常規(guī)測井方法及其地質(zhì)響應

第二章常規(guī)測井方法及其地質(zhì)響應所謂常規(guī)測井方法主要是指目前在油氣勘探開發(fā)中，探井測井，評價并測井、開發(fā)并測井工程中都要測量的測井方法，即所謂“九條”曲線系列——自然伽馬、自然電位、井徑巖性曲線，淺、中、深三電阻率曲線，聲波、中子、密度三孔隙度曲線。在地層復雜的情況下再加上地層傾角、自然伽馬能譜二項構(gòu)成所謂的“十一條曲線”，這也是測井地質(zhì)學研究所依靠的基本測井信息。這些測井方法從70年代的數(shù)字測井系列。到80年代的數(shù)控測井系列，直到90年代的成像測井系統(tǒng)（如5700和MAXIS—500）都保留著，也都是常測的項目。本章將簡述它們的基本原理，測量信息，影響因素，所能解釋的地質(zhì)現(xiàn)象，重點不在于方法原理的數(shù)學推導，而在于其地質(zhì)響應。第一節(jié)巖性、孔隙度測井系列一、自然電位測井在電阻率測井的初期，人們在鉆井中就觀測到了一種非人工產(chǎn)生的直流電位差，且可以毫伏級的精度記錄下來，人們稱之為自然電位。自然電位的測量很簡單，即把一個測量電極放在井下，另一個放在地面，可以連續(xù)地測量出一條自然電位曲線，如果把曲線正極電位作為基準，則曲線的負峰處一般都是具有滲透性的砂巖。因此自然電位曲線可以作為劃分巖性，判斷儲層性質(zhì)的基本測井方法。1．自然電位產(chǎn)生的原因1）擴散電動勢在純水砂巖的井壁上產(chǎn)生的擴散電動勢，是井壁的鉆井液濾液與砂巖中地層水接觸的結(jié)果。這些鉆井液濾液是井內(nèi)鉆井液慢慢脫水產(chǎn)生的。鉆井液濾液和地層水都主要含NaCI,假設鉆井液濾液的濃度是Cwt，地層的水濃度是Cw,電阻率是Rw,—般是Cw>Crnf,RwVRnif，也就是說地層中的Nif“，CI離子都要由地層向鉆井液濾液方向擴散，由于*的遷移速度比Na”快，于是在地層水內(nèi)就富集正電荷，鉆井液濾液中富集負電荷，形成了一個由于離子擴散而產(chǎn)生的電動勢——擴散電動勢，實驗證明，純水砂巖的擴散電動勢等于：F7一二K.1。處（mV）（）H砂I\llg\111V'\““/”and式中凡——擴散電位系數(shù)，與溶液的成分和溫度有關(guān)；aw和a加——分別表示地層水和鉆井液濾液的電化學活度，與含鹽量和化學成分有關(guān)。與純水砂巖相鄰的泥巖井壁上產(chǎn)生的擴散電動勢，是泥巖所含的地層水與井壁鉆井液濾液相接觸的產(chǎn)物。泥巖所含的地層水其成分和濃度一般與相鄰砂巖石中的水是一樣的。由于泥巖的孔隙喉道極小，地層水都被束縛在泥巖的泥質(zhì)顆粒表面。而泥質(zhì)顆粒對C廠離于有選擇性吸附的作用，CI離子都被束縛在泥質(zhì)顆粒表面，不能自由移動，只有Na”可在地層水中移動。因此，在泥巖井壁上只發(fā)生Na”離子的擴散。這時形成的電動勢，稱為擴散吸附2.電位曲線形狀的分析井內(nèi)自然電流的分布如圖2—2所示，它說明并內(nèi)的電流強度不是均勻分布的。因為井內(nèi)的自然電動勢和自然電流的分布都對并軸有對稱性，圖上只繪了井和地層的一半。.I?！匀浑娢粶y井在井內(nèi)測量的電位是自然。2－l；。l）a電流的電位降產(chǎn)生的。在離砂巖較遠的泥巖”MHIa/上（如a點以上），自然電流甚小，幾乎沒\一上二甘【/有什么變化，所以大段泥巖上的自然電流曲砂巖/ 大【M 線基本是一條直線。過了a點，電流強度逐——下7一二三w“「一一不一漸增加，使井內(nèi)電位逐漸降低（RwVR。帳。二D工_D\ 時），自然電位曲線緩慢偏向負的方向。在二0工】'泥巖與砂巖的接觸面附近，井內(nèi)電流強度最十由件除中最大白長由仿油紛芻劇偏圖2—2自然電位曲線的形狀和井內(nèi)自然電”二二”—，7丁二廠：廣二二廠廠．'－”_。_一_、角。付了地層界面.電流強度又逐步減小，

流的分布（RwVRmf）”““““”'“”'一'一““ ” 一由休眠統(tǒng)險極白長由計熱線繼續(xù)偏角.們速度減慢。若砂巖厚度較大，則在地層中部，自然電流很小，變化也很小，自然電位曲線幾乎是與井軸平行的直線。在砂巖下部，自然電流又逐漸增加，但因其方向與砂巖上部相反，自然電流的電位降是使井內(nèi)電位逐步增加，自然電位曲線向電位正的方向移動，其變化情況與砂巖上部類似，因此，若砂巖巖性均勻，自然電位曲線在砂巖上的異常對地層中點有對稱性，異常幅度的半幅度應是地層的界面，異常幅度的大小應當?shù)扔谧匀浑娏髟诰畠?nèi)的電位降。4.自然電位曲線的應用1） 劃分滲透性地層，并確定其界面明顯的自然電位異常是滲透層的顯著特征，自然電位曲線是劃分滲透層的有效工具。一般可按半幅點確定滲透層的界面，但由于影響因素較多，用半幅點確定界面不是很難。實際工作中，常是以自然電位和微電極曲線的顯示劃分出滲透層，而以微電極和短電極的視電阻率曲線確定其界面，參考自然電位半幅點。2） 分析巖性因為自然電位是離子在巖石中的擴散吸附作用產(chǎn)生的，而巖石的擴散吸附作用與巖石的性質(zhì)（巖石成分、組織結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物的成分及含量等），有很密切的關(guān)系，故可根據(jù)自然電位曲線的變化分析巖性，特別是分析巖性變化。如地層的巖性變細，泥質(zhì)含量增加，常常表現(xiàn)為自然電位幅度降低。自然電位曲線可明顯地劃分出泥巖類（泥巖、頁巖等）、砂巖、泥質(zhì)砂巖，并可結(jié)合電阻曲線劃分出有滲透性的生物灰?guī)r等。因為自然電位曲線與巖性有密切關(guān)系，曲線變化又比較簡單，比較形象，自然電位曲線也是地層對比的一項重要資料，標準測井都少不了自然電位曲線。3） 估算地層水電阻率在許多情況下，可以容易地由自然電位曲線求得準確的地層水電阻率。但在有些情況下（例如有非NaCI鹽類存在，自然電位基線偏移或Rw變化不定）應當特別小心。有時有大的過濾電位存在（例如滲透率很低的地層，壓力枯竭的地層及很重的鉆井液）。在這種情況下，最好不要使用自然電位求Rw值，但是，經(jīng)驗指出，當?shù)貙佑幸欢ǖ臐B透率，地層水是鹽水，并且鉆井液電阻率不是很高時，自然電位中的過濾電位成分可以忽略不計。在這些情況下認為靜自然電位等于電化學電位。在已知剖面中若有足夠厚的純水層，就可根據(jù)自然電位曲線直接確定靜自然電位值。通過厚滲透層處自然電位最大的負值做一條直線，而由夾在它們之間泥巖層的自然電位值作出泥巖基值。這兩條直線間的差值（毫伏數(shù)）取作SSP。但在被測井段內(nèi)，往往難于找到層厚而又沒有侵人的純滲透層。如地層薄，自然電位值必須經(jīng)過校正以求得沖。二、伽馬測井1．自然伽馬測井把儀器放到井下，測量地層放射性強度的方法叫作自然伽馬測井（三刊。這種方法已有很長的歷史，自然伽馬與自然電位測井相配合能很好地劃分巖性和確定滲透性地層，自然伽馬測井的另一優(yōu)點是可在下套管井中測量。1） 巖石的放射性巖石中含有放射性元素，主要是鈾（U）、鉆（Th）、鉀以）等放射性元素，所以巖石的放射性強度決定放射性元素的含量。238U的半衰期為4.5X109。，'23Th半衰期為1.42XW0a40K半衰期為1.25X109a。一般條件下，巖石的放射性物質(zhì)含量很少。按照放射性的強弱可把沉積巖分成以下幾類：門）放射性物質(zhì)含量高：放射性軟泥、紅色粘土、黑色瀝青質(zhì)粘土的放射性物質(zhì)含量高。海綠石砂巖、獨居石、鉀釩礦砂礫巖等具有高放射性含量。（2）放射性物質(zhì)含量中等：淺海相和陸上沉積的泥質(zhì)巖石，如泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)石灰?guī)r泥灰?guī)r等。以放射物質(zhì)含量少：砂層、砂巖、石灰?guī)r等。（4）放射性物質(zhì)含量很少：硬石膏、石膏、巖鹽、煤和瀝青等。2） 自然伽馬測并及應用1把自然伽馬測井儀放到井下，測量地層放I＞泥質(zhì)砂巖——ITOC\o"1-5"\h\z射性強度隨深度變化的曲線，稱為自然伽馬曲D 、1線（GR）。1 ”一］美國石油學會在休斯敦大學建立了自然伽IS”質(zhì)化村D9刻度井。該刻度井有兩個低放射性地層，一回、、、、、 上D個高放射性地層，高放射性地層中含有鉀【Z純石灰?guī)r14%日鈾13ms/1平外24ms/1羅三者分另占總 D 7］放射性量的19%、47%和34%。定義高放射］\純白云巖 l性地層與低放射性地層讀數(shù)之差為20（）API單I ——? \I位，作為標準刻度單位?，F(xiàn)今自然伽馬測井的D廠 J――D橫向比例都用API單位?！綷二一l自然伽馬測井曲線的應用如下：D 上D門）劃分巖性。主要是根據(jù)地層中泥質(zhì)含1煤D量的變化引起自然伽馬曲線幅度變化來區(qū)分不【V泥質(zhì)砂巖D同的巖性，圖2一5是自然伽馬測井曲線對不Dt硬石膏D同地層的響應，對于純石灰?guī)r、純砂巖、白云I一一上Z巖、硬石膏，石膏、煤層及鹽巖等，自然伽馬D（上上二 二a顯示低值；對于火山灰、泥巖顯示高自然伽馬d廠 上上工 5D值，而對于含泥質(zhì)巖石自然伽馬顯示中等，并L一上二三二一一一一一一一一一一一一一 J且隨著泥質(zhì)含量增減而變化。一般來說，泥巖的自然伽馬幅度為75?150API單位，平均為圖2—5自然伽馬測井響應曲線100API單位，硬石膏和純石灰?guī)r為15?20API單位，白云巖和純砂巖的自然伽馬幅度為20?30API單位。但對某一地區(qū)來說，應該根據(jù)巖心分析結(jié)果與自然伽馬曲線進行對比分析，找出地區(qū)性的規(guī)律，再應用于自然伽馬曲線的解釋。（2）進行地層對比。自然伽馬曲線與地層中所含流體性質(zhì)無關(guān)，地層水礦化度對其也沒什么影響，因此自然伽馬曲線幅度主要決定于地層中的放射性物質(zhì)，通常對于不同巖性其幅度較為穩(wěn)定。另外對比的標準層也易于選取，通常用厚層泥巖作為標準層，進行油田范圍或區(qū)域范圍內(nèi)的地層對比。（3）估算地層中泥質(zhì)含量。首先用自然伽馬相對幅度的變化計算出泥質(zhì)含量指數(shù)IGR：GRBM—GRmin1。=== e*IGKGRGRmn式中GR目的——目的層的自然伽馬幅度；GRM純泥巖層的自然伽馬幅度；GR。｛ 純砂巖層的自然伽馬幅度。通常IGR的變化范圍為0?1,用下式將IGR轉(zhuǎn)化為泥質(zhì)含量VSh：ZG“互。一二 /1V、V。。=MM——\LJj'“2“1式中G——希爾奇指數(shù)，可根據(jù)實驗室取心分析資料確定，北美第三系地層取G—3.7，老地層G=2。2.自然伽馬能譜測井自然伽馬測井只能測量地層中放射性元素的總含量，無法分辨地層中含有什么樣的放射性元素，為此研制了自然伽馬能譜測井，即測量不同放射性元素放射出不同能量的伽馬射線，從而確定地層中含有何種放射性元素。1）自然伽馬能譜測井原理不同巖石含有的化學成分不同，其放射性物質(zhì)的成分也不一樣，泥巖地層主要成分為粘土礦物，粘土礦物所含的放射性元素如表2—1所示。表2—1粘土礦物中鈾（U）、社（Th）和鉀化）的含量純砂巖和碳酸鹽巖的放射性元素含量都低，表2—2給出其大致的變化范圍。但對于某些滲透性砂巖和碳酸鹽巖地層，由于水中含有易溶的鈾元素，并隨水運移，在某些適宜條件下沉淀，形成具有高放射性滲透層，此時可用自然伽馬能譜測井劃分這樣的地層。表2—2砂巖和碳酸鹽中鈾（U）、社（h）和鉀①）的含量根據(jù)實驗室對鈾、針、鉀放射伽馬射線能100r 個。量的測定，發(fā)現(xiàn)鉀放射的單色伽馬射線，其能11。十14。。。V.鈾及其衰變產(chǎn)物放射的是多扣【能諧伽馬射線，在高能區(qū)內(nèi)，1.76MeV的峰。L 上值明顯，易于鑒別。處及其衰變產(chǎn)物放射多能后。n枷“射驗。其中T62MeV峰值易于識別。圖墨＄1＄12—6是鈾、針、鉀三種元素發(fā)射伽馬射線的6”也。。。9?！睍?ill“”lig譜圖。y。11,IJltl；川；.；1”一‘一IN0?自然伽馬能譜測井儀的探測器部分與自然表伽馬測井基本相同，使用N*（TI）閃爍計數(shù)一器，其輸出脈沖的幅度與人射伽馬射線能量成。LI。。正比，所不同的是自然伽馬能譜測井儀增加了1i11中多道脈沖幅度分析器，能分別測量不同幅度的”七Y\#一一丫廠一一失一下一一脈沖數(shù)，從而得出不同能量的伽馬射線能譜，伽馬射線能量，”eV用以測定不同的放射性元素。自然伽馬能譜測圖2—6鉀、針、鈾放射的伽馬射線能譜圖井根據(jù)測出的伽馬射線特征峰值，經(jīng)刻度，輸出的就是U、Th、K三條曲線與一條總的自然伽馬曲線（圖2—7）。00，、、00、00，、、00、I、 。＄。。2）自然伽馬能譜測井的應用用自然伽馬能譜測井可劃分巖性。圖2—7中4122?4220m井段是純石灰?guī)r，U、Th、K三條曲線顯示低異常，自然伽馬也顯示低異常，其上、下兩層自然伽馬值高，應為泥巖層。但在自然伽馬能譜曲線上，上部泥巖U顯示高值，K也稍高，是富含有機質(zhì)的泥巖。下部泥巖K和Th的含量都高，U的含量也高，但低于上部泥巖，因此這是兩個性質(zhì)不同的泥巖層。圖2—8中1600fi必和1638fi處，自然伽馬曲線上顯示兩個尖峰，似乎應為兩個薄泥巖層，但在自然伽馬測井曲線中K，Th兩條曲線無顯示，而在U曲線顯示兩個尖峰，與自然伽馬曲線吻合，表明這里不是泥巖層，應為一滲透層，并在該深度處U的含量較高，可能是溶有U的水運移中沉淀下來。利用ThAi比值曲線研究沉積環(huán)境，據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計，Th/U>7時，主要為陸相泥巖和鋁土礦，這是風化完全、有氧化和淋濾作用的陸相沉積；2VTh/UV7為海相沉積環(huán)境，巖性為灰色和綠色泥巖及雜砂巖：Th/UV2，海相沉積，為黑色海相泥巖、石灰?guī)r及磷酸鹽巖。自然伽馬能譜測井還能區(qū)分粘土礦物，圖2—9是K、Th含量為粘土礦物的關(guān)系圖。圖中畫出了不同礦物的分區(qū)帶，根據(jù)自然伽馬能譜測井得出的K、Th含量，即可鑒別地層含有粘土礦物。自然伽馬能譜測井的用途是可能用來直接尋找放射性礦物。三、聲波測并將一個受控聲波振源放人井中，聲源發(fā)出的聲波引起周圍質(zhì)點的振動，在地層中產(chǎn)生體波即縱波和橫波，在井壁一鉆井液界面上產(chǎn)生誘導的界面波即偽瑞利波和斯通萊波。這些波作為地層信息的載體，被井下接收器接收，