MATLAB軟件在地球物理測井教學中的應用研究

摘 要：測井是一門應用性很強的學科，傳統(tǒng)的測井教學以教師講授為主，這在很大程度上限制了本門課程的教學質量。針對這一情況，筆者將MATLAB軟件引入測井教學之中，收獲了很好的效果。

關鍵詞：地球物理測井；MATLAB；教學研究

地球物理學是利用各種物理學原理研究地球及地球內部礦藏資源的綜合性學科。該學科下轄多門課程，地球物理測井則是其中之一。地球物理測井，簡稱測井，是用各種專門的儀器設備沿井身測量井剖面上巖層的各種地球物理參數(shù)，以此研究巖層及有關工程問題的方法。在進行測井課程的教學過程中，需要將數(shù)學、物理學及地質學相關知識相結合，計算相關地層參數(shù)。但是，單純讓學生進行紙面上的計算極易產生一種現(xiàn)象：高分低能。也就是說，學生在處理問題的時候，只會套公式，而對整個數(shù)據(jù)的處理流程一知半解，難以在實踐中應用所學到的東西。本文針對這一情況，提出將MATLAB軟件融入測井教學，一方面使學生對測井數(shù)據(jù)處理的流程有一個清晰的認識；另一方面激發(fā)學生的興趣，提高學生的編程能力，從而使學生能夠將理論與實際相結合，達到提高教學質量、培養(yǎng)綜合能力的目的。

一、傳統(tǒng)的測井教學存在的問題

首先，傳統(tǒng)的教學以教師講授為主，這樣的教學方式只能把相關理論簡單灌輸給學生，難以使學生對該理論在實踐中的應用有清晰的認識。

其次，測井數(shù)據(jù)具有一定的特殊性。在采集的時候，由絞車將儀器吊入井下，然后一邊向上拉，一邊測量。因此，測井數(shù)據(jù)是在一定深度范圍內通過連續(xù)測量所得到的。在教學過程中，學生課堂練習所用到的數(shù)據(jù)往往是單一的，這是因為紙面的計算不可能要求太繁瑣；而實測數(shù)據(jù)則是大量而連續(xù)的，最終需要得到一條在幾百甚至幾千米深度范圍內某項指標變化的曲線。這樣一來，就會出現(xiàn)一個問題，學生所掌握的知識與實踐中遇到的問題無法很好地銜接起來。

最后，測井各種指標的定量計算公式往往包含很多參數(shù)，而不同的地質條件對不同的參數(shù)有不同的影響，從而最終對各指標產生影響。傳統(tǒng)的教學方式，只能讓學生對這些影響死記硬背，而不能讓學生親自探究。

部分學校在進行測井課程教學時，教師會對目前的一些測井商業(yè)軟件進行演示，讓學生親手操作。這樣的教學方式在一定程度上對上述三個問題的解決有一定的推動作用，可以使學生對數(shù)據(jù)處理流程有一定的了解。但是，一般的測井軟件在操作時都是這樣一種形式：輸入→輸出，即輸入數(shù)據(jù)，輸出結果。這樣的形式對實際生產很有好處，但對教學來說就存在一定的問題。學生只能看到輸入的數(shù)據(jù)和輸出的結果，而無法知曉數(shù)據(jù)的計算流程。因此，筆者將MATLAB軟件引入地球物理測井的教學工作中。

二、MATLAB軟件

MATLAB是matrix和laboratory的組合，即矩陣實驗室。它是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算。MATLAB可以進行矩陣運算，繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)算法，創(chuàng)建用戶界面，連接其他編程語言的程序，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。相較于傳統(tǒng)的C語言、FORTRAN語言等，MATLAB程序的編寫更符合數(shù)學公式的運算邏輯，所以也更容易被學生掌握。地球物理測井中涉及大量的矩陣計算及成圖的問題。筆者認為，為了使學生理順測井數(shù)據(jù)、計算公式、計算結果三者之間的關系，將MATLAB軟件引入測井課堂是非常有必要的。

三、MATLAB軟件引入測井課堂的應用

目前，很多高等院校的理工科專業(yè)都開設了MATLAB這門課程，但是一般都是教授該軟件的使用方法，很少將其與學生所學的其他課程進行結合。而筆者通過與學生的交流以及個人的一些體會，實踐了一種新的教學方法：將MATLAB軟件與地球物理測井課程相結合。這種結合并非完全用上機代替以講授為主的授課方式，而是對課程中數(shù)學、物理知識比較豐富且實踐性比較強的部分，通過MATLAB軟件以演示和編程的方式進行授課。下面以聲波測井孔隙度計算為例，對該方法進行闡述。

首先，這一教學方法可以將MATLAB與測井兩門課程所學內容進行結合，使學生將在MATLAB這門課程中所學到的知識應用在測井課程的實踐中。一方面，學生可以借此機會溫習MATLAB的編程方法；另一方面，通過編程，可以對聲波測井孔隙度的計算原理有一個更清晰的認識。

其次，MATLAB軟件可以使學生對測井數(shù)據(jù)進行批量化處理，而非對單一的數(shù)據(jù)進行紙面上的計算。

聲波測井的實際數(shù)據(jù)由深度數(shù)據(jù)和儀器測量數(shù)據(jù)構成。傳統(tǒng)的教學方法要求學生在練習時，選取其中的一個深度的測量數(shù)據(jù)帶入公式計算孔隙度。這樣的練習存在兩個問題。第一，無法使學生了解聲波測井孔隙度的計算方式，而只能學會類似中學時期的紙面計算的方法。筆者認為，這樣無法真正培養(yǎng)出高素質的大學生。第二，利用聲波測井所計算出來的某一深度的孔隙度，是由該深度附近地層所決定的，而非簡單地只由該深度地層決定。因此，單一某一深度的孔隙度計算結果對于聲波測井工作來說沒有太大的意義，而真正需要的結果應該是孔隙度隨深度變化的曲線。但是由于聲波測井的數(shù)據(jù)量非常大，這一曲線通過手動計算幾乎是無法完成的。目前，市面上有多種測井數(shù)據(jù)處理的軟件，但是，這類軟件普遍價格昂貴，而且即使能讓學生用上這類軟件，也無法真正了解計算過程，從而使學生失去了將書本上的理論應用于實踐的機會。因此，筆者認為，可以將MATLAB軟件引入課堂，通過教師的演示及學生親手編程，將理論與實際結合起來，這樣不但使學生在編程中掌握了計算原理，而且提高了學生解決實際問題的能力。

最后，通過公式可以看出聲波測井孔隙度計算公式涉及很多參數(shù)，當這些參數(shù)發(fā)生改變時，孔隙度的計算結果也會發(fā)生變化。以巖石骨架的聲波時差Δtma為例，地層的巖石骨架分別取砂巖、灰?guī)r和白云巖時，孔隙度計算結果會發(fā)生變化。傳統(tǒng)的教學方法只能通過公式分析巖石骨架改變時孔隙度的變化情況，而不能通過具體的實例為學生展示這些變化規(guī)律。若將MATLAB軟件引入測井課堂，學生自己對巖石骨架參數(shù)進行調整，可以得到圖1中的a（巖石骨架為砂巖）、b（巖石骨架為灰?guī)r）、c（巖石骨架為白云巖）三幅圖，繼而利用這三幅圖，親自探究巖石骨架的變化對孔隙度大小的影響規(guī)律。

四、結論和建議

本文提出了將MATLAB軟件引入地球物理測井教學，對傳統(tǒng)的教學方法進行補充和改進，解決了傳統(tǒng)測井教學中存在的幾個問題。第一，編程提升了授課質量，加深了學生對數(shù)據(jù)處理相關公式的理解；第二，學生除了掌握書本上的方法、原理等內容以外，還能對數(shù)據(jù)處理的實踐有一個清晰的認識；第三，學生通過編程自行探索某些測井參數(shù)隨地質條件變化的規(guī)律，提升了自學和創(chuàng)新能力。但是需要注意的是，地球物理測井本身才是本門課程的核心。在授課時，教師應更加側重于應用MATLAB軟件解決實際的測井問題，提高學生對各種原理的認識水平，而不是以練習編程為核心。在接下來的教學工作中，筆者還會對該教學方法進行探索和優(yōu)化，進一步提高測井課程的教學質量和學生的聽課效果。

參考文獻：

[1]向旻.裂縫性地層聲波全波列測井時頻特征研究[D].長春：吉林大學，2016.

[2]楊夷梅，楊玉軍.Matlab教學中的方法與實踐[J].中國電力教育，2008（7）：59-60.

[3]李舟波.鉆進地球物理勘探[M].北京：地質出版社，2006.