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 FR (1-1) 式中:P一地层电阻率;Rw一地层水电阻率; Sw一地层含水饱和度:F一一地层因素。 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。 11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 R 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 MN(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p。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MN与供电电 极的距离分别为AM,AN(注意电阻P的量纲为g2·m长度量纲为m)则M点的电位: (1-3) 4丌AM N点的电位 (1-4) 4丌AN 式中I为电极A流出的电流强度(安培)。由上式可得MN两点的电位差V V=VM-E 4丌AMAN 电阻率
1 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： 2 W W S FR （1-1） 式中： —地层电阻率；RW—地层水电阻率； SW—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。 I V 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 。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 的量纲为 m 长度量纲为 m）则 M 点的电位： AM I VM 4 （1-3） N 点的电位： AN I VN 4 （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 AM AN MN V VM VN 4 电阻率：
4丌AMAN (1-5) MM 式中,MN为电极MN两点间的距离 4丌AMAN (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AB和测量电极MN的组合称为电极系。由式(1-5)可以看出,电阻率与 MN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AB与测量电极MN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(pn) K—一—量纲(cm)V—一量纲(伏特) —一量纲(安培)P。—一量纲(g2.cm) Rm 围岩R 过液 空N优
2 I V MN AM AN 4 （1-5） 式中， MN 为电极 M,N 两点间的距离 令 MN AM AN K 4 则 I V K （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 ） I V a K （1-7） K——量纲（cm）V——量纲（伏特） I——量纲（安培） a ——量纲（. cm ）
12侧向测井 121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。 MMAMMA 七侧向测井的电极系由七个电极组成,见图1-3,其中A0是主电极M1,M2和NN2是监 督电极(又称测量电极):A,A2是一对聚焦电极(又称屏蔽电极)。这三对电极以主电极A0 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 VM1=VM,VN1=VN2,VA1=VA2。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向地层 发射测量电流L时(又称主电流),聚焦电极A1,A2也向地层发射与同极性的电流I1(称 屏蔽电流)。由于同性相斥,主电流L受到屏蔽电流I1的强迫作用侧向流入地层,而不会任 意散开。调节l1的大小(调节I也可以),直至两个监督电极M1,N1(M2,N2)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不沿井筒分流而是全部 流入地层。Io的这种状态称为聚焦状态。当然对I1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M1N1的中点与M2N2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p,电极为点状;主电流为I0,屏蔽电流为1,根
3 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 A0是主电极;M1,M2和 N1,N2是监 督电极（又称测量电极）；A1,A2是一对聚焦电极（又称屏蔽电极）。这三对电极以主电极 A0 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 。 VM1=VM2 ,VN1=VN2 ,VA1=VA2 。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 A0向地层 发射测量电流 I0时（又称主电流），聚焦电极 A1,A2也向地层发射与 I0 同极性的电流 I1（称 屏蔽电流）。由于同性相斥，主电流 I0受到屏蔽电流 I1的强迫作用侧向流入地层，而不会任 意散开。调节 I1的大小（调节 I0也可以），直至两个监督电极 M1，N1（M2, N2）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 I0 不沿井筒分流而是全部 流入地层。I0的这种状态称为聚焦状态。当然对 I1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 M1N1 的中点与 M 2N2 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 I0，屏蔽电流为 I1，根
据电场叠加原理,监督电极的电位为: pl 47T AM, 4T, M 47TA2M 令屏主流比 n=l1/ +H( AM A,M, A2MI 同理 (1-9) 4T AN,AN, A2N 式中,AM1,A1M1,A2M1与AM1,A1M1,A2N1分别为电极M1和N与其相应供 电电极间的距离。 当b达到聚焦状态时,M1=VN。由式(1-8),(1-9)可得: A1M,·A,N,·A,M,·A,N n (1-10) A0M1·A0N1(A2M1·A2N1-A1M1·A1N1) 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=VMVN,VN是参考电极N的电位,由于电极N距 离电极A0,A1,A2,B为无限远,因此,VN=0 则 (1-11) 4丌AM, A, AM A2M 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 4T A M. AN,(AM,+ANVo A0A1+A0M1·A0 令电极系常数Kk-4xA4M1·AN(AM1+AN) (1-12) 441+AM14N1 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Lo—一它是指电极A,A2之间的距离,即L=A1A2。它主要影响侧向 测井的探测深度。在一定范围内,Lω加长,相应探测深度増加,反之探测深度减小。若L 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—一指M1N1中点O1与MN2的中点O2之间的距离,即L=O1O2。L的大小
4 据电场叠加原理，监督电极的电位为： 2 1 2 1 1 1 0 1 0 1 4 4 4 A M I A M I A M I VM 令屏主流比 1 0 n I I 则 )] 1 1 ( 1 [ 4 0 1 1 1 2 1 0 1 A M A M n A M I VM （1-8） 同理 )] 1 1 ( 1 [ 4 0 1 1 1 2 1 0 1 A N A N n A N I VN （1-9） 式中， A0M1 ， A1M1 ， A2M1 与 A0N1 ， A1N1 ， A2N1 分别为电极 M1和 N1与其相应供 电电极间的距离。 当 I0达到聚焦状态时，VM1= VN1。由式（1-8），（1-9）可得： ( ) 0 1 0 1 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 A M A N A M A N A M A N A M A N A M A N 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 V0=VM-VN，VN是参考电极 N 的电位，由于电极 N 距 离电极 A0，A1，A2，B 为无限远，因此，VN=0 则 ) 1 ( 4 0 1 1 1 2 1 0 0 1 A M n A M n A M I V VM （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 0 0 0 1 0 1 2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 4 ( ) I V A A A M A N A M A N A M A N 令电极系常数 K 0 1 0 1 2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 4 ( ) A A A M A N A M A N A M A N K （1-12） 0 0 I V K （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 L0——它是指电极 A1，A2之间的距离，即 L0 A1A2 。它主要影响侧向 测井的探测深度。在一定范围内，L0加长，相应探测深度增加，反之探测深度减小。若 L0 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 M1 N1中点 O1与 M2N2的中点 O2之间的距离，即 L O1O2 。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一一指电极系长度L0与电极距之比值,即S=2,它主要影响主电流层的形 L 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 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一指(LL)几L的比值,即q=(L0-L/L=S-1。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 R 来确定K值 K-p (1-14) Ro 122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: (1)恒流式:保持主电流l恒定,只测量主电极(通常用监督电极M1和M2代替)至无 穷远电极N之间的电位差V0,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L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192.m到1000092·m,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 (2)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 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。恒压式与恒流式仪器一样,仪器电路简单,但测量动态范围小 (3)自由式(求商式):因自由式电流和电压都是浮动的。测井时,同时测量电流,电压 两个量,因此可以得到较宽的测量动态范围。比如地层电阻率仍从19·m变到100009·m, 自由式仪器只要测量电压和电流各变化100倍即能满足测量要求 因 故 Pm==.m=100100104 国产801双侧向和引进的1229双侧向均采用这种工作方式。需指出这种工作方式 的仪器在测量地层电阻率很高和很低时,仪器分别相当于恒流式和恒压式,其测量误差较大 (4)恒功率式:由式(1-7)视电阻率公式可知,要确定电阻率,我们并不一定要测得电压和
5 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 L0与电极距之比值，即 L L 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（L0-L）/L 的比值，即 1 q L0 L L S 。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 0 0 0 I V R 来确定 K 值： R0 K （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 I0恒定，只测量主电极（通常用监督电极 M1和 M2代替）至无 穷远电极 N 之间的电位差 V0，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 I0 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 1 m 到 10000 m ，即变化了 10 4 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。恒压式与恒流式仪器一样，仪器电路简单，但测量动态范围小。 ⑶ 自由式（求商式）：因自由式电流和电压都是浮动的。测井时，同时测量电流，电压 两个量，因此可以得到较宽的测量动态范围。比如地层电阻率仍从 1 m 变到 10000 m ， 自由式仪器只要测量电压和电流各变化 100 倍即能满足测量要求。 因 100 min max V V 100 min max I I 故 4 min max min max min max 100 100 10 I I V V 国产 801 双侧向和引进的 1229 双侧向均采用这种工作方式。需指出这种工作方式 的仪器在测量地层电阻率很高和很低时，仪器分别相当于恒流式和恒压式，其测量误差较大。 ⑷ 恒功率式：由式（1-7）视电阻率公式可知，要确定电阻率，我们并不一定要测得电压和