《测井仪器方法及原理课程》第一章 双侧向测井

第一章 双侧向测井双侧向测井是应用最广泛的一种电阻率测井方法，它测量地层电阻率。

自然界中不同岩石和矿物的导电能力是不相同的尤其地层中所含流体性质不同时，导电性能差别很大。

因此 ，电阻率是地层的重要的物理参数之一。

在油气井中进行电阻率测井是我们寻找和定量确定油气存在的基本方法。

根据所测得的电阻率，可以区分含导电流体（如盐水，泥浆滤液）的地层和含非导电流体（如油气）的地层，应用阿尔奇公式，可以计算出地层中油气水的比例：2WW S FR =ρ （1-1） 式中：ρ—地层电阻率；R W —地层水电阻率；S W —地层含水饱和度；F ——地层因素。

电阻率测井是发展最早并一直沿用至今的一种测井方法。

最早使用的电阻率测井方法称普通电阻率测井。

经改进后，发展成为目前广泛使用的聚焦式电阻率测井，或称侧向测井。

自1950年，首批侧向测井仪投入商业使用后，老式的普通电阻率测井方法就逐渐被淘汰。

1.1 普通电阻率测井原理为测量某一电阻的阻值R ，可应用一个电源给该电阻供电，测量流过该电阻的电流I 和电阻两端的电压降V 。

由欧姆定律即可求出该电阻的阻值。

IV R = （1-2） 普通电阻率测井原理也是采用与此类似的方法，测量地层电阻率。

在介质中设置一个供电电极A ，回流电极B 放在距电极A 无限远的地方，在距电极A 一定距离处放置一对测量电极M,N （见图1-1），进行电位差测量。

假定电极为点电极，介质是均匀无限的，介质电阻率为ρ。

则从电极A 流出的电流呈辐射状向四面八方均匀散开，等电位面是以A 为球心的球面，如果测量电极M,N 与供电电极的距离分别为AM ，AN （注意电阻ρ的量纲为m ⋅Ω长度量纲为m ）则M 点的电位：AM I V M πρ4=（1-3） N 点的电位： ANI V N πρ4= （1-4） 式中I 为电极A 流出的电流强度（安培）。

由上式可得M,N 两点的电位差V ：I ANAM MN V V V N M ρπ4=-=电阻率：I V MN AN AM ⋅=πρ4 （1-5） 式中，MN 为电极M,N 两点间的距离令 MNAN AM K π4= 则 IV K ⋅=ρ （1-6） 式中：K 称为电极系常数。

式（1-6）表明：普通电阻率测井方法是依据欧姆定律来测量地层的电阻率。

式（1-6）是电阻率测井方法的基本公式。

供电电极A,B 和测量电极M,N 的组合称为电极系。

由式（1-5）可以看出，电阻率与M,N 间的电位梯度有线性关系。

因此，这种电极系称为梯度电极系。

M 和N 的中点为电极系的深度记录点。

如果把N 电极移至无限远处，则可由（1-3）式计算出电阻率。

这时，电阻率与M 点的电位成线性关系。

这种结构的电极系称为电位电极系。

A 和M 的中点为电位电极系的深度记录点。

根据互换原理，供电电极A,B 与测量电极M,N 互换位置，所测电阻率的值不变。

实际测井时，电极系置于井眼内，井内泥浆作为导电媒质。

供电电极A 流出的测量电流经泥浆流进地层。

井下地层的厚度是有限的；不同的地层，其电阻率各不相同，对于渗透性地层；由于泥浆滤液的侵入而形成冲洗带。

因此，一个实际的地层介质不能看作是均匀无限的（见图1-2）。

显然，用普通电阻率法测量地层电阻率要受到井筒泥浆（特别是盐水泥浆），冲洗带以及上下围岩电阻率的影响。

由于实际地层是非均匀的各向异性介质，加上井眼影响，普通电阻率测井测得的电阻率只能近似反映地层的真电阻率，称为视电阻率（a ρ）IV K a ⋅=ρ （1-7） K ——量纲（cm ）V ——量纲（伏特）I ——量纲（安培）a ρ——量纲（cm ⋅Ω.）1.2 侧向测井1.2.1侧向测井向测井又称聚焦式电阻率测井，电流聚焦测井的电流线沿电极轴线的侧向流入地层，这就是称侧向测井的原由。

侧向测井在电阻率测井方法中是一个大家族。

按构成电极系的电极数目来分，有三侧向，七侧向，八侧向和九侧向（即双侧向）；按探测深度，上述每一种侧向测井又有深侧向，浅侧向之分；按主电流聚焦后的特点，还可分为普通聚焦和球形聚焦和微球形聚焦等。

由上看见，侧向测井仪多种多样，但基本原理是相同的。

侧向测井与普通电阻率测井的主要区别就在于它的主电流（又称测量电流）是被聚焦以后才流入地层的。

普通电阻率测井法的主要缺点是测量电流的一部分沿井筒分流，测量电流不能全部流入地层；另外它也不能深入地层很远，因此，测得的电阻率与地层的真电阻率相差甚远。

侧向测井方法就是针对这一问题，对电极系加以改进而发展的一种方法。

下面以七侧向加以说明。

七侧向测井的电极系由七个电极组成，见图1-3，其中A 0是主电极;M 1,M 2和N 1,N 2是监督电极（又称测量电极）；A 1,A 2是一对聚焦电极（又称屏蔽电极）。

这三对电极以主电极A 0为中心对称排列。

每对同名电极用导线连接短路，使具有相同的电位。

V M1=V M2 ,V N1=V N2 ,V A1=V A2 。

回流电极B 放在无限远处。

这种电极系结构相当于在梯度电极系的上下附加了一对供电电极。

当主电极A 0向地层发射测量电流I 0时（又称主电流），聚焦电极A 1,A 2也向地层发射与I 0同极性的电流I 1（称屏蔽电流）。

由于同性相斥，主电流I 0受到屏蔽电流I 1的强迫作用侧向流入地层，而不会任意散开。

调节I 1的大小（调节I 0也可以），直至两个监督电极M 1，N 1（M 2, N 2）的电位相等。

监督电极的电位相等就意味着两表间没有电流流过，即测量电流I 0不沿井筒分流而是全部流入地层。

I 0的这种状态称为聚焦状态。

当然对I 1的调节是由电子线路自动完成的。

图1-3示出了电极系在均匀介质中电流线的分布。

由图可见，主电流层厚度（图中阴影部分）在距井眼一段距离内保持恒定。

实践证明，对低租围岩和高阻薄层，主电流层也基本保持相同形状。

主电流层厚度相当于11N M 的中点与22N M 的中点之间的距离。

由于聚焦作用，侧向测井电阻率测井方法大大的减小了泥浆的分流作用和低阻围岩的影响。

与普通电阻率测井法相比，它所测的电阻率将更接近地层电阻率的公式。

假定，介质是均匀无限的，电阻率为 ，电极为点状；主电流为I 0，屏蔽电流为I 1，根据电场叠加原理，监督电极的电位为：1221111001444M A I M A I M A I V M πρπρπρ++= 令屏主流比 01I I n =则 )]11(1[412111001M A M A n M A I V M ++=πρ （1-8） 同理 )]11(1[412111001N A N A n N A I V N ++=πρ （1-9） 式中，10M A ，11M A ，12M A 与10N A ，11N A ，12N A 分别为电极M 1和N 1与其相应供电电极间的距离。

当I 0达到聚焦状态时，V M1= V N1。

由式（1-8），（1-9）可得：)(11111212101012121111N A M A N A M A N A M A N A M A N A M A n ⋅-⋅⋅⋅⋅⋅= （1-10）由式（1-10）可看出，在均匀介质条件下，屏蔽电流n 有确定的值（即不变）。

在七侧向测井中测量电位差V 0=V M -V N ，V N 是参考电极N 的电位，由于电极N 距离电极A 0，A 1，A 2，B 为无限远，因此，V N =0则 )1(4121110010M A n M A n M A I V V M ++==πρ （1-11） 将式（1-10）代入（1-11），并利用七侧向电极系的对称关系进行代换，可得00101021010101010)(4I V N A M A A A N A M A N A M A ⋅⋅++⋅=πρ 令电极系常数K 101021010101010)(4N A M A A A N A M A N A M A K ⋅++⋅=π （1-12）0I V K =ρ （1-13） 将式（1-13）与（1-7）比较，可看出二者在形式上是一样的，二者测量地层电阻率的基本原理不变，都是依据了欧姆定律。

在七侧向电极系中，一般用四个参数来表示电极系结构和特性。

电极系长度为L 0——它是指电极A 1，A 2之间的距离，即210A A L =。

它主要影响侧向测井的探测深度。

在一定范围内，L 0加长，相应探测深度增加，反之探测深度减小。

若L 0太长，除了使用不方便外，围岩和邻层影响也相应较大。

电极距L ——指M 1 N 1中点O 1与M 2N 2的中点O 2之间的距离，即21O O L =。

L 的大小主要决定七侧向的纵向分层能力，L 较小纵向分层能力强，能划分出较薄的地层。

分布比S ——指电极系长度L 0与电极距之比值，即LL S 0=，它主要影响主电流层的形状，S 过大不仅要求屏蔽电流过大，而且对测量的影响因素复杂；S 过小，主电流聚焦差。

一般取S 为3左右较为适宜。

这对主电流层基本上沿水平方向流入地层。

在均匀介质中，分布比对主电流层的影响如图1-4所示。

聚焦系数q —指（L 0-L ）/L 的比值，即()10-=-=S L L L q 。

它主要决定电极系的电流极间的电位差。

式（1-12）给出了K 值是在理想条件下计算得到的，它只与电极系的尺寸有关。

实际使用时，K 值尚需经试验修正。

有时把电极系放在已知电阻率的介质中进行测量（例如大水池），根据所测得的等效电阻000I V R =来确定K 值： 0R K ρ= （1-14） 1.2.2 侧向测井仪器工作方式仪器工作方式是指仪器在测井时对主电极的供电方式。

它有恒流式，恒压式，自由式和恒功率式四种。

这四种方式的特点如下：⑴ 恒流式：保持主电流I 0恒定，只测量主电极（通常用监督电极M 1和M 2代替）至无穷远电极N 之间的电位差V 0，显然在一定范围内，测量地层的电阻率越高，提供测量的电压越大，测量误差越小。

因此，恒流式仪器适于对高阻地层的测量。

由于I 0恒定，在地层电阻率变化范围很大时，要求仪器电压监测系统的动态范围要很大，这在电路设计上是很困难的。

比如地层电阻率从1m ⋅Ω到10000m ⋅Ω，即变化了104倍，要求电压检测系统能跟踪测量是很难办到的。

设计时，若照顾中间顾不了两头，往往对于小信号显得放大不足，而对于大信号又会出现饱和失真。

因此恒流式仪器对于高阻和低阻地层的测量误差都比较大，甚至使测量结果不能使用。

总之，恒流式仪器测量动态范围小，这是恒流式仪器的主要缺点。

优点是电路简单，三，七侧向和微侧向均采用这种工作方式。

⑵ 恒压式：采用恒压式，主电极表面电位恒定，只测量主电流。

显然测量地层的电阻率越低，提供测量的电流信号就越大，相应的测量误差小，因此，恒压式仪器适用于对低阻地层的测量。