的微电位电极系主要受冲洗带电阻率的影响，显示较高的数值。微梯度受泥浆影响较大，显示较低的数值。因此在渗透性地层处，微梯度和微电位测量的视电阻率曲线出现幅度差，利用这个差异可以判断渗透性地层。在渗透性地层处，微电位的读数大于微梯度的读数，显示出的幅度差称为正幅度差，反之，显示出的幅度差称为负幅度差。

利用微梯度和微电位的视电阻率曲线的差别研究地层，必须使微电极系和井壁的接触条件保持不变，所以要求微梯度和微电位同时测量。 2.微电极测井资料的应用

选用微梯度和微电位两种电极系以及相应的电极距，目的是要它们在渗透性地层段出现明显的幅度差，因此，不但要求两者同时测量，而且要将两条视电阻率曲线画在一起，采用重叠法进行解释，见图2-12。根据现场实践，微电极测井主要有以下几种应用：

1）确定岩层界面，划分薄层和薄的交互层

通常依据微电极测井曲线的半幅点或曲线分离点确定地层界面，一般可划分20cm厚的薄层，薄的交互层也有较清楚的显示。 2）判断岩性和确定渗透性地层

在渗透性地层处，微电极测井曲线出现正幅度差，在非渗透性地层处没有幅度差，或出现正负不定的幅度差。根据微电极测井视电阻率值的大小和幅度差的大小，可以判断岩性和确定地层的渗透性。

（1）含油砂岩和含水砂岩一般都有明显的正幅度差，如果含油砂岩和含水砂岩的岩性相同，则含水砂岩的幅度和幅度差都略低于含油砂岩。砂岩含油性越好，这种差别越明显这是由于含油砂岩的冲洗带中，有残余油存在的缘故。如果砂岩含泥质较多，含油性变差，则微电极曲线幅度和幅度差均要降低。

（2）泥岩。微电极曲线幅度低，没有幅度差或有很小的正负不定的幅度差，曲线呈直线状，具有砂泥岩剖面中典型的非渗透岩层曲线特点。 （3）致密砂岩或钙质砂岩。微电极曲线幅度特别高，常呈锯齿状或刺刀状，由幅度大小不等的正或负的幅度差。 3）确定井径扩大井段

在井内，如有井壁坍塌形成大洞穴时，微电极系的极板悬空，所测视电阻率曲线幅度低，Ra和Rm相同。 4）扣夹层，求有效厚度

在评价有致密薄夹层和泥岩夹层的含油砂岩层时，需求出含油层的有效厚度。由于微电极曲线具有划分薄层和区分渗透和非渗透岩层的两大特点。在油层中把非渗透性和致密薄夹层从含油气层总厚度中扣除就得到有效厚度。

5）确定冲洗带电阻率Rxo和泥饼厚度hmc

微电极测井探测深度浅，因此可利用校正图版来确定冲洗带电阻率Rxo和hmc。 二、微球形聚焦测井

微侧向和邻近侧向在合适条件下，确定Rxo是可靠的。但是前者探测深度较浅，受泥饼影响大，后者可克服泥饼厚度的影响，但探测深度较大，在一定范围内受原状地层电阻率的影响，只适合侵入较深的地层。微球聚焦测井既具备了两者的优点，又克服了两者的缺点，探测深度适当，介于微侧向和邻近侧向之间，受泥饼和原状地层的影响较小，主要反映侵入带电阻率的变化。

1.微球形聚焦测井原理

微球形聚焦测井又称微球聚焦测井，其电极系结构如图所示。电极的尺寸较小，镶嵌在绝缘极板上，借助于推靠器，使电极与井壁直接接触。主电极A0为长方形，依次向外为测量电极M0、辅助电极A1以及监督电极M1、M2，它们为矩形环状电极。极板的金属护套和支撑板作为回路电极B。

由A0供给的电流一部分流到辅助电极A1，成为辅助电流，用Ia表示；另一部分电流进入地层，流经一段距离后回到较远的回路电极B，这部分电流称为测量电流，用I0表示。测量时，通过仪器自动控制，调节Ia和I0的大小，使监督电极M1和M2上的电位相等；而测量电极M0与监督电极M1和M2之间的电位差等于一固定参考值。此时，通过M0到M1、M2中点的等位面近似于球形，这就是球形聚焦测井名称的由来。

由于监督电极之间的电位差为零，辅助电流Ia只能在测量井段内的泥饼中流动，这就减小了泥饼的影响，由于Ia和I0极性相同，迫使主电流I0以很细的电流束流入地层中，对渗透性地层，即穿过泥饼，流到侵入带中，由于电极距小，探测深度浅，不受原状地层电阻率影响。由于微球聚焦测井时极板紧贴在井壁上，测量结果受井眼影响较小，是确定侵入带电阻率Rxo较好的方法。测得的视电阻率RMSFL可用下式表示：

RMSFL?K（2）微球形聚焦测井资料的应用

?UM0M1I0 （2-16）

微球聚焦测井探测深度介于微侧向和邻近侧向之间，受泥饼影响小，在确定冲洗带电阻率Rxo中起重要作用，且纵向分层能力强。 1)划分薄层 2）确定Rxo

3）双侧向—微球形聚焦测井组合测井

微球形聚焦测井一般与双侧向组合成一种综合下井仪器。一次下井能提供以下曲线： (1)深侧向测井电阻率(RLLd)曲线 (2)浅侧向测井电阻率(RLLs)曲线 (3)微球形聚焦测井电阻率(RMSFL)曲线 (4)自然电位曲线

(5) 井径曲线

该组合具有三种不同的探测深度：深侧向、浅侧向及微球聚焦测井。

由于主电流以很细的电流束穿过泥饼进入地层，受泥饼影响小，对地层的电阻率变化十分敏感，在岩性不同的界面处有明显的变化，纵向分辨能力强。

第五节 感应测井

在前面讨论的直流电法测井(普通电阻率、侧向测井等)中，都是在井下地层形成直流电场，通过测量井轴周围地层的电位分布，即可求出地层的电阻率。只有当井内有导电泥浆时，才能使用这些方法。有时为了获得原始含油饱和度资料，需要油基泥浆钻井;有时为了避免破坏地层的原始渗透性，采用空气钻井。在这样的条件下，井内没有导电介质，不能使用直流电法测井。

为了解决这一问题，利用电磁感应原理。如图所示，当线圈A 中通以交流电时，在A的周围空间形成交变电磁场，并在线圈B中产生感应电动势。交变电磁场在导电介质中可以传播，在不导电介质中也可以传播。因此可以应用电磁感应原理克服非导电介质的影响。

一、感应测井基本原理

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把地层看成是一个环绕井轴的大线圈，把装有发射线圈T和接收线圈R的井下仪器，如图2-14所示，放入井中，对发射线圈通以交变电流I，在发射线圈周围地层中产生了交变磁场Φ1，这个交变磁场通过地层，在地层中感应出电流I1，此电流环绕井轴流动，叫涡流。涡流在地层中流动又产生交变磁场，这个磁场是地层中的感应电流产生的，叫二次磁场Φ2，二次磁场Φ2穿过接收线圈R，并在R中感应出电流，从而被记录仪记录。很明显，接收线圈R中感应产生的电动势大小与地层中产生的涡流大小有关，而涡流大小又与岩石的导电性有关，地层电导率大，则涡流大，电导率小，则涡流小，涡流与电导率成正比，因而接收线圈中的电动势也与电导率成正比。根据记录仪记录到的感应电动势 的大小，就可知道地层的电导率。

从图2-14中可以看出，接收线圈R 不仅被二次磁场Φ2穿过，而且被一次磁场Φ1穿过。因而接收线圈R中产生的信号有两种：一是由地层产生的，与地层导电性有关的信号，称为有用信号，用VR表示。另一种是由仪器的发射线圈直接感应产生的，这是一种干扰因素，称为无用信号,用VX表示。二者在相位上相差90°。

二、 复合线圈系

复合线圈系是由串联在一起的多个发射线圈和串联在一起的多个接收线圈所组成。它们分别用T0，T1，……，TL和R0，R1，……，Rm代表, 其匝数分别是

nT0，……, nTL和nR0，……，nRm，其中T0和R0称为主发射和主接收线圈，它们的匝数nT0和nR0一定是最大的。匝数正、负规定如下：发射线圈的缠绕方向与

主发射线圈一致的，匝数为正，否则为负;接收线圈的缠绕方向与主接收线圈一致的，匝数为正，否则为负。

为了排除井内介质对测量结果的影响，减小侵入带的影响，可增加补偿线圈，补偿线圈通常放在主双线圈之间，其绕制方向与主线圈相反，这就消除了井影响。同样，为了消除远处介质的影响，使探测深度变浅，也可增加另外的补偿线圈，所以通过对补偿线圈的选择，可以改善线圈系的探测深度以及补偿所要排除部分的几何因子。

为了消除上下围岩对测量结果的影响，可增加聚焦线圈，其原理与补偿线圈类似。为使纵向微分特性曲线具有对称性，应成对地增加聚焦线圈，使对线圈系的中点呈对称分布。聚焦线圈使围岩影响显著降低，而且界面也比较清楚。（增加的聚焦线圈应放在主双线圈之外）

我国曾广泛使用过的0.8m六线圈系，是由三个发射线圈和三个接收线圈组成的复合线圈系，其主要参数如下:

R20.6T00.2T10.4R10.2R00.6T2

-7 100 -25 -25 100 -7

T0、R0—主线圈对，分别为主发射和主接收线圈，T0R0之间的距离为L，叫主线圈距。

T1R1—补偿发射和补偿接收线圈，位于主线圈对内部，用于改善线圈系的径向特性，减小井、侵入带的影响；线圈符号间的数字是以m为单位的距离，线圈系下边的数字为线圈的匝数，负号的意义是该线圈的绕向与主线圈相反，见图2-15。

三、感应测井曲线的应用

由于地层电阻率是确定地层含油饱和度的重要参数，必须采取各种手段求准它，感应测井曲线是求准地层电阻率的重要依据，由于感应测井原理是电磁感应，所以电导率高的地层对测量结果贡献大，也就是电阻率小的地层反映敏感。对于较低的电阻率地层，可以给出较好的电导率值。为合理选取感应测井理论图版，必须准确地分层和读数。 1. 分层

对0.8m六线圈系来说，层厚h＞3m，可由曲线半幅点划分地层界面；h＜3m，地层界面不在半幅点处，而是向峰值方向移动。一般情况下不单独用感应测井曲线来分层，应同时考虑微电极，微侧向和短梯度曲线。 2. 读目的层σa值

对感应测井曲线来说，不论高或低电导率地层，其地层中点均对应于曲线极值(极大值或极小值) 。我们所选取的视电导率就是这个极值。对高电导率地层取极大值，对低电导率地层取极小值。若地层较厚，而由于岩性不均匀或含油不均匀在中部有微小的起伏，则取中部的面积平均值。若地层中含有薄的泥质或钙质夹层，则将夹层去掉后取余下部分的平均值。 3. 读围岩电导率

①如果围岩是均匀的，可直接读出视电阻率值；

②如果围岩是不均匀的，应在靠近界面处读视电导率值(因为这部分围岩的影响最大)。根据感应测井的纵向探测特性，最好在距地层中点5m的范围内取围岩的σa(若h＞=10m，则围岩的贡献可以忽略)。

③当地层上、下围岩视电导率不同时，可分别读取上、下围岩的视电导率，取二者的平均值作为围岩的视电导率。

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第三章 声波测井（6学时）

声波在不同介质中传播时，速度有很大差别，而且声波幅度（能量）的衰减、频率的变化等声学特性也是不同的。声波测井就是利用岩石等介质的这些声学特性来研究钻井地质剖面、判断固井质量等问题的一种测井方法。

声波是近年来发展较快的一种测井方法。由最早的声速测井、声幅测井发展到后来的长源距声波测井、变密度测井、井下声波电视(BHTV)、噪声测井到现在的多极子阵列声波测井、井周声波成像测井（CBIL）、超声波井眼成像仪等。特别是声波测井与地震勘探的观测资料结合起来，在解决地下地质构造、判断岩性、识别压力异常层位、探测和评价裂缝、判断储集层中流体的性质方面，使声波测井成为结合测井和物探的纽带，有着良好的发展前景。

第一节 岩石的声学特性

声波是物质的一种运动形式，它由物质的机械振动产生，通过质点间的相互作用将振动由近及远的传播，声波分为可听见的20~30KHz的声波和30KHz以上的超声波，他们都是机械的弹性波。它是由于机械振动引起弹性体在外力作用下，物体发生弹性形变产生的。这是因为声波的波源产生的能量很小，岩石介质都是呈现弹性体，因此波是靠质点间的相互作用进行传播的，而质点与质点有弹性相互联系着。所以声波在物质中传播的速度、频率和幅度与物质的弹性密切相关。

一、岩石的弹性

受外力作用发生形变，外力取消后，恢复到原来状态的物体叫弹性体。而当外力取消后不能恢复其原始状态的物体叫塑性体。一个物体是弹性体还是塑性体，不仅和物体本身的性质有关，而且和物体所处的环境有关（温度，压力等）及外力的特点（外力作用形式，时间和大小）有关。一般说外力小、作用时间短，物体表现为弹性体。

声波测井发射的声波能量较小，作用在岩石上的时间也短，所以对声波测井来讲，岩石可看作弹性体。因此研究声波在岩石中的传播规律，可以应用弹性波在物质中的传播规律。可用杨氏模量（纵向伸长系数）、切变模量、体积模量、泊松比和拉梅系数等物理量来描述物质的弹性。

二、岩石的声速

声波在介质中传播，传播方向和质点振动方向相互一致的称为纵波，而传播方向与质点振动方向相互垂直的称为横波。纵波和横波的传播速度vp、vs与弹性参数有如下关系：

vp?E(1??)??2? （3-1） ??(1??)(1?2?)??其中，E为杨氏模量；?为泊松比；?为介质密度；?,?为拉梅系数。 同一介质中：

vpvs?2(1??) （3-2）

1?2?由于大多数岩石的泊松比为0.25，所以在岩石中的纵横波速度之比约为1.73。由（3-2）式知道声波速度随岩石的弹性加大而增大，但不会随岩石密度的加大而减小，因为E和?还有关系，并且大部分情况随着?的增大，E有更高级次的增大，所以?增大，岩石的声速一般是增大的。对沉积岩来说，声速除与上述基本因素有关外，还与岩性、岩石的结构、胶结状况、孔隙度的大小、地层的埋藏深度和地层的地质时代有关。

三、岩石的声波幅度

声波在岩石中传播，由于内摩擦的原因，声波能量会发生衰减，声波能量与幅度的平方成正比，所以幅度逐渐减小。衰减的大小与声耦合率有关，声耦合率是两种介质的声阻抗比Z1/Z2。声阻抗是介质密度和传播速度的乘积Z???v。

第二节 声速测井

当声波由一种介质向另一种介质传播时，在两种介质形成的界面上，将发生声波的反射和折射，如图3-1所示：

入射波能量一部分被界面反射，另一部分透过界面在第二介质中传播。反射波的幅度取决于两种介质的声阻抗。两种介质的声阻抗之比Z1/Z2叫声耦合率。介质1和介质2声阻抗差越大，声耦合率越差，声能量就不易从介质1传到介质2中去。通过界面在介质2中传播的折射波的能量就越小。如果两介质声阻抗相近，声耦合的好，声波几乎都形成折射波通过界面在介质2中传播，这时反射波的能量就非常小。

根据波的折射和反射定律，入射角和反射角相等，而入射角和折射角之间满足下列关系：

sin?v1? （3-3） sin?v20当v1?v2且为固定值时，折射教会随着入射角的增大而增大，当入射角达到某一固定值，折射角?等于90，此时相应的入射角满足：

sin??v1 （3-4） v2这时在折射区中，折射波以该区域的声波速度沿界面向前滑行传播，这种波称为滑行波，所对应的入射角称为临界角。如果这时传播的波是纵波，则该滑行波为滑行纵波，相应的入射角称为第一临界角，记为?i1；如果这时传播的波是横波，则形成滑行横波，相应的入射角称为第二临界角，记为?i2。

一、单发双收声速测井仪的测量原理 1.测量原理

声速测井是测量滑行波穿越地层单位长度时所用的时间，即时差，单位是us/m。声速测井的下井仪器包括三部分。声系（由发射探头和接收探头组成）、电子线路及隔声体，其中声系是主体。声系的发射探头和接收探头，即换能器，是由压电陶瓷晶体制成，利用这种晶体具有的压电效应的物理性质，以其反效应发生声波，以其正效应接收声波。

声速测井仪由发射探头发生声波，在充满钻井液的井中在较大的角度向各个方向传播。其中必然有以临界角的方向入射到第二介质，而且底层速度vc大于钻井液的声速v1，所以必然产生在地层中沿井壁附近传播的滑行波。滑 图3-2 单发双收声系

行波在地层中传播的快慢是受岩石性质所决定。滑行波传播到哪里，那个质点都可以作为波源在向四面八方传播，也必然引起钻井液质点振动，接受探头就可以接收到滑行波。首波最容易纪录，所以只记录首波，首波到达第一个接收探头后，关闭电路，第二个接收探头也是被同一首波所触发，记录下两个接收探头的时间差。当然也有钻井液的直达搏，但在钻井液中传播的速度慢，选择合适的距离，就可以接受到地层的滑行波，其它的波却为后续波。接收探头在初至波触发下工作，把声波变为电讯号，进行纪录。

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对于单发单收声系，如图3-2，由T和R1组成发射和接收探头，源距为L，假设井内流体中纵波速度为v1，井外地层的纵波速度为vc，则第一临界角i的正弦为v1/vc，声波到达接及探头R1的路径为TABR1，所用时间为：

T1?2TA/v1?AB/vc?2a/v1cois?(L?2atg)i/vc （3-5）

所以要做反演计算求，必须已知和井径。但实际测井中，这两个参数是未知的或比较难确定的。

所以单发单收声系不利于进行声速测量，一般采用单发双收。如图3-2，声系由发射探头T和R1、R2两个接收探头组成，且R1、R2间的距离为Ld(间距)。 同样，声波由T到R2的传播时间为：

T2?2TA/v1?AC/vc （3-6）

由（3-5），(3-6)得：

?T?T2?T1?BC/vc?Ld/vc (3-7)

所以地层中纵波的时差为：

?tc?1/vc??T/Ld (3-8)

其中是Ld已知的，?T是实际记录的远近接收探头所接收到的滑行波的到达时间差。但是，实际测量中使用的时差所测量的是声波时差随深度的变化曲线。这样时差的大小就反映地层声速的高低。所以声波速度测井就是测量声波在两个接收探头之间的时间差，它等于间距所对应的地层中传播速度的倒数。仪器的深度记录点即是两个接收探头的中点。测量时由地面仪器把时差转变成与其成比例的电位差加以记录，仪器在井中移动，就得到一条随深度变化的声波时差曲线。

两接收探头间的间距Ld的选择应考虑以下问题:如果Ld过大，则所求得的纵波时差是长度为一个间距厚度的地层声速平均效应的贡献，因此不利于薄层分析，而且Ld过大，第二个接收探头由于地层的衰减而记录的滑行纵波幅度很小，不易辨认，易产生记录误差；另一方面，Ld选择过小，则被测量的声波时差的绝对值变小，在地面仪器的精度一定的情况下，则相对误差增大。因此从提高测量精度的角度来看，Ld选择大一些为好。如果地层的纵波速度比较低时，可以选择较小的

Ld，这样可以提高薄层的分层能力。

2.单发双收声速测井仪存在的缺陷：

(1) 在井眼比较规则的时候能够测量记录井壁上随深度变化的时差，而且测量结果不受井内泥浆的影响，但如果井眼不规则，测量结果会受井内泥浆声速的影响，且误差较大。

(2)单发双收声系存在深度误差。我们规定单发双收声系的记录点为两接收探头的中点。它记录的结果应该是在该记录点附近厚度为的岩层的声速平均值，但实际情况并不是这样。声波在两个接收探头之间传播的距离并不和它们所对应的地层完全重合，见图3-2。这一深度误差在地层速度较高，井径较小时并不大，可忽略；但当地层与相差不大，且井径增大时，如在疏松的泥岩段，井壁坍塌，发生井径扩大，且第一临界角比较大，这一误差可达0.5m，因此，深度误差必须考虑。（阵列声波测井仪器源距和间距可有多种选择）。

二、 双发双收声系

为了消除深度误差及井径不规则所引起的误差。人们一般利用双发双收声系。其电极系结构如图3-3所示。

它由两个发射探头T1、T2、R1、R2组成，R1、R2位于中间，T1和T2交替发射声波脉冲，由R1、R2各记录一次，然后将两次记录的时差求平均值，作为当前R1、R2对应的地层的声波时差。下面来分析双发双收声系是怎样减小或消除深度误差和井眼不规则的影响的。

1.消除深度误差

双发双收声系的记录点O位于R1、R2的中点。当T1工作时，反映的是B1C1段（中点为O1）地层的时差平均值。当T2工作时，反映的是B2C2段（中点为O2）地层的时差平均值。一般认为当R1、R2附近的地层岩性没有发生变化时，由于i1?i2，?1??2，因此取两次测量结果的平均值反映的是O1和O2中点处的时差平均值。实际记录点为O1和O2的中点，此时实际记录点和仪器记录点重合，不再发生 图3-3 双发双收声系 深度误差。

2.井眼补偿

双发双收声系的另一个特点是将井径变化时对声速的影响减小到最小。通过以前的讨论可知，利用单发双收声系测量声波速度（时差）时，其测量值受井径变化的影响，如图3-4（a）为井径变化时测量到的单发双收声速（时差）示意图。设井内泥浆的速度为v1，井外地层的纵波速度为vc，单发双收声系纪录的声波时差为：

?t?BCR2C?R1B? （3-9） vcv1当接收探头R1在井径扩大部位时，由于R2C?R1B，所以纪录的时差值要小于实际的时差；当接收探头在井径扩大部位时，由于R2C?R1B，所以纪录的时差值要大于实际的时差。因此，在实际测井时，由于井径的变化，即使在没有岩性变化的情况下，记录的声波时差会随井径的变化而变化。根据以上分析，

这种由井径引起的变化有一定的规律，如果发射探头在接收探头之下，则声波时差是先变大，后变小，即曲线向右偏移突起，然后向左偏移凹进，如图3-4（b）所示。

当采用双发双收声系时，如图3-4（c）所示，在T1发射时，声波到达R1、R2的时间分别为：

t11?B1A1T1A1?R1B1? （3-10） vcv1C1A1T1A1?C1R2? （3-11） vcv1t12?则：

?t1?t12?t11?B1C1R2C1?R1B1? （3-12） vcv1其中，vc为地层的纵波声速，v1为井眼流体的纵波声速，B1C1为两接收器的间距。

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