测井参数曲线在地层物性研判中的应用

党 静

(陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

地球是由地核、地幔、地壳组成，而地壳就是地球表面，它由多组断裂的、大小不等的块体组成，这些块体所含物质各不相同，其中一部分就是与人类生活息息相关的矿产资源，如石油、煤炭、天然气、金、铜、铝、铁等[1-3]。寻找这些矿产资源的主要方法有槽探、机械钻探、地球物理测井等，其中，机械钻探和地球物理测井是目前最常用的方式。机械钻探是用器械向地下钻孔取出地层芯样进行分析；地球物理测井则是以地质学岩石物理学和测井基本理论作为指导，使用专门的仪器设备沿钻孔剖面测量岩层的物性参数，依据获得的庞大测井资料了解分析、研究钻孔剖面地质信息及资源状态[4-6]。钻探施工中遇到地层裂隙、破碎带、空洞等层段，会出现取芯有难度或取芯不足等情况，则可利用测井参数曲线进行分析研判，进而做出结论。

1 地层物性特征及研判依据

1.1 物性特征

地壳是由多组断裂的、大小不等的块体组成一体，受外力作用后(如地震、地下岩体移动沉降出现塌陷、岩石的溶蚀等)引起的岩层破碎、裂变、空洞等情况，钻探施工遇到这类地层段会出现泥浆消耗加快，钻速不均，掉钻卡钻等现象[7-10]。正常地层钻孔是一个孔径略大于钻头直径、孔壁完整的孔洞，否则成井后的钻孔孔壁也不规整，且孔径有大有小。

1.2 研判依据

地下地层岩石导电性不一，即电阻率不相同，其变化范围很大，其阻值来源于组成岩石矿物的电阻率、矿物的百分含量以及矿物晶体和颗粒之间相互联系的特性[11-13]。矿物的电阻率低，其百分含量又高，矿物晶体间和颗粒排列紧密，则岩石的电阻率就低，反之则高。岩石的密度大小也不相同，一般在1.18～3.7 g/cm3，其值不仅取决于其组成矿物的密度及孔隙度的大小，还受压实和胶结物的影响，即同一种岩性的岩石，埋藏越深，地质年代越老，其密度值越大。岩石中放射性物质主要取决于自身中钾、钍、镭、铀等的含量，但与泥质含量和沉积环境也有密切关系，泥质颗粒微小，比面积大，吸附放射性元的能力强，所以泥质含量越多，岩石的放射性就越强；岩石的自然电位主要与岩石的孔隙度、渗透性和液压差相关，孔隙度越大、渗透性越好、液压差增大，则吸附的离子就多，自然电位就大。声波通过岩石时其速度、幅度甚至频率都会发生变化，与岩石的密度密切相关，胶结疏松、孔隙度大的岩石密度相应就小，传播的速度便小，时差就长。地下岩石具有这些不同的物理性质，是进行地球物理测井的理论基础。

2 分析方法及结果验证

2.1 分析方法

2.1.1 电阻率法

电阻率测井即沿井身测量井周围地层岩石电阻率的变化，为此需要向井中供应电流，在地层岩石中形成电场，研究地层岩石电场的变化求得地层岩石电阻率。沉积岩是煤田地质勘探中最常见的岩石，其阻值随粒度的增大而增高，随孔隙度增大、泥质含量增高而降低；岩层岩石破碎、出现裂隙、空洞后，岩石孔隙度变大，矿物中正负离子、泥质颗粒等通过流体充入进来，导致岩石的电阻率值降低，裂隙越大降得越严重，反映在电阻率参数曲线上则由高异常陡变为低异常，形态为双尖状或多尖状，尖的多少取决于横向裂隙的多少，尖与尖间距取决于裂隙宽度。

2.1.2 密度法

岩石的密度取决于其质量和体积，但破碎后孔隙增加，则体积相应的增大，故而密度就变小了，反映在密度参数(长短源距伽玛)曲线上异常幅值就增高了，一般高出原值的20%～60%。破碎的越严重幅值增加的越高，反映在参数曲线上则出现剑状、尖状、指状大异常，大小、宽度与裂隙大小相关，裂隙越大则异常越宽越高。

2.1.3 自然伽玛法

地下岩石含放射性物质，由于破碎裂隙增大增多，放射性物质、泥质颗粒通过流体即可渗入，放射性元素含量相应增多，自然伽玛曲线幅值就会随之升高，即会出现尖状、短剑状高异常。

2.1.4 声波法

声波测井是以研究地下地层岩石的声学特性为基础的测井方法。声波通过岩石时其速度、幅度、有时甚至频率都会发生变化，其传播速度与组成岩石的矿物成分、密度、弹性、泥质含量、饱和度、孔隙度及孔隙流体相态相关联。岩石越致密，岩石的密度就越大，声波传播就越快，声波时差就越小；但破碎裂变后的岩石松散密度变小，声波传播速度变小，反映在声波时差曲线上异常幅值增大。岩石出现裂隙、空洞时，质量不变体积变大，密度就变小了，在声波时差参数曲线上就出现高幅值异常，异常的幅值与裂隙宽窄深浅、空洞的大小相关，裂隙越宽、裂隙越深、空洞越大，异常幅值越大；声波参数曲线形态随着裂隙、空洞的大小由尖状、剑状变为近梯形状；纵向大裂隙也是如此。统计发现幅度高出原值的30%到几倍，破碎带地段还会出现周波跳跃现象，即忽大忽小。

2.1.5 井径法

钻孔的直径称之为井径，井径测井就是测量钻孔的直径，引起钻孔井径变化的原因主要有两个方面。一是泥浆冲洗作用，有些岩石比较疏松，受到泥浆的冲刷容易坍塌而致井径扩大，如节理较发育的岩层、处于风化带的煤层、含有大量粘土的砂层及破碎裂隙带、空洞、溶洞；二是上下钻钻头的撞击作用导致钻孔井径变化。井径参数曲线在正常地层段为一条值略大于钻头直径的直线，但遇到破碎带、裂隙、空洞等孔段会出现大于钻头直径过多的尖状、指状、近梯形状大异常，异常形态、幅值与裂隙宽窄、空洞大小深浅有直接关系，深入研究分析这些参数曲线形态，对解决钻孔孔内工程地质问题很有必要。

2.1.6 井中电视测井

井中电视测井就是利用高清摄像头直接对钻孔孔内、孔壁进行照像，并通过电缆传输到地面显示屏观看并保存，真实直观，时时时刻反映孔内实际情况。但对钻孔施测条件比较苛刻，必须在清澈静止的水体钻孔或干孔中进行，出现漏水或井液不清则无法正常观看。

2.2 结果划分

2.2.1 岩性

岩石是构成地层的物质基础，按其成分可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。其中沉积岩是地表条件下由风化作用、生物作用和火山作用的产生物，经水、空气和冰川等外力的搬运、沉积和固结成岩作用而形成的。地球表层以沉积岩为主，约占大陆面积的75%。沉积岩中蕴藏着大量丰富的矿产，如煤、石油、天然气等，常见的沉积岩有砾岩、砂岩(细、中、粗粒)、粉砂岩、粘土岩、硅质岩、石灰岩等。例如，陕北侏罗纪煤田地层岩石岩性多为泥岩、粉砂岩、砂岩，正常情况下不同岩性岩石测井参数曲线反映特征,见表1，但在实际测井中，获得的测井参数曲线形态特征往往与地层岩性物性反映极不相符。

表1 侏罗纪煤田岩石测井参数曲线反映特征统计

2.2.2 空洞或裂隙

如图1所示，110.40～114.00 m均为细粒砂岩，电阻率参数曲线应为中高异常，井径参数为直线，密度(长短源距伽玛)曲线为平缓的曲线，声波时差曲线为较平直的中低异常，但是实测参数曲线在110.55～111.55 m层段处，井径参数曲线出现大异常且远大于钻头直径；声波时差曲线出现高幅值异常；放射性曲线出现似煤异常；电阻率曲线反而降低且低于基线。依据岩石的各种测井参数物性特征及变化规律，此段低电阻率、低密度、松散的地层可解释为空洞或裂隙。

图1 空洞、裂隙测井曲线形态

如图2所示，110.25～113.23 m地层岩性为细粒砂岩，电阻率为中高阻，自然电位为负值，自然伽玛为中高异常，由于砂岩吸附泥浆致井径值略小于钻头直径。但实测参数曲线在110.25～110.70 m(厚0.45 m)、112.30～112.90 m(厚0.60 m)两处，电阻率曲线幅值变低，自然电位曲线负异常幅值增大，井径曲线由直线突变为尖状、剑状大异常，声波时差曲线幅值相应增大，密度(长短源距伽玛)参数曲线即出现剑状、指状似煤层的高幅值异常。依据岩层岩石在测井参数曲线上的反映特征和组合规律将这两处低电阻率、低密度、高时差、井径扩大的层位综合分析判断为裂隙或空洞。

图2 裂隙、空洞测井曲线形态

2.2.3 空洞

如图3所示，140.40～144.33 m岩性为细粒砂岩，物性特性应为中高电阻率、负自然电位、中低自然伽玛、低时差、中高密度，井径应略大于钻头直径，但实测参数曲线在140.40～141.70 m(厚1.30 m)层段处电阻率曲线为低幅值异常，密度幅值高异常，声波时差曲线大异常。这些与岩性原本物性反映特征不相符的层位符合空洞的物性特征，所以分析判断此层段为空洞。

图3 空洞测井曲线形态

2.2.4 破碎带

如图4所示，160.83 m以下，地层岩性为粉砂岩，电阻率应为中低阻，密度中高、声波时差中低，井径为钻头直径。然而实测参数曲线在161.10～164.10 m(厚3.00 m)层段电阻率曲线异常值很低，密度曲线出现尖状、剑状大幅值异常，声波时差曲线出现时大时小异常，井径曲线出现尖状、剑状大幅值异常，反映出孔壁不规整。综合这些参数曲线形态特征，结合岩层岩石物性特征，分析判断此层段为破碎带。

图4 破碎带测井曲线形态

2.3 结果验证

对结果划分解释为裂隙、破碎带、空洞的部分，选择H-1号钻孔进行了井中电视测井,如图5所示。可以直观地看到110.5～111.5 m处出现空洞、裂隙。由此证明，利用测井参数曲线划分钻孔剖面裂隙、破碎带、空洞的划分结果是准确可靠的。由于井中电视测量需在清水或干孔中进行，洗井会产生费用，还可能对钻孔造成坍塌等孔内事故，故未对其他钻孔进行验证。

图5 空洞、裂隙井中电视成像

3 结语

实际测井获得的参数曲线，在某些地层段出现与该地层段岩性物性不相符的曲线形态特征时，深入细心研究这些反常的曲线形态，对解决钻孔工程地质问题、下放套管固井应注意事项、后期封孔材料计算等提供帮助，并可在寻找裂隙、含水层、空洞、采空区、塌陷层位等方面提出佐证，是构造地质研究的重点之一。