测井基本原理和方法-《水文地质勘察》第2版

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【摘要】：3.3.2.2 自然电位测井法基本原理:自然电位测井法是在不进行人工供电的条件下测量井内及井周围由于电化学活动性而产生的自然电位的变化,用以确定岩层性质和层位的一种测井方法。

由于测井方法很多,难以一一阐述,现仅介绍常用的三种。

3.3.2.1 视电阻率测井法

1.基本原理

采用由四个电极构成的排列形式,其中的两个电极为供电电极,另外的两个为测量电极,如图3-16所示。图中字母A、B表示正的和负的供电电板,M、N表示正的和负的测量电极。测井时一般将其中的一个电极置于地面,其余三个电极排在一条直线上,形成三电极测井电极系投入孔内[1]。由于电极系(A、M、N)至地面的距离远远超过电极系的探测半径,因此当介质为均匀介质时,可以认为电极系是置于电阻率为ρ的均匀无限大的介质中。根据均匀无限大介质中的点源电场理论,岩石的电阻率为[10]:

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式中:ρ为均质岩石的电阻率,Ω·m;为电极M、N两点间的距离,m;为电极A、N两点间的距离,m;为电极A、M两点间的距离,m;ΔU为电源A在M、N电极之间的电位差,m V;I为所施加的电流强度,mA;K为电极系的系数,其大小与电极系中三个电极之间的距离有关。

然而,实际上地下的介质并不是均匀的,因此当把测井中实测的电位差ΔU和供电电流I的数值代入式(3-1)时,所求得的“电阻率”并非是电极周围岩石的真正电阻率。为了与岩石真正的电阻率相区别,把非均质介质中仍按式(3-1)计算出的“电阻率”称为视电阻率。以ρs表示。即[10]:

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式中各符号意义同前。

视电阻率值的大小与电极系周围介质的电阻率(如岩层电阻率、围岩电阻率及井液电阻率等)以及这些介质的分布(如岩层的厚度、岩层的倾角及井径)有关。同时,视电阻率还与所用的电极系有关。可以认为,视电阻率是电极系探测范围内各种介质电阻率的某种加权平均值。一般来说,岩石离电极系越近,它对所测得的视电阻的影响越大[10]。

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图3-17　煤田中利用视电阻率测井曲线(摘自王惠濂,1987)

1—页岩;2—砂质页岩;3—砂岩;4—煤

2.视电阻率的应用

在金属与非金属矿床、煤田及水文、工程地质测井中,视电阻率曲线如与其他测井曲线配合,可用于:①划分钻孔的地质剖面;②确定矿层的深度和厚度;③进行地层对比;④研究勘探区的地质构造,等等[10]。

图3-17是我国某煤田的某个钻孔的一段实测视电阻率测井曲线。在该剖面上,视电阻率曲线以明显的高峰反映出煤层位置。测井曲线对各种岩性地层的反映也较清晰,可见,利用视电阻率曲线划分钻孔地质剖面也是可行的[10]。

3.3.2.2 自然电位测井法

基本原理:自然电位测井法是在不进行人工供电的条件下测量井内及井周围由于电化学活动性而产生的自然电位的变化,用以确定岩层性质和层位的一种测井方法。该方法不需要向孔内供电,只需要把一个电极置于孔口,另一个电极放入井下,用导线将它们与电位计连接起来,便会发现两个电极之间存在一个电位差使检流计指针发生偏转[1]。

测量方法及内容如下[1]:

(1)测定井孔内的泥浆密度与温度。由于泥浆的比重、温度都随深度的增加而增大,所以在泥浆钻进结束后,可在不同的深度上进行测量。如果孔深不大(在50m以内),可测孔中部的泥浆比重与温度值。

(2)各测点位置的选择。对于薄层含水层(厚度在3m以内),一般选一个测点,对于厚度超过3m的中、厚含水层,可根据具体情况选2～4个测点。各测点的位置应尽量放到各含水层的中部,以免受岩层分界面不均的自然电位影响。此外还应选择孔中较厚的黏性土层中部一点,作为自然电位的零点。

(3)测定其泥浆电阻率值。下放井液电阻计至各含水层的预计测点,测量各测点的泥浆电阻率值。

(4)在井旁潮湿处放一个竹制不极化电极为N极,另一个竹制不极化电极为M极放入井孔中,测量开始时先把M极放在所选择的较厚黏土层中部测点(即所谓的计划电位零点),此时用电位计上的极化补偿器进行极化补偿,使检流计指针补偿到零点,然后再把M电极按计划依次放到各含水层测点,进行自然电位测量。这种常用的测量方法,即为电位法。

(5)所有测量资料必须正确清晰地填入记录表内,记录表的内容应包括井孔的位置、电测井的时间、系数(η)、泥浆比重、泥浆电阻率、泥浆温度、温度系数、厚度系数、测量深度、自然电位数值和计算结果等。

3.3.2.3 放射性测井法

放射性测井法是以地层间的放射性差异为基础的,包括观测地层中天然放射性强度的自然γ测井、观测地层中由于人工激发所产生的次生放射性强度的γ测井和中子γ测井等方法[1]。

(1)自然γ测井法是根据各种地层中放射性强度的差异来研究及划分井的地质断面。其装置由两部分组成,一部分是井下测量仪器;另一部分是地面测量控制仪器。上下两个部分通过电缆连接起来,如图3-18所示[1]。

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图3-18　γ测井法装置图(据　史长春,1983)

1—仪器外壳;2—计数器;3—放大器;4—记录器

图3-18中,测量γ射线强度是用计数管。在计数管电极上外加一个电压,使其单位时间放电的次数显示计数管中所形成离子对的数目,而这个数目,又正比于γ射线的强度,因此,在单位时间内放电次数取决于γ射线强度。测井以单位时间内电流脉冲数目为测量单位,常用脉冲/分表示。通过地面的测置仪器,将脉冲数目的多少,转变为电流强度的大小,由记录仪绘出随深度变化而改变的天然γ射线强度,即为自然γ测井曲线[1]。

(2)γ-γ测井法(密度测井):与自然γ测井法完全相同,只是井下仪器多一个γ放射源,因此,它是一种人工放射性的测井方法。γ放射源照射地层使地层产生散射的γ射线,利用测量这种散射的γ射线的强度来区分地层。由于地层的密度与对γ射线吸收数量的多少成正比,因此,散射γ射线的强度就反映出地层密度的大小[1]。

(3)中子γ测井法与γ-γ测井方法相同,仅把γ源改为中子源,是利用中子与地层作用所产生的γ射线,因而也属于人工放射性测井的方法。中子源所射出的快中子,能够自由穿过地层原子的电子壳层,与原子核发生碰击,使能量减弱,速度降低。若继续碰击,能量速度会变得更低而称慢中子或热中子。热中子被原子核吸收,原子核就放出γ量子来,这些量子被计数管记录下来。因为氢原子核的质量与中子的质量相近,含氢的地层对快中子减速快,故可以根据二次γ量子的强弱来区分出地层的含氢量(即含水量)。如果含水层中含水量的大小与孔隙比有关,还可通过对比得到含水层孔隙度的大小。

目前,水文地质测井主要以电测井和γ射线测井应用最广。近年来,一些单位还应用流速测井(包括井径测井)和电视测井(也叫井下电视),可以直接观察确定含水层或断裂破碎带的位置。测井还可用来配合无岩芯钻进,以提高钻进的效率和降低成本[1]。

由于各种测井方法都有一定的应用条件,在解释方面都存在着多解性,因此,在实际工作中还应重视采用综合测井方法,即一般每个钻孔至少有三种以上的参数曲线为宜,以便相互印证、综合分析,提高解译的可靠性。

测井基本原理和方法-《水文地质勘察》第2版

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