘获伽马射线或次生伽马射线。地层中各种元素的原子核对中子的减速、俘获作用是不相同的。中子能量的损失是碰撞角度和靶核的相对质量的函数。下面以中子伽马测井为例介绍中子测井的基本原理。中子伽马测井是用仪器在井中测定中子伽马射线的强度。测井时用电缆把仪器放到井底，在向上提升仪器的同时进行测量。装在下井仪器下部的中子源向周围地层发射快中子。记录中子伽马射线的装置距离中子源约50～60cm(叫源距)，两者用铅屏蔽隔开。记录的射线强度转变成电脉冲后由电缆送到地面仪器。地面仪器把脉冲信号转变成与计数率成正比的电位差，再由照相记录仪记录成随深度变化的测井曲线。中子伽马探测器在单位时间内测得的伽马射线数与地层中热中子的密度成正比。快中子与氢的原子核碰撞时损失的能量最多。当地层中氢含量大时，中子源发射出的快中子在中子源附近很快就变成热中子了，很快被地层吸收。只有很少一部分能达到探测器，因此中子伽马测井计数率就低；当地层中含氢少时，快中子能量衰减慢，在离中子源比较远的地方(即探测器附近)，多数中子才变成热中子，被俘获后放出的伽马射线多，则中子伽马测井计数率高。因此，中子伽马测井能够反映出地层的含氢量。如果储集层岩石的骨架不含氢，地层岩石的含氢量就为孔隙空间的含氢量。若地层的孔隙空间饱含水或油，那么水或油的体积就是地层的孔隙体积，岩石的含氢量就只取决于孔隙度。因此，可以用中子伽马测井曲线来计算孔隙度。四、测井资料的综合解释要正确应用测井数据、曲线等资料解决地质问题，必须对其进行综合解释。一方面要对各种测井方法本身进行综合解释。这是因为每一种测井方法都是从某一种物理性质上间接反映地层的情况，而地层情况是千变万化的。因此，为了全面了解油气层的性质，人们通常在同一口井中用几种以至几十种不同的方法进行测量和综合分析。图3-8是应用5种测井方法测得的曲线来划分油层、气层、水层的。自然电位曲线上反映的油层、气层、水层的幅度值都较其他岩层高，据此可首先找到将油层、气层、水层。但是哪一层是油层、哪一层是水层、哪一层是气层？由于油层、气层、水层的自然电位接近，只根据自然电位曲线不能分析判别出来。然而在声波和中子伽马曲线上，气层的值比油层、水层的值都高，据此即可把气层和油层、水层分开。再利用油层比水层电阻率高的性质，通过视电阻率测井曲线把油层和水层分开。图3-8　判断油气水层的测井资料综合解释另一方面要对测井以外的资料(如该井的钻井、地质和工程资料等)进行综合分析和解释，搞清楚油层、气层和水层的岩性、储油物性(孔隙度和渗透率)、含油性(含油饱和度、含气饱和度或含水饱和度)等。思　考　题1. 什么叫油气田？什么叫含油气盆地？2. 区域勘探和工业勘探分别可划分为哪两个阶段？3. 地球物理勘探法主要包括哪些方法？简述各种方法的基本原理。4. 地球化学勘探法的主要原理是什么？具体包括哪些方法？5. 地质录井包括哪些方法？6. 地球物理测井主要包括哪些方法？分别主要有哪些用途？7. 简述声波测井的基本原理。

什么是地球物理测量技术？

是指运用先进的仪器测量地球某些物理性质的变化，从而得出海底以下的地质构造和矿产分布的一种测量技术。在海上，使用最广的物探方法有地震勘探、重力测量、磁力测量和热量测量等。重力的变化能反映地质或地理位置的变化。
重力测量在海洋矿产资源勘探、天然地震预报和地震灾害预测、卫星空间轨道设计及轨道预报方面都有重要意义。其设备如德国产的KSS25和KSS230型海洋重力仪，其中KSS25型属于杠杆型重力仪，KSS230型属于弹簧垂直荷载型重力仪。
海洋磁力测量是勘测水域磁场的分布和随时间的变化或发现异常磁场。目前海洋磁力勘探主要用核子旋进磁力仪，其中美国森尼维尔大地测量公司G801海洋质子核子旋进式磁力仪应用较多。
海底热力测量不仅可以发现地热资源，而且可以应用其得到的海底地热资料详细考察海底地壳、地幔、板块构造及热过程（如岩浆侵入、热液环流）。海洋有源电磁探测系统测量可以直接测定地壳内熔融物质的存在和温度及岩石的孔隙度，用于热液或岩浆活动的海洋扩张中心的地质作用过程的调查和研究。几十年来，我国先后研制和生产了重力仪、结构核子旋进式磁力仪、质子磁力梯度仪及多种地质取样设备，在国际海洋地质调查和地球物理勘探中发挥了重要作用，尤其是海洋石油地球物理勘探技术和资源综合评价方面已基本达到国际先进水平，并在地震勘探作业方面具备了国际市场的竞争能力。
20世纪80年代以来随着科学的发展，许多新技术包括三维勘探、高分辨率勘探、子波处理和波动理论等反演技术，也逐渐被应用在测量技术上，使信号质量、信息的准确性、分辨能力和穿透力等方面都有了明显的提高，也使得物探技术有了较大的进展。近年来，人们还研究海底声学特征和沉积物理特征之间的直接联系，并通过声速、声吸收、声反射率与海底沉积物类型、颗粒度和孔隙度的关系，建立起海底地质声学模型，从而为判断和分类海底地质结构提供定量分析的依据。其中精密回声测深仪、深浅地层剖面仪、旁侧声呐先进仪器的应用最为广泛。我国在水声技术研制方面也取得重大进展，现已研制成功具有世界先进水平的唯一可在2米浅海作业的高分辨率浅地层剖面仪和彩色双频率垂直鱼探仪，还有走航式声字多普勒海流剖面仪，这些技术广泛应用在海洋科学研究、海洋资源勘探和开发以及军事活动等各个领域。