绪 论（2学时）
一、测井学和测井技术的发展
测井学是一个边缘科学，是应用地球物理的一个分支，它是用物理学的原理解决地质学的问题，并已在石油、天然气、金属矿、煤田、工程及水文地质等许多方面得到应用。30年代首先开始电阻率测井，到50年代普通电阻率发展的比较完善，当时利用一套长短不同的电极距进行横向测井，用以较准确地确定地层电阻率。60年代聚焦测井理论得以完善，孔隙度形成了系列测井，各类聚焦电阻率测井仪器也得到了发展，精度也相应得以提高。测井资料的应用也有了长足的发展，随着计算机的应用，车载计算机和数字测井仪也被广泛的应用。到现在又发展了各种成像测井技术。
二、测井技术在勘探及开发中的应用
无论是金属矿床、非金属矿床、石油、天然气、煤等，在勘探过程中在地壳中只要富集，就具有一定特点的物理性质，那我们就可以用地球物理测井的方法检测出来。特别是石油和天然气，往往埋藏很深，只要具有储集性质的岩石，就有可能储藏有流体矿物。它不用像挖煤一样。而是只要打一口井，确定出那段地层能出油，打开地层就可以开采。由于用测井资料可以解决岩性，即什么矿物组成的岩石，它的孔隙度如何，渗透率怎么样，含油气饱和度大小。沉积时是处于什么环境，是深水、浅水、还是急流河相，有无有机碳，有没有生油条件，能不能富集。在勘探过程中，可以解决生油岩，盖层问题，也可以对储层给予评价，找到目的层，解释出油、气、水。
在油气田开发过程中，用测井可以监测生产动态，解决工程方面的问题。井中产出的流体性质，是油还是水，出多少水，油水比例如何，用流体密度，持水率都可以说明。注水开发过程中，分层的注入量，有没有窜流，用注入剖面测井都可以解决。生产过程中，套管是否变形，有没有损坏、脱落或变位，管外有无窜槽，射孔有没有射开，都需要测井来解决。对于设计开发方案，计算油层有效厚度，寻找剩余油富集区都离不开测井。测井对石油天然气勘探开发来说，自始至终都是不可缺少的，是必要的技术。它服务于勘探开发的全过程。
三、储层分类及需要确定的参数 1．储集层的分类及特点
石油、天然气和有用的流体都是储存在储集层中，储集层是指具有一定储集空间的，并彼此相互连通，存在一定渗透能力的的岩层。储层性质分析与评价是测井解释的主要任务。 1)碎屑岩储集层
它包括砾岩、砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩等。世界上有40％的油气储集在碎屑岩储集层。碎屑岩由矿物碎屑，岩石碎屑和胶结物组成。最常见的矿物碎屑为石英，长石和其他碎屑颗粒；胶结物有泥质、钙质、硅质和铁质等。控制岩石储集性质是以粒径大小、分选好坏、磨圆度以及胶结物的成分，含量和胶结形式有关。一般粒径大，分选和磨圆度好，胶结物少，则孔隙空间大，连通性好，为储集性质好。 2)碳酸盐岩储集层
世界上油气50％的储量和60％的产量属于这一类储集层。我国华北震旦、寒武及奥陶系的产油层，四川的震旦系，二叠系和三叠系的油气层，均属于这类储层。 碳酸盐岩属于水化学沉积的岩石，主要的矿物有石灰石、白云石和过渡类型的泥灰岩。它的储集空间有晶间孔隙、粒间孔隙、鲕状或钟孔状孔隙、生物腔体孔隙、裂缝、溶洞等。从储层评价和测井解释的观点出发，将碳酸盐岩储集层的储集空间归为二类：一类为原生孔隙，如晶间、粒间、鲕状孔隙等。另一类为次生孔隙如裂缝、溶洞等。前者孔隙较小分布均匀。后者孔隙较大，形状不规则，分布不均匀。按孔隙结构特点碳酸盐岩储集层可分为三类：孔隙型、裂缝型和溶洞型等。 (1)孔隙型碳酸盐岩储集层：它是粒间、晶间、生物腔体孔隙等，还有石灰岩白云岩化后重结晶形成的均匀分布的孔隙。它们都是孔隙性的碳酸盐岩储集层。它们适用的测井方法和解释方法与碎屑岩储集层基本相同，也是目前测井资料应用最成功的一类储集层。
(2)裂缝型碳酸盐岩储集层：这类储层的储集空间主要由构造裂缝和层间裂缝组成，由于裂缝的数量，形状和分布可能极不均匀，故孔隙度和渗透率也可能有很大变化，油气分布也不规律，并且裂缝发育带渗透率高。
(3)洞穴型碳酸盐岩储集层：这类储集层主要由溶蚀作用产生的。洞穴形状大小不一，分布不均匀，往往具有偶然性。用常规测井方法进行解释有很大困难。 2．储集层的基本参数
在储集层的评价中，需要测井解释确定的参数有储层厚度、孔隙度、油气饱和度和渗透率。 1) 孔隙度
岩石在形成过程及后期作用中会有粒间孔隙、晶间孔隙、裂缝及洞穴等。根据孔隙流体在孔隙中能否流动，孔隙可分为总孔隙、有效孔隙。有效孔隙指互相联通的孔隙。总孔隙指所有的孔隙空间。孔隙度是指岩石中孔隙所占的体积与岩石的体积之比。通常用百分数表示。 2)饱和度
孔隙中油气所占孔隙的相对体积称为含油气饱和度，通常也用百分数表示。饱和度又分为原状地层含烃饱和度、冲洗带残余烃饱和度、侵人带含烃饱和度，可动烃饱和度等。
束缚水饱和度Swirr。是另一个重要的饱和度概念，通过它与总含水饱和度的关系可以知道储集层是否能出水。 3)岩层厚度
主要指储集层的岩层厚度，指的是有效孔隙，含烃饱和度下限所确定的岩层顶底界所具有厚度。 4)渗透率
-3
为了评价储层的生产能力，应了解油气水流过岩石孔隙的难易程度。当粘度为1310Pa?s的流体，在单位时间1s钟内，两端压差为latm时，通过岩石单位
截面lcm的流体体积为该岩石的渗透率为1μm.渗透率分绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率，绝对渗透率为岩石孔隙中只有一种流体存在时对岩石所测量的渗透率。有效渗透率为岩石孔隙存在二种或二种以上的流体时，对其中某一流体所测量的渗透率，为该流体在这种岩石中的有效渗透率。相对渗透率为有效渗透率与绝对渗透率的比值，它表示某种流体流过岩石的难易程度。
四、测井系列的选择
合理和完善的测井系列是保障测井解释准确的先决条件。合理的测井系列可以解决岩性问题，层厚、孔隙度、渗透率、饱和度及泥质含量问题。不同的地质条件，需要不同的测井系列组合，见表1。 1．泥质指示和确定岩性的测井方法选择
泥质指示应能划分泥岩和非泥岩，并能确定泥质含量。基本上各种测井方法都能不同程度的进行泥质解释。最常用的是自然伽马、自然电位和微电极。另外岩性测井和自然伽马能谱测井也能解决这个问题。个别的地区，由于沉积速度快，自然电位不稳定，也可以用其他测井方法解决泥质问题。在以后的泥质砂岩解释中有详细说明。测井系列选择的标准是能准确的划分钻井剖面的岩性，能够准确的确定孔隙度，能够确定地层的含水饱和度，或油气饱和度。如碳酸盐岩地层，三种孔隙度测井确定孔隙度，微球形聚焦确定冲洗带电阻率，双侧向确定深浅电阻率，井径和自然伽马确定泥质含量。再如湖泊相河流相的沉积地层，至少有一种孔隙度，微电极，深浅三侧向，加井径和自然电位，有时加自然伽马。
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表1 裸眼井测井系列
井内流体 研究参数 岩性 Sw—Rw 淡水钻井液 Sxo—Rmf Ф—Vclay K—ρ 几何参数 岩性 Sw—Rw 盐水钻井液 Sxo—Rmf Ф—Vclay K—ρ 几何参数 岩性 油基钻井液 Sw—Rw Ф—Vclay K—ρ 几何参数 岩性 Sw—Rw 空井 Ф—Vclay K—ρ 几何参数 推荐的测井项目 自然电位、自然伽马、自然能谱、岩性—密度测井 感应测井或侧向测井或电位—梯度电极系测井微球形聚集测井（MSFL）或微侧向测井（MLL）或微电极测井 密度测井、中子测井和（或）声波测井 地层测试器（RFT） 地层倾角测井，四臂井径测井，井斜测量 自然伽马、自然能谱、岩性—密度测井，自然电位 双侧向测井 微球形聚焦测井或微侧向测井密度测井、中子测井和（或）声波测井地层测试器（RFT） 地层倾角测井，四臂井径测井，井斜测量 自然伽马、自然能谱、岩性—密度测井 感应测井 密度测井、中子测井和（或）声波测井地 层测试器（RFT） 四臂井径测井，井斜测量 自然伽马、自然能谱、岩性—密度测井 感应测井 密度测井、中子测井 温度测井 四臂井径测井、井斜测井 2．电阻率测井方法的选择
由于钻井后测井是在井眼中进行，井眼的大小。钻井液性能的差别，使得渗透层受不同程度的污染，存在冲洗带、侵人带和原状地层的电阻率上的差异。电阻率测井应能反应冲洗带、浅、中、深的电阻率数值上的变化。岩层的电阻率高低，岩层的厚薄，影响地层真电阻率数值。所以选用的测井方法也不尽相同。这需要掌握各种方法的线性范围、探测半径、聚焦的强弱、围岩和井的影响大小。对低电阻率地层一般选用双感应一八侧向、微球形聚焦。对高电阻率地层一般选用，双侧向—邻近侧向、微侧向电阻率系列。对于较薄的地层微电极，三侧向或普通电阻率测井也可以很好的解决地质问题。 3．孔隙度测井方法的选择
孔隙度测井一般探测深度较浅，对于储集层一般仅限于冲洗带。声速测井方法适用于粒间和晶间孔隙，不能反映次生孔隙中的裂缝溶洞，适用于均匀分布的孔隙度。中子孔隙度测井只反映岩层的含氢量的大小，并随含氢量的增加探测深度减小。密度测井反映的是岩石的总孔隙度，分不清原生孔隙和次生孔隙。天然气对三种孔隙度都有影响，岩性对孔隙度也有影响。
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第一章 自然电位测井（2学时）
在生产实践中发现，在没有人工供电的情况下，测量电极M在井内移动时，仍测量与岩性有关的电位随井深的变化曲线。由于这个电位是自然电位产生的，所以称为自然电位，用SP表示。
第一节 井内自然电位产生的原因
井内自然电位产生的原因是复杂的，对于油井来说，主要有以下两个原因：地层水矿化度与泥浆矿化度不同，引起离子扩散作用和岩石颗粒对离子的吸附作用；地层压力与钻井泥浆柱压力不同时，在地层的微孔隙中产生过滤作用。
实践证明：油井的自然电位主要由扩散作用产生的，只有在泥浆柱和地层间的压力差很大的情况下，过滤作用才成为较重要的因素。 一、扩散电位
井内自然电位的产生也是两种不同浓度的溶液相接触的产物。由于砂岩的渗透性较好，当地层水浓度Cw和泥浆滤液浓度Cmf不同时（通常Cw?Cmf）并在井壁附近接触时，离子在渗透压力作用下，高浓度溶液的离子要穿过砂岩向溶液浓度较低的地层中扩散，由于Cl的迁移速率大于Na，经过一段时间的聚集后，地层内富集正电荷，泥浆滤液中富集负电荷，见图1-1。当扩散最终达到动态平衡时，在砂岩中两种不同浓度溶液的接触面上产生自然电场，产生自然电位差。此时的电动势称为扩散电动势或扩散电位。经实验测定扩散电动势（Ed）可由下式进行表示：
Ed?Kdlg当溶液浓度不很大时，溶液浓度与电阻率成反比，所以 Ed?Kdlg式中 Kd—扩散电位系数； Rmf—泥浆滤液电阻率；
??Cw （1-1） CmfRmfRw （1-2）
Rw—地层水电阻率.
二、扩散吸附电动势（Eda）
在井内泥岩表面附近，由于泥浆滤液浓度与地层水的浓度不同（Cw?Cmf），离子在渗透压力作用下，仍然要由高浓度溶液向低溶液浓度中扩散，由于泥岩具有选择吸附阴离子的能力，在粘土颗粒表面可以大量地吸附阴离子，而Na可以自由扩散，扩散结果是在泥浆滤液中富集大量正电荷，而在地层中富集了负电荷，见图1-1。这样就在泥岩表面处形成扩散吸附电位，记为Eda，其表达式为：
Eda?Kdalg式中：Kda—扩散吸附电位系数； Cw—地层水浓度； Cmf—泥浆滤液浓度 三、过滤电位
在岩石中，颗粒和颗粒之间有很多孔隙，它们彼此连通，形成很细的孔道，称为毛细管。当泥浆柱的压力大于地层的压力时，泥浆向地层过渡，泥浆滤液通过井壁在岩石孔道中流过。由于岩石颗粒的选择吸附性，孔道壁上吸附泥浆滤液中的负离子仅有正离子向地层中移动，这样在井壁附近聚集了大量负离子， 图
1-2 过滤电位形成示意图
?RmfCw?Kdalg() （1-3） CmfRw在地层内部聚集了大量正离子，这样在地层和泥浆接触面两端形成的电位称为过滤电动势，用Ef表示，如图1-2所示。在泥浆压力大于地层压力的条件下，渗透层处，过滤电位与扩散吸附电位方向一致，其数值与地层和泥浆柱之间的压力差及过滤溶液的电阻率成正比，与过滤溶液的粘度成反比，即：
Ef?Kf式中：?p—压力差，atm；
Kf—过滤电位系数，与溶液的成分浓度有关； Rmf—过滤溶液的电阻率，??m
?p?Rmf? （1-4）
?—过滤溶液粘度，10?3Pa?s。
过滤电位只有当地层与泥浆柱压力差很悬殊时，而且在泥饼形成以前，才有较大的显示。但一般钻井时要求泥浆柱压力只能稍大于地层压力，相差不是很大，而且在测井时已形成泥饼，因此一般井内过滤电位的作用可忽略不计。在砂泥岩剖面的井中的自然电场主要由扩散电位和扩散吸附电位组成。
第二节 自然电位测井曲线特征
由于泥岩（或页岩层）岩性稳定，在自然电位测井曲线上显示为一条电位不变的直线，将它称为自然电位的泥岩基线；在渗透性砂岩段，自然电位曲线偏离泥岩基线，在足够厚的砂岩层中，曲线达到固定的偏转幅度，定为砂岩线。自然电位曲线的异常幅度?USP就是地层中点的自然电位与基线的差值。如图1-3所示，图1-3为含水纯砂岩的自然电位理论曲线。通常把井中巨厚纯水层砂岩井段的自然电位幅度近似地认为是静自然电位SSP，其值等于扩散电动势与扩散吸附电动势之和。横坐标为自然电位与静自然电位之比?USP/SSP，纵坐标为地层厚度h，曲线号码为层厚与井径之比hd。当上下围岩岩性相同时，曲线特征为： （1）当地层泥浆是均匀的，上下围岩岩性相同时，自然电位曲线关于目的地层中心对称，地层中心处异常值最大； （2）地层越厚，?USP越接近SSP，地层厚度变小，?USP下降，曲线顶部变尖，底部变宽?USP?SSP；
（3）当地层较厚（h?4d）时，?USP的半幅点对应地层的界面，因此较厚地层可用曲线半幅点确定地层界面，随着厚度的变小，对应界面处的曲线幅度值离开半幅点向曲线峰值移动。
实测曲线与理论曲线特点基本相同，但由于测井时受多方面因素的影响，实测曲线不如理论曲线规则，见图1-4。渗透性砂岩的自然电位对泥岩基线而言，可向左或向右偏移，它主要取决于地层水和泥浆溶液的相对矿化度。当Cw?Cmf时，砂岩层段自然电位出现负异常，当Cw?Cmf时，砂岩层段出现正异常；当Cw?Cmf时，不存在造成自然电场的条件，则没有自然电位异常出现。Cw和Cmf的差别越大，造成自然电场的电动势越大。
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第三节 自然电位曲线影响因素
一、渗透层自然电位异常幅度的计算
对于砂泥岩层段来说，自然电流回路的总自然电位Es经推导为： Es?KlgCw （1-5） Cmf式中：K?Kd?Kda—自然电位系数；
Cw—砂岩的地层水矿化度， Cmf—泥浆滤液的矿化度。
自然电位?USP实际上是自然电流在井内泥浆电阻上的电位降，即：
?Usp?I?rm?Es?rm?rm?rsh?rtEs （1-6）
rsh?rt1?rm二、曲线影响因素
由（1-6）式可以看出，测量的自然电位幅度值?USP与造成自然电场的总电动势SSP、井内泥浆电阻rm、泥岩电阻rsh以及砂岩电阻rt有关。 1）岩性和矿化度比值的影响
自然电位异常幅度值?USP与总自然电动势Es成正比，Es取决于岩性和钻井液滤液电阻率Rmf与地层水电阻率Rw的比值Rmf/Rw（即CwCmf），所以岩性和地层水矿化度与钻井液滤液矿化度的比值CwCmf直接影响Usp的异常幅度。在砂泥岩剖面，自然电位曲线以泥岩为基线。在含水纯砂岩层中，自然电位幅度最大，?USP?SSP；随泥质含量的增加，SSP下降，导致?USP下降。
2）地层厚度和井径的影响
图 1-3为不同的地层厚度纯水砂岩的自然电位理论曲线，主要说明在其他条件完全相同的情况下，地层厚度（h/d）对自然电位幅度和形状的影响。?USP为记录的自然电位异常幅度值，SSP为静自然电位，从图中可以看出，当地层厚度h>4d时，自然电位异常幅度近似等于静自然电位；当地层厚度h<4d时，自然电位异
常幅度小于静自然电位，厚度越小，差别越大，异常顶部变窄，底部变宽，这时不能用半幅点确定地层界面。其原因是：地层厚度减小，地层电阻rt增大，井内钻井液电阻rm减小，所以?USP减小。若地层厚度一定时，井径减小，h/d增大，井内钻井液电阻rm增 大，则?USP增大。 3）地层电阻率，钻井液电阻率以及围岩电阻率的影响
随着Rt/Rm的增大，自然电位幅度值降低。这是由于Rt增大（或Rm减小），rt增大（或rm减小），则?USP减小。 围岩电阻率Rs的变化，同样对自然电位异常幅度值有影响。围岩电阻率Rs增大，则rs增大使自然电位异常幅度值减小。
4）钻井液侵入带的影响
在渗透性地层，钻井液滤液渗入到地层孔隙中，使钻井液滤液与地层水的接触面向地层方向移动了一个距离。钻井液侵入带的存在，相当于井径扩大，因而是自然电位异常幅度值降低，因此钻井液的侵入增大，自然电位异常幅度减小。
第四节 自然电位曲线的应用
一、 判断岩性，确定渗透性地层
自然电位主要是离子在岩石中的扩散吸附作用产生的，而岩石的扩散吸附作用与岩石的成分、组织结构、胶结物成分及含量有密切的关系，所以可根据自然曲线的变化判断岩性和分析岩性的变化。
在砂泥岩剖面中，当Rw?Rmf(Cw?Cmf)时，在SP曲线上，以泥岩为基线，出现负异常的井段，可认为是渗透性岩层，其中纯砂岩井段出现最大的负异常；含泥质的砂岩层，负异常幅度较低，而且随泥质含量的增多，异常幅度下降；此外，含水砂岩的?Usp还取决于砂岩渗透层孔隙中所含流体的性质，一般含水砂岩
水油的?USP比含油砂岩的?USP要高。
在识别出渗透层后，可用“半幅点”法确定渗透层的上下界面位置（条件：h>4d，d为井径）。如果h<4d，用“半幅点”法确定的渗透层厚度一般要大于实际地层的厚度，结果会产生较大的误差。
二、计算地层水电阻率
在求地层水电阻率时，要选择剖面中较厚的饱含水的纯净砂岩层，读出该层的?Usp，近似认为是静自然电位SSP，并根据泥浆资料确定Rmf，由下式计算地层水电阻率：
SSP??Klg三、估计地层的泥质含量
泥质含量和其存在状态对砂岩产生的扩散吸附电动势有直接影响，因此可根据自然电位曲线估计泥质含量。如果在一个地区使用这种方法，必须进行大量的试验工作，通过建立?Usp和泥质含量Vsh之间的定量关系，然后才能利用自然电位曲线估计岩层的泥质含量Vsh。有以下两种方法：
(1)对某一地区，通过试验，应用数理统计方法建立Vsh与?Usp之间的关系曲线，再根据自然电位曲线确定地层的泥质含量。 (2)利用经验公式估算：
Vsh?1?RmfRw （1-7）
PSP （1-8） SSP式中：PSP含泥质砂岩的静自然电位；SSP为本地区含水纯砂岩的静自然电位。 四、判断水淹层位
为提高油田采收率，在油田开发过程中，采取分片切割注水采油的方法。由于油层渗透率不同，注入水推进的速度也不一样。如果一口井的某个油层见了水，这个层就称水淹层。水淹层在自然电位曲线上显示特点较多，由于各地区的储集层特点不同，故水淹层在自然电位曲线上的特点不尽相同，所以要根据本地区的曲线变化规律判断水淹层。对部分水淹层（油层底部或顶部见水），自然电位曲线的基线在该层上下发生偏移，出现台阶，见图1-5。这是一种比较普遍的现象，据此可判断水淹层；另外，根据基线偏移的大小，可以估算水淹程度。
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