地球物理测井

地球物理测井的发展历史和现状
摘要：地球物理测井或石油测井是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法（包括重、磁、电、震、测井）之一。

本文在讨论测井技术的几种基本方法和应用的基础上，详细分析了测井技术的发展历史及应用现状，最后指出了测井技术今后的发展方向。

地球物理测井学是应用地球物理学的一个重要的分支学科，它是用多种专门仪器放入井中，沿井身测量钻井地质剖面上地层的各种物理参数，研究地下岩石物理性质和渗流特性，寻找和评价油气及其它矿藏资源的一门应用技术学科。

1 地球物理测井的研究内容
石油钻井时，在钻到设计井深深度后都必须进行测井，又称完井电测，以获得各种石油地质及工程技术资料，作为完井和开发油田的原始资料。

这种测井习惯上称为裸眼测井；在油井下完套管后所进行的二系列测井，习惯上称为生产测井或开发测井。

地球物理测井学研究内容包括三个部分：测井方法与理论基础，测井仪器和数据采集，测井数据处理与综合解释。

其中测井数据处理与综合解释是与实际联系最紧的一个环节，它是按照预定的地质任务，用计算机对测井井资料进行自动处理，并综合地质、录井和开发资料进行综合分析解释，以解决地层划分、油气储集层和有用矿藏的评价及其勘探开发中的其它地质与工程技术问题，并将解释成果图以图形或数据表的形式直观形象地显示出来。

在油田勘探与开发过程中，测井是确定和评价油、气层的重要手段之一，也是解决一系列地质问题的重要手段。

它能直接为石油地质和工程技术人员提供各项资料和数据。

测井技术起源于20世纪20年代，在油井第一次测量地层电阻率获得成功。

其发展大体经历了模拟测井、数字测井、数控测井、成像测井四个阶段。

测井方法众多，电、声、放射性是三种基本方法。

各种特殊方法：如电缆地层测试、地层倾角测井、成像测井、核磁共振测井，其他形式测井如随钻测井等。

各种测井方法基本上是间接地、有条件地反映岩层地质特性的某一侧面。

要全面认识地下地质面貌，发现和评价油气层，需要综合使用多种测井方法，并重视钻井、录井第一性资料。

根据地质和地球物理条件，合理地选用综合测井方法，可以详细研究钻孔地质剖面、探测有用矿产、详细提供计算储量所必需的数据，如油层的有效厚度、孔隙度、含油气饱和度和渗透率等，以及研究钻孔技术情况等任务。

此外，井中磁测、井中激发激化、井中无线电波透视和重力测井等方法还可以发现和研究钻孔附近的盲矿体。

测井方法在石油、煤、金属与非金属矿产及水文地质、工程地质的钻孔中，都得到广泛的应用。

特别在油气田、煤田及水文地质勘探工作中，已成为不可缺少的勘探方法之一。

应用测井方法可以减少钻井取心工作量，提高勘探速度，降低勘探成本。

在油田有时把测井称为矿场地球物理勘探、油矿地球物理或地球物理测井。

测井作为勘探与开发油气田的重要方法技术，至今已近80年的历史。

随
着科技进步和测井技术本身的发展，它在油气勘探、开发和生产的全过程中发挥着更大的作用，为油气工业带来更高的经济效益。

近十几年来的测井技术，特别是20世纪90年代后，取得了重大进展。

按照传统的观点，测井技术在油气勘探与开发中，仅仅对油气层做些储层储集性能和含油气性能(孔隙度、渗透率、含油气饱和度和油水的可动性)定量或半定量的评价工作，这已远远跟不上油气工业迅猛发展的需要。

而当今测井工作中评价油气藏的理论、方法技术有了长足的发展，解决地质问题的领域也在逐步扩大。

2 我国地球物理的历史和现阶段所出现在的问题
2．1我国的测井历史回顾
自从1939年在翁文波先生的指导下，我国开始了地球物理测井工作以来，迄今已有五十年的历史。

我国测井技术的发展大体上可分为三个阶段。

40年代到60年代中期为第一阶段，是我国测井工作的初期阶段。

1939年，翁文波先生用黑色被复线当电缆，用手摇绞盘下井点测，人工画出测井曲线来。

1947年，刘永年先生又自制了手动电测仪，在玉门油田测得了电阻率曲线和自然电位曲线，进行了地层对比的解释。

1951年，我国又进口了苏联的HKC-50型半自动测井仪；1953年，又进口了苏联的AKC —50型全自动测井仪。

直到1958年西安石油仪器厂制造的JD--581型多线电测仪通过定型鉴定，自此以后，就用我国自己制造的JD-581型多线电测仪装备了我国各个测井站。

1955年，北京石油学院创建了地球物理测井专业，为我国各个测井站培养测井专业大学生，为发展我国测井事业输送了大量的测井技术人才。

在这个阶段，测量标准电测、横向电测、自然电位、微电极，有时也测量自然伽玛和中子伽玛，但是得到的信息内容较少，质量较差。

这个阶段主要靠自然电位、微电极定性划分储集层，根据高于出水层的最大电阻率划分可靠油层，根据低于出油层的最小电阻率划分可靠水层，介于两者之问为过渡带。

60年代中期到70年代中期为第二阶段。

本阶段增加了我国自己制造的声波测井仪和感应测井仪，形成了声感组合测井，可以在疏松砂岩中划分油气层，在高矿化度地区发现低电阻油层，按纯砂岩模式开始计算孔隙度和含油饱和度，而且对渗透率做出初步计算。

70年代中后期到80年代为第三阶段，是一个走向系列化、数字化．数控测井的新阶段，除了我国自己进行的测井资料数字化及数字处理技术的研究之外，还引进了美国德莱赛公司的测井仪器、测井数字处理软件及吉尔哈特公司的测井仪器，还购买了斯仑贝谢测井公司的CSU测井设备。

在完善测井系列方面；一是浅、中、深的电法测井系列开始形成，制造了我国的双侧向、微球形聚焦测井仪，经过野外试验在中深井内得到了满意的效果；二是初步形成了岩性孔隙度测井系列，制成了我国的补偿密度测井仪、中子测井仪和中子寿命测井仪；三是形成了生产测井系列，在生产测井方面有了专职的生产测井队，进行常规的生产测井，开展了生产测井新技术的研究，能谱测井及介电测井已用于现场生产。

我国仿制的SJD —801型数字测井仪已经投产使用，JD—581多线电测仪向数字化方面改造的仪器正在进行野外试验。

2．2 应用测井中出现的问题
目前，地球物理测井研究和解决油气勘探与开发问题，有以下几方面：
油气藏的基础地质问题研究
1)利用地球物理测井信息进行地层层序划分和标定。

2)利用测井资料进行油气藏精细地质构造以及断层研究。

3)以构造地质学基本理论为指导，通过构造应力分析，充分利用测井信息进行裂缝型储集带定量研究，认识裂缝发育分布规律。

4)地球物理测井沉积学的研究，综合其他地质资料，进行沉积微相的分析，确立沉积环境和古水流方向。

地球物理测井是解决有关矿产资源地质、工程地质、灾害地质、生态环境等问题的手段和依据，是对钻井内实际地质情况有条件地间接反映，必须将测井信息进行深加工，转换成地质信息、工程信息以及灾害地质、生态环境等信息，才能达到认识问题和解决问题的目的。

1)利用地球物理测井信息解释评价油、气、水层，计算含油气岩系的孔隙度、渗透率和含油(气)饱和度。

2)利用测井信息研究生油层、盖层及油气的生、储、盖组合。

3)利用测井信息研究油储储量参数、地下流体性质、分布状况。

此外，测井工作还可用于现代地应力场定量分析，预测和监测地层压力、破裂压力，为合理开发油气和科学钻探提供依据。

3 我国测井技术的发展方向
随着石油勘探开发的需要，测井技术发展已愈来愈迅速，高分辨阵列感应、三分量感应和正交偶极声波等新型成像测井仪为研究地层各向异性提供了强有力的手段；新的过套管井测井仪器，如电阻率、新型脉冲中子类测井仪、电缆地层测试及永久监测等现代测井技术可以在套管井中确定地层参数，精细描述油藏动态变化；随钻测井系列也不断增加。

通过学习国外如斯伦贝谢、哈里伯顿、阿特拉斯、康普乐、俄罗斯等测井新技术的测量原理和部分仪器结构，寻求我国测井技术的差距和不足，这对于我国当前的科研和生产具有指导和借鉴作用。

3．1测井新技术
油田勘探与开发过程中，测井是确定和评价油、气层的重要手段，也是解决一系列地质问题的重要手段。

国外测井技术领先者是斯伦贝谢、贝克一阿特拉斯、哈里伯顿公司三大测井公司。

3．1．1电阻率测井技术
高分辨率阵列感应测井哈里伯顿的HRAI—X由1个发射器和6个子阵列接收器组成，每个子阵列有1对接收器(主接收器和补偿接收器)。

线圈间距选择上确保子阵列接收器的固有探测深度接近设计的径向探测深度，所有子阵列接收器均位于一侧，具有5个径向探测深度和3个工作频率。

除了感应测量外，还采集自然电位、泥浆电阻率和探头温度。

电阻率成像测井把由岩性、物性变化以及裂缝、孔洞、层理等引起的电阻率的变化转化为伪色度，直观看到地层的岩性及几何界面的变化，识别岩性、孔洞、裂缝等。

电阻率成像有FMI、AIT及ARI等。

斯伦贝谢的FMI有四个臂，每个臂上有一个主极板和一个折页极板，主极板与折页极板阵列电极问的垂直距离为5、7英寸，8个极板上共有192个传感器，都是由直径为0、16英寸的金属纽扣外加0、24英寸的绝缘环组成，有利于信号聚焦，使得钮扣电极的分辨率达0、2英寸，测量时极板被推靠在井壁岩石上，小电极主要反映井壁附近地层的微电阻率。

斯伦贝谢或阿
特拉斯的AIT是基于DOLL几何因子的电磁感应原理，通过对单一发射线圈供三种不同频率交流使其在周围的介质中产生电磁场，用共用一个发射线圈的8对接收线圈检测感应电流，从而可以求出介质的电导率。

ARI 是斯伦贝谢基于侧向测井技术推出的，可以有效的进行薄层、裂缝、储层饱和度等地层评价。

三分量感应测井三分量感应用于电性各向异性地层测井，Baker-Atlas 的三维探路者3DEX，用三对相互正交的发射一接收线圈对，采集5个磁场分量Hxx、Hw、Hzz、Hxy、Hxz。

这些信息可导出地层的水平电阻率(Rh)和垂直电阻率(Rv)，从而可描述地层电阻率各向异性。

斯伦贝谢的多分量感应测井仪有一个三轴发射器和两个三轴接收器，每个线圈系都含有一个常规的z轴线圈和两个横向线圈，形成正交线圈系。

3．1．2声波测井技术
声波测量能揭示许多储层与井眼特性，可以用来推导原始和次生孔隙度、渗透率、岩性、孔隙压力、各向异性、流体类型、应力与裂缝的方位等。

声成像测井是换能器发射超声窄脉冲，扫描井壁并接收回波信号，采用计算图像处理技术，将换能器接受的信号数字化、预处理及图像处理转换成像。

斯伦贝谢的Sonic Scanner将长源距与井眼补偿短源距相结合，在6英尺的接收器阵列上有13个轴向接收点，每个接收点有个以45。

间隔绕仪器放置的8个接收器，仪器总计有104个传感器，在接收器阵列的两端各有一个单极发射器，另一个单极发射器和两个正交定向偶极发射器位于仪器下部较远处，可接收在径向、周向和轴向上纵波和横波慢度。

3．1．3核磁测井技术
核磁共振是磁场中的原子核对电磁波的一种响应，处于热平衡的自旋系统，在外磁场的作用下磁化矢量偏离静磁场方向，外磁场作用完后，磁化矢量试图从非平衡状态恢复到平衡状态，恢复到平衡态的过程叫做驰豫。

核磁共振NMR信号的驰豫时间与氢核所处的周围环境密切相关，水的纵向恢复时间比烃快得多。

根据核磁共振特性间的差异指示含氢密度的高低来识别油层。

共振测井仪主要有哈里伯顿和阿特拉斯采用NUMAR专利技术推出的MR JL、斯伦贝谢的CMR及俄罗斯的大地磁场型MK923。

3．1．4电缆地层测试技术
斯伦贝谢的RFT及MDT在油气钻探过程中对地层压力及流体进行测试，RFT每次下井只获取2个样品，但不知道是什么样的样品。

只是取样前，仪器中设有预测试功能，取样能力很有限。

MDT具有流体动态实时监测功能、地层压力测量、地层流体性质分析、地层流体取样及地层渗透率估算等，通过流体压力剖面的预测，可以在勘探初期确定气、油、水界面，研究油藏类型及其油藏性质，结合其他测井资料进行储层产能预测。

3．1．5随钻测井技术
随钻测井仪帮助作业者进行重要的钻井决策以及用于确定井眼周围的应力状态，提供地质导向，在完井和增产作业中用于地层评价。

随钻测井数据传输有泥浆脉冲遥测、电磁传输速率、钻杆传输及光纤遥测技术，泥浆脉冲遥测是普遍使用的一种数据传输方式为4～16bit/s；电磁传输与泥浆脉冲传输速率相当是双向传输的，不需要泥浆循环，有精确钻井康谱乐公司的EMMWD系统、斯伦贝谢的E脉冲电磁传输系统，通过钻杆来传输声波或地震信号达到100bit/s，不需要泥浆循环：光纤遥测技术传输
速率1 Mbit/s。

3．1．6过套管测井技术
现代测井技术的发展可以在套管井中确定地层参数，在油藏动态描述中，国外近几年主要采用脉冲中子仪、过套管地层测试器、过套管地层电阻率及永久监测技术。

过套管电阻率测井、偶极横波成像测井、过套管地层测试器和脉冲中子可以提供下套管后的地层孔隙度、体积密度、岩性、含水饱和度、声波特性、渗透率估算值、地层压力和地层流体采样。

其更有效地评价无裸眼井测井资料或裸眼井测井资料有限的井、对老井重新评价寻找遗漏的或新增的油气层、监测流体界面与饱和度及压力变化及优化完井设计和射孔作业、漏失油气层的评价、流体界面的移动、饱和度与压力的变化和衰竭及注入剖面等。

斯伦贝谢的过套管油藏评价仪有C/O、RST、DSI及CHDT。

3．1．7井下永久传感器
永久井下监测可以为生产决策实时提供有价值的信息，无须井下作业，还可用于井问成像，有井间电阻率成像及井间地震成像两类，可以监测地下流体(油气、蒸汽、水)的分布，井下永久传感器测得的资料来控制井下的一些阀，以封闭出水层位，调整各层的产出量或是注水量，达到智能化。

光纤传感器可以在高温下工作，可以不用井下电子线路，不受干扰，其信息可以通过光纤快速传送到地面等，美国CIDRA公司在光纤压力监测研究方面处于前沿，光纤温度传感器准确度1℃，分辨率0．1℃。

永久井下光纤3分量地震测量具有高灵敏度和方向性，能产生高精度空间图象，不仅能提供近井眼图象，而且能提供井眼周围地层图象，能经受恶劣的环境条件(温度175℃，压力100MPa)，分布式光纤温度传感器(DTS)可以很高精度和分辨率获得井眼中温度分布，用于生产和注入剖面篮测，为生产决策提供有价值的数据。

3．2测井技术的发展趋势
井下集成化、系列化、组合测井仪器的研发成为测井技术发展的一大趋势，日本的T o h o k u 大学开发了利用井眼雷达的直接耦合进行电磁波测井，新仪器可以获得雷达图像、电导率和相对介电常数。

仪器分辨率为1 m，理想情况下探测深度为1 0 m 。

P r o n e t a 开发了可以透过原油对目标进行高分辨率光成像的成像技术，已经申请并获得了专利。

目前电缆测井占主要地位，随钻测井发展比较迅速，由于数据传输等技术不足在相当一段时间内还是以电缆测井为主，套管钻井测井是未来测井发展的方向，套管钻井测井是在套管钻井技术诞生后出现的新的测井模式，用套管作为钻杆，井眼钻成功时，一口井的钻井和下套管同时完成。

套管钻井测井有钻后测井模式或随钻测井模式，钻后测井模式是在完成套管钻井作业后，用电缆将测井仪器在套管内下到要测量的目的层段，进行测井。

随钻测井模式是测井仪器安装在与最下面一根套管连接的底部钻具组合内，在套管钻井进行的过程中，在需要测井的层段一边钻井、一边测井。

4 结论
70% 的原油产量来源于老油田，老油田的剩余油评价等测井技术成为挖潜增效的主要手段，新的测井评价仪器功能和性能不断进步促进了老油田的堵水增油开采方案的调整和二次开发。

新油田的勘探难度越来越大，油田工作者正在从更复杂的条件下寻找石油，测井面临的环境更加苛刻。

随钻测井发展迅速，水平井大斜度井的数量会继续增加，目前国际测井市场上，套管井测井占总测井将近一半。

井下仪器的集成化、阵列化、功能多样化及组合化是发展的需要，一只组合了多个传感器的仪器能确定多种岩石物理性质，可使储量估算更准确、油藏监测得以优化、作业方式得到改进。

一段时间内，裸眼测井、套管测井、随钻测井及井下永久传感器监测技术将共存，但随着技术的进步随钻测井将逐步取代电缆式裸眼测井，永久传感器监测取代套管井测井。