石油工程教材测井部分.docx

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石油工程教材测井部分

第二章测井

测井，也叫地球物理测井或石油测井，简称测井，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，测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法（包括重、磁、电、震、测井）之一。

石油钻井时，在钻到设计井深深度后都必须进行测井，又称完井电测，以获得各种石油地质及工程技术资料，作为完井和开发油田的原始资料。

这种测井习惯上称为裸眼测井。

而在油井下完套管后所进行的二系列测井，习惯上称为生产测井或开发测井。

其发展大体经历了模拟测井、数字测井、数控测井、成像测井四个阶段。

测井能够测量的一些性质有：

1）岩石的电子密度（岩石重量的函数）；

2）岩石的声波传播时间（岩石的压缩技术的函数）；

3）井眼不同距离处岩石的电阻率（岩石含水量的函数）；

4）中子吸收率（岩石含氢量的函数）；

5）岩石或井液界面的自然电位（在岩石或井眼中水的函数）；

6）在岩石中钻的井眼大小；

7）井眼中流体流量与密度；

8）与岩石或井眼环境有关的其它性质。

第一节测井基本原理

一、测井工作原理

测井就是对井下地层及井的技术状况进行测量，其工作原理就是利用不同的下井仪器沿井身连续测量地质剖面上各种岩石的地球物理参数，如电阻率、声波传播速度、原子核特性等，以电信号的形式通过电缆传送到地面仪器并按照相应的深度进行记录。

下图为简单的测井现场作业示意图。

二、测井所用的设备

井场测井作业需用如下设备：

（1）地面仪器：

以计算机为核心，凭借着所加载的各种程序的控制，完成各种不同的测井作业。

如对测量信号的处理、记录、显示、质量控制以及对现场测井资料的井场快速处理和解释。

（2）下井仪器：

用来测量地层的各种物理参数。

（3）电缆：

测井过程中起传输及信道作用。

（4）动力系统：

为输送下井仪器提供动力,目前测井动力系统通常为液压绞车。

（5）深度系统：

有深度传送和深度信号处理等部分组成，以提供井下测量信号的准确深度。

（6）供电系统：

为地面系统和井下仪器提供电源，目前常用的测井供电系统有车载发电机及井场外引电源。

（7）工程车：

安放仪器、工具、备件等。

（8）辅助设备：

包括井口设备及仪器托盘、仪器架、源罐或源车、防爆箱、各种刻度器和专用工具等。

三、测井方法的分类

由于各种测井方法基本上是间接地、有条件地反映岩层地质特性的某一侧面。

要全面认识地下地质面貌，发现和评价油气层，就需要综合使用多种测井方法，其中电、声、核测井是三种基本方法。

一般来说，地层不同的物理特性需依据不同的方法和测量原理进行测量，按照测量原理的不同，石油测井常见的测井方法可分为以下几类：

1、电法测井：

根据油（气）层、煤层或其他探测目标与周围介质在电性上的差异，采用下井装置沿钻孔剖面记录岩层的电阻率、电导率、介电常数及自然电位的变化。

电法测井包括以下几种：

（1）电阻率测井：

使用简单的下井装置（电极系）探测岩层电阻率，以研究岩层的电性特征。

由于影响因素较多，其测量结果称为视电阻率。

电阻率测井按其电极系的组合及排列方式不同，又分为梯度电极系测井及电位电极系测井。

（2）微电极测井：

在电阻率测井的基础上发展了微电极测井。

它用于测量靠近井壁附近很小一部分泥饼和冲洗带地层的电阻率，能较准确地指示泥饼的存在及划分渗透性地层，能区分储集层中的薄夹层（非渗透层）以及准确地确定地层厚度。

（3）侧向测井：

是一种聚焦电阻率测井方法，主要用于高电阻、薄地层及盐水泥浆测井。

根据同性相斥的原理，在供电电极的上方和下方装有聚焦电极，用聚焦电流控制主电流路径，使它只沿侧向流入地层。

由于侧向测井电极系结构不同，聚焦电流对主电流的屏蔽作用大小不同，因而它们具有不同的径向探测深度。

（4）感应测井是一种探测地层电导率的测井方法。

该方法根据电磁感应原理，测量地层中涡流的次生电磁场在接收线圈中产生的感应电动势，以确定地层的电导率。

它是淡水泥浆和油基泥浆井有效的一种测井方法。

同时它特别适用于低电阻率岩层的探测，包括离子导电的含高矿化度地层水的油（气）、水层和电子导电的金属矿层。

（5）介电测井：

是探测岩石介电常数的一种测井方法。

由于水的介电常数远远大于油（气）和造岩矿物的介电常数，所以它可用于判断油日开发中出现的水淹层，并提供估计油层残余油饱和度及含水量多少的可能性。

（6）自然电位测井：

沿钻孔剖面测量移动电极与地面地极之间的自然电场。

自然电位通常是由于地层水和泥浆滤液之间的离子扩散作用及岩层对离子的吸附作用M产生的。

因此，自然电位曲线可用来指示渗透层，确定地层界面、地层水矿化度以及泥质含量。

在油（气）井中，它与电阻率测井组合，可以划分油（气）、水层并进行地层对比等。

2、声波测井：

利用岩石的声波传播特性研究钻孔剖面岩层地质特征和井下工程隋况。

声波测井按其探测目的不同，可分为声速测井和声幅测井两类。

常用的声波测井方法有：

声速测井（纵波速度和横波速违度）、声幅测井、声波变密度测井（或称微地震测井）、声波电视测井等。

（1）声速测井：

记录声波沿井壁各地层滑行时经过某一长度所需要的时间，主要用于确定岩性、孔隙度和指示气层。

它与密度测井进行综合解释，可以确定地层声阻抗和灰层的灰分，同时还可以合成垂直地震剖面。

（2）声幅测井：

测量声波初至波前半周幅度的衰减。

分为裸眼井声幅测井和固井声幅测井。

裸眼声幅测井主要用来寻找钻孔剖面上的裂缝带；固井声幅测井主要用于检查固井质量及确定水泥返回高度。

（3）声波变密度测井：

是一种全波波形测井。

在套管井中，能检查套管与水泥环和水泥环与地层胶结程度的好坏，也是检查固井质量的有效方法之一。

在裸眼，它用于确定岩石的横波速度，计算岩石弹性参数（柏松比，杨氏模量、切变模量等），对于评价煤层的强度特别有用。

（4）声波电视测井：

利用超声波的传播与反射，来反映井壁物体形象的测井方法。

主要用途是：

拍摄井下套管的照片，以检查套管射孔后的质量及套管的工程问题；在裸眼井内拍摄井下碳酸盐岩层和煤层的井壁照片，以确定岩层裂缝及溶洞的形状。

3、核测井，测量井剖面岩石的天然放射性射线的强度，或测量经过放射性源照射后，岩石所产生的次生放射性射线强度，用以发现放射性矿藏，确定岩石成分，计算岩石物性参数，判断气层。

核测井主要有以下几种：

（1）中子测井：

当中子源释放出的快中子同介质原子核发生碰撞时，就会失掉自己的部分能量，减低速度并最后变成热中子。

由于氢原子核与中子的质量基本相等，中子在含有大量氢的含水层和含油层里最容易被减速。

因此，通过测量中子的计数率可以反映孔隙度的大小。

根据测量的中子能量的大小可以分为热中子和超热中子测井。

目前的三孔隙度测井中的补偿中子测井就属于该类。

（2）中子寿命测井：

测量热中子被地层俘获所需要的时间。

可以利用它来区分油水层、划分油、气、水的界面。

（3）中子伽马能谱测井：

快中子非弹性散射伽马能谱测井、中子俘获伽马能谱测井、中子活化伽马能谱测井。

主要用于判别地层中碳氧原子含量的差异，进而判断含油、水量的大小。

（4）中子活化测井：

是中子活化分析技术在测井中的应用。

主要用于寻找铜、镍矿体并确定其含量。

在石油领域主要用于识别岩性、确定泥质含量。

（5）伽马-伽马密度测井：

即常说的密度测井，测量岩层密度。

（6）自然伽马测井：

测量沿井孔的天然放射性、划分岩性。

（7）核磁测井：

利用原子核的核磁共振效应，氢核的核磁共振效应最明显，也是核磁测井的研究对象。

核磁测井能够直接划分储集层，并确定它们的自由流体指数，进而确定地下可采的石油储量。

核磁测井还能确定地层的有效孔隙度、地层流体类型和含量、地层水电祖率和岩性等多种参数。

核磁测井是迄今为止唯一能够直接获取地层渗透率的测井方法。

4、其他测井，包括井温测井、地层测试、井径测井、气测井等。

四、测井系列及服务内容

1.勘探测井（完井测井）

通常将在钻井过程中和钻至设计井深后所进行的一系列测井项目叫勘探测井，勘探测井项目繁多，目前各油田应用最普遍的测井项目有三孔隙度、三电阻率及部分辅助测井项目，限于缆芯数目及井下安全考虑通常组成几个测井仪器串系列分别进行测量。

但在允许的条件下，利用脉冲编码调制器，可以将多个测井仪器串组合起来，形成“大满贯”或“小满贯”下井，从而减少下井次数，提高测井时效。

下面介绍各油田常见的几个测井系列及测井内容：

（1）电极与微电极井径测井系列：

由电极系与微电极井径组合仪组合而成。

提供地层长短电极视电阻率、自然电位、微电阻率及井眼井径测井资料。

（2）声感测井系列：

由自然伽马、补偿声波、双感应八侧向或双感应球形聚焦测井仪组合而成。

提供地层自然伽马强度、声波纵波时差、深中浅三电阻率、自然电位测井资料。

（3）侧向测井系列：

由自然伽马、脉冲编码调制器、双侧向、微球或微侧向组合而成。

提供地层自然伽马强度、深中浅三电阻率及自然电位测井资料。

（4）核测井系列：

由自然伽马、补偿中子、补偿密度测井仪组合而成，提供地层自然伽马强度、补中孔隙度、地层密度测井资料。

（5）连斜测井：

由连续测斜仪测量井身倾角与方位。

（6）地层倾角测井：

由地层倾角测井仪测量井斜角度、井斜方位、地层倾角和地层倾角方向以及井径和井眼容积等资料。

（7）地层测试测井：

由自然伽马和地层测试器组成。

由自然伽马提供准确的仪器定位深度，由地层测试器测量地层的实际压力，并可对地层中所含流体进行取样。

（8）井壁取心：

利用井壁取心器按照测井结果准确地从确定层位取出岩心，用于分析地层岩性及含油性，验证解释结果，弥补钻井取心的不足。

另外，还有岩性密度、自然伽马能谱、介电、微差井温测井等，都能向用户提供有用的井下或地层信息资料，为油气田勘探与开发服务。

2.生产测井

生产测井是指油气井完井后及其整个生产过程中所进行的一系列测井工作。

其主要目的是了解和分析油气藏的动态特性，提高油气产量和采收率以及了解井下的技术状况。

它主要是套管井的测井作业，根据测井目的和测量对象的不同，生产测井可以划分为以下三大系列：

（1）生产动态测井系列：

为了评价生产效率，需要了解生产井的产出剖面以及注入井的注入剖面。

测井方法主要包括流量测井、流体密度测井、持水率测井、温度测井、压力测井以及自然伽马、接箍磁定位、微井径等辅助测井项目。

（2）产层剖面（储能参数）测井系列：

为了评价投产后的储集层，了解产层的含油性、渗透性以及油水界面的变化情况，需要测量残余油饱和度、渗透率等地层参数。

主要测井方法包括：

中子寿命、次生伽马能谱（或C/O测井）、井温、流体密度、持水率测井

以及自然伽马、接箍磁定位等辅助测井方法。

（3）工程测井系列：

测量的主要对象是井身结构、套管的技术状况，固井水泥胶结质量等，以确定井下水动力的完整性，评价酸化、压裂、封堵等地层作业效果。

主要测井仪器包括：

管柱分析仪、井径仪、磁测井仪、井温仪、噪声仪、伽马仪、流量计、水泥胶结测井仪、超声成像测井仪以及自然伽马、中子伽马仪等辅助测井方法。

另外，工程测井还包括：

射孔、下桥塞、测卡点、爆炸松扣、切割、打捞等工程作业。

五、测井工作流程

测井的工作流程是将各种对地层信息敏感的传感器（如：

温度、放射性闪烁计数器等）用电缆送入井下，通过电缆地面仪器控制下井仪器测量反映井内地质和工程特性的信息，并转换成相关的物理量。

下井仪器的电子线路控制测量传感器的信号，经放大、处理后，通过电缆送到地面。

地面仪器对这些井下来的数据进行“信号恢复”处理，之后进行显示、绘制成测井图，并将数据记录在磁带或磁盘上。

测井数据可以在现场进行快速处理解释，但主要还是传送回计算中心进行精细处理和解释。

计算中心接到测井数据后，将结合该地区的地质取心、地震及试井等资料，应用测井资料计算机处理和解释系统，作出该井的单井的解释结果，提供完整的油气特性和其他地质工程信息。

第二节测井电缆与井口设备

一、测井电缆

1、测井电缆的功能

测井探测的是井下的各种物理参数,电缆所起的就是输送和信道的作用。

它具有以下三种功能：

（1）输送下井仪器和工具，并承受其拉力。

（2）为井下仪器供电并传送各种控制信号。

（3）将井下仪器输出的测量信号传输至地面系统。

电缆要实现以上功能，必须具备以下性能特点：

（1）具有大于被测井深的长度,通常要求仪器到达井底后,绞车滚筒上应剩有一层半的电缆,以保证测井施工的安全。

（2）必须具有较强的抗拉强度。

（3）必须具有较好的韧性，以便能盘绕在绞车滚筒上。

（4）必须有导电性、绝缘性、抗干扰性能好的多股缆芯，并能满足传送不同频率信号的要求。

（5）缆芯的绝缘材料必须具有耐高温性能。

（6）必须具备井下耐高压和在滚筒里层抗挤压的良好性能。

2、测井电缆的分类

测井电缆按缆芯数量可分为单芯、三芯、四芯、六芯、七芯等，按直径大小可分为ф12.7mm、ф11.8mm、ф8mm和ф5.6mm等，按耐温性能可分为90℃、180℃和250℃等。

目前勘探测井多采用七芯电缆，生产测井多采用单芯电缆。

尽管国内外各家电缆型号不尽相同，但大同小异。

3、测井电缆的结构

测井电缆一般由导电缆芯、缆芯绝缘层、充填物、编织层及铠装防护层组成。

测井七芯电缆如右图所示。

内外层缆铠采用优质钢丝镀锌制成，具有较好的韧性。

一般外层钢丝较内层钢丝粗。

内外层钢丝绕向相反。

缆芯的铜芯线由多层铜丝绕成，并加有堵水剂，防止缆芯串水、串气。

单根缆芯线都是二层注塑绝缘，个别国产电缆也有一层绝缘层的。

测井缆芯全部被包在屏蔽层内。

（1）、导电缆芯：

由一根或几根线芯组成，而每一根线芯又是由多根铜导线按一定的方向绞合而成，导电缆芯应具有尽可能低的电阻值。

（2）、缆芯绝缘层：

决定了缆芯的耐温性能和电气性能。

绝缘层材料通常为聚乙烯、泰氟隆等化学合成材料。

（3）、充填物：

是充填在电缆缆芯周围的导电屏蔽层及萱麻、棉纱等物。

（4）、编织层：

是铠装电缆的衬层，由纤维材料或布带绕包而成，它的作用是防止电缆缆芯受损。

（5）、铠装防护层：

是在编织衬层外绕包的两层铠装钢丝。

通常用的电缆外层是左旋的，而内层是右旋的。

二、测井井口设备

测井井口设备是测井设备的重要组成部分，其性能及工作状态对测井生产的安全和测井资料的质量有着极为重要的影响。

1、井口滑轮

井口滑轮在测井过程中起着承担电缆及下井仪器的重量同时进行电缆导向的作用。

目前，测井已普遍使用天地滑轮替代以往使用的井口坐式滑轮。

与井口坐式滑轮相比，使用天地滑轮，其地滑轮靠链条固定在井口附近，使其具有一定的活动性，使得绞车电缆容易盘一些。

同时，又保证了井口有一定的活动空间。

这样，不但便于在井口连接组合仪器，而且增加了仪器出入井口的方便性和安全性，并为实施穿芯解卡工艺创造了条件。

测井过程中，天滑轮受电缆向下的拉力，相当于动滑轮的受力。

为保证在井下仪器或电缆在井内遇卡需强行拉断电缆时，滑轮不被损坏，就需要其抗拉强度应大于两倍的电缆拉断力。

对新电缆来说，其破坏拉力一般为7～9t，因此，天滑轮及与其连接的张力计、T形棒必须应能承受18t以上的拉力。

当通过地滑轮的电缆之间的夹角成90°时，地滑轮所受拉力为电缆拉力的1.414倍，所以固定地滑轮的链条以及在钻台上焊的地环，必须能承受13t以上的拉力。

正常测井时，天滑轮安装在钻机的游动滑车上，但在测卡点和打捞时，它就要安装在正对井口的井架上。

因此，悬挂地点和固定天滑轮的链条（或钢丝绳）应均能承受18t以上的拉力。

2、张力计

张力计亦称指重计，其作用是测量电缆所受的张力。

电缆在井下移动时，可能会发生遇阻或遇卡现象，此时电缆所受张力会发生变化，使用张力计的目的就是判断井下电缆的运行情况，另外，在测井遇卡时，依据电缆所受张力及电缆伸长量，可以判断卡点位置。

张力计是通过测量滑轮所受拉力而间接测量电缆张力的。

因此，当张力计安装于天滑轮上时，其所受向下的拉力是电缆所受张力的2倍。

当张力计安装于地滑轮上时，其所受拉力与通过地滑轮的电缆之间的夹角有关。

当电缆之间的夹角成120°时，张力计所受的拉力等于电缆张力。

3、深度记号接收器

深度记号接收器亦称记号器，通常所用的记号器就是一个密封的线圈或直接由汽车点火线圈（其阻值为6～7kΩ）焊接出两根外引线改造而成的。

它的工作原理是随着电缆的移动，电缆上的磁性记号从记号器旁通过，它的磁场与记号器的线圈作相对运动，线圈切割磁力线产生感应电动势，通过传输线送到地面系统和测井曲线一起被记录下来，用来准确确定测井曲线的深度。

4、刮泥器

使用刮泥器的目的就是清洁电缆上的泥浆，以保证计数轮的深度准确，同时防止泥浆污染环境及腐蚀电缆。

目前测井通常使用的气吹式刮泥器结构比较简单，主要是一块中间带有缺口的四方铁板，中间焊接一筒状金属管；一个圆柱形铜块，中间钻出允许电缆通过的圆孔，然后从中间锯成两半；铜块两侧各有一个斜向下的旁通，接上气管线，放入筒状金属管中，让电缆从中间通过。

在上提电缆时，打开气管线阀门，利用向斜下方吹的气流把电缆上的泥浆吹净。

5、集流环

集流环又称滑环。

其功能是在滚筒转动时通过滑环转动与炭刷的滑动接触保持电缆缆芯（包括地线）与地面仪器间具有良好的连通性，以便向井下仪器提供电源和控制信号，并将测量信号传输至地面仪器。

6、深度测量装置

在测井过程中，测井采集的数据有两类：

一类是与岩层的地球物理参数相关的信息；另一类就是与之相对应的深度信息。

由此可见，深度系统的准确性、可靠性对取得高质量的测井资料是至关重要的。

测井深度系统一般由以下设备或电路组成：

由测量轮带动的光电编码器构成的深度码传送系统、深度处理单元及深度接口、绞车面板。

目前经常使用的深度码传送系统有两种：

一种是由井口同步马达带动置于地面仪器内的光电编码器组成，另一种就是直接由测量轮带动光电编码器的马丁代克深度传送系统。