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常用井下物理測井方法介紹

1.視電阻率測井

(1)視電阻率測井原理

在實際測井中,巖層電阻率受圍巖電阻率、鉆井液電阻率和鉆井液沖洗帶電阻率的影響。地下地球物理勘探測得的電阻率並不是巖層的真實電阻率,稱為視電阻率。視電阻率測井主要包括三部分:供電線路、測量線路和井下電極系統,如圖4-6所示。

圖4-6視電阻率測井示意圖

將電源電極(A,B)和測量電極(M,N)組成的電極系統A,M,N或M,A,B放入井中,將另壹個電極(B或N)放入地面泥漿池中。當電極系統從井底移動到井口時,電流由供電電極A和B提供,在地層中產生壹個人工電場。電位差δδUMN是通過測量電極m和n來測量的,m點和n點之間的電位差直接由它所在的巖石層的電阻率決定。巖層的電阻率越高,測得的電位差就越大。地層電阻率越低,測得的電位差就越小。電位差的變化反映了不同地層電阻率的變化。視電阻率測井實際上是對電位差的連續測量,視電阻率可以通過計算得到。

(2)視電阻率曲線形狀

視電阻率曲線的形狀與電極系統的分類有關。當井下測量電極系為A、M、N時,稱為側向裝置;當井下測量電極系為M、A、B A、B時,稱為電位電極系。電源電極到電極系統記錄點的距離稱為電極距離,常用的有2.5m側向裝置和0.5m電位電極系統。橫向器件按成對電極系(AB或MN)和不成對電極系(AM或MA)的位置分為頂橫向器件和底橫向器件。

在實際測井中,底部側向裝置曲線的形狀如圖4-7所示。頂部橫向器件曲線的形狀正好相反。

電位電極系統的曲線形狀如圖4-8所示。曲線沿高阻層中心對稱,其中A代表異常振幅,A/2稱為半振幅點,巖層上下界面對應半振幅點位置。

圖4-7底部側向裝置視電阻率曲線形狀

圖4-8電位電極系統視電阻率測井曲線形態

(3)視電阻率測井的應用

1)來確定巖性。壹般純泥巖電阻率低,砂巖略高,碳酸鹽巖相當高,巖漿巖最高。根據視電阻率曲線的幅度,可以判斷地下地層的巖性。然而,當巖石中含有高礦化度地下水時,其相應的視電阻率相應降低。由於影響視電阻率的因素很多,曲線有多解性,所以要結合巖屑、巖心等測井資料綜合判斷。

2)地層劃分。在實際應用中,用底側器件曲線的最大值劃分高阻層底界面,用最小值劃分高阻層頂界面,僅用視電阻率曲線劃分頂界面往往存在壹定誤差,應結合其他曲線進行劃分。利用視電阻率曲線確定高電阻率地層的界面較為準確,但對於低電阻率地層則不太準確。

2.自然電位測井

(1)自然電位測井原理

地層中存在三種自然電位,即擴散吸附電位、過濾電位和氧化還原電位。擴散吸附電位主要發生在地熱和油氣井中,是我們的主要測量對象;過濾潛力很小,經常被忽略;氧化還原電位主要產生於金屬礦山,這裏不做研究。

砂巖儲層中的地熱井通常含有高鹽度的地熱流體。地熱流體和鉆井液都含有氯化鈉(NaCl)。地熱流體與鉆井液直接接觸時,由於砂巖地層水中的正離子(Na+)和負離子(Cl-)擴散到井液中,Cl-(18℃時65×105cm/s)的運移速度高於Na+ (18℃)。這樣,聚集在砂巖段井筒兩側的不同電荷(帶正電荷的砂巖和帶負電荷的鉆井液)就形成了電位差。

與砂巖相鄰的泥巖中所含地層水的成分和濃度壹般與砂巖相同,泥巖中濃度較高的地層水也向井內鉆井液中擴散。但由於泥質顆粒對負離子的選擇性吸附,壹部分氯離子被泥巖表面吸附,在井壁上帶負電,更多的Na+會出現在井壁的鉆井液側,帶正電。這樣,聚集在泥巖段壁兩側的不同電荷(帶負電荷的泥巖和帶正電荷的鉆井液)就形成了電位差。

由於正負電荷的吸引,由於地層巖性不同,帶電離子發生聚集,在兩種不同濃度溶液的接觸點(井壁)附近形成自然電位差(圖4-9)。用壹套儀器測量不同剖面的自然電位差,就可以研究地下地層的性質。

(2)自然電位曲線的形狀

在滲透性砂巖地層中,如果巖性均勻,自然電位曲線的形狀與地層的中點對稱。異常幅度等於井中自然電流的電位降。壹般由異常振幅的半振幅點確定地層的頂底界面,如圖4-9所示。

圖4-9井內自然電位分布及自然電位曲線形狀

(3)自然電位測井的應用

A.分割可滲透層

自然電位曲線異常是滲透性地層的顯著特征。當地層水礦化度大於鉆井液礦化度時(地熱水常有這種情況),透水層自然電位曲線為負異常,而泥巖層自然電位曲線為正異常。當地層水的鹽度小於鉆井液的鹽度時,情況正好相反。

壹般以泥巖的自然電位為基線來劃分透水層。砂巖中泥質含量越少,自然電位振幅越大,滲透率越好。砂巖中泥質含量越多,自然電位幅度越小,滲透率越差。

壹般用半振幅點來確定地層之間的界線。但當地層厚度H小於自然電位曲線振幅Am時,從1/3振幅點開始計數;當地層厚度h≥自然電位曲線振幅為5Am時,從上下拐點算起。

B.劃分地層巖性

巖石的吸附和擴散與巖石的成分、結構、膠結物成分和含量密切相關,因此可以根據自然電位曲線的變化來劃分地層巖性。如果砂巖的巖性顆粒變細,泥質含量越多,自然電位幅度越低,可分為泥巖、砂巖和泥質砂巖。

3.感應測井

(1)感應測井原理

感應測井是壹種研究地層電導率的測井方法。井下部分主要測井儀器有:發射線圈、接收線圈和電子電路,如圖4-10所示。在井下儀器中,當振蕩器向發射線圈輸出固定的高頻電流(I)時,發射線圈將在井場周圍的地層中形成交變電磁場。在交變電磁場的作用下,地層中會產生感應電流(I),感應電流會在地層中形成二次電磁場(或稱二次電磁場)。在二次電磁場的作用下,接收線圈會產生感應電動勢,地面記錄儀會記錄下感應電動勢的信號,這就變成了感應測井。

圖4-10感應測井示意圖

(2)感應測井曲線形狀

由於感應電流與地層電導率成正比,地層電導率大,感應測井曲線幅度高;地層電導率小,感應測井曲線幅度低。

(3)感應測井的應用

A.確定巖性

結合其他曲線,可以區分砂巖、泥巖、泥質砂巖、砂質泥巖等巖性。劃分厚度大於2m的地層,根據半振幅點確定其界面;對於厚度小於2m的地層,用半幅點分層比較麻煩,所以實際中往往不使用感應曲線。

註意感應曲線上寫的是電導率,單位是毫歐/米(mω/m)。它的倒數是以歐姆米(ω m)為單位的視電阻率。

b .判斷含水儲層,劃分界面。

感應測井曲線對地層電阻率響應極其敏感。由於電阻率的變化導致電導率的變化,水層的電導率明顯增大,界面往往在曲線的突變處。

4.橫向測井

(1)側向測井原理

橫向測井是視電阻率法的壹種。不同的是,它的電極系統在主電極系統之外還有壹對屏蔽電極,其作用是使主電流匯聚成水平層狀電流(也稱聚焦測井),大大降低了鉆井液、沖洗帶和圍巖的影響,可以解決普通電極測井無法解決的問題,如在碳酸鹽巖地層、鹽水鉆井液和薄層交互剖面中提高解釋效果。

側向測井包括三分支、六分支、七分支、八分支和微分支。下面只介紹常用的七側、八側、雙側和微側。

(2)七次橫向測井

1)七邊測井是壹種聚焦測井方法,在主電極兩端有兩個屏蔽電極,屏蔽電極使主電流以薄層形式徑向擠入地層。此時井軸方向沒有電流流動,七邊測井曲線就是記錄恒定的主電流全部擠入地層時所用的電壓值。當地層電阻率大時,主電流不易被擠入地層,所以使用的電壓大;反之,當地層電阻率較小時,主電流容易擠入地層,所用電壓較小。在測井曲線上,對應高阻層,曲線有較高的視電阻率;對應於低電阻率層,曲線具有較低的視電阻率。

2)七條側向測井曲線的應用

七側向測井曲線的特點是面向高阻層,曲線形狀是中心對稱的,曲線上有兩個“尖峰”。解釋時,將地層中點的視電阻率作為高阻層的視電阻率值,突變點作為地層的邊界,如圖4-11所示。

七側向測井可分為深側向測井和淺側向測井。深側向可以反映深部地層的電阻率;淺側向可以反映井壁附近地層的電阻率變化。對於熱儲層,它只反映沖洗帶附近鉆井液電阻率的變化。根據七種側向測井的特點,將它們結合起來可以很好地劃分地層所含流體的性質。此外,可以獲得地層的真實電阻率。七側向測井常用於孔隙地層測井。

圖4-11七側錄井曲線形態圖

(3)八側向測井

八側向測井是側向測井的壹種,其原理與七側向測井相同。實際上它是壹個探測深度很淺的七側向測井,但電極系的大小和供電回路的電極接近電極系,所以看起來像壹個有八個電極的電極系,所以命名為八側向測井。八個側向探測深度為0.35米,應用地層電阻率範圍為0 ~ 100ω·m,泥漿電阻率大於0 ~ 100ω·m·m(魏光建,2004)。由於八個側向探測深度較淺,垂向分層能力較強。它是研究侵入帶電阻率的壹種方法,通常不單獨使用,而是與感應測井結合使用,稱為雙感應-八側向測井,是目前地下地球物理測井的主要測井項目。

④雙側向測井

雙側電極系統結構:由七個環形電極和兩個柱狀電極組成。

雙面檢測深度:雙面方向的檢測深度由屏蔽電極A1和A2的長度決定。屏蔽電極在雙面方向上分為兩段,通過控制每段的電壓來增加檢測深度。由於側向測井中屏蔽電極加長,測得的視電阻率主要反映原狀地層的電阻率;淺側向測井的探測深度小於深側向測井,主要反映侵入帶的電阻率。

雙側向垂直分層能力:與O1和O2的距離有關,可分為H > O1和O2的地層電阻率變化。

雙向影響因素:層厚和圍巖對深、淺雙向的影響相同,受鉆孔影響較小。

雙側向測井資料的應用;

1)劃分地質剖面:兩側分層能力強,視電阻率曲線在不同巖性的地層剖面上顯示清晰,壹般在曲線上明顯顯示層厚H > 0.4m的低電阻率泥巖和高電阻率致密層。

2)深淺側向視電阻率曲線重疊,可以快速、直觀地判斷油(氣)水層。

由於橫向探測深度較深,深淺測向受井眼的影響程度相當,因此可以利用油(氣)層和水層視電阻率曲線的幅度差直接判斷。在油(氣)層,曲線具有正的振幅差;在水層中,曲線具有負的振幅差。鉆井液侵入時間過長,會影響正負異常差異。因此,鉆至目的層時,應及時進行測井,減少泥漿濾液侵入深度,增加雙側曲線差異。

3)確定地層電阻率。

根據在深、淺分支測得的視電阻率,在同樣的三個分支中用同樣的方法可以得到真電阻率Rt和侵入帶直徑Di。

4)計算地層含水飽和度。

5)裂縫參數的估計。

(5)微觀橫向測井

微側向裝置是在微電極系統中增加聚焦裝置,使主電流聚焦成垂直於井壁的電流束,電流束垂直穿過泥餅,在泥餅厚度不大時可以忽略,測得的視電阻率接近沖洗帶的真電阻率。

由於主電流束的直徑很小(只有4.4厘米),微側向測井的縱向分辨率很強。因此,微側向測井曲線可用於劃分巖性、薄夾層和厚度為5cm的致密層,常用於碳酸鹽巖地層測井。

5.聲波時差測井

(1)聲波時差測井原理

聲波時差測井原理如圖4-12所示。井下儀器中有壹個聲波發射器和兩個接收器。當聲波發射器向地層發射壹定頻率的聲波時,由於兩個接收裝置與發射器之間的距離不同,初至波(初至波)的初至時間也不同。第壹個接收器首先接收第壹個中斷,而第二個接收器僅在第壹個接收器的第壹個中斷達到δt時間之後才接收第壹個中斷。δ t的大小只與巖石的聲速有關,與泥漿的影響無關。通常,兩個接收器之間的距離是0.5m。在測量時,儀器已經自動加倍了δ t,因此δ t相當於穿過1m所需的時間。這個時間也叫聲波時差,單位是μs/m (1s=106μs)。聲波時差的倒數就是聲波速度。

圖4-12聲波時差測井示意圖

(2)聲波時差測井的應用

A.判斷巖性

巖石越致密,孔隙度越小,聲波時差越小;巖石越疏松,孔隙度越大,聲波時差越大。因此,可以通過聲波時差曲線判斷巖性,從泥巖、砂巖到碳酸鹽巖聲波時差逐漸減小(泥巖為252 ~ 948μs/m;砂巖300 ~ 440μs/m;碳酸鹽巖125 ~ 141 μ s/m)。

B.劃分油、氣、水層

當巖石中含有不同的流體時,由於流體密度的不同,聲波在不同流體中的傳播速度也不同。因此,在其他條件相同的情況下,沈積地層中的流體性質也會影響聲波時差,如淡水的聲波時差為620μs/m,鹽水為608μs/m,石油為757 ~ 985 μ s/m,甲烷氣為2260 μ s/m,同樣,巖石中有機質的含量也會影響聲波的速度。壹般來說,頁巖中有機質含量越高,聲波時差越大(,常,2003)。

在實際應用中,氣層聲波時差較大,曲線具有周跳特征。油層和氣層聲波時差曲線的特征是油層小,氣層大,逐級增大;水層和氣層聲波時差曲線表現為水層小氣層大,也是階梯式增加。但水層壹般比油層小10% ~ 20%,如圖4-13所示。

C.劃分滲透性地層

當聲波通過破碎帶或破碎帶時,聲波能量被強烈吸收,大大衰減,使得聲波時差急劇增大。根據這壹特征,可以在聲波時差曲線上劃分滲透性地層。

D.沈積地層的孔隙度和不整合面研究

在正常埋藏和壓實條件下,沈積地層中孔隙度的對數與其深度呈線性關系,聲波時差的對數也與其深度呈線性關系。隨著埋深的增加,孔隙度減小,聲波時差也減小。對於同壹口井相同巖性的連續沈積地層,呈現為具有壹定斜率的直線。但有些井的聲波時差對數與其深度的曲線不是簡單的直線,而是折線或交錯線段,可能是不整合面或異常層序界面。

圖4-13聲波時差測井曲線的應用

6.自然伽馬測井

(1)自然伽馬測井原理

在自然界中,不同的巖石含有不同的放射性。壹般來說,巖石的泥質含量越高,放射性越強,泥質含量越低,放射性越弱。它的輻射強度是伽馬射線中最高的。

在自然伽馬測井中,井下儀器中有壹個伽馬閃爍計數器,它把接收到的巖層自然伽馬射線變成電脈沖,通過電纜傳輸到地面儀器的放射性面板上,變成電位差,示波器把電位差記錄成自然伽馬曲線。巖層自然伽馬強度以脈沖/分鐘表示,如圖4-14所示。

圖4-14自然伽馬測井裝置及曲線形態圖

h——巖層厚度;D0—孔徑

(2)自然伽馬曲線形狀

1)自然伽馬曲線對稱於地層厚度的中點;

2)當地層厚度大於3倍井徑時,自然伽馬曲線的最大值為常數,地層界面由半幅點確定;

3)當地層厚度小於3倍井徑時,自然伽馬曲線的幅度變小;小於0.5倍井眼直徑時,曲線不明顯彎曲;地層越薄,分層邊界越靠近峰端,如圖4-14所示。

(3)自然伽馬測井的應用

A.巖性劃分

在砂泥巖剖面中,泥巖和頁巖的自然伽馬曲線幅度最高,砂巖最低,粉砂巖和泥質砂巖介於砂巖和泥巖之間,曲線幅度隨巖層泥質含量的增加而增大(見圖4-15)。

在碳酸鹽巖剖面中,泥巖和頁巖的自然伽馬曲線值最高,純灰巖和白雲巖最低。而泥質灰巖和泥質白雲巖介於兩者之間,自然伽馬值隨泥質含量的增加而增加。

圖4-15應用自然伽馬和中子伽馬曲線區分巖性

b .判斷巖層的滲透性

根據自然伽馬曲線的幅度,可以判斷泥質膠結砂巖的滲透率,也可以間接判斷碳酸鹽巖裂縫的發育程度,劃分裂縫段。

c、進行地層對比。

由於自然伽馬曲線不受巖石地層中井眼、鉆井液和流體性質等因素的影響,因此可用於測井曲線難以對比的其他地層的地層對比。

d、跟蹤定位射孔

由於自然伽馬測井不受套管和水泥環的影響,在下套管後的射孔作業中,將下套管的自然伽馬測井曲線與裸眼測井曲線進行對比,確定跟蹤射孔層位。

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