水槽模型設計及視電阻率曲線測量

張麗華, 潘保芝, 單剛義, 范曉敏, 郭宇航

(吉林大學 地球探測科學與技術學院, 吉林 長春 130026)

通常用電阻率來表示巖石的導電能力,所以根據巖石導電能力的差異,在鉆孔中研究巖層性質和區分它們的方法,稱為電阻率法測井。電阻率法測井的主要任務是根據電阻率曲線劃分巖層的厚度、定量確定巖層的電阻率。在油井中,研究巖層的導電能力具有特殊意義,因為石油是一種電阻率極高的物質,而在天然狀態下的水卻是一種電阻率較低的物質。因此,在相同巖性的儲集層中,含油巖層將比含水巖層的電阻率高。到目前為止,巖層電阻率的高低仍然是判斷巖層含油水性質的重要標志[1-3]。

普通電阻率法測井是電阻率法測井中最基本和最原始的形式,在劃分鉆井地質剖面和作為判斷巖層電阻率的輔助手段時,它仍然被廣泛地采用[4-5]。

在應用型人才培養過程中,理工科學生必須掌握一定的實驗和實踐技能。實驗教學已成為地球物理專業教學中不可或缺的重要教學手段[6-10]。

1 原理

電纜將電極系與地面上的電源和記錄儀相連接(見圖1)[11],當電極系在井內移動時就可以記錄出連續的電阻率測井曲線。用A 、B作為供電電極,M、N為測量電極。供電給 A 、B電極時,在其周圍介質中形成電場。如果介質電阻率有變化,那么在M和N處造成的電場也會隨著變化。 如果保持供電電流I不變,M和N之間的電位差就可以反映出介質電阻率的變化情況[ 12 ],其視電阻率Ra與M和N之間電位差ΔUMN有如下關系式：

K是電極系統系數,電極系統尺寸固定后K是常數。

圖1 測量原理圖

如果是全空間,則有

(1)

如果是半空間(文中的水槽模型),則有

(2)

2 水槽模型設計

在實際鉆井中,地層介質的分布一般是與井軸相切的垂向分布[13],如果地層是水平的,則地層介質以井軸為中心對稱分布。根據這一特點,如果通過井軸作一平面,將介質分成兩半,這對于研究電場分布規律將不會產生影響。水槽模型就是按照這一原理設計的,并將一般的垂直井軸方向改為水平方向。用水槽模型來模擬不同厚度、單一高電阻率地層條件。

在水槽模型中,用水溶液模擬井中泥漿和圍巖,用塑料塊模擬高電阻率地層,地層厚度分為薄、厚兩種。塑料塊地層中的半圓槽模擬井眼的一半。水槽底的金屬網在實驗中作為B電極(見圖2)。

圖2 測量過程示意圖

傳動設備牽引電極系沿井軸方向移動,而深度傳感器則記錄電極系移動的距離(見圖3)。

3 測量結果

針對該測量系統,開發了相應的測井教學系統軟件。軟件主界面如圖4所示,主要分為控制欄和顯示欄,控制欄包括對數據的查看保存、對裝置的操作等功能按鍵。顯示欄主要顯示實驗日期、實驗人員、發射電壓、測井方向、系統狀態及實時曲線等信息。“文件”(快捷鍵為Alt+F)選項中包括保存和打開功能,可以保存數據(Ctrl+D)和保存圖片(Ctrl+P),“打開”功能(Ctrl+O)可以選擇打開任意一個實驗數據。“操作”選項(Alt+O)包括復位(Ctrl+R)鍵、測試(Ctrl+T)鍵、校準(Ctrl+C)鍵。復位鍵完成系統的初始化功能,使裝置重新復位到剛上電時狀態,點擊后系統狀態欄顯示“系統完成初始化!”,表示初始化成功。測井數據全部保存為.txt文件,保存圖片為.bmp格式。數據(見圖5)最上面一行為基本信息,依次是：實驗人姓名(tf)、發射電壓、實驗日期及時間。基本信息行下面是測井數據,左側為深度值(單位：m),右側是信號數字值。學生可以根據測得的數據自已繪圖并分析曲線。

圖3 傳動裝置示意圖

圖4 軟件界面和測量曲線圖

圖5 數據記錄格式

4 結語

鉆井地球物理勘探是通過地球物理方法解決鉆孔中的地質與工程問題的一套測井技術方法,因此它具有很強的實踐性,通過設計的水槽模型實驗,學生了解了視電阻率測井曲線測量原理和視電阻率測井儀器工作原理；認識了測井電極系。培養了學生的實踐能力,增加了學生的感性認識。本實驗可為大學地球物理類專業的本科實驗教學提供參考和啟示。