[科普中國(guó)]-地球物理測(cè)井

介紹

測(cè)井運(yùn)用物理學(xué)的原理和方法，使用專(zhuān)門(mén)的儀器設(shè)備，沿鉆井（鉆孔）剖面測(cè)量巖石的物性參數(shù)，包括電阻率，聲波速度，巖石密度，射線俘獲及發(fā)射能力等參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)，了解井下地質(zhì)學(xué)信息及資源賦存狀態(tài)。工程人員根據(jù)對(duì)這些信息的研究，發(fā)現(xiàn)并評(píng)價(jià)資源（包括石油、天然氣、煤、金屬、非金屬、地?zé)?、地下水等資源）的儲(chǔ)量和賦存狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，制定各種資源的合理有效的開(kāi)發(fā)方案。也就是說(shuō)，地球物理測(cè)井是包括油氣藏、煤、水資源、金屬及非金屬等各種資源勘探開(kāi)發(fā)極其重要的技術(shù)手段。甚至在城市的市政規(guī)劃中地基勘測(cè)、高速鐵路建設(shè)及地鐵建設(shè)中也發(fā)揮著重要的作用。

巖石和礦物有不同的物理特性，如導(dǎo)電特性、聲波特性、放射性等。這些特性統(tǒng)稱(chēng)為巖石和礦物的物理性質(zhì)。在地球物理勘探中相應(yīng)地建立了許多種測(cè)井方法，如電法測(cè)井、聲波測(cè)井、放射性測(cè)井和氣測(cè)井等。

地球物理測(cè)井的應(yīng)用范圍如下：確定井剖面的巖石性質(zhì),評(píng)價(jià)油（氣）、水層,發(fā)現(xiàn)煤、金屬、放射性等礦藏，并確定其埋藏深度及有效厚度；測(cè)量計(jì)算儲(chǔ)量所需要的各種地質(zhì)參數(shù)，如巖性成分、孔隙度、飽和度、滲透率煤田儲(chǔ)量計(jì)算參數(shù)等；確定地層傾角、巖層走向和方位，以及鉆孔傾角和方位角，研究沉積環(huán)境等；檢查井下技術(shù)情況，如檢查固井質(zhì)量和套管破裂情況等；發(fā)現(xiàn)和研究地下水源（淡地層水）。

發(fā)展歷史地球物理測(cè)井方法于1927年由法國(guó)人斯倫貝謝兄弟（現(xiàn)在全球最大的油田技術(shù)服務(wù)公司斯倫貝謝創(chuàng)始人）（C.Schlumberger & M.Schlumberger）創(chuàng)始。1939年翁文波在中國(guó)開(kāi)始地球物理測(cè)井工作，測(cè)井儀器由劉永年設(shè)計(jì)制造，使用的測(cè)井方法有自然電位測(cè)井法和視電阻率測(cè)井法。這些測(cè)井方法主要用來(lái)鑒別巖性、劃分油（氣）、水層、煤層，尋找金屬礦藏以及地層對(duì)比等。

50年代初期，出現(xiàn)了聲波測(cè)井、感應(yīng)測(cè)井、側(cè)向測(cè)井、自然伽馬測(cè)井（放射性測(cè)井）等，并開(kāi)始采用單一巖性的測(cè)井解釋模型和簡(jiǎn)單的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)巖層作物理參數(shù)計(jì)算以進(jìn)行半定量或定量解釋。但這些測(cè)井和解釋方法對(duì)于碳酸鹽巖、泥質(zhì)砂巖以及其他復(fù)雜巖性的油（氣）層評(píng)價(jià)仍然十分困難。60年代后期，相繼出現(xiàn)了巖性──孔隙度測(cè)井系列（中子測(cè)井、密度測(cè)井、聲波測(cè)井等）、電測(cè)井系列（深、淺側(cè)向測(cè)井，深、中感應(yīng)測(cè)井，微側(cè)向測(cè)井），及地層傾角測(cè)井，對(duì)單一巖性與復(fù)雜巖性地層進(jìn)行巖性、物性、含油（氣）性等作定量解釋?zhuān)瑫r(shí)開(kāi)展了以地層傾角測(cè)井為核心的地質(zhì)分析。70年代末期出現(xiàn)了數(shù)控測(cè)井儀，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)處理和解釋測(cè)井信息，實(shí)現(xiàn)了測(cè)井系列化、數(shù)字化。

分類(lèi) 一般按所探測(cè)的巖石物理性質(zhì)或探測(cè)目的可分為電法測(cè)井、聲波測(cè)井、放射性測(cè)井、地層傾角測(cè)井、氣測(cè)井、地層測(cè)試測(cè)井、鉆氣測(cè)井等。

電法測(cè)井根據(jù)油（氣）層、煤層或其他探測(cè)目標(biāo)與周?chē)橘|(zhì)在電性上的差異，采用下井裝置沿鉆孔剖面記錄巖層的電阻率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)及自然電位的變化。電法測(cè)井包括以下幾種：

電阻率測(cè)井使用簡(jiǎn)單的下井裝置(電極系)探測(cè)巖層電阻率，以研究巖層的電性特征。由于影響因素較多，其測(cè)量結(jié)果稱(chēng)為視電阻率。電阻率測(cè)井按其電極系的組合及排列方式不同，又分為梯度電極系測(cè)井及電位電極系測(cè)井。

微電極測(cè)井在電阻率測(cè)井的基礎(chǔ)上發(fā)展了微電極測(cè)井。它用于測(cè)量靠近井壁附近很小一部分泥餅和沖洗帶地層的電阻率，能較準(zhǔn)確地指示泥餅的存在及劃分滲透性地層，能區(qū)分儲(chǔ)集層中的薄夾層(非滲透層)以及準(zhǔn)確地確定地層厚度。

側(cè)向測(cè)井是一種聚焦電阻率測(cè)井方法，主要用于高電阻、薄地層及鹽水泥漿測(cè)井。根據(jù)同性電相斥的原理，在供電電極（又稱(chēng)主電極）的上方和下方裝有聚焦電極，用聚焦電流控制主電流路徑，使它只沿側(cè)向（垂直井軸方向）流入地層。由于側(cè)向測(cè)井電極系結(jié)構(gòu)不同(如雙側(cè)向電極系的淺側(cè)向電極系和深側(cè)向電極系)，聚焦電流對(duì)主電流的屏蔽作用大小不同，因而它們具有不同的徑向探測(cè)深度。

感應(yīng)測(cè)井是一種探測(cè)地層電導(dǎo)率的測(cè)井方法。該方法根據(jù)電磁感應(yīng)原理，測(cè)量地層中渦流的次生電磁場(chǎng)在接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以確定地層的電導(dǎo)率。它是淡水泥漿井和油基泥漿井有效的一種測(cè)井方法。同時(shí)它特別適用于低電阻率巖層的探測(cè)，包括離子導(dǎo)電的含高礦化度地層水的油（氣）、水層和電子導(dǎo)電的金屬礦層。

介電測(cè)井是探測(cè)巖石介電常數(shù)的一種測(cè)井方法。由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油（氣）和造巖礦物的介電常數(shù)，所以它可用于判斷油田開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)的水淹層，并提供估計(jì)油層殘余油飽和度及含水量多少的可能性。

自然電位測(cè)井沿鉆孔剖面測(cè)量移動(dòng)電極與地面地極之間的自然電場(chǎng)。自然電位通常是由于地層水和泥漿濾液之間的離子擴(kuò)散作用及巖層對(duì)離子的吸附作用而產(chǎn)生的。因此，自然電位曲線可用來(lái)指示滲透層，確定地層界面、地層水礦化度以及泥質(zhì)含量。在油(氣)井中，它與電阻率測(cè)井組合，可以劃分油（氣）、水層并進(jìn)行地層對(duì)比等。

聲波測(cè)井利用巖石的聲波傳播特性研究鉆孔剖面巖層地質(zhì)特征和井下工程情況。聲波測(cè)井按其探測(cè)目的不同，可分為聲速測(cè)井和聲幅測(cè)井兩類(lèi)。常用的聲波測(cè)井方法有：聲速測(cè)井（縱波速度和橫波速度）、聲幅測(cè)井、聲波變密度測(cè)井（或稱(chēng)微地震測(cè)井）、聲波電視測(cè)井等。

聲速測(cè)井記錄聲波沿井壁各地層滑行時(shí)經(jīng)過(guò)某一長(zhǎng)度所需要的時(shí)間，主要用于確定巖性、孔隙度和指示氣層。它與密度測(cè)井進(jìn)行綜合解釋?zhuān)梢源_定地層聲阻抗和灰層的灰分，同時(shí)還可以合成垂直地震剖面。

聲幅測(cè)井測(cè)量聲波初至波前半周幅度的衰減。分為裸眼聲幅測(cè)井及固井聲幅測(cè)井。裸眼聲幅測(cè)井主要用來(lái)尋找鉆孔剖面上的裂縫帶；固井聲幅測(cè)井主要用于檢查固井質(zhì)量及確定水泥返回高度。

聲波變密度測(cè)井是一種全波波形測(cè)井。在套管井中，它能檢查套管與水泥環(huán)和水泥環(huán)與地層膠結(jié)程度的好壞，也是檢查固井質(zhì)量的有效方法之一。在裸眼中,它用于確定巖石的橫波速度,計(jì)算巖石彈性參數(shù)（泊松比、楊氏模量、切變模量等），對(duì)于評(píng)價(jià)煤層的巖石強(qiáng)度特別有用。

聲波電視測(cè)井利用超聲波的傳播與反射，來(lái)反映井壁物體形象的測(cè)井方法。主要用途是：拍攝井下套管的照片，以檢查套管射孔后的質(zhì)量及套管的工程問(wèn)題；在裸眼井內(nèi)拍攝井下碳酸鹽巖層和煤層的井壁照片，以確定巖層裂縫及溶洞的形狀。

放射性測(cè)井測(cè)量井剖面巖石的天然放射性射線強(qiáng)度，或測(cè)量經(jīng)過(guò)放射性源照射后，巖石所產(chǎn)生的次生放射性射線強(qiáng)度,用以發(fā)現(xiàn)放射性礦藏，確定巖石成分,計(jì)算巖石物性參數(shù)，判斷氣層等（見(jiàn)核子地球物理勘探）。

地層傾角測(cè)井測(cè)量地層的傾角與方位角，能夠確定真實(shí)的地層傾角和方位的變化?？捎糜谘芯繕?gòu)造變化，確定斷層、不整合、交錯(cuò)層、砂壩、巖礁，以及研究地質(zhì)沉積環(huán)境等。此外，地層傾角測(cè)井還可以探測(cè)井壁附近地層裂縫帶，確定裂縫走向和方位，通常又稱(chēng)為裂縫識(shí)別測(cè)井。

地層測(cè)試測(cè)井使用電纜式地層測(cè)試器，在裸眼井進(jìn)行地層流體取樣（油、氣、水），測(cè)定地層流體恢復(fù)壓力。通過(guò)計(jì)算獲得原始地層壓力及有效滲透率。它可用于探井中途測(cè)試，是一種直接找油、找氣的探測(cè)方法。

氣測(cè)井測(cè)定鉆開(kāi)巖層后進(jìn)入泥漿中的烴類(lèi)氣體(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等)和非烴類(lèi)氣體的含量及其化學(xué)組分，用以發(fā)現(xiàn)探井中油（氣）層，提供測(cè)試層位。它是石油勘探中一種直接找油、找氣的測(cè)井方法。

隨鉆測(cè)井將電阻率、自然伽馬、井斜等傳感器裝在鉆挺內(nèi)，邊鉆進(jìn)邊測(cè)量，脈沖信號(hào)通過(guò)泥漿傳輸?shù)降孛嬗涗浵到y(tǒng),可以消除泥漿對(duì)油（氣）層侵入的影響,能反映油（氣）層的負(fù)電阻率，提高地層評(píng)價(jià)精度。井斜信息能及時(shí)確定井眼斜角和方位角，控制鉆井質(zhì)量。這種方法已在世界海洋鉆井工作中使用。

生產(chǎn)測(cè)井測(cè)量套管井內(nèi)流體的流量、含水率、壓力、溫度等參數(shù)。它是在射孔作業(yè)以后進(jìn)行的油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)測(cè)井。此外，在水文地質(zhì)勘探中也有廣泛用途。生產(chǎn)測(cè)井可以分為流量測(cè)井、含水率測(cè)井、壓力測(cè)井及溫度測(cè)井等。

數(shù)據(jù)處理和解釋 各種測(cè)井儀所記錄的測(cè)井信息，分為數(shù)字磁帶記錄和連續(xù)的模擬曲線照相記錄兩類(lèi)。后者屬于老的記錄方式，當(dāng)需要使用計(jì)算機(jī)處理時(shí)，必須通過(guò)數(shù)字化儀對(duì)連續(xù)的模擬曲線進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)記錄在數(shù)字磁帶上。

數(shù)據(jù)處理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理的對(duì)象是記錄在磁帶上的由測(cè)井儀器所獲得經(jīng)過(guò)采樣的各種物理信息。在磁帶上記錄的有地層電阻率、電導(dǎo)率、巖石體積密度、聲波時(shí)差、自然電位以及人工放射性和自然放射性射線強(qiáng)度等。

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的處理是通過(guò)由不同功能的環(huán)節(jié)組成的流程來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常包括以下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：

① 野外磁帶的檢查與預(yù)處理 野外磁帶的檢查，是用程序?qū)⒋艓嫌涗浀臄?shù)據(jù)打印出來(lái)，以檢查各種數(shù)據(jù)文件的鑒別號(hào)、深度值、采樣間距、采樣數(shù)據(jù)是否合理、準(zhǔn)確。

預(yù)處理的目的是，將野外磁帶處理成便于計(jì)算機(jī)使用的室內(nèi)磁帶。其內(nèi)容是改變記錄格式，對(duì)野外磁帶數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、刻度、校正及歸類(lèi)排列，從而得到采樣間距一致、深度對(duì)齊、數(shù)據(jù)正確的室內(nèi)磁帶。

② 處理 應(yīng)用各種測(cè)井分析程序?qū)κ覂?nèi)磁帶上的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理解釋?zhuān)@得鉆孔中目的層的有效孔隙度、含水飽和度、原始油氣體積、可動(dòng)油氣體積、滲透率、次生孔隙度指數(shù)、巖石礦物成分等十幾個(gè)地質(zhì)參數(shù)，并以數(shù)據(jù)或連續(xù)曲線圖的方式顯示出來(lái)。處理中，還可以采用交會(huì)圖技術(shù)，檢查原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量，選擇解釋模型及解釋參數(shù)等。

解釋根據(jù)處理后所得到的數(shù)據(jù)或地質(zhì)參數(shù)曲線，對(duì)鉆孔的目的層作出定性、定量評(píng)價(jià)。對(duì)石油勘探與開(kāi)發(fā)則包括判斷巖性、判斷油、氣、水層、計(jì)算油氣儲(chǔ)量等；對(duì)煤田勘探則主要是劃分煤層、并對(duì)煤層的品位作出評(píng)價(jià)。圖1和圖2是油田中碳酸鹽巖剖面和砂－泥巖剖面計(jì)算機(jī)處理解釋成果圖的實(shí)例。圖中:巖石體積成分為顯示地層有效孔隙度(Фe)、粘土含量(Vc)和巖石骨架礦物含量(Vm)測(cè)井解釋曲線;流體體積成分為顯示地層有效孔隙體積()、沖洗帶地層含水孔隙體積 ()和原狀地層含水孔隙體積(V·ФW =ФSW)測(cè)井解釋曲線；油氣分析為顯示原狀地層含水飽和度(SW)、沖洗帶地層殘余油氣體積(Vhr=Ф ·Shr)和沖洗帶地層殘余油氣質(zhì)量(mhr=Ф·Shr·ρh)測(cè)井解釋曲線；地層特征就是顯示地層次生孔隙度指數(shù)(SPI)、平均巖石骨架顆粒密度()和滲透率指數(shù)(KI)測(cè)井解釋曲線。在地層體積成分與流體成分之間顯示一條井徑差值曲線。2