吉林大学钻井地球物理勘探测井教案.docx
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吉林大学钻井地球物理勘探测井教案
课程教案
课程编号：
0801223022
课程名称：
应用地球物理4：
钻井地球物理勘探
课程英文名称：
AppliedGeophysics4:
GeophysicalWellLogging
总学时：
64
学分：
3.5
开课单位：
地球探测科技与技术学院，地球物理系
授课对象：
地球探测科技与技术学院，勘查技术与工程专业本科生
前置课程：
普通物理
一、教学目的与要求
《应用地球物理4：
钻井地球物理勘探》是应用地球物理系列课程之一，是勘查技术与工程专业的学科基础课程，本教学大纲适用于勘查技术与工程专业的本科教学。
通过本课程教学，使学生掌握电测井、声测井、核测井及研究油井的其它测井方法的基本原理，了解与测井资料解释与处理与测井数据采集有关的基础知识和基本概念，为进一步学习《测井资料解释与数据处理》、《测井数据采集原理与技术》课程打下基础。
通过对本课程的学习，学生应掌握各种主要测井方法的工作原理，了解如何根据地质与工程问题选择测井系列的能力。
二、教学内容
应用地球物理Ⅳ——钻井地球物理勘探
第一章绪论
一、定义
钻井地球物理勘探——在钻孔中进行的各种地球物理勘探方法的总称。
又称为：
地球物理测井、矿场地球物理、油矿地球物理。
简称为“测井”。
1．石油勘探与开发过程的几个阶段（测井在其中的位置）；
1）地质调查—查明含油气盆地、提出含油气远景区；
2）物探—帮助查明盆地状况，通过详查找出有利储油的构造；
3）钻探—了解地质分层，寻找出油气层；
4）测井—划分渗透性地层，判别渗透层含油气情况；
5）试油与采油—为了解油井动态变化及研究井的技术状况，还须进行测井。
测井是贯穿在整个石油勘探与开发过程中的一个不可缺少的环节。
2．有关“井”的几个概念
1）钻井—又称钻孔，井孔，井眼
2）泥浆—用于将钻井过程中产生的岩屑排出地面；
保持对地层产生适当压力，防止发生井喷。
3）裸眼井与套管井
3．常用石油测井方法
1）以岩石导电性为基础的一组方法；
普通电极系电阻率法测井；
微电极系测井；
侧向测井及微侧向测井；
感应测井、阵列感应测井、介电测井；
微电阻率扫描成像测井。
2）以岩石电化学性质为基础的一组方法；
自然电位法
人工电位法
3）以岩石弹性为基础的一组测井方法
声波速度测井；
声波幅度测井；
声波电视测井；
声波井壁成像测井；
4）以物质的原子物理和核物理性质为基础的一组侧井方法；
自然伽马测井；
密度测井及岩性测井；
中子测井；
中子寿命测井；
中子活化测井；
能谱测井；
同位素示踪测井
核磁测井。
5）其它测井方法
热测井
气测井
地层倾角测井
检查井内技术状况的测井（井径、井斜）
二、测井发展历史与现状（从评价油气层的角度来看）
1．历史
第一阶段：
测井始于1927年，法国；
我国1939年在四川首次测井。
仅有普通电阻率法及自然电位法两种测井，只能测量视参数，定性估计储层情况。
第二阶段：
研究出一套根据视参数确定岩层电性参数的解释方法—横向测井；
1942年Archie提出了研究电阻率、饱和度、孔隙度之间关系的Archie公式。
上述进展使储层评价进入半定量阶段。
（介绍孔隙度、饱和度、渗透率概念）。
第三阶段：
50年代中后期开始，出现一批新型测井方法，使储层评价进入定量阶段。
新出现的测井方法：
感应测井、侧向测井、微侧向测井；声波测井；密度测井与中子测井等。
第四阶段：
60年代以后，计算机技术引入测井；
对各种的理参数与储量参数和参数之间的关系有了进一步的认识；
解释模型更接近实际地层；
综合解释方法成为求解岩石成分及储量参数、饱和参数的主要方法。
2、现代测井仪器及测井技术发展特征
方法系列化；
仪器综合化；
记录数字化；
损伤程控化；
解释自动化。
三、地球物理测井在油气勘探开发中的作用和地位
1）划分钻孔的岩性剖面，找出含油气储杂层，确定油气层的埋深及厚度；
2）定量或半定量估计岩层的储杂性能（孔隙度、渗秀率）；
3）确定岩层的含油气性质（含油气饱和度及油气的可动性）；
4）研究岩层产状，进行剖面对比，研究岩性变化及构造；
5）在油田开发过程中，研究油层动态情况（油水分布的变化情况）；
6）研究钻孔的技术状况（井径、井斜、井温、固井质量）；
7）研究地层压力、岩石强度等问题。
6．测井仪器发展概况
1）半自动模拟记录仪器
2）全自动模型记录仪器
3）数字记录仪器
4）数控测井仪器
5）成像测井仪器
四、测井现场
1．测井设备
2．井场布置
3．测井电缆
五、测井的井下环境
1．钻井工程及泥浆
2．泥浆侵入带
3．泥浆、井径和侵入带等环境因素
本课程学习要点：
本课程是地球物理勘探的一个独立分支，与其它物探方法相比，物理原理基本一致，差别在于所用仪器的传感器可直接靠近地层，因此表层（或中间层）的影响远小于地面的探方法；有些测井方法，地面无法使用；测井不仅可在单井中进行而且可在井间进行。
学习本课程时应充分注意测井的特殊性。
本课程各章讲述重点：
1．各种测井方法的基本原理；
2．各种测井方法的影响因素；
3．各种测井方法的主要用途；
4．各种测井方法中的基本概念。
第二章 普通电阻率法测井
电阻率法测井—根据岩石导电能力的差异，在钻孔中研究岩层性质和区分它们的一套测井方法。
它包括普通电极系电阻率法测井，微电极系测井，侧向测井，感应测井等方法。
普通电阻率法测井—使用普通电极系的电阻率法测井。
电阻率法测井的物理依据—石油和水的电阻率相差很大，同样的储集层，含油时比含水时电阻率要高。
第一节 电阻率法测井的基本知识
一、岩石电阻率
电阻率的概念：
导线电阻用r=R·L/S式表示，式中系数R与物质的材料有关，称为电阻率。
单位为Ω·m。
岩石电阻率的影响因素：
矿物成份、孔隙度、孔隙流体的性质、温度等。
储杂层岩石导电性（电导率）可用下式表示：
Ct=A·Cw+BCm
式中 Cw—孔隙中流体的电导率；
Cm—粘土表面导电性造成的附加电层率；
A,B—系数。
不含粘土的砂岩层，电阻率可表示为：
Rt=A′·Rw
式中，A′=1/A—与岩石孔隙结构、孔隙大小是否含油气有关，
可将上式改写为：
Rt=F·I·Rw
式中F—与孔隙结构、孔隙大小有关的系数，称为“地层因素”。
F可写成：
F=a/φm
式中φ为孔隙度，a和m与岩性及胶结程度有关的系数。
I—称为电阻率指数或电阻增大率，与岩石含油气有关。
I与岩石中含油气饱和度有关
式中Sw、S0分别为含水饱和度和含油饱和度，n为系数。
孔隙流体的电阻率为Rw，它与含盐多少、盐的类型及温度有关。
二、普通电阻率测井现场的测量原理
电阻率法测井，首先是研究在一定供电电流的情况下电场分布的问题，然后再根据电场与电阻率的关系确定出岩层电阻率，并划分出不同电阻率的地层。
三、描写电场分布的基本方程和边界条件
稳定电流场基本方程为拉普拉斯方程：
根据测井具体情况，解方程的边界条件有4项：
①在接近点电源的点上，电位V的表示式与在单一介质中的情况相同；
②在无限远点（r→∞），V→0；
③在两种介质的界面上，V是连续的，即V1=V2；
④电流穿过介质界面时，电流密度法向分量连续。
根据基本方程和边界条件，可计算出在一定介质分布情况下，电场的分布（这就是地球物理正演问题）。
四、均匀无限各向同性介质中电场的分布
在均匀无限各向同性介质中，稳定电流场分布的基本公式：
测井时，利用距供电电极A一定距离的测量电极M和N测量空间两点间的电位差，该电位差为：
解上式得：
式中：
，称为电极系系数
五、泥浆侵入带
产生原因—泥浆柱静压力大于地层压力
分类：
增阻泥浆侵入：
减阻泥浆侵入。
六、视电阻率
在非均匀介质中，利用电极系按Ra=K·ΔVMN/I式测得的Ra，并不是真电阻率，而是电极系周围介质综合影响的结果。
七、电极系
成对与不成对电极
1．电位电极系
2．梯度电极系
顶部梯度电极系、度部梯度电极系
3．电极系的探测深度
第二节 视电阻率理论曲线
一、一个水平界面
1．电位电极系
利用镜像法分析是电阻率曲线形状
2．梯度电极系
利用低阻介质对电流的吸引和高电阻率底层对电流线的排斥，分析是电阻率理论曲线形状
二、一个水平层
1．电位电极系
特征：
曲线对着地层中心是对称的；
当
时，对着地层中心的Ra值接近地层其电阻率R。
2．梯度电极系
地层很厚时，对着地层中间一段的视电阻率
三、倾斜地层与非理想电极系
四、高阻邻层的屏蔽影响
第三节 视电阻率测井曲线的应用
一、钻井地质剖面的划分—标准测井
二、估计岩层真电阻率—横向测井
第四节微电极系电阻率法测井
一、微电极系测井的基本概念
计算公式仍为
二、微电极系测井曲线的应用
1．划分渗透性地层
正幅度差—微电位的视电阻率大于微梯度的视电阻率
2．确定地层有效厚度，划分钻井剖面。
本章授课内容重点：
1．视电阻率测井的基本知识。
2．微电极系测井的主要用途。
基本概念：
岩石电阻率 视电阻率 泥浆侵入带 增阻泥浆侵入 减阻泥浆侵入
电极系 微电极系正幅度差
第三章 聚流电极系电阻率法测井
泥浆矿化度很高、地层电阻率很高，地层很薄围岩影响很大的情况下，普通电极系电阻率法测井，由于分流作用强而无法求准地层电阻率，为解决这一类问题，发展了聚流方式的电阻率法测井，即侧向测井。
第一节 三电极侧向测井
一、基本原理
主电极两侧的屏蔽电极通以与主电极相同极性的电流，由于屏蔽电流的作用，使主电极的电流或水平片状进入地层。
按下式求视电阻率
二、测量原理
恒流型、恒压型、既不恒流也不恒压型
三、影响视电阻率的因素
1．电极系参数的影响
①电极系长度C—C愈大探测深度愈大；
②主电极长度L0—厚层影响不大，薄层时，L0增加，则Ra将下降；
③电极系直径—对Ra影响不大。
2．地层参数的影响
①层厚与围岩的影响
地层愈薄，围岩影响愈大。
②井眼直径和泥浆影响
井眼直径愈大，泥浆对电流的分流影响愈大。
几何因子。
③侵入带影响
增加侵入较减阻侵入对Ra影响大。
四、三侧向测井曲线的解释
1）划分钻井剖面，判断渗透性地层；
2）确定岩层电阻率。
第二节 七电极侧向测井
一、基本原理
较三侧向电极系增加两组监督电极
测量监督电极与远电极之间的电压，按下式计算Ra
二、影响七侧向视电阻率的因素
视电阻率值由主电流片范围内介质的电阻率所决定，主电极电流片径向深入地层的深度，取决于电极系的聚热参数g。
式中
为电极系长度L0，
为电极距，q愈大，探测深度愈大，但q值不能过大。
三、七侧向测井曲线及其解释
1．曲线特点
①上、下围岩电阻率相同时，曲线对称；
②曲线拐点处的宽度比地层厚度小一个电极距
，对于薄层用侧向测井不能准确划分地层界面。
2．能够解决的问题
①划分剖面；
②确定岩层电阻率。
第三节 微侧向测井和邻近侧向测井
用于探测井壁附近（冲洗带）地层电阻率。
一、基本原理
微侧向：
测量过程中，调节屏蔽电极A1的电流，使监督电极M1M2之间的电位差为零，测量M1（或M2）与N电极之间的电位差，按
式计算视电阻率。
邻近侧向：
极板较微电极极板大，带有两个聚热电极，探测深度稍大于微侧向，在泥饼厚度较大时适用。
二、曲线解释
1）划分剖面和划分渗透层。
2）确定侵入带电阻率。
第四节微球形聚热测井
适用于侵入比较浅，但泥饼厚度较大的情况。
测量过程中，主电流I0保持不变，电路自动调整屏蔽电流Ia，使监督电极M1，M2之间的电位差
，测量M1与M2中点（O）与M0之间的电位差，
则视电阻率
经过M0的等位面近似与井壁相切，因此，测量
实际是要消除泥饼影响小。
主由流等位面呈球形，故称为微球形聚热。
第五节电阻率成像测井
一、井壁微电阻率成像测井
1．测量原理
2．影响因素
3．应用
二、方位电阻率成像测井
本章授课内容重点：
1）各种侧向测井方法的基本原理及电极系结构特点；
2）各种侧向测井的主要应用条件；
3）从生产实际需要讲解各种侧向测井发展过程。
基本概念：
近似几何因子
思考问题
1）为什么要发展多种类型的侧向测井方法？
2）侧向测井方法中，通过什么途径来改变电极系的探测深度？
第四章 感应测井
感应测井可在井眼不导电的情况下（如油基泥浆井，空气钻井等）测量地层的电导率。
这种方法对低阻层反应灵敏，因此更适合区分低阻油、水层和油水过渡带。
第一节感应测井的基本理论
一、基本原理
感应测井是利用交变电磁场研究岩石导电性的一种方法。
发射线圈T，通以20kHz交变电流，该电流在周围介质中产生交变电磁场中。
φ1在介质中适应出环形电流i1，同时在接收线圈R中，产生感应电动势E1。
环形电流i1，在介质中亦将引起二次磁场φ2，φ1在R中引起适应由动势E2。
φ1在R中引起的电动势为无用信号，而φ2在R中引起的感应电动势E2与i1有关，i1又与地层导电能力有关，因而，通过测量E2的大小，便可测量介质的导电能力。
在均匀无限介质的条件下，通过求解电磁场的基本方程可得出，接收线圈中，总适应电动势的表达式：
该式展开后，可简化为：
上式中，虚部是无用信号，实部与σ成正比，是有用信号，二者相位上差90°。
这就是感应测井的基础。
上式的得出是忽略了三次方以上的高次项的结果，是忽略了趋肤效应影响的一种近似方法。
这样就可把有用信号看作是介质各部分所引起的感应由动势线性相加的结果，这种方法就是“几何因子”理论。
几何因子理论要点：
①认为发射电磁场与每个单元环电磁场之间互不发生作用（即幅度衰减和相位移动场可忽略）
②认为电磁波瞬间便可通过地层，（而实际地层中电磁波传播速度仅为自由空间的0.15%）。
根据几何因子理论，得到的接收线圈中的有用信号为：
dE2=kgσ·ds
几何因子g的物理意义：
在均匀无限介质中，任意一点上截面积为一个单位的单元介质环对总信号的相对供献。
二、均匀介质双线圈系感应测井的电磁理论
1．传播效应（趋肤效应）
2．麦克斯韦方程组及其解
3．感应测井信号的虚、实分量
第二节 感应测井线圈系特性
空间各部分介质对总的感应电动势贡献大小是由每部分介质的电导率与它的几何因子两部分因素决定的，因此，必须研究几何因子的空间分布，才能研究各部分介质对感应电动势的贡献，而几何因子的空间分布与线圈系结构有关，因而必须研究线圈系的特性。
线圈系的分层能力和探测深度是考察感应测井的重要参数。
对线圈系的基本要求：
①总的无用信号为0；
②径向特性：
钻孔对测量结果的影响应该最小；
③纵向特性：
上下围岩的影响要小，分层能力要强；
④上、下围岩电导率相同时，曲线对应地层中心应该对称。
一、双线圈系的纵向探测特性
纵向特性—沿线圈系轴向，不同距离处介质对读数的相对影响。
纵向微处几何因子—单位水平层的几何因子。
纵向积分几何因子—厚度为h的水平层的几何因子。
二、双线圈系的径向探测特性
径向特性—垂直于井轴不同距离处介质对读数影响的相对大小。
径向微分几何因子—将介质分或无数个以井轴为轴线的单位厚度的圆角，每个圆角的几何因子。
径向积分几何因子—半径为d/2无限延伸的圆柱体的几何因子。
三、双线圈系存在的问题
1）纵向特性—地层比较薄时，围岩影响大，地层界面不明显；
2）径向特性—井的影响大，探测深度浅；
3）无用信号远大于有用信号。
四、多线圈系特性
采用多线圈系的目的：
改善线圈系的纵向和径向探测特性；
方法：
增加一些线圈，使它们与原来的线圈构成新的线圈，对这些线圈对的有用信号，主要来自浅部和围岩，用这些信号去抵消主线圈对相应部分的信号，从而提高来自地层深处的信号的比例。
叠加原则：
复合线圈系的径向特性和纵向特性是组成该线圈系的各个简单双线圈系的径向特性和纵向特性的线性叠加。
第三节 感应测井曲线形状
曲线特征：
1．地层界面对应于曲线的半幅度点处；
2．上、下围岩电导率不同时，曲线不对称，但界面仍对应于各自的半幅点处；
3．地层较薄时，按半幅点确定的厚度，稍大于实际厚度；
4．视电导（阻）率，接近于地层真电导（阻）率。
第四节 感应测井曲线的解释
为定量研究地层的储量特性与含油气特性，需对感应测井测得的视电导率（σa）进行一系列校正，以便求出真电导率σ。
校正内容：
井眼、传播效应、围岩、侵入带
一、曲线的分层与读值
分层—厚层，界面对应于半幅点处；
薄层，（<2m）界面对应于半幅点以上位置，分层时应配合其它曲线。
读值—对应地层中心处，高电导率地层读极大值，低电导率地层读极小值。
围岩电导率—取距地层中心点5m以内围岩的读数作为围岩的视电导率。
二、井眼校正
井眼部分的几何因子小于0.001，可以不进行校正。
三、均匀介质传播效应校正
几何因子理论忽略了传播效应，因而带有一定误差，即使在均匀介质情况下，也需进行校正。
四、厚度与围岩影响校正
五、确定地层电阻率
经过井眼、层最校正的曲线还受侵入带的影响；
力求准Rt，需配合其它测井曲线，即浅探测类的曲线如双感应侧向、短电位等。
第五节阵列感应测井
第六节多分量感应测井
本章讲课重点：
1．感应测井基本原理
2．几何因子理论要点
基本概念：
几何因子 传播效应 纵向微分、积分几何因子 径向微分、积分几何因子
均匀介质校正
思考问题：
1．感应测井是在什么样的生产需求下诞生和发展的？
2．感应测井仪器为什么都采用多线圈系？
3．感应测井读数为什么必须进行均匀介质校正？
※4．综合对比普通电阻率法、侧向测井和感应测井这三种类型的电阻率法测井的特点，以及各自的适应范围。
第五章介电测井
介电常数反映物质在外电场作用下，因起点和分布和聚集发生变化的电荷分离或极化现象的参数。
由于水分子水的极性，在电场作用下会转向，因而介电常数远大于其他物质，故介电常数是区分油水的有效参数。
第一节岩石的介电性质
第二节介电测井的基本理论
第三节介电测井方法
一、浅探测介电测井仪
二、深探测介电测井仪
第四节解释方法
本章重点：
岩石的介电性质，介电测井方法
基本概念：
岩石介电常数，电磁波的衰减和相移
第六章 自然电位测井
自然电位测井—在井内观测自然电位，并根据自然电位曲线研究钻井剖面的方法。
第一节 石油钻井中自然电场产生的原因
现象：
①自然电位与岩性有关；
②自然电位与泥浆及地层水矿化度有关；
③个别井中，浅层砂岩与深层砂岩自然电位幅度不同，甚至有仅向现象。
一、电化学电动势
1．扩散电动势
两种不同浓度的盐溶液相接触时，离子将由高浓度溶液向低浓度溶液扩散，形成电场。
两种不溶液之间如果以砂岩为隔板，则浓度高一方正电荷多，而浓度低一方负电荷多。
2．薄膜电动势
两种溶液之间如果以泥岩为隔板，由于泥岩因其粘土矿物带负电而在矿物表面吸附一层阳离子薄膜，从而使阳离子通过交换而通过，阴离子不能通过。
结果浓度高一方带负电，浓度低一方带正电，与砂岩恰好相反。
在地层水矿化度高于泥浆矿化度的情况下，在砂泥岩交互的剖面上，在井中测量时砂岩层处为负电位而泥岩层处显高电位，二者幅度之差，即为自然电位异常，这种异常幅度随砂岩层中泥质含量的增大而减小。
这种电动势是石油钻井中自然电位产生的主要原因。
3．过滤电动势
泥浆柱压力通常要大于地层压力，在这种情况下，泥浆滤液将向地层中扩散。
滤液中的离子也将随着液体向地层运动。
由于泥饼以及地层中的泥质对负离子有选择吸附作用，使得液体渗透的孔道中会形成偶电层，从而使渗透通道压力低的一方正离子过剩，而压力高一端则负离子过剩，这种电场称为过滤电动势。
过滤电动势在石油钻井中不是自然电位产生的主要原因。
4．氧化还原电动势
这种电压势是由矿体的部位处于潜水而上、下不同的氧化、还原环境中形成的，是金属矿体和 层自然电场产生的主要原因。
第二节 影响自然电位曲线幅度和形状的因素
自然电位曲线的形状受自然电动势的大小及自然电流的分布的影响。
一、影响自然电动势的因素（忽略过滤电动势）
1）温度
2）岩性—泥质含量
3）泥浆和地层水中电解质成分的影响
4）地层水与泥浆矿化度比值的影响
二、影响自然电流分布的因素
1）围岩电阻率
2）地层厚度
3）井径
第三节 自然电位曲线的应用
1．划分渗透性地层
砂泥岩剖面上，渗透性砂岩层在自然电位曲线上有明显的异常显示，由于地层水矿化度往往都高于泥浆矿化度，因而砂岩层异常负值。
砂岩层处的负异常随砂岩中泥质含量的增加而减小。
2．确定地层水电阻率
利用图板求取
3．估计泥质含量
经各种校正，但仍可能有一些影响自然电位幅度的因素存在，它们的作用都是使自然电位的幅度减小，形成泥质含量高的显示，因此，用自然电位法求出的泥质含量只能高不能低，是泥质含量的上限值。
本章内容重点：
1．什么是扩散吸附电动势，其形成的基本条件是什么？
2．自然电位测井的用途。
基本概念：
泥岩基线 自然电动势 自然电流 自然电位 静自然电位（SSP） 假静自然电位（PSP）
思考问题：
1．使用自然电位曲线时，应注意哪些问题？
2．在砂泥岩剖面上，砂岩层处是否一定出现自然电位负异常？
3．自然电位曲线图上为什么要以泥岩线为基线？
4．利用自然电位法确定地层水电阻率的方法依据和求取过程。
第七章 声波测井
岩石中声速的差别与岩石致密程度，结构和孔隙充填物等有关。
声波测井是运用声波在岩层中的各种传播规律在钻孔中研究岩层特点的一类方法。
声波测井分类：
声波速度、声波幅度、声波全波、声波成像等。
第一节 声波测井的物理基础
一、声波物理性质简述
对于声波测井来说，声源能量很小，岩石可看作是弹性体，因此可利用弹性波在介质中传播的规律来研究声波在岩石中的传播过程。
1）描述固体弹性的几个参数
①杨氏模量E（纵向伸长系数）；
②体积弹性模量K；
③切变模量μ；
④泊松比σ。
2）声波在岩石中的传播特性
①纵波与横波（压缩波与剪切波）
②波的能量与振幅的平方或正比
③声波幅度随传播距离按指数规律衰减
④波在两种不同介质分界面处的转换—反射与折射，遵循斯耐尔定律。
首波—滑行波在第一种介质中造成的波称为首波，习惯上称为折射波。
二、钻孔内的声波
第二节声波速度测井
一、单发射双接收声波速度测井原理
测量沿井壁传播的滑行波的速度。
二
升级会员 