01普通電阻率測井

1、第八章 電阻率測井電測井是以研究巖石電阻率、電化學(xué)活動性和介電常數(shù)等電學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的一系列測井方法。它可分為電阻率測井、電化學(xué)測井、感應(yīng)測井、激發(fā)極化測井和介電常數(shù)測井等, 已廣泛用于石油、煤田、金屬非金屬、水文與工程勘查中。 電阻率測井基于在井中測量被鉆孔穿過的礦、巖層的電阻率，并根據(jù)電阻率的差異，來劃分鉆孔地質(zhì)剖面，研究和解決井下的一些地質(zhì)問題。電阻率測井可分為普通電阻率測井、側(cè)向測井和微電阻率測井等。第一節(jié)普通電阻率測井普通電阻率測井又稱視電阻率測井，它是使用最早、應(yīng)用較廣的電阻率測井方法。一、基本概念(一)測量原理根據(jù)電場理論，巖石電阻率只有當(dāng)給巖石供以一定的電流時才能測定，所以在進行

2、電阻率測井時，必須要有電源、供電線路和測量線路（圖8-1）。圖中，電源和供電電極A、B 組成的回路為供電線路，它通過A電極供給電流I，通過B電極返回電源， 由此在鉆孔內(nèi)建立電場。由檢流計和測量電極M、N組成的回路為測量線路，測量 M與N電極之間的電位差為 。 圖8-1 普通電阻率測井的測量原理圖置于井中的電極，稱為下井電極；留在地面的電極，稱為地面電極。由下井電極組成的一個可移動但相對位置不變的體系，常稱為電極系。測井是在電極系從井底以一定的速度向井口移動時進行的。在電極系提升過程中，由記錄儀測量并繪制M、N之間沿井深變化的電位差曲線，再根據(jù)電場與電阻率的關(guān)系，可換算成沿井深變化的巖石電阻率曲

3、線。由此可知，電阻率測井的實質(zhì)是研究鉆井剖面各種不同巖層中電場分布特征。當(dāng)不考慮鉆孔影響，設(shè)電極系周圍的介質(zhì)是電阻率為的均勻無限各向同性的巖石?？紤]到電極的尺寸遠(yuǎn)小于電極之間的距離，以及地面電極至電極系的距離遠(yuǎn)超過電極系長度，則電極可視為點電極，且地面電極的影響忽略不計。這樣普通電阻率測井的理論就簡化為計算點電源在均勻無限各向同性介質(zhì)中的電場分布問題（圖8-2），則該電場中測量電極M、N之間的電位差為 并由此得到巖石電阻率為 (8-1) 式中 電極系系數(shù)； 供電電流(恒流供電),； 測量電極M、N之間的電位差， 。圖8-2點電源電場(二)電極系在電極系中，把連接在同一回路如供電線路或測量線路中

4、的電極叫做成對電極；把電極系中與地面電極構(gòu)成同一回路的單獨電極叫做不成對電極。將電極系中兩個成對電極之間的距離，稱為成對電極的距離；把不成對電極至鄰近的成對電極之間的距離，稱為不成對電極的距離。電極系的書寫形式為電極在井中自上而下排序的符號串。若需表示電極系的長度，則可將成對電極和不成對電極之間的距離以米為單位注示在相應(yīng)的電極符號之間。如圖8-5 的電極系，則其書寫形式為。 1.電極系分類 在普通電阻率測井中，按照成對電極和不成對電極之間距離的差異，將電極系分為電位電極系和梯度電極系兩類（表8-1）。 表8-1電 極 系 分 類類型電位電極系梯度電極系單極供電雙極供電單極供電雙極供電正裝倒裝正

5、裝倒裝正裝倒裝正裝倒裝圖示電極距AMAMAMAMAOAOAOAO書寫形式AMNNMAMABBAMAMNNMAMABBAM電極系全名單極供電正裝電位電極 系單極供電倒裝電位電極 系雙極供電正裝電位電極 系雙極供電倒裝電位電極 系單極供電正裝梯度電極 系單極供電倒裝梯度電極 系雙極供電正裝梯度電極 系雙極供電倒裝梯度電極 系記錄點不成對電極距離的中點，即O點成對電極距離的中點，即O點 1)電位電極系 成對電極的距離遠(yuǎn)大于不成對電極的距離的電極系稱為電位電 極系，其特點是該電極系測定的電阻率與電位成正比。即當(dāng)時,，由式(8-1)可得 （8-2）式中 電位電極系的電極距，； 電位電極系系數(shù)，； M電極

6、的電位，； 供電電流，。2)梯度電極系 當(dāng)成對電極的距離遠(yuǎn)小于不成對電極的距離時，該電極系稱為梯度電極系，其特點是測定的電阻率與電場強度成正比。因 ，且時，式(8-1)的極限為 (8-3) 式中 梯度電極系的電極距，； 理想梯度電極系系數(shù)； M、N中點O的電場強度，。此外，根據(jù)電極系中供電電極的數(shù)目，還分為僅有一個供電電極的單極供電電極系和兩個供電電極的雙極供電電極系。當(dāng)成對電極在不成對電極的下方時，稱為正裝電極系；反之，當(dāng)成對電極在上方時，則為倒裝電極系。例如，為單極供電正裝梯度電極系；為雙極供電倒裝電位電極系。在煤田測井中常用A、M下井而B、N在地面的理想電位電極系。2.電極系互換原理根據(jù)

7、電學(xué)中的互換原理，把供電電極和測量電極的功能對換，即原供電電極與原測量電極相互對換(AM，BN) , 并保持電極系中各電極的相對位置，則互換后所得電阻率值與原來相同，這種等效作用稱為電極系互換原理。例如, 與為等效的正裝梯度電極系；與為等效的倒裝電位電極系。 但當(dāng)成對電極的距離MN 或AB 足夠大時，表8-3中的任何一種電位電極系與理想的電位電極系等效，它們測量的結(jié)果都一致。實際上對電位電極系無須區(qū)分正裝或倒裝。(三)電極系的探測深度每種測井方法均有其一定的探測范圍，探測范圍是表征測井方法探測能力的指標(biāo)之一，為便于比較，各種方法探測范圍應(yīng)有統(tǒng)一的概念。當(dāng)某方法探測程度達到其測量結(jié)果的貢獻占總貢

8、獻的90 或95時的邊界，稱為該方法的探測范圍。探測范圍的中心到邊界的距離，稱為探測深度或探測半徑。當(dāng)取 90 貢獻時，理論計算表明電位電極系的探測深度為其電極距的10 倍；而梯度電極系的探測深度為其電極距的3倍。 必須指出，因點電場的電流分布與周圍介質(zhì)電阻率，尤其與介質(zhì)不均勻情況密切有關(guān)，故實際探測深度變化較大。一般, 電位電極系探測深度約為 35 倍電極距；梯度電極系取 12 倍電極距。引入探測范圍的概念之后，普通電阻率測井所得的電阻率可理解為該電極系探測范圍內(nèi)介質(zhì)的電阻率。(四)視電阻率實際上電極系周圍的介質(zhì)并不是均勻無限的，在鉆孔中所測得的電阻率并不是巖石的真電阻率，而是在其探測范圍內(nèi)

9、各介質(zhì)綜合影響的等效電阻率，稱為視電阻率，以表示，單位為歐米（）。其關(guān)系式為 (8-4)其形式與式(8-1)相同。 上述視電阻率值與電極系周圍介質(zhì)（目的層、上下圍巖和泥漿等）的電阻率、介質(zhì)的分布（如目的層的厚度與產(chǎn)狀、鉆孔傾斜的頂角與方位、井徑）、電極系的探測范圍，以及電極系在鉆孔中的位置等多種因素有關(guān)。只有當(dāng)探測范圍相當(dāng)大使鉆孔的影響忽略不計，以及目的層的厚度超過探測范圍時，目的層中心的視電阻率值才近似等于該層的真電阻率；否則，經(jīng)校正后才是真電阻率的近似值。二、普通電阻率測井的基本分析(一)視電阻率曲線定性分析的理論依據(jù)1.分析的條件 1)梯度電極系和電位電極系的電極距相等，即。2)探測深度

10、，即梯度電極系的探測深度取2倍電極距，電位電極系的探測深度取5倍電極距。2.定性分析的關(guān)系式 1)梯度電極系 以理想的梯度電極系為準(zhǔn)，因，其視電阻率為 (8-5) 式中 相電極系置于均勻無限介質(zhì)時，O點的電流密度值； 、O點處實際的電流密度和周圍的介質(zhì)電阻率。式(8-5)表明，梯度電極系的視電阻率值主要取決于電極系中O點處的電流密度和介質(zhì)電阻率，這是定性分析梯度電極系視電阻率曲線變化特性的理論依據(jù)。2)電位電極系 以理想的電位電極系為準(zhǔn)，其視電阻率為 (8-6)因M點的電位為 且有 則式(8-10)變?yōu)?(8-7)式中 井軸上任意兩個無限接近點之間的電流密度；井軸上任意兩個無限接近點之間的介質(zhì)

11、電阻率； 離A電極距離Z處的平均電流密度。由式(8-7)可知，電位電極系視電阻率與M 電極沿井軸方向至無限遠(yuǎn)之間的電流密度和介質(zhì)電阻率的乘積有關(guān)，這是定性分析電位電極系視電阻率曲線的理論依據(jù)。(二)視電阻率理論曲線的定性分析測井的理論曲線是指在無鉆孔存在和忽略其它次要因素影響時，由理論計算所取得的測井曲線（圖8-3、圖8-4）。圖中，介質(zhì)均為有兩個界面兩種電阻率的三層介質(zhì)，中間層（目圖8-3 水平層狀介質(zhì)厚層的梯度電極系視電阻率理論曲線圖a高阻層； b低阻層的層）為厚度H，其電阻率為，上、下部圍巖電阻率均為，縱軸為深度h，橫軸為。圖8-4 厚層的電位電極系視電阻率理論曲線圖 a高阻層； b低阻

12、層厚層或薄層在測井中是相對于每種測井方法的探測深度而言，凡不小于2倍縱向探測深度的厚度屬于厚層，而小于2倍縱向探測深度的厚度為薄層。對梯度電極系而言，為厚層，為薄層；對電位電極系而言， 為厚層， 為薄層。由此可知，若，則同一層的厚度影響對梯度電極系和電位電極系是等效的。對于厚層當(dāng)電極系置于層中心時，因上、下部圍巖都不在探測范圍之內(nèi)，無圍巖影響，其電場似將電極系置于電阻率為的均勻無限介質(zhì)中一樣，測得的視電阻率；同樣，當(dāng)電極系置于上部或下部圍巖中，且遠(yuǎn)離分界面時，因不受目的層的影響，其電場與電極系置于電阻率為的均勻無限介質(zhì)中相同，所得的視電阻率。此外，對于電極系置于薄層之中或離分界面較近的目的層中

13、，都需要考慮圍 圖8-5 高阻厚層的頂部梯度曲線 巖的影響。地層電阻率；圍巖電阻率； 1.梯度電極系 現(xiàn)以高阻厚層頂部梯度電極系的情況為例（圖8-5），應(yīng)用式(8-5)對其曲線作定性分析。當(dāng)電極系在底部自下而上提升測量時，因電極系遠(yuǎn)離底界面，不受高阻層影響，且有，故，見ab 段。隨著電極系逐漸移近底界面，雖仍，但因受到高阻層排斥而減小，使之 且不斷降低，當(dāng)O點移至底界面時達到最小，形成曲線的極小值，該極小值記為 ，即bc段。當(dāng)O越過底界面進入高阻層時，考慮到由突然猛增到，則相應(yīng)躍升為，見cd段。隨后，O從d點移到e點，電極系O和A跨在底界面兩側(cè)，考慮到上部圍巖的影響可以忽略。 由此產(chǎn)生的電場與

14、置于電阻率為的均勻無限介質(zhì)中的電場等效，于是有 ，故de段的視阻率為常數(shù)，形成底界面上側(cè)的平直段，即。因有故得繼而，A電極也越過界面與O點共處于高阻層內(nèi)，且仍離頂界面甚遠(yuǎn)。 此時雖，但隨電極系的提升漸漸離開底界面并越來越遠(yuǎn)，下部圍巖對A 極電流的吸引作用不斷減弱，O點的電流密度隨之增加，視電阻率逐漸上升直至 f點止，即ef段。當(dāng)電極系置于高阻層中部fg段時，因，無圍巖影響，故使高阻厚層中部的視電阻率等于該層的真電阻率。 電極系再度上移并漸趨頂界面時，仍為，而O點的電流密度因上部圍巖對電流的吸引不斷加劇，使之由逐漸增大，故視電阻率隨之上升，當(dāng)O點移至頂界面時，達到最大。 視電阻率曲線在高阻層頂界

15、面上出現(xiàn)極大值，如gh段。此后，隨著提升的繼續(xù)，電極系所測得的曲線將先后經(jīng)歷hi段、ij段、jk段和kl段，其情況分別與前面分析的cd段、de段、bc段和ab段相似，采用同樣的方法分析可得。應(yīng)當(dāng)指出，頂、底界面上側(cè)的平直段長度均為。2.電位電極系以高阻厚層為例，使用式(8-7)的關(guān)系，結(jié)合圖8-6對電位電極系視電阻率曲線進行定性分析如下：當(dāng)電極系位于下部圍巖且離底界面足夠遠(yuǎn)時，因無高阻層影響，、，則視電阻率為（ab段）。隨著電極系自下而上趨近底界面，雖因高阻層排斥作用遞增使逐漸減小，但考慮到電位電極系探測范圍大，在積分限之內(nèi)，增大的幅度超過減小的幅度，因而綜合的結(jié)果，造成緩慢上升直至M極到達底

16、界面為止（bc段）。從M極越過底界面起， 到A極抵達底界面止，因，頂界面離電極系甚遠(yuǎn)，無上部圍巖的影響，與梯度電極系平直段一樣，視電阻率為常數(shù)， 即（cd段）。當(dāng)整個電極系穿過底界面進入高阻層，并隨提升漸漸 離開底界面，此時雖基本不變，但下部圍巖對電流的吸引減弱，使隨之上升，因而逐漸提高（de段）。在電極系上移至高阻厚層中部時，由于，上下圍巖的影響均可忽略不計，則其視電阻率（ef段）。然后，隨著電極系繼續(xù)提升，所得視電阻率的各段，可用同樣的分析方法予以解釋。電位電極系視電阻率曲線對稱于巖層中心，使其整個曲線特點易于掌握，其上半部分曲線似如下半部分的映照。圖8-6 高阻厚層電位電極系曲線地層電阻

17、率；圍巖電阻率；電位電極系曲線上下兩平直段的長度均為，平直段的中點即為巖層的界面。厚層普通電極系視電阻率理論曲線的特點歸納如下：(1) 曲線可反映巖層電阻率的相對變化，在高阻厚層上曲線呈凸起的正異常，而低阻厚層呈凹下的負(fù)異常。據(jù)此可由曲線的變化來判斷巖層電阻率的相對高低，因而能劃分鉆孔地質(zhì)剖面。 (2)厚層異常中部的視電阻率，為該層的真電阻率。 (3)在曲線形態(tài)方面：電位電極系，記錄點位于AM中點，其曲線對稱于巖層中心，巖層界面對應(yīng)于曲線平直段中點（即分層點）；梯度電極系的曲線不對稱, 在巖層界面上出現(xiàn)極值。頂部梯度電極系極大值位于高阻層頂界面，而極小值在高阻層底界面；底部梯度電極系極大值位于

18、高阻層底界面，而極小值在頂界面。由于極大值在曲線中最顯目，所以，常用梯度電極系視電阻率曲線的極大值來劃分巖層的一個界面。此外，在巖層界面的一側(cè)也有平直段存在, 對于頂部梯度電極系平直段在界面的上側(cè)；而底部梯度電極系平直段在界面的下側(cè)。應(yīng)當(dāng)指出，對于有鉆孔影響、巖層不是厚層、井軸不垂直于巖層界面，以及電極系為非理想電極系的情況，上述結(jié)論不完全成立，需作適當(dāng)?shù)男拚?。三、視電阻率曲線的影響因素1.圍巖影響巖層總是有限厚的，當(dāng)目的層厚度小于普通電極系探測范圍的縱向?qū)挾葧r，圍巖的影響不可避免。圍巖的影響程度，取決于目的層的厚度H和圍巖電阻率。一般而言，厚度H越小，或者圍巖與目的層之間的電阻率差異越大，則

19、圍巖影響就越嚴(yán)重，由此造成目的層視電阻率與真電阻率的偏差越明顯。由圖8-11可知以下幾點： (1)在高阻厚層上，兩種電極系視電阻率曲線均呈凸起的正異常。最初，其幅度均隨厚度減小而降低；在之后，電位電極系異常幅度下降為低于的凹下負(fù)異常，但梯度電極系異常幅度反而增大且漸趨真電阻率 。(2）分層點是測井曲線定厚解釋的依據(jù)。分層點的位置：梯度電極系始終在視電阻率曲線的極值點，便于辨認(rèn)；而電位電極系僅當(dāng)時分層點才在直線段的中點， 之后分層點就難以確定。2.井眼影響井眼影響是指鉆孔中井液對測井的影響。測井時，電極系是浸泡在鉆孔的井液中。井液既是傳導(dǎo)電流使之注入地層建立電流場的媒介，又是包圍電極系成為被探測

20、的第一層介質(zhì)。因此，井液的存在對探測巖層電阻率的影響不可忽視。電阻率測井的井液影響程度，取決于井徑和井液電阻率。測井通常所用的井液有清水和泥漿之分。其中，清水井液多用于水文測井。按制作材料或井液電阻率的不同，泥漿分為水基泥漿和油基泥漿， 或低阻泥漿（）和高阻 圖8-7 不同厚度高阻巖層的視電阻率曲線(；)a理想梯度電極系的視電阻率曲線； b理想電位電極系的視電阻率曲線； 泥漿（）。水基泥漿普遍用于煤田測井、石油測井、金屬與非金屬測井及工程測井，而油基泥漿僅用于石油測井。低阻和高阻泥漿造成的井液影響有不同的規(guī)律，下面僅分析低阻泥漿的井液影響。對于低阻泥漿而言，井徑越大、井液電阻率越低，則井液對供

21、電電流的吸引產(chǎn)生的分流影響就越嚴(yán)重。在其它條件一致的情況下，電位電極系的視電阻率受井液的影響要比梯度電極系??；但受圍巖影響電位比梯度大。實測的視電阻率曲線是在同時受井液影響和圍巖影響情況下的記錄結(jié)果，其圍巖影響和井液影響的基本規(guī)律依然成立（圖8-8）。圖8-12 有限厚單一高阻巖層視電阻率曲線a梯度電極系; b電位電極系地層電阻率; 井液電阻率; 圍巖電阻率;；比較有限厚單一高阻巖層視電阻率實測曲線和理論曲線的差別，不難看出實測曲線變得圓滑，理論曲線上的平直段和突變段消失；實測曲線因受井液影響，其視電阻率值和異常幅度普遍降低。但是，曲線的基本形態(tài)和反應(yīng)巖層電阻率相對高低的特征不變。3.鄰層的影

22、響鄰層影響是指相鄰巖層對目的層視電阻率的影響。在測量目的層視電阻率時，若鄰層不在探測范圍之內(nèi)，則不存在鄰層的影響；否則鄰層影響不能忽視。尤其在由電阻率不同的小分層組成的交互層上，由于間距很小，鄰層影響十分明顯，致使曲線發(fā)生畸變。其中，高阻鄰層的影響尤為突出，其實質(zhì)是高阻鄰層對電流的排斥作用所致。鄰層影響的程度與電極系的類型、電極距有關(guān)，并取決于鄰層的電阻率與間距。當(dāng)電極系類型、電極距與鄰層電阻率確定時，鄰層的影響隨鄰層間距減小而加劇。當(dāng)電極距接近或大于交互層總厚度時，因鄰層影響嚴(yán)重，使曲線已無法劃分交互層中的小分層。 4.巖層傾斜的影響前面所述的問題和結(jié)論，均以鉆孔井軸與巖層層面垂直為前提。當(dāng)

23、井軸與層面斜交時，普通電極系視電阻率曲線會有所變化，這種影響稱為巖層傾斜的影響。通常將巖層面的法線與井軸的夾角()稱為該巖層的視傾角。當(dāng)井軸與層面垂直時，其視傾角為零；當(dāng)井軸沿鉛垂線穿過巖層時，其視傾角即為該巖層的真傾角。由高阻巖層在不同視傾角時頂部梯度電極系和電位電極系視電阻率測井的理論曲線可知（圖8-13），從異常幅度和曲線形狀來看，巖層傾斜對梯度電極系影響甚大，而對電位電極系的影響并不明顯。圖8-13 巖層（視）傾角對視電阻率曲線的影響a、b頂部梯度電極系視電阻率理論曲線,；c、d電位電極系視電阻率理論曲線, 在傾斜條件下，普通電極系視電阻率曲線定厚解釋所得的煤巖層厚度應(yīng)為視厚度。 視厚度經(jīng)傾斜校正后可得巖層的真厚度, 按的換算。 5.電極系參數(shù)的影響電極系參