在井下看油气藏-石油地球物理测井.pdf

在井下看油气藏在井下看油气藏------------ ---- 石油地球物理测井石油地球物理测井 一、综一、综 合合 篇篇 1. 什么是地球物理测井 2. 为什么需要地球物理测井 3.石油井中的地层是什么样子 4．探测油气层的遥控遥测装置测井仪器系统 5． 探头井下的测井仪器 6．我国地球物理测井学科的发展概况 二、电法测井篇二、电法测井篇 1． 岩石的导电性能 2．什么是电阻法测井 3．侧向测井系列 4．感应测井系列 5．什么是三分量感应测井 6．电磁波传播测井 7．井下照相机全井眼地层微电阻率扫描成像测井 8．套管井电阻率测井 9． 自然电位测井 10． 激发极化电位测井 11．“眼睛长在钻头上”随钻测井 三、声波测井篇三、声波测井篇 前言 1. 声音是什么 2．声音是怎样传播的 3．超声波在井下有什么用处 4．井下岩石能发出哪些声音地声探密和声波测井 5．声波测井有哪些方法，能解决哪些问题 6．听取井下的声音声波测井的最基本问题 7．怎样在井下发出声音井下的单极子和偶极子声学探头 8．井下的听诊器声波测井的仪器是什么样子 9．声系在井下发射和接收声波信号 10．纵波和横波，井下岩石的声速测量 11．在井下测量记录的纵波和横波信息有哪些作用 12．井下声波电视测井 13．噪声测井听听油气井发出的声音 14．怎样检查工业血管的“动脉硬化”套管和油管技术状况的检查 15．声波在岩石中能走多远 四、核测井四、核测井 放射性测井放射性测井 篇篇 前言 1．透视千米岩层探索核奥秘的神奇眼睛 2． 射线眼睛看不见的光 3． 射线能谱仪能看得见 射线的“眼睛” 4．岩石的自然放射性是识别岩性的指路灯 5．自然伽马能谱测井 6．散射 密度计（岩性密度测井） 7．中子源打开地下宝库的核武器 8．用中子流与地层对话 9．中子探测器能看见中子的“眼睛” 10．中子测井 11．脉冲中子源在地层中能激发出哪些 射线 12．热中子在地层中的平均寿命有多长中子寿命测井 13．为什么说稀土元素是中子测井的新亮点 14．地层中的原子核能发射广播信号吗 15．如何用核磁共振方法区分孔隙中的油、气、水 五、生产测井篇五、生产测井篇 前言 1．温度测井给油层测“体温” 2．压力测井给油层“把脉” 3．流量测井测量油层的“产量” 4．如何识别井内流体的性质流体识别测井 5．怎样给井下流体流动成像流动成像测井 6．如何给油井进行“体检”井身状况检测 7．怎样测试油层生产性质电缆地层测试 六、测井信息的综合分析六、测井信息的综合分析 前言 1．怎样确定油层的深度和厚度 2．怎样综合应用测井信息划分油、气、水层 3．划分裂缝性油气藏的实例 4．研究地下构造的先进武器地层倾角测井 5．如何确定地下油气藏的分布形态油藏描述 6．打开地层中油气流入井内的通道油井射孔 162 石油地球物理测井石油地球物理测井石油地球物理测井 石油地球物理测井 一、综一、综 合合 篇篇 1. 1. 1. 1. 什么是地球物理测井什么是地球物理测井 井下地层是由各类岩石组成， 不同的岩石具有不同的物理化学性质， 为了研究各类岩石 的物理性质及井下地层是否含有石油天然气和其他有用矿产， 建立了一门实用性很强的边缘 学科地球物理测井学，简称“测井”，它以地质学、物理学、数学为理论基础，采用计算机 信息技术、电子技术及传感器技术，设计出专门的测井仪器，沿着井身进行测量，得出地层 的各种物理、化学性质、地层结构及井身几何特性等各种信息，为石油天然气勘探、油气田 开发提供重要数据和资料。测井的井场作业如图所示，由测井地面仪器、绞车和电缆组成， 通过电缆把下井仪器放到井底，在提升电缆过程中进行测量。地球物理测井包括以下方法 （1）电法测井，如视电阻率测井、侧向测井、感应测井、阵列感应测井等，能在各种 井眼条件下测量地层电阻率； （2）电磁波传播测井，测量岩石介电常数，利用地层电阻率和介电常数能准确地划分 出油气层； （3）地层倾角测井，确定井下地层的产状和构造； （4）全井眼地层微电阻率扫描成像测井，能研究地层结构、层理及裂缝等，并能给出 井壁成像； （5）声波测井，如声速测井、阵列声波测井、偶极声波成像测井等，可用于确定地层 孔隙度、渗透率、裂缝及机械特性等。井下声波电视可提供井壁图像，是成像测井系列的重 要方法之一； （6）核测井（放射性测井） ，自然伽马测井用于测量岩石的自然放射性，自然伽马能谱 测井可确定岩石中铀、钍、钾的含量。用伽马射线源照射地层可确定地层的岩性和密度，称 为岩性密度测井。 用中子源照射地层可研究地层的中子特性， 包括中子测井、 中子寿命测井 、 碳氧比测井、 中子活化测井等， 用于确定井下地层的岩性、 孔隙度及含油饱和度， 是划分油 、 气、水层的重要方法； （7）近年来又兴起一种新的测井方法核磁测井，能测量地层孔隙度、束缚水及可动 油饱和度； （8）热测井，测量井下地层温度； （9）在油井生产过程中能测量各地层的油气产量，这类方法统称生产测井。 地球物理测井已成为勘探地下油气藏、煤田及其他有用矿产的重要方法，在能源、矿产资源 建设中起着重要作用。 2. 2. 2. 2. 为什么需要地球物理测井为什么需要地球物理测井 石油和天然气埋藏于数千米的地下， 为了找到和开采石油和天然气， 就要钻勘探井和开 发井。在钻井过程中需及时了解井身是垂直的还是倾斜的（井斜） ，如果是倾斜的，要测出 是向哪个方向倾斜（方位） ，还要测量井眼直径的大小（井径） 。在钻大斜度井和水平井时， 要及时控制钻井方向和位置， 以保证在有前景的目的层中钻进， 就需要工程测井和随钻测井 163 提供有关信息，指导钻进过程。在钻完井后，要用一系列地球物理测井（简称测井）方法对 井下地层进行测量，确定地层是水平的还是倾斜的（产状） ，是由何种岩石构成，并且划分 出含石油天然气地层和含水地层， 提供含石油天然气地层的准确深度和厚度， 地层储存油气 空间（孔隙度●1）的大小，含油气的多寡（含油饱和度●2） ，以及石油天然气是否能开采出 来（渗透率的大小） ，为计算石油天然气储量和油气田开发设计提供可靠依据。下完套管和 固井后，要检查水泥胶结质量，如果水泥胶结质量好，要进行射孔，用射孔枪把油气层部位 的套管、水泥环和地层射穿，为石油天然气流入井内提供通道，水泥胶结质量好坏与油气层 部位的确定也都要由地球物理测井来完成。 在采油过程中要测量各层的油气产量， 并监视井 下地层还剩有多少石油天然气，注水效果等，需进行生产测井。总之从一口井开钻起，到油 层枯竭，油井报废为止，都要进行地球物理测井，地球物理测井是油气勘探和油田开发全过 程中最可靠的监测方法，也可以说不进行地球物理测井就无法勘探和开发石油天然气。 3. 3. 3. 3. 石油井中的地层是什么样子石油井中的地层是什么样子 钻井穿过地层后，井下地层会是什么样子呢对于一些松软致密地层，如泥岩等，由于 钻井液浸泡，井壁垮塌，井眼扩大（井径明显大于钻头直径） ，根据井径测井曲线，可划分 出泥岩层。这类非渗透性地层，通常不会是油气层。但对一些孔隙性和渗透性地层，要进行 仔细研究。所谓孔隙性岩石，是指岩石中有互相连通的孔隙空间，孔隙空间的大小用孔隙度 表示。渗透性岩石是指在一定压差下流体能在孔隙中运动，渗透性愈好表示流动性愈好。如 果孔隙中储存有油气，那么渗透性好的岩石中比较容易开采出石油。对于渗透性、孔隙性岩 石，在钻井过程中，为了防止井喷，一般情况下井内钻井液柱的压力大于地层压力，具有一 定的压差，钻井液中的水分（称为钻井液滤液）会侵入到地层中。钻井液滤液将地层中的原 生流体驱走，在井壁附近的地层中钻井液滤液会将原生流体全部替换，孔隙中 100含有钻 井液滤液，这一区域称为“冲洗带”。随着离井壁的距离增大，钻井液滤液含量逐渐减少，原 生流体含量逐渐增大，直到钻井液滤液含量变为零，到达 100含有原生流体的地层的原始 状态原状地层。从钻井液滤液含量开始变化到其含量为零的区域叫作“过渡带”，冲洗带和 过渡带统称侵入带。对于好的储集层，多形成侵入带，它是寻找油气层的重要标志，但同时 给测井带来更复杂的问题。为了探测出冲洗带、过渡带和原状地层的电阻率，要用具有深、 中、浅探测深度的组合测井和阵列测井，将在以后条目中介绍。 164 4 4 4 4 ．探测油气层的遥控遥测装置．探测油气层的遥控遥测装置 测井仪器系统测井仪器系统 在日常生活中，当医生为患者诊断疑难病时，为了确诊，会针对患者病情使用现代医学 仪器对患者进行各种检查，诸如心电图、Ｂ超、Ｘ射线、核磁共振等，这些仪器是利用人体 器官的电、声、核、核磁等物理性质检查人体器官的病变。在寻找石油和天然气时，由于含 油气地层的电、声、核、核磁等物理性质也不同于不含油气的地层，因此，在石油勘探中， 需要在几千米的井中测量所有地层的电、声、核、核磁等物理性质，以确定哪些深度的地层 含有油气。 把测量上述各种物理性质的仪器组合在一起， 并以地面的计算机为中心按照一定 的时序对地层的各种物理信息进行采集、传输、处理和快速解释，并在测量过程中实时地对 下井仪器进行控制。这就是现代的石油测井仪器系统。 测井仪器的发展和各行各业的测试技术一样， 随着科学技术的进步从简单到复杂。 最早 的测井仪器就是一个大的万用表， 将测量电极延伸至井下， 测量地层的电阻进而换算成电阻 率。随着测井学科的发展，从单一的电测井到包括电、声、核、核磁的各类测井，使下井仪 器多样化。更由于材料工业、电子技术、计算机技术和信息技术的飞速发展，使测井仪器从 单一的单参数测量发展到对多参数大量信息进行采集、传输到处理、解释，并经历了从模拟 记录、数字记录、数字控制到今天的成像测井系统，实时地自动展现井下地层各种物理参数 的二维图像。 测井仪器系统由三部分组成下井仪器、地面仪器和连接两者的电缆。下井仪器包括电 测井仪、声测井仪、核测井仪、核磁测井仪以及测量井内温度、井孔直径的井温仪和井径仪 等。 每种下井仪器都装有对被测物理参数敏感的传感器和对被测信号进行放大、 处理的电子 器件。地面仪器则由主机和前端机以及绘图仪、打印机、显示器等构成，某些测井系统还增 添了同时进行资料解释和绘图的工控机。前端机控制各类数据通道（模拟道、数字道、脉冲 道、遥测道等）实现对下井仪器所发送数据的实时采集，主机完成对整个系统的控制和数据 处理，并将测量结果以曲线或图像形式显示、打印出来。主机和前端机之间的数据和命令通 讯通过总线或以太网实现。计算机间形成局域网共享打印机、绘图仪、文件、数据等硬件资 源。 测井时， 根据油气田的地质特点选择需要测量的物理参数， 将相应的下井仪器挂接在电 缆末端放入几千米深的井中。当电缆以均匀速度上提时，操作人员操作计算机,启动测井系 统程序,按时序发出命令，通过电缆传送给井下仪器，控制井下仪器的工作流程。井下仪器 测得的数据经放大、简单处理和编码后，按帧通过电缆发送到地面。地面计算机系统对数据 进行一系列处理后， 输出按深度变化的测井曲线或图像， 有经验的测井工程师可根据曲线或 图像的变化初步确定哪些深度的地层含有油气。 对于地质特征复杂的地层或是对含油气地层 要做量的计算，则须把测量得到的所有数据送计算中心做进一步的处理、分析和地质解释。 5 5 5 5 ．． 探头探头 井下的测井仪器井下的测井仪器 油气层埋藏在地下几千米深， 如果人们具有古代神话传说中的千里眼， 就可以毫不费力 的探寻宝藏， 尽管千里眼是人们良好的愿望， 但科学的发展使我们可以将复杂的电子仪器下 放到为探寻油气层所钻的井中，这就是寻找油气层的“千里眼”测井下井仪器。当地层含有 油气时，它的电、声、核和核磁等物理性质就不同于其他地层。我们将测量电阻率或介电常 数、 测量声波传播速度或衰减、 测量放射性射线能谱和测量核磁共振特性的仪器用电缆下放 到几千米深的井中，当电缆上提时，在地面仪器命令的控制下，自动测量地层相应的物理特 性。 由于钻探井的直径一般仅 15～20 厘米， 且井内充满钻井液， 更由于井深和井内的温度、 165 压力都很高。因此，下井仪器都制作成细长形状，在狭窄的空间内放置对所测物理参数敏感 的传感器和其他电子线路，其钢外壳要承受高温、高压，连接处和导线引出处要密封绝缘不 受钻井液浸入。下井仪器测量的物理参数，如电阻率大小、声波传播时间的长短、核测井计 数率等，其输出信号有的是模拟信号，有的是数字信号，还有脉冲信号，因此，在将各种信 号通过电缆发送前必须进行统一处理。为此，每支下井仪器都设置井下仪器接口，将测量的 物理参数和仪器工作状态转换为数字信号储存于接口中以备发送。 为了完成地面计算机和下井仪器之间的信息交换， 电缆的地面端接地面遥测模块， 井下 一端接井下遥测短节。地面遥测模块和地面仪器前端机进行数据通信,实现测井的实时采集 和传递地面计算机的控制命令；井下遥测短节传递命令实现各下井仪器的数据发送。 测井过程中， 地面遥测模块不时地将前端机的命令调制后通过电缆送井下遥测短节， 井 下遥测短节将接收到的地面命令，如控制电压、电流、进行信息采集等，解调后控制各下井 仪器的工作。在进行信息实时采集时，各井下仪器在接到命令后，将按顺序地把接口的待传 数字信号送井下遥测短节，并在这里对各种信号按帧进行编码，然后，通过电缆逐帧发送到 地面， 经遥测模块送前端机。 前端机和主机进行数据交换， 主机对所测数据进行处理和 （或 ） 快速解释后，打印输出测井数据或通过绘图仪输出地层物理参数的二维图像。 6 6 6 6 ．我国地球物理测井学科的发展概况．我国地球物理测井学科的发展概况 我国地球物理测井开始于 20 世纪 30 年代末。1939 年 12 月，我国著名地球物理学家翁 文波在四川石油沟 1 号井中测量记录了井下的自然电位和地层的电阻率， 并据此划分了气层 的位置，这是我国现代测井事业的开端。之后，翁文波和赵仁寿在玉门油矿的十几口井中进 行过电法测井。1947 年刘永年在玉门建立了我国第一个专门进行地球物理测井的作业站， 1949 年春，王曰才接替调离的刘永年担任地球物理测井站的站长， 1949 年 9 月 25日，王曰 才和工友们一起迎接玉门油矿的解放。 新中国诞生后王曰才和测井站的同志们改造组装了原 来的设备，后来又接收和使用原苏联进口的测井设备，为玉门油矿的发展做出了贡献。但是 当时从事测井工作的专家并没有系统地接受过地球物理测井的专业教育， 都是从学物理、 采 矿等行业改行来的。新中国成立以后，全国开始了大规模的经济建设，地质勘探是经济建设 的先行行业，地球物理测井又是地质勘探中的新兴学科，急需能从事野外工作的人才，便在 当时的中等专业学校北京石油地质学校设置了测井专业， 培养了野外急需的地球物理测井 小队的专业技术人员。但这满足不了教学、科学研究等多方面的需要，因此 19521953 年在 北京陆续组建了北京地质学院、北京矿业学院、北京石油学院，即现在的中国地质大学、中 国矿业大学、中国石油大学（北京及华东）的前身。首先在 1953 年 10 月 1 日成立的北京 石油学院的地质系开设地球物理测井课程 （1954年 ） ，1955 年由我国现代测井事业的奠基人 之一王曰才先生负责组建了我国最早的地球物理测井专业。 由于西方国家和旧中国的高等学 校没有类似的专业， 因此专业设置是按照当时苏联高等学校的地球物理测井专业的模式筹建 的。第一期学生是从北京地质学院 1953 年入学的学生转学过来的，专业及专业教研室的名 称，俄文是“Промысловая геофизика”,原意是“工业（或经济）地球物理”，王曰才将其翻译 定名为“矿场地球物理”，这是在我国高等学校中最早设立的地球物理测井专业。1957 年夏 天第一批毕业生走上工作岗位，到 1965 年， 共有 8 个年级 20 个班的近 600 名大学生从矿场 地球物理专业毕业， 这些新中国培养的第一代地球物理测井的高等技术人才在我国地球物理 测井和地质勘探事业的发展中起了重要作用。 此后于 1961 年组建的东北石油学院（现名大庆石油学院）及后来组建的西南石油学院 （在四川南充） 、西安石油学院和江汉石油学院（现名长江大学,由原北京石油地质学校迁往 湖北江陵后组建）都设置了地球物理测井专业，此外隶属于地质部的北京地质学院、长春地 166 质学院也设立了地球物理测井专业。除1965 年以前毕业的几百名大学生外，1977 年高等学 校恢复招生以后的 20 多年里，这些院校培养了数千名地球物理测井的专业人才，不仅充实 了我国的地球物理测井专业队伍， 还有相当一部分人走向世界， 成为国外地球物理服务公司 或石油公司的从业人员。 我国地球物理测井专业研究生的培养开始于 1955 年，由当时援助我国建设的苏联专家 格亚车列明斯基（原苏联列宁格勒矿业学院教授）在北京石油学院指导 3 名研究生。我国 自己培养地球物理测井专业的研究生是从 1960 年开始的，当时由我国测井界前辈赵仁寿教 授和王曰才教授指导 5 名研究生。但当时研究生教育在我国还不普及和正规。1980 年以后， 我国开始在高等院校实行硕士和博士研究生培养制度。 原来的北京石油学院改名后的中国石 油大学（北京及华东）以及地质系统的中国地质大学、长春地质学院、石油和地质系统的科 研院所等都积极培养研究生。到 2000 年止已有几十名博士研究生和几百名硕士研究生完成 了学位论文，毕业后走上了教学、科研和生产岗位，还有近 10 名获得博士学位的人员完成 了博士后研究。 随着我国能源事业的高速发展， 地球物理测井学科将会迎来更大的发展机遇 。 二、电法测井篇二、电法测井篇 1 1 1 1 ．． 岩石的导电性能岩石的导电性能 在实验室中对不同类型的岩石进行测量， 发现它们的导电能力是不一样的， 一般用电阻 率表征物体的导电性能。由电学知识可知，任何物体的电阻 r 与其长度（l）成正比，与截 面积（S）成反比，用下式表示 rRl/S 式中，R 为比例系数，又称为电阻率。 假设物体的长度l1米,截面积S1平方米， 电阻r的单位是欧姆， 上式可写为rRl/1,Rr 欧姆米，由此可见，电阻率 R 相当于单位体积物体的电阻，单位是欧姆米。对于岩石来说， 岩石的电阻率决定于其成分和结构，与其几何形状无关。实验室测量结果表明，火成岩的电 阻率高，沉积岩的电阻率低，不同岩石和矿物的电阻率如表中所示。 167 不同岩石的电阻率是不一样的，因此可以根据测出的电阻率来区分岩石，判断岩性。同 样，当砂岩地层中含石油时，由于石油的电阻率很高，含油砂岩地层的电阻率也高；但当砂 岩地层含水时，由于水中含有盐分，有导电离子，导电性能好，所以含水砂岩地层的电阻率 低。据此可以划分含油地层和含水地层。在石油天然气勘探与开发过程中，测量井下地层的 电阻率是寻找石油天然气层的重要手段， 现今已研究出适合于不同地质条件下探测地层电阻 率的多种测井方法，如视电阻率测井、侧向测井、感应测井等，统称为电法测井，将在后面 予以介绍。 2．什么是电阻法测井 众所周知，电缆的缆芯都是用铜做的，因为铜的导电性能好，电阻率很低（1.7210-8 欧 姆米） ，而电缆的外皮多用橡胶和塑料等材料制成，这些材料基本上不导电，称为绝缘体。 对于地下岩层中不同类型的岩石，其导电能力也不相同，如含盐水的砂岩，导电性能好，电 阻率低；石油不导电，因此砂岩中含石油时导电性能差，电阻率高。花岗岩结构致密坚硬， 所含矿物多不导电，其电阻率很高。如果能测出地下岩层的电阻率，就可判别地下岩层是由 什么岩石构成，其中是否含石油和天然气或者含有地层水。20 世纪 20 年代发明了电阻法测 井，其原理类似于实验室用的万用表，它把一个供电电极 A 和两个测量电极 M、N 用电缆 放到井下，A、M、N 称为电极系，另一个供电电极 B 放在井口，由电极 A、B 供电，用电 极 M、N（类似于万用表的表笔）测量，对着不同的岩层，因导电能力不同，电场分布不一 样，电极 M、N 测得的电位值也不一样。通过一定的转换关系，即可得出地层的电阻率， 测出沿井深变化的电阻率曲线。根据电阻率曲线的变化，划分不同类型的岩层，确定其厚度 168 和深度，判别出含石油和天然气层。如我国玉门老君庙油田的“K”、“L”、“M”油层在电阻率 曲线上显示三个尖峰， 因此只要在这个井段上找出电阻率曲线上的三个尖峰， 就能确定这三 个油层。由于地下的地质情况很复杂，用简单的 A、M、N 电极系难以得出准确的岩层电阻 率，为此又研究出一系列的电阻法测井，如侧向测井和感应测井等系列，将在以后的条目中 介绍。 3 3 3 3 ．侧向测井系列．侧向测井系列 在有些地区或在海上钻井时，钻井所用的钻井液含盐量高，导电性能好，尤其井周围是 高电阻率地层时，用普通电极系测井，供电电极发射的电流，由于井的分流作用，主要经井 内钻井液流向回路电极，测量的结果明显低于地层的电阻率，不反映地层的真实情况，会把 含油气地层漏掉,给勘探工作带来较大损失。为了解决这个问题，研究出侧向测井，侧向测 井的原理很简单， 它利用电学中空间任何两点的电位相等时， 它们之间不会有电流流动的原 理，设计出三电极侧向测井电极系，由三个圆柱状电极构成，主电极为 A0，屏蔽电极为 A1、 A2。A0 发射出测量电流 I0，A1、A2 发射出屏蔽电流 I1，I0 与 I1 极性相同，由于电极表面 为等位面,因此电流线皆垂直于电极表面向外发射，测量过程中自动调节 I1 的大小，以保持 A0、A1 及 A2 电极的电位相等，在 A1、A2 电极的屏蔽作用下，I0 不会沿井轴流动，而是 垂直于井轴方向呈圆盘状流入地层， 消除或减弱井眼中导电钻井液和上下围岩的影响， 测出 的结果等于或近似于地层的电阻率，能够较准确地划分出油、气、水层。 4 4 4 4 ．感应测井系列．感应测井系列 有时为了获取井下地层的原始含油饱和度资料，用油基钻井液钻井;为了不破坏井下地 层的渗透率，有时采用空气钻井；这时井中没有导电介质，不能传导电流，为了解决这个问 题，发明了感应测井。众所周知，在一个线圈中通以交流电，线圈周围会形成交变电磁场， 如果交变电磁场中有导体存在，在导体中会产生感应电流，这就是电磁感应原理。根据这个 原理，研制了感应测井仪，感应测井仪包括发射线圈 T 和接收线圈 R，线圈间保持一定的距 离。当发射线圈 T 通以交流电时，在井周围的地层中产生感应电流，称为涡流，当发射线 圈 T 中的交流电恒定时，地层中的涡流强度与地层电导率成正比。地层中的涡流在接收线 圈 T 产生感应电流，感应电流的大小与地层电导率有关，通过一定的刻度，即可测出地层 的电导率σ（R1/σ，R 为电阻率） 。现在常用双感应测井仪进行测井，它有两组较复杂的发 射和接收线圈系，具有深、浅两种探测深度，能测出井壁附近钻井液侵入带和原状地层的电 169 阻率。为了测出地层径向电阻率的详细变化，研制了阵列感应成像测井仪，它有一组发射线 圈和八组接收线圈，具有五种探测深度，能较准确地测出地层径向电阻率的变化，与孔隙度 测井配合，得出地层径向含油饱和度的变化，可用图像显示，阵列感应是成像测井系列的重 要方法之一。感应测井系列是勘探石油和天然气的重要手段。 5 5 5 5 ．什么是三分量感应测井．什么是三分量感应测井 一些片状岩石， 垂直于层理面的电阻率大于平行于层理的电阻率， 即岩石的电阻率具有 方向性，称为各向异性。在油气勘探工作中，常遇到砂岩泥岩薄交互层组产出石油和天然 气，含有石油的薄砂岩层电阻率高，泥岩的电阻率低，砂岩泥岩薄交互层组具有宏观各向 异性，用侧向测井和感应测井得出的电阻率主要受泥岩影响，测出的电阻率值较低，常常把 170 这类含油气层漏掉。为了解决这一难题，研制出三分量感应测井仪。该仪器采用三组互相垂 直的发射接收线圈系结构，水平发射线圈（磁偶矩平行于井轴）产生的感应电流沿地层方 向流动，主要受低电阻率泥岩的影响，其响应相当于水平电阻率；两组垂直发射线圈（磁偶 极矩垂直于井轴） 产生的感应电流沿垂直和平行于地层的方向流动， 其响应相当于水平电阻 率和垂向电阻率的平均贡献。三组接收线圈测量出 X、Y、Z 三个方向感应电流的信号，经 计算处理得出水平电阻率 Rh 和垂向电阻率 Rv，当Rv 大于 Rh 时，砂岩泥岩薄交互层中的 砂岩层可能是油气层；对于一般性的地层，当 Rv 不等于 Rh 时，它是各向异性岩石，其电 阻率有方向性。 三分量感应测井仪可与其他测井仪器进行组合测量， 大斜度井和水平井中均 可应用。在中东地区，用这种方法在划分砂岩泥岩薄交互层，判断各向异性岩石等方面， 均得到良好效果。这种新型感应测井仪拓宽了应用领域，是研究各向异性地层、划分砂岩 泥岩薄交互层的重要方法，进一步提高了油气勘探工作效率。 6 6 6 6 ．电磁波传播测井．电磁波传播测井 在石油天然气勘探中常常会遇到含淡水的地层， 淡水层和油气层都显示高电阻率， 难以 区分；有时也会遇到低电阻率的油气层，其电阻率与含盐水地层的电阻率相近，也会产生混 淆，把油气层错划为水层；因此难以用地层电阻率解决这类问题。在实验室中对油、气、水 及岩石样品进行介电特性的测量，发现水的介电常数为 70～81，石油的介电常数为 2～2.4， 天然气的介电常数近似于1。 各种岩石的介电常数为4～9.2， 其中砂岩为4.65， 石灰岩为7.5～ 9.2，白云岩为 6.9。在岩石孔隙度相同的条件下，含水岩石的介电常数明显大于含油气岩石 的介电常数， 只要能测量出井下地层的介电常数， 就可以把含水地层与含油气地层区分开来 。 为了测量井下地层的介电常数，研制出电磁波传播测井仪，该仪器采用背腔式缝隙天线，天 线装在一合金极板上，用液压推靠方式，使极板紧贴井壁，天线排列如图所示，上下为发射 天线 T1 和 T2，中间为接收天线 R1 和 R2，天线间的距离为 T18R14R28T2，发射天线 T1 和 T2 交替发射频率为 1.1G 赫兹的信号，电磁波穿过地层后，由接收天线 R1 和 R2 测量出 电磁波穿过地层的传播时间 tpl 和幅度衰减值，经换算即可得出地层的介电常数，据此即可 划分油、气、水层。这种方法在划分油、气、水层和研究冲洗带特性及裂缝性地层方面均可 171 获得较好的效果。 7 7 7 7 ．井下照相机．井下照相机 全井眼地层微电阻率扫描成像测井全井眼地层微电阻率扫描成像测井 石油井深达数千米，地下温度超过 100℃，压力也很高，井内充满洗井液，井下情况较 为复杂， 如何才能了解井下地层情况为此发明了地层微电阻率扫描测井仪。 这种方法的原 理很简单，当向地层发射电流时，在电压一定的情况下，遇有高电阻地层电流强度小；遇有 低电阻地层时电流强度大；通过测量电流强度的变化，即可得出地层电阻率的变化。现在已 发展到全井眼地层微电阻率扫描成像测井，它有 8 个极板，每个极板上装有两排电极，每排 12 个电极，共有 192 个电极，这些电极与井壁 80的面积相接触，因此在井周 360 度范围 内对每一深度处进行微电阻率扫描测量，根据测得的数据，经处理后得出井壁展开图，显示 出地层的结构、岩性、裂缝及断裂等。根据全井眼地层微电阻率扫描成像测井图，可准确描 述井下地层情况，如在四川地区，用这种成像方法准确地划分出裂缝发育层段，找出含气地 层。在新疆地区，用全井眼地层微电阻率扫描成像测井划分出砾岩层、火山岩层，取得很好 的地质效果。如今全井眼地层微电阻率扫描成像测井在陆地和海洋的关键井中成为必测项 目，是石油工作者了解地下情况的“眼睛”。 172 8 8 8 8 ．套管井电阻率测井．套管井电阻率测井 在油田的生产井中为了保护井壁， 便于产出油气都要在井内放入钢质套管。 金属套管是 导电的， 在套管内还能用电测井测量管外地层的电阻率吗初看起来是不行的， 因为发射的 电流都被钢套管短路了。然而，理论和实践证明，在一定条件下，是可以在金属套管井中进 行电测井的。 早在 20 世纪 30 年代科学家就提出了设想， 由于当时技术条件的限制未能实现 。 而在今天，由于科学技术的发展，已经研制出了这样的仪器并已开始商用。 从原理上讲， 套管井中的电测井采用定点测量， 让仪器的供电电极和测量电极与套管内 壁保持良好的滑动接触。在地面，在远离井的地方放置供电电流的回路电极 B。只要电源频 率选择足够低（一般在 1 赫兹左右） ，提供的电流足够大（一般在 1安培以上） ，虽然绝大部 分电流沿套管流动，但少量的电流会沿套管漏失，穿过管外地层流向地面回路电极 B。只要 在每个深度点上，测出漏入地层的电流ΔI 和该点套管与地面 G 电极间的电位，就可以计算 该深度点附近的地层电阻率。实际测量分两步进行首先将电流送入电极 A，经套管流向电 极 F，形成回路，只要 A 电极与 F 电极间的距离 LAF 小于 6 米，可以认为电流只沿套管流 动，不会漏入地层，因此电极 C、D 之间的电位差ΔUCD 与电极 D、E 之间的电位差ΔUDE 相等，放大器 H 的输出为零。然后将电源的一端与地面电极 B 相接，仍经 A 电极供电，此 时大部分电流经套管返回电极 B，仅有少量电流经地层流向回路电极 B，这时电极 C、D 之 间的电位差ΔUCD 与电极 D、E 之间电位差ΔUDE 不再相等，放大器 H 有信号输出，信号的 大小相当于经 C、D、E 电极间流入地层的总电流ΔI，同时测出电极 J 与接地电极 G 之间的 电位差ΔUJD，经换算可得出套管外地层的电阻率。 由于穿过套管进入地层的电流很少，因此，在电极Ｃ、Ｄ间或电极Ｄ、Ｅ间，电压降信 号只有纳伏级（10-9 伏特） ，属微弱信号检测。要在井下高温、高压环境，噪声电平高的情 况下检测如此小的电平是困难的。 既然技术如此之难， 各服务公司为何要相继投入巨资进行 研发这是因为在油田开发过程中，地层的含油、气状况在不断改变，需要通过套管中测井 来监测油藏动态， 而套管井中电阻率测井是计算储层油气饱和度、 了解开发过程中油气分布 变化的重要手段。此外，还可以找到在油田勘探初期由于技术水平不高而漏失掉的油气层。 173 174 9 9 9 9 ．． 自然电位测井自然电位测井 早期的测井是将电极系放到井下， 在供电电极供给电流时， 地面用电位计观察测量电极 间电位差的变化。然而，在供电电极停止供电后，当提升电极跨过地层界面时，仍然观察到 电位计指针的变化。于是，发现了自然电位测井。 生活中，当我们信步在绿草花丛中，会闻到阵阵花香；当我们穿行于茶市酒楼间，会飘 来茶香酒香，这都是气体分子在空气中的扩散。同样，液体中也会发生扩散，把墨水滴入水 中，颜色范围就会逐渐扩大，即使同一种液体，由于浓度不同也会发生高浓度向低浓度的扩 散。 从化学实验中知道，当浓度不同的氯化钠盐水用渗透性膜隔开时，会发生扩散，即高浓 度盐水的离子穿过渗透膜移向低浓度。然而，钠离子和氯离子的迁移率是不同的，氯离子的 迁移率大于钠离子。于是，在渗透膜的低浓度一侧负离子增多，呈现负电荷；而高浓度一侧 正离子增多，呈现正电荷。此时，若把连接电位计的两个电极分别放到高浓度和低浓度溶液 中，则可观察到电位计指针的变化，这种由于扩散作用产生的自然电位称扩散电动势。 油气井中， 砂岩地层孔隙中通常饱含盐水， 其氯化钠浓度常常高于井内钻井液的盐浓度 ， 因此，在正对砂岩地层处，井壁钻井液一侧呈现负电荷，而砂岩地层呈现正电荷。 由于离子扩散而引起自然电位只是产生自然电位的一种原因，由于吸附、压差、氧化还 原等原因也会引起自然电位。在石油勘探中，主要是扩散、吸附产生的自然电位。 在上述诸多原因的作用下，井内自然电位的分布如图所示。泥岩层的自然电位为“正”，砂岩 层的自然电位为“负”。如果以泥岩的自然电位为基线，则砂岩的自然电位向负偏，且砂岩的 渗透性愈好，其自然电位相对泥岩愈“负”。由于油、气、水都是贮藏在孔隙性好、渗透性好 的砂岩中， 因此用自然电位测井曲线找出渗透性地层， 然后再配合其他测井曲线分辨油、气 、 水层。 175 101010 10 ．． 激发极化电位测井激发极化电位测井 俗话说“一把钥匙开一把锁”，在石油勘探、开发中，油气藏的地质情况和储层参数是多 种多样的，在开发过程中更是千变万化，要用测井资料对油气层做出正确的评价，必须选用 合适、可行的测井方法，就像医生看病一样“对症下药”。 在油田开发过程中， 由于压力递减采用注水驱油， 而注入水不同于原来地层孔隙中饱含 的盐水，常常是淡水。因此，注水开发过程中，储层饱和的水是原来的地层水和注入水（淡 水）的混合液。混合液的电阻率在开发过程中是变化的，求准混合液电阻率就成为判断油、 水层的关键问题。于是发展了激发极化电位测井。 砂岩地层由矿物颗粒和颗粒间的孔隙构成，孔隙中含有盐水。砂岩颗粒是不导电的，而 通过盐离子进行导电。由于矿物颗粒大小不一，颗粒间的孔隙也是大小不一，孔隙间有的连 通， 有的不连通， 连通的喉道也常常是弯曲的。 当外加电场后， 盐水中的正离子向负极迁移 ， 负离子向正极迁移， 由于喉道的弯曲和大小不一， 致使正离子和负离子的迁移会像公路上堵 车一样，在某些喉道处发生聚集，形成局部的电场，称为浓差极化，即由于正、负离子浓度 变化产生的极化电位。当外加电场去掉后，局部聚集的正、负离子又会通过扩散恢复到原来 的分布。 此外，当砂岩含黏土矿物时，由于黏土矿物的特殊性质，其表面带负电，它会吸附盐水 中的正离子，因此在黏土表面形成双电层，达到电平衡，正离子在黏土表面有紧密层（固定 吸附）和扩散层之分。外加电场后，扩散层的正离子会发生迁移，破坏双电层的电平衡，使 双电层畸变产生局部电场，称双电层极化。外加电场去掉后，双电层又恢复到平衡态，极化 消失。 上述靠外加电场产生的极化电位，称激发极化电位。当外加电场去掉后会逐渐消失，极 化电位的大小以及随时间的变化主要与地层水的盐浓度等因素有关，即和地层水电阻率有 关。在油田开发过程中，通过激发极化电位测井可以比较准确地求准混合液电阻率，从而增 大用测井资料判断油、水层的准确性。 测量激发极化电位的方法是对井下电极供给方形脉冲电流， 在通电期间激发地层产生极 化电位，在断电的某一时刻测量极化电位大小，并计算极化率。激发极化电位和自然电位同 时测量可以扩大应用范围。 111111 11 ．．“ “ “ “ 眼睛长在钻头上眼睛长在钻头上””” ” 随钻测井随钻测井 在油气田勘探、开发过程中，钻井之后必须进行测井，以便了解地层的含油气情况。但 是，测井资料的获取总是在钻井完工之后，用电缆将仪器放入井中进行测量，然而，在某些 情况下，如井的斜度超过 65 度的大斜度井甚至水平井，用电缆很难将仪器放下去；此外， 井壁状况不好易发生坍塌或堵塞也难取得测井资料。 由于钻井过程中要用钻井液循环， 带出 钻碎的岩屑，钻井液滤液总要侵入地层。因此，钻完之后再测井，地层的各种参数与刚钻开 地层时有所差别。于是人们在想，如果把测井仪器放在钻头上，让钻头长上“眼睛”，一边钻 进一边就获取地层的各种资料，这就是随钻测井。这样不仅对任何状况的井，特别是水平井 可以进行测井， 而且利用测得的钻井参数和地层参数及时调整钻头轨迹， 使之沿目的层方向 钻进。由于随钻测井获得的地层参数是刚钻开的地层参数，它最接近地层的原始状态，用于 对复杂地层的含油、气评价比一般电缆测井更有利。 随钻测井仪器放在钻铤内，除测量电阻率、声速、中子孔隙度、密度等常规测井和某些 成像测井外，还测量钻压、扭矩、转速、环空压力等钻井参数。由于钻头钻进过程中环境恶 劣，温度很高，压力极大，振动强烈，因此，随钻测井仪器的可靠性至今仍是商家最为重