第三节仪器测井技术

第三节　专用计量校准技术——测井技术

一、石油测井概述

（一）石油测井是在进行地下探宝

测井是地球物理测井的常用简称，它是一门实践应用性很强的技术科学，在地球资源勘探与开发领域中有着不可替代的重要作用，被誉为“地下探宝的眼睛”。在石油科学与技术体系中，测井是其中的十大学科之一。在自然科学的层面上，测井学属于物理学和地质学相结合的交叉学科——地球物理学中的应用地球物理的一个分支——矿场地球物理。在技术科学的层面上，测井技术是建筑在物理学、地质学、应用数学、石油工程、电子技术、计算机技术、机械技术等学科基础上的应用技术科学。在产业构成上，测井业包含了测井仪器装备制造、测井作业、测井资料分析，以及相应的科学研究和技术开发、人才培养等工作。在石油产业链中，石油测井要为其服务对象——油公司提供低风险、高效益开发油气田所需要的储层识别、产能评价和工程作业等资料，并给出综合分析报告，为发现油气藏、评价油气储量和产能、指导或检测井筒工程作业质量、高效率开发油气田等提供科学依据。

只站在测井之一隅来认识测井是不够的，应在更宽广的视野中去观察测井。石油产业链中的测井定义，着重映射了油公司对测井的需求。从油公司的角度看，之所以需要测井，就是为了从测井获得测井资料，然后通过对测井资料的研究分析，提炼出开发油气田所需要的油气储层识别（岩性、孔隙度、渗透率、含油饱和度、有效储层厚度等）、油气产能评价（压力、流量、含水率、水淹层、剩余油饱和度等）和井筒工程作业（钻井条件、井筒状况、地质导向、射孔及其他井下作业的效果评价等）等资料，为发现油气藏、评价油气储量和产能、指导或检测井筒工程作业质量、高效率开发油气田等获取科学依据。由此得出的测井概念是广义的测井大概念，它涵盖了以测井服务为核心内容的狭义测井小概念，更能反映测井技术的发展规律。

尽管我们可以从多个角度去定义测井，但不论在哪个层面上看，测井的核心可以归纳为“地下信息的采集与处理”。测井进出口的都是信息，入口的是采集的数据，出口的是测井资料。全部测井工作需要物质的支撑，但它并不直接产生物质的结果。测井装备、测井作业，以及测井资料处理和解释方法等，都是测井信息采集与处理的物质条件和手段。油公司花钱买的是信息，测井行业存在的价值取决于它所能给出的信息价值。测井信息的价值取决于信息的真实性、可靠性、多样性。

（二）测井技术随钻井而发展

测井就是为了帮助地质家解决地质问题，它必须适应各种可能遇到的地质条件。测井的全部发展都离不开这一根本前提。测井是在钻孔中进行的，测井技术也天生注定必须与钻井技术相适应，适应各种钻井工程条件发展变革的需要。例如，测井仪的直径就必须适当小于井孔口径，当钻井采用较小直径的钻头时，就提供了小井眼测井仪产品开发的新商机；钻井泥浆产生泥饼和侵入，促使人们发明了微电阻率测井去测量它；钻井使用不导电的油基泥浆，原有的电阻率测井方法失灵，感应测井则应运而生；为了在失去重力驱动能力的水平井中拖拉仪器下井，发明了挠性管驱动技术和拖缆器；钻井时对实时掌控作业状况的需要，就催生出了一个崭新的测井领域——随钻测井。但是，钻井却不会反过来迁就测井。20世纪60年代就有了核磁共振测井，就因为需要使用磁化泥浆而被封堵了几十年，直到发明了不用改换泥浆的技术，核磁共振测井才得以突飞猛进的发展。

大斜度井和水平井的广泛应用，更迫使测井技术无论是在理论、方法方面，还是在仪器、解释等诸方面都必需发生根本性的变革。传统测井理论是在井轴和地层垂直、重力方向平行、井周介质旋转轴对称分布、井孔中流体均匀分布等基本物理模型的基础上发展起来的。它作为测井的主流理论一直沿用了半个多世纪，至今仍然有着重要作用。然而斜井和水平井与地层间呈小角度，与重力方向呈大角度，测井仪器通常不居中，井周介质非对称分布，井孔中油气水产生重力分离，多相流作分层流动。常规测井理论和仪器都不适应这些特点，促使测井理论从均质二维理论发展到更精细的非均质三维测井理论，测井仪器也相应地发展到成像测井仪器。

二、测井方法的发展与进步

首先，测井中所利用的物理门类被逐步扩展。1927年测井初创时只测量岩石的电学性质——电阻率，不久就加上了井温的测量，1935年放射性测井加入测井行列，1952年声波测井开始萌芽。现在，测井已利用了物理学领域中几乎所有的门类：力学，热学，电学，磁学，核物理，光学，声学，电化学等等。

其次，每一种物理门类中可利用的物理量也在增长：如电法中由电阻率扩展到自然电位、介电常数、磁导率等；声波测井中由声速扩展到声衰减系数，由纵波扩展到横波、斯通利波；放射性测井由天然放射性强度扩展到快中子减速能力、伽马总吸收能力、光电吸收能力、热中子吸收能力、元素含量、超热中子寿命，核测井的另一分支还扩展到核磁矩极化强度及其衰减等。

第三，各种测井用激发源的时－空特性（含频率、方向）的逐渐丰富多彩，产生了信息含量极为丰富的各种物理场。如：电法测井的发射电极由少而多，形成空间阵列，发射电压的频率特性由直流低频（普通电阻率、侧向测井）而中频（20kHz感应测井）向高频（介电测井）延伸，由单一的固定频率向多频率扫描扩展；核测井使用的中子源由稳定的同位素中子源向具有不同时间特性的脉冲中子发生器发展；声波测井的声源由单个扩展为多个，由单极子扩展到偶极子、多极子。

第四，采集传感器向多维相空间扩展。测井起步时在每个深度采样点上采得的数据只是深度的1维函数，测得的数据在地面上用随井深而变化的测井曲线的形式显示在2维平面（纸面）上。随着采集传感器的进步，每个深度采样点上采得的数据逐步扩展成多元函数，如空间采样由井深1维扩展到2维（井深、井周方位角或径向不同探测深度）和3维（井深、径向深度和方位角）；更进一步由实在的空间坐标扩展到在时间（含频率、相位）、能量等多维相空间中广义坐标上的采样。

第五，在每一维相空间广义坐标上，还可以通过增加空间、时间、能量分辨精度，提高幅度采样精密度（增加AD转换器的位数）等进一步增加原始数据量。

最后，还可以把几种测井方法组合在一次测井作业中完成，如所谓“大满贯”测井，快速测井平台等，以提高测井时效。

实际可利用的原始数据量曾经受到测井电缆的信息传输能力的限制。当用6芯测井电缆传输模拟信号时，通常一条缆芯只能传输1路模拟信号。数字化通信技术大大增强了测井电缆的通讯能力，脉冲编码传输的通讯能力逐渐由10kBit/s量级提高到100kBit/s量级，由单向传输提高到双向通讯。目前500kBit/s传输率的双向电缆通讯已能稳定实现，更高速率的传输技术还在不断开发中，Schlumberger公司于1982年就已经做过传输率极高的测井光缆试验。

限制原始数据量增长的另一个因素是信噪比。通常，有用信号被分解成越多的分量，其信噪比就越差。对核测井而言这种限制更突出地表现为统计误差：将有用信号的微分采样单元分解得越多，每一个单元所得到的有用计数就越少，因而造成计数单元产生截零误差的概率就越大。信噪比变差会使改进测量结果的初衷落空。解决这一矛盾有赖于传感器效率及分辨率的提高。

三、测井方法的前沿阵地

（一）组合测井：提高测井时效和实时交互校正能力的适用技术集成

人们一开始测井就希望能在一次作业中获取更多的测井信息。这种愿望在测井诞生初期受制于地面仪器，只有一个光点检流计的地面仪器一次只能记录下一种测井结果。装有多支检流计的多线测井仪使用以后，这种愿望则受制于测井电缆。测井电缆最多只有7根芯线，在传输测井信号模拟量时，允许串在一起作组合测井的井下仪器数量受到测井电缆信号传输能力的限制。1955年苏联实现了自然伽马和中子伽马的两组合测井，60年代西方各公司有了一次完成自然伽马、套管接箍磁定位、中子伽马和声幅测井的固井质量检查组合。1971年Schlumberger公司成功地完成了自然伽马、自然电位、感应、球形聚焦、声波和井径的6组合测井，接近了模拟量测井组合的上限。编码通讯技术的应用突破了测井电缆对信息传输量的限制。Schlumberger公司1977年投入生产的CSU数控测井系统中配备的电缆通讯系统从原理上讲已经不再限制井下组合串中的仪器数量。CSU的“大满贯”组合测井一次下井就可以完成包括了自然伽马（或自然伽马能谱）、微电阻率、双侧向（或双感应，视泥浆电阻率和地层/井筒电阻率对比而定）、补偿中子、补偿密度（或岩性密度）、补偿声波、地层倾角等多种主要常规测井井下仪器的全部测量工作。Atlas公司于1978年投产的CLS3700数控测井系统和Halliburton公司于1981年投产的DDL数控测井系统也都能支持这些测井项目，只是限于系统化设计、模块化制造和通讯系统方面的不足，在组合测井串的配置上略逊于CSU，CSU一次下井可以测完的项目，他们可能需要分成两次。除了这些常规测井项目以外，这些数控测井地面仪还都可以挂接其他各种井下仪器，如中子寿命测井仪、脉冲中子伽马能谱测井仪、地层测试器、核磁共振测井仪等等，但是这些特殊的井下仪器一般不能和上述常规测井仪组合在一起测井。为了特殊的目的，还发展了特殊的测井组合，如Schlumberger公司1987年把自然伽马能谱、岩性密度、铝活化测井和脉冲中子伽马能谱测井组合在一起，构成地球化学测井串；1993年把自然伽马能谱、岩性密度和加速器型脉冲中子孔隙度测井组合构成的核孔隙度岩性测井串等。微电阻率扫描、井周声波等成像测井井下仪器也可以分别挂接在数控测井地面仪上完成测井。

这种方式的组合测井系统在全世界石油测井界使用了20多年。1995年，Schlumberger公司瞄准了石油工业对多样化的、高质量数据和更高效率的低成本测井的日益增长的需求，出台了一种新的电缆测井组合技术PLATFORMEXPRESS——快速测井平台。

快速测井平台在测井组合技术上的新发展是，它不像传统组合测井那样只是把几种不同的井下仪器从外部串接起来，装配成一个测井串，而是对井下仪器内部作了二次设计与工艺集成。集成在三个层面上展开：功能接近的电路集成，不同方法的传感器集成，以及不同方法的数据处理集成。例如：把所有的核测井仪的电路集合在一个电路短节中；将微球和新开发的三探测器密度传感器集合在一个推靠极板上；把不同测井方法的测量数据联合起来进行实时环境影响校正。和老式的井下仪器组合串相比，新组合的总长度由27m缩减到12m，总重量由675kg减轻到311 kg，测井速度由540m/h提高到1080m/h。虽然向下调整了新组合的耐温耐压指标（耐温由175℃降低到120℃，耐压由140MPa降低到70MPa），但据称仍能适应全世界90%的测井作业的需要。

Schlumberger公司宣称：这种技术和MAXISExpress地面仪器相结合，能够适应各种各样的市场需求——从最爱讨价还价的，到苛求资料完整精确的都行。他们用以下几个关键词来宣传其快速测井平台的技术性能：高效率、高可靠、高适应性和高精确度。

高效率：几乎所有的操作环节都节约了时间，较短的仪器节省了打加长鼠洞和仪器起下的时间；更快的速度，加倍的测速，强大的井场高速资料处理能力等减少了井场占用时间；过去需要拖后几小时甚至几天的解释结果，如今仪器还在井下就可以实时完成了。据统计，快速测井平台PLATFORM EXPRESS仅在井场占用和鼠洞两方面就可降低测井成本20%～30%，且不说这种新的测量和解释技术，在更好的储层识别和更有效的开发方案制定方面所带来的好处。

高可靠：在一年的试用期中证明，它的可靠性是传统组合测井的5倍，因为它采用了随钻测井仪的抗震标准和措施，井下电子仪经受了几千次250g的冲击试验。

高适应性：两个万向接头和缩短到仅12m的总长，使它可以在斜井和小曲率半径井眼中成功测井。带铰链的柔性短推靠电极改善了贴井壁效果，使其在不平整井壁中的测量数据更准确。

高精确度：快速测井平台最突出的进步是它的优异测井性能，更有效地帮助地质家改善了对储集层的认识，从而提高了采收率。快速测井平台可输出7种岩石物理测量值（测井工程值）：自然伽马，中子孔隙度，体积密度，光电吸收指数（Pe），冲洗带电阻率（R_xo），泥饼厚度（H_mc）或者极板贴井壁间隙，以及由新型侧向或感应测井给出的地层真电阻率。其他辅助测量还有井径，泥浆温度，泥浆电阻率，井下电缆张力等。除了自然伽马和补偿中子以外，其他测量都提高了标准。

新的岩性密度测量使用了三个探测器和新的数据处理方法，改善了对大贴井壁间隙（大到2．5cm）的补偿，降低了重晶石泥浆的影响。它的短源距探测器使用了新型晶体，提高了计数率和纵向分层能力，它较浅的探测深度用来降低贴井壁间隙的影响和硬地层的统计涨落。仪器还能给出泥饼的体积密度和Pe的估计值，用来实时计算地层Pe值的环境校正量。

新的微电阻率测量技术有3种探测深度，可以同时测量冲洗带电阻率R_xo和泥饼电阻率R_mc，还可以导出仪器贴井壁间隙，改进了的聚焦将R_xo的纵向分辨率提高到了1英寸（1英寸＝2．5cm）。

使用的感应测井仪有1，2和4英尺（1英尺＝0．3米）三种探测深度，10，20，30，60和90英寸五种纵向分辨率。它还能实测泥浆电阻率，借此对地层电导率测量值完成了精确的实时校正。

其中的方位侧向测量组合了双侧向阵列（测量标准探测深度和浅探测深度电阻率）和方位阵列（测量深探测深度和浅探测深度电阻率），它有8或16英寸两种纵向分辨率。方位测量数据在估计地层倾角和倾斜地层电阻率，在水平井、侵入带、裂缝及其他非均值问题解释时特别有用。和感应测井一样，侧向测井也在井下实时测量了泥浆电阻率。

配置的Z轴加速度计可完成对原始测量数据而不是导出数据的实时测速校正，其结果是各个传感器的深度匹配更准确、更精密。

现在的快测平台已经可以纳入各种成像测井下井仪器，有的公司已经停止生产原有的成像测井地面系统了。

（二）随钻测井：适应钻井条件变革的测井新秀

在过去十多年里，随着石油钻井活动向水平井、大位移井、分枝井、海上/深水钻井以及复杂地层钻井方向发展，随钻测井技术日益受到石油工业界的高度重视，得到迅速发展。发展随钻测井技术，应用随钻测井采集数据已是测井服务的热点领域。

电缆测井只能在钻井完成之后才能进行，钻井泥浆滤液对地层的浸入使测井资料受到干扰，使地层评价变得更复杂和困难。随钻测井在钻井的同时就可进行，所得到的信息不仅受泥浆干扰最小，而且能实时了解钻进轨迹和地层性质，帮助司钻及时调整钻井参数，对安全钻井和降低成本也有很重要的作用。

早在20世纪30年代人们就在探索随钻测井。第一个随钻测井的专利是在1929年由Jakosky提出的，其信号通道是泥浆脉冲系统。30年代J．C．Karcherof用电缆传输的随钻电阻率测井试验成功，但由于技术原因没有商业化。

20世纪40年代和50年代随钻测井进展缓慢，仅新增了几个专利，最大的障碍是信号传输技术难以突破。50年代，J．J．Arps最先提出泥浆脉冲编码通讯，60年代苏朕出版专著对泥浆信道的传播特性、脉冲发生器、接收器以及地面信号处理装置作了系统的理论分析。1964年第一个机械式泥浆脉冲系统上市。到20世纪60～70年代，尽管随钻测井系统在原理设计上可行，但制造工艺上还达不到商用水平。

第一支可靠的商用随钻测井仪器是Teleco公司1978年推出的，采用泥浆压力脉冲传输。1980年又推出了能进行自然伽马和短电位电阻率测量的随钻测井仪。由于泥浆信道传输方式在可靠性和经济性方面都优于其他传输方式，在传输速率上也能满足传输测井参数和钻井参数的需要，于是在80～90年代许多公司相继开发出了第一代随钻测井仪，泥浆信道的随钻测井系统主宰了当时的随钻测井市场。1984年随钻电磁波电阻率测井上市，1987年补偿中子和密度测井引入随钻测量。

20世纪90年代中进入随钻测井的第二阶段，代表性的进展是1993年Schlunberger公司推出了集地层评价和地质导向为一体的IDEAL地质导向系统，通过实时方位测量来寻找油藏位置，使井眼轨迹保持在油藏中。1994年Schlunberger和Halliburton公司相继研发成功随钻声波测井。

90年代后期随钻测井进入第三代，1997年Schlunberger公司推出了VISION随钻测井系统，包括感应、电磁波传播、电阻率、方位密度－中子、常规和方位侧向测井等井下仪器，ProVISION系列还增加了核磁共振测井仪，其测量精度和可靠性和电缆快速测井平台系统相当。90年代末，PathFinder公司成功地试验了随钻地层测试器。2001～2002年Baker Hughs公司推出随钻声性质探测仪和随钻多极子声波仪，Halliburton公司推出双模式声波仪、随钻核磁共振成像测井仪和INTEQ随钻测井系统，2003年Halliburton公司推出随钻地层测试器。2004年Baker Hughs公司推出OnTrak随钻测量系统。

90年代Halliburton公司通过收购以随钻测井技术为主的专业公司Sperry－Sun，经过几年的努力，其随钻测井技术已经处于领先地位。Halliburton的随钻测井井下仪器已经具备电阻率系列、核测井（自然伽马、密度、中子）系列、声波测井系列、核磁共振测井、地层测试器、井径和部分成像测井等测井方法，基本具备了电缆测井的所有功能。Baker Hughs公司最新一代的随钻测量系统OnTrak能够提供全套方向控制与地层评价服务，以及压力和钻具组合的动态监测。Path Finder公司的随钻测井系统包括自然伽马、电磁波电阻率、密度、中子孔隙度、井径和声波等。Computalog公司的恶劣环境随钻测量系统HELMWD可以在温度180℃、压力115MPa（30000psi）的环境中稳定工作。该系统包括：组合式定向探测器、高温方位伽马探测器、环境恶劣度测量传感器、井眼/环空压力传感器等。随钻测井的发展面临着独特的挑战，也需要解释方法的创新。如为了安全，核测井随钻测井仪只能使用弱放射源，还要采取许多防止放射源脱落井中的措施。随钻核测井仪要随钻干旋转，在斜井和水平井中，仪器－井壁间隙是不断变化的，这必需有新的解决措施。Schlumberger公司的VISION随钻测井系统中的方位密度－中子成像随钻测井仪（Azimuthal Density Neutron Visiontool）把在16个方位上采集的数据用IDD（Image－Derived Density）算法处理，得到由图像导出的密度值IDD的准确度可以达到0．01g/cm³。使用中子发生器的试验性随钻核测井仪在2000年见诸报导。

目前的随钻测井技术已达到比较成熟的阶段，可以进行电、声、核随钻测量的探头系列十分丰富，各种型号的、适用于各种环境的随钻电阻率、密度、中子测井仪器已进入随钻测井市场。信息采集采用泥浆信道实时传输和井下贮存相结合的办法。在海上已有90%测井作业采用随钻测井，在陆上的水平井和大斜度井测井作业中也有大致相同的比例，只是在垂直井和低斜度井中仍以电缆测井为主。

我国在“六五”与“七五”期间曾组织过“电缆式定向随钻测井系统”（航天部33所与石油勘探开发研究院合作）、“随钻井下记录系统”（石油勘探开发研究院）与“随钻测量电磁波传输信道可行性研究”（机电部22所与石油勘探开发研究院合作）等项目的研究，但都未取得可以应用的成果。1989年大港油田引进了Sperry－Sun公司的泥浆信道传输随钻测量仪器，1992年西安石油勘探仪器厂引进了Halliburton公司的随钻测量生产技术，并建立了生产线。1998年石油勘探开发研究院又着手与西安石油勘探仪器厂合作开展地质导向钻井系统及其应用技术的预研，并于1999年在中国石油天然气集团公司立项。

（三）成像测井

成像测井显示方式的技术实质是彩色图像显示。传统的测井曲线是纸面（平面）上的二维图像，其纵坐标是深度，横坐标是测井工程值。若纵坐标还是深度，横坐标改为方位角（也可以是径向深度，或者是其他物理量），再用不同颜色（也可用灰度，或者其他图形）来表达测井工程值，这就构成了纸面（平面）上的三维图像。成像测井的雏形可以上溯到声波变密度灰度图和地层倾角的蝌蚪图。声波变密度测井图的纵坐标是井深，横坐标是时间，用灰度表示第三维——声波的幅度。这种表示方法是在当时只能采集和处理模拟数据的条件下的一个聪明而又无奈的选择。因为当时的电子技术和地面仪器只能使用波幅调辉的方法来调制照相纪录仪的光点亮度。如果当时的技术能够支持，那也可能当时就采用彩色图形表达方式了。现在，从技术上说，多维彩色图像，甚至多维彩色动画也已不难实现，但显示面貌过分繁杂却又未必宜人。

生动宜人的显示图像使人们能站在更高的层次上观察到众多测量点上的测得数据之间的联系和变化，这些测量点阵的组合规律承载着新信息，对人们更方便和深入地认识和理解测量结果很有助益。不过，如果没有井下仪器所采集到的有足够好的空间分辨能力的高质量原始数据的支持，色彩斑斓的显示图像就可能只不过是图像处理的电子游戏而已。在二维测井曲线中，如果井下仪器原始数据的纵向分层能力不佳，那么无论在测井曲线处理上采取多少措施，也不可能分辨薄层。在成像测井中也有类似的“像素尺度”问题：只有井下仪器能提供具有优良空间（或其他物理量的）分辨能力的原始数据时，才可能处理出有相应质量的测井图像。

表4－6列出了几种井下仪器的空间分辨能力数据。由数据可以看出：第一，微电阻率扫描测井仪的纵向－方位空间分辨能力均为0．2英寸（5mm），也就是说，井壁上尺度大于5mm的变化仪器才有可能识别，小于5mm的就无从分辨。这个分辨尺度还是比较小的，因而可以给出较好的成像效果。但是阵列感应、方位侧向、阵列中子等别的仪器的空间分辨能力就比它差了四五十倍以上。

表4－6　几种井下仪器的空间分辨能力

第二，微电阻率扫描测井仪采用极小电极间距来获得较好的纵向－方位空间分辨能力，为此而付出的代价是径向探测深度只有1～2英寸（2．5～5cm）的很大损失，使得它只能测量和显示井壁浅表的电阻率变化，不能再对测量地层“孔、渗、饱”有所直接贡献。其他下井仪虽然有较大的径向探测深度，但是却没有径向空间分辨能力（或者很差）。

成像测井地面仪本身并不能增加认识地层的有效信息量，（搞不好还会歪曲干扰和增加噪声），它只能把井下仪器采集到的并且能被电缆传送上来的信息充分加以提取、利用和展示，早先的测井系统在这一系列能力方面可能很差。在当前计算机技术的发展速度和水平已经能充分满足测井技术需求的条件下，重视井下仪器的质量是当务之急。国内虽然研制了好多种测井地面仪，但对必不可少的井下仪器却重视不够，见效甚缓，在测井系统研发的潜意识中往往有只关注地面仪器，特别是其中的计算机系统的偏向，因而没有形成真正的生产力。

与成像测井的热闹炒作相对照的另一侧面是：占多数的井下仪器的“像素”过于粗壮，只有一两种成像测井井下仪的像素虽可用，但对测井根本目标的贡献却并无特色。面对这样的现状不能不令人疑惑：“成像测井时代”真的来到了吗？

20世纪90年代中后期以来，数控测井系统仍然作为测井作业的主力装备被广泛使用着，其作业量占测井服务市场的70%，成像测井约占30%。实际上在成像测井系统中所配置的井下仪器中，只有两三种成像功能较好，大部分还是与数控测井系统相同的和相兼容的井下仪器。有人估计，使用数控测井技术，已使世界油气储量增加了20%，使用成像技术，可使油气储量再增加10%以上。也有人认为，成像测井仪器价格昂贵，日产油40吨以上的井才能用得起。不过，应注意分析其价格构成，并注意其中的商业运作性。

四、测井仪器开发三部曲

一个科技新想法发展成为一种产品，要经过“基础原理研究”“技术创新研究和发明”，以及“新产品开发和技术进步”三个阶段。

“基础原理研究”主要指测井的地质和工程物理基础研究，以及测井方法的物理基础研究。它主要起源于科学和技术发展规律延续而产生的“想法”，依赖于涉猎者对石油地质需求的敏感，对地质－物理概念和科技新发展相互交融的灵感，很多时候还需要机遇。基础原理研究具有较强的探索性，一般是风险很高却又还谈不上什么有利可图的回报。

在技术研发和商品化的管理体系中它一般是被安排在长期战略规划中，着眼于长远，目标灵活，管理宽松，容许失败，尊重和充分发挥研究人员的首创精神，不一定严格考核其具体的进度，不苛求于解决眼前尚存的具体技术问题，不用短期的收入来影响对其价值的衡量。进入这阶段的项目能发展成为成功市场化的商品的概率大约只有10%。

“技术创新研究和发明”阶段的项目是从经过基础原理研究被证明是成功的项目中筛选而来的，在技术研发和商品化的管理体系中它被安排在中、长期战略规划中。这些项目的科学技术合理性已经得到证实，但也明确地知道仍有不少重要技术问题需要解决，如果解决不了则不能投入实际应用；对其市场前景的评估也得出了“确有一定潜力，但仍有风险”的结论。进入这阶段的项目能发展成为成功市场化的商品的概率大约是25%。

“新产品开发和技术进步”阶段的成果是产品，包括硬件和软件。在技术研发和商品化的管理体系中它被安排在中、短期规划中，其立项的前提主要是已经有市场需求。它主要采用已知的技术，有十分明确的目标和规范，因而是中风险、中等回报的。

“新产品开发”必须目标明确、管理严谨、职责分明、效益显著；必须有周密的计划，特别是把重点放在“投放市场的时间”上。因为“时间就是金钱”，新产品投放市场越快，效益就越好。进入这阶段的项目能发展成为成功市场化的商品的概率大约是50%。

五、测井装备及测井服务的世界格局

测井服务公司无疑是测井技术发展的主力，93%以上的地面仪器及组合测井重要事件是由大测井公司主演的，大测井公司完全主导了这一领域的发展，其他单位完全无力在这一领域中立足。Schlumberger公司、Baker Hughs公司、Halliburton公司，这三大测井服务公司其测井装备技术代表了世界先进水平，世界测井市场90%～95%为这三大公司所占有，其中，Schlumberger公司一直引领着世界测井技术和测井企业发展的潮流。在它的头上毫无愧色地戴着许多“世界第一”的光荣桂冠，Schlumberger公司的全球测井市场占有率高达60%～70%，其中所包含的测井作业量都是靠自己的地面仪器完成的。它在测井服务业中的老大地位，建立在它所具有的强大技术创新能力、技术集成能力和装备制造能力的基础之上，建立在对科研的高投入上。1984年公司的测井服务总收入为21．2亿美元，仅Doll研究中心的年研究费用就有1亿到2亿美元。

这三大公司相同特点是测井作业量都是靠自己的仪器完成的。而每一个测井公司开发的新仪器，在结构特点、数据格式、传输方式都具有自己历史的继承性和兼容性。

六、中国测井装备及测井技术发展概况

新中国成立前全国只有玉门油矿一个电测站，其装备只有一套半自动测井仪。新中国成立后经过60多年的发展，到1995年最高峰时仅中国石油天然气集团公司就拥有784个测井队。测井装备经历了从半自动测井仪、全自动测井仪、数字测井仪、数控测井仪等的不断进步，到20世纪90年代完成了用数控测井系统取代数字测井系统的换装，1995年开始引进成像测井系统。

1952年，在引进消化苏联АКС51型全自动测井仪的基础上，刘永年等开始研究设计全自动多线电测仪，并于1954年制成试验样机。经过不断改进，定型为JD581型全自动多线电测仪于1958年投产，至1993年光荣退役累计生产了964套，成为我国持续近30年的主力测井装备，为大庆、胜利等我国重要油田的勘探与开发立下了巨大功勋。

1976年，从美国Dresser Atlas公司引进的3600数字测井系统，其地面仪器配置了光点胶片纪录仪和数字磁带机，井下仪器中包含了补偿中子、补偿密度、双测向、双感应等新型井下仪器，并带动了我国解释方法和数字处理技术的发展。1978年开始的国产801数字测井仪及其多种井下仪器的研制工作，于1984年完成现场试验，1985年初通过鉴定。在此基础上形成的SJD801/83数字测井系列，在短时间内使我国测井装备水平在整体上与国外缩短了至少10年的差距，完成了“新九条测井曲线”的普及。SJD 801/83数字测井系列仪器至2003年累计生产2046台套（含下井仪器），至今其井下仪器仍在服役。

1986年和1987年先后从美国引进了Dresser Atlas公司的CLS3700和Schlumberger公司的CSU数控测井系统。1990年我国以“市场换技术”的方式从Atlas公司获得了CLS3700数控测井系统的全套制造技术，在西安石油勘探仪器总厂建立了SKC3700系列数控测井仪器制造生产线，至2003年累计生产了672台套（含下井仪器）。SJD801/83系统、CLS3700系统生产技术的引进和国产化（SKC3700）以及中船总公司七院的520数控测井工程的研发成功是我国改革开放以来测井装备科技进步中的几个标志性成果。他们促进了我国测井技术的数字化、系列化和标准化进程，在全国各油田普及了以深、中、浅三电阻率和声波、密度、中子三孔隙度曲线为主干的“新九条”测井系列，也推进了国产数控测井系统的研制工作，并带动了一些新型井下仪器的研究与开发，如地层倾角测井仪，七参数组合生产测井仪，固井质量测井仪，多臂井径仪，电磁波传播测井仪、长源距声波测井仪、自然伽马能谱测井仪、岩性密度测井仪、中子寿命测井仪、碳氧比能谱测井仪和超声成像测井仪等等。借助于以PC机为代表的IT技术的巨大进步，从80年代中期起的十多年中，我国至少有20种以上的“小数控”投入研发。在将中国的测井装备全面地推向数控化的同时，培养造就了一批有较高水平的现代测井装备研发技术人员，同时也打破了测井装备研发的单一计划经济格局。

1989年Schlumberger公司的MAXIS500成像测井系统率先投入使用，该系统兼容大多数老式下井仪器，并支持微电阻率扫描（FMI）、阵列感应（AIT）、井下声波电视（USL）、偶极子声波成像（DSI）等一系列成像下井仪器，井下－地面数据传输速率达到了500kbps，地面系统用网络连接了多台高性能工作站，使测井装备的性能和信息化程度达到很高的水平。随后，Dresser Atlas公司和Halliburton公司也推出了各自的成像测井系统ECLIPS2000和EXCELL2000。1995年2月大庆雇用Schlumberger公司的Maxis500测井队进行测井服务，接着胜利、辽河、新疆、海上等油田也陆续引进成像测井服务。1994年开始微电阻率扫描成像测井仪的自行研制，1997年研制成科研样机，并挂接国产SKC数控测井地面仪试测井成功。国产ERA2000成像测井系统于2002年1月通过集团公司的鉴定，至2003年累计制造3套，获集团公司技术创新二等奖。相应配套的井下仪器——微电阻率扫描测井仪的产业化样机已经制成，阵列感应测井仪科研样机已开始测井试验。

七、形势的挑战和困扰

如果说纵观中国测井技术发展的史实，使我们对中国测井技术的不断进步感到欣慰，那么，立足于国内外测井市场中，用广义大测井概念来观察我国测井的现状，就不能不使人忧虑不安。中国测井队伍的庞大领人注目，然而，测井总量在世界测井市场所占份额几乎微不足道，测井装备中代表当前先进水平的是来自进口仪器，进口仪器占总装备量的20%～30%，占用资金却达到60%～70%，有完全自主产权的成套测井装备微乎其微。且综合研发能力的差距又有继续拉大的趋势。测井队伍虽然走出国门，但进展却举步维艰，和物探在国外的形势形成鲜明的对照，这不能不令国人着急和焦虑。

市场竞争态势日益严峻。我国测井装备的研制工作都是在国外装备进入中国后才起步的。20世纪50年代是苏联仪器，80年代是美国仪器。然而不同的是，50年代我们起步时与它们的差距只有几年，有的项目几乎是同时起步。“文革”使测井装备的研制受到严重干扰，到20世纪80年代重新起步时，差距已经达到了20年左右。当我们还在仿制3600数字测井系统时，Atlas公司在1983年4月就向我国辽河油田推销了它的CLS 3700数控测井系统，随即各油田陆续批量引进，到2000年中国进口的数控测井装备就已达到了其数量峰值70套；当我们的数控测井系统研制工作还在泥泞中艰难跋涉时，1990年Atlas公司向我国转让了CLS3700数控测井系统的成套制造技术，我们付出的代价不仅是“以市场换技术”，而且还有数控测井系统研制力量的明显滞后。到1995年Schlumberger公司的Maxis500成像测井队开进了中国的油田，其他公司的成像测井仪随即也进入了中国的测井公司。问题的严重性在于：当我们慢慢地终于能为项目通过鉴定和得奖而举杯庆贺时，却发现能接纳同类型产品的市场空间已所剩无几，自制产品的生命周期已接近老年了。我们想以“用市场空间换取技术进步的时间”的模式前进，人家却以“时间就是金钱，时间就是生命”的理念，以时间上的优势占据了我们的生存空间。

在技术的层面上，我们熟悉的简单仿制的路已越走越窄，甚至将会此路不通。80年代的技术发展速度显著地快于50年代，对技术水平的要求也有极大的提高。其一是测井技术越向精确定量和高空间分辨能力发展，测井仪器对基本原理、基础数据及其处理软件的依赖就越重，即使得到了全套制造图纸，也未必就能制造出测量数据和结果合格的装备；其二是国内测井仪器研发中高技术含量明显不足。国外测井装备中已经大量应用了各种高新微电子技术，如以现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）为代表的可编程专用集成电路（ASIC）、硬件描述语言（HDL，如VHDL、VerilogHDL）、电子系统设计自动化（EDA或ESDA）工具，以及片上系统（SOC）等等，利用了强大的数字、模拟和混合仿真工具使设计人员仅靠“纸上谈兵”就可以解决设计中的大多数问题，但这些技术在国内测井界还少有应用。相对而言，至少在进入21世纪之前，我国多数测井装备的研发基本上还没有摆脱画图纸，搭电路、焊板子、做实验，甚至采用低档元件、小作坊制造工艺的陈旧模式。这种技术态势上的强烈反差，使得传统的通过图纸、资料和测绘等手段进行仿制的“逆向工程”在技术上将越来越困难，甚至变得根本不可能。何况在我国加入WTO以后，作为一个大国的支柱产业，不能仍以旧观念来对待知识产权问题了。

我国近20年来多数测井装备研发工作停滞在科研样机阶段，产业化进程举步维艰，装备研发成果没有充分转化为实际生产力，特别是技术含量较高的成果往往就更难以成功投产。这样的产业化成效态势，且不说全国，更不论走向世界，即使在中石油CNPC内部，离“科研成果的转化率达到90%”的评价也相去甚远，对做出这种评价所折射出来的技术应用性研发理念和研发管理中的潜意识也颇费思量。

八、测井质量观念的与时俱进

测井市场竞争，在一定意义上体现为测井装备的竞争，没有精良的测井装备，市场招标这一关有时就难以逾越，所谓精良的测井装备不仅包含人眼所及的物质器件，主要的还包括物化在装备硬件中的计算方法、校准方法。硬件精良的测井装备，可以测出合格与不合格的完全不同结论的测井资料。各大公司均把物化在装备硬件中的计算方法、校准方法视为核心机密加以保护，当然也是因为这些看不见的东西是用很高的成本换来的，越现代、越先进的测井装备，包含的看不见的东西越多，测井质量体现在这些看不见的东西上的份额也越多。不掌握这些看不见的东西，造出来的仪器，即便是仿制的，也是貌和神离，用起来更是丑态百出。我国在70年代到80年代在仿制和开发数字测井仪阶段，技术层面的人员深切感到物化在装备硬件中看不见的东西是制约科研进度的关键，国外又加以封锁，于是不得不下决心自己摸索，大有从基础研究作起的态势，于是建刻度井和实验装置的要求普遍高涨，一时甚嚣尘上，召开了多次研讨会，在此背景下各大油田纷纷建起了一批刻度装置，像大庆、辽河、中原、华北、胜利、西仪厂纷纷建起了本油田的刻度校准实验室和一批刻度装置，此后一段时间，另一些油田像吉林、四川、长庆、克拉玛依也积极跟进，这些装置虽然是各自为政，独自建设，水平参差不齐，量值谈不上统一，但在当时的情况下为统一本油田的测井量值发挥了积极作用。

1993年国外召开了测井质量专题会议，与会者强调：石油测井要为其服务对象油公司提供低风险、高回报开发油气田所需的储层识别和产能评价资料及分析结果。资料和分析的基础是测井仪所测得的数据，而测井数据的质量主要体现在数据的准确度、不确定度、探测深度和空间分辨能力等方面。这是对20世纪70～80年代测井技术发展和油公司对测井需求提升的总结。在仪器稳定可靠的基础上，把对测井仪质量的要求提升到了重视其计量器具属性，重视其测井数据质量的新水平。国内管理层也做出了积极响应，在1996年12月19日，中国石油天然气总公司公布了首批石油专用计量器具管理目录（（96）中油技监字第653号文），其中有35种测井仪或测井仪刻度装置。与此同时，各油田已建起来的刻度装置也需要统一量值，并与国际接轨，为此，筹建了全国行业性的石油工业测井计量站。

九、测井仪器纳入石油专用计量器具管理目录意味着什么

测井仪器的发展历程和其他类仪器一样经历由定性测量到定量测量，由单一量值测量到多参数测量，由模拟测量到数字化测量的过程，以至于现在我们已不能把它视同一般意义上的测量仪表了。把它按专用计量器具来管理意味着自身价值上了一个台阶。其原因一方面是由于自身技术的发展，它所提供的数据成为储量评估，井桶控制、产能评价的重要依据，另一方面，测井数据的准确性重要到不可轻视的程度。自从测井发展到一个独立的经营部门以来，赖以生存的资本就是数据，如前所述，测井进出口的都是信息，入口的是采集的数据，出口的是测井资料。它并不直接产生物质的结果。油公司向测井公司花钱买的是信息，测井行业存在的价值取决于它所能给出的信息价值。测井信息的价值取决于信息的真实性、可靠性、多样性。真实性、可靠性的评价手段就是“计量”，说白了，油公司关心的是与测井仪器计量学特性相关的测井结果，与其这样，倒不如直接把它按计量器具加以管理来得直接。测井作业本质上是对井孔周围介质进行计量测量的活动，计量活动以单位统一、量值准确可靠为目的，因此，计量具有准确性、统一性、法制性、溯源性4个特点。

计量仪器区别于一般测量仪器的显著标志是它的溯源性，所谓的溯源性就是指从所进行的测量到业已承认的国家的、法定的标准的连续不断的比较链。正是溯源性保证了计量仪表的单位统一和测量结果的准确可靠。

石油测井仪器之所以作为“专用计量器具”是因为石油测井所测物理量往往为石油行业所独具的（比如中子孔隙度），或者因为独具的测井条件（比如井孔条件），使得大部分测井仪器不能够直接使用社会通用计量标准器进行直接校准或检定，所以石油测井仪器的校准或检定一般需要专门研制的标准器、特定的溯源方法。

石油测井计量涉及测井计量单位与单位制的研究、计量标准的研制、量值溯源与量值传递系统的研究、量值比对方法与测量不确定度的研究、标准分级与分级管理的研究。

值得说明的是测井界惯用的“刻度”与计量学中的“计量”应是同意名词，所谓的刻度器也就是计量标准器。

关于测井专用计量标准器的分级，按“中华人民共和国计量管理条例（试行）”的规定“各级计量标准器的建立，应在国家统一计划下，按条块结合，以块为主的原则，统筹规划，合理布局”。“量值传递按就近就地的原则组织安排。”结合我国测井专业的具体情况，设计各类仪器计量系统，分级原则应遵循精度原则、工作原则、经济原则。依据上述原则我国测井仪器刻度系统原则上设三级，一级，全国只设一个，称作行业最高标准；二级，称作工作标准或核查标准，测井公司、仪器厂可以设立，也可以按地域合理布局；三级直接用来刻度测井仪器的标准器，称作刻度器，随仪器配备。注意现场常用的测前测后校验仪器用的校验器（比如中子孔隙度测井仪器用的冰块）不算标准器，仅仅是检查仪器工作状态，判断本次测井是否有效的工作器具。

凡是专用计量器具、计量标准器均纳入计量管理范畴，必须按“中华人民共和国计量法”及其实施细则的有关管理办法的规定进行管理。

根据我国目前广泛使用的测井仪器类型，测井专用计量体系应包括：

1．测井仪器计量体系：

（1）自然伽马测井标准；

（2）自然伽马能谱测井标准；

（3）中子孔隙度测井标准；

（4）密度/岩性密度测井标准。

2．电阻率测井仪器计量体系（包括微电极、微侧向和微球型聚焦及中深探测的测向和感应）。

3．声波测井仪器计量体系。

4．其他测井仪器计量体系。

这些测井标准的共同特征是测井条件，所谓的测井条件很多，比如井径大小、井内流体性质、地层介质性质等，原则是如果某些测井条件对刻度量值没有影响或虽有影响但影响可以忽略不计，就不必考虑，否则就作为测井条件予以考虑。

列入测井条件的要素千变万化，权宜之计是采用“标准测井条件”，其他变化了的条件都用校正办法修正其影响。

正是由于测井计量标准器附加了“标准测井条件”才显示出石油测井计量标准器的专用特性。

因为任何社会公用计量器具都可以溯源到国家基准，作为专用计量器具的溯源系统只要能溯源到社会公用计量标准就可以了。

35种首批列入石油专用计量器具的测井仪器或刻度器中，目前可以建立量值溯源系统的分为3种情况。

1．测井仪器直接溯源到社会公用计量标准。如果刻度器本身就是社会公用计量器具，有如下几种测量：

（1）数字测井系统中的电压测量，时间或频率测量和张力测量；

（2）地层测试器和生产测井中的压力测量，流体密度压差法；

（3）井温仪的温度测量。

2．测井仪器需要经刻度器溯源且其刻度器可直接溯源到社会公用计量标准。如果刻度器可溯源到社会公用计量器具，有如下几种测量：

（1）井径仪；

（2）井斜仪以及测量井斜的地层倾角测井仪；

（3）井内流体测井仪。

3．测井仪器需要经刻度器溯源且其刻度器需要专用最高标准溯源到社会公用计量标准，有如下几种测量：

（1）自然伽马测井仪；

（2）自然伽马能谱测井仪；

（3）中子孔隙度测井仪；

（4）密度测井仪；

（5）岩性密度测井仪；

（6）流体密度测井仪；

（7）声速测井仪。

4．目前难以建立溯源系统或没有必要建立溯源系统的测井仪器：

（1）地层倾角测井的地层倾角测量；

（2）地面系统中的深度测量；

（3）声波幅度测井；

（4）全自动电测仪；

（5）微电极测井仪；

（6）磁测井仪；

（7）井眼几何形状测井仪；

（8）介电常数测井仪。

十、石油工业测井计量站概况

石油工业测井计量站（又名中国石油天然气集团公司石油测井仪器计量站），是根据中石油总公司（95）中油劳字第10号文于1996年初建立的处级单位，当时命名为“石油测井仪器质量监督检测中心”，隶属勘探局领导。1997年4月中石油总公司下文（97）中油劳字第238号文，更名为石油测井仪器计量站，文件规定，单位级别、人员编制、机构设置不变，其业务工作由总公司技术安全与环保局归口管理，专业技术接受总公司勘探局指导，行政律属关系挂靠西安石油勘探仪器总厂，2003年机构重组时划归中油集团测井有限公司。

石油测井专用计量标准特殊功能在于身兼双重功效，一方面，它肩负着测井仪器直接输出参数（一般表现为电压、电流、脉冲数）与石油地质参数（比如孔、渗、饱、密度等）建立对应关系的功效，在测井领域，这一功能发挥着举足轻重的作用，这是其他计量标准所不要求的；另一方面和其他计量标准一样发挥统一测井量值，控制精度的作用，无疑对测井质量控制发挥关键作用。同时为总公司推行甲乙方合同管理，为甲方评价测井公司装备水平，测井量值可靠性；为引进测井装备的检验；为测井装备的出口服务等提供可靠的评价依据。它是石油测井行业走向市场必不可少的技术机构。为规范测井市场保驾护航。其服务范围覆盖我国石油工业。

中石油集团公司领导对测井专用计量器具的量值统一及溯源工作一直非常重视，多次来计量站听取汇报，视察工作。

计量站拥有4个检测标准室和两个计量标准大厅，其建筑面积达2100平方米。其中自然伽马标准装置（其量值由美国API自然伽马标准井传递确定）和中子孔隙度标准装置，均于1995年通过总公司科技成果鉴定并于1998年4月通过国家技术监督局考核授权分别为自然伽马，中子孔隙度石油测井最高专用计量标准装置；2005年密度/岩性密度标准装置获得授权；自然伽马能谱标准装置已建好，可望2006年获得授权。同时建成的还有中子孔隙度岩性校正系列、井径校正系列、密度/岩性密度井径校正系列井群，此外，C/O、中子寿命、高温常压测试井、氧活化流量试验井也已建好并投入应用；而声波，电法等测井刻度装置也在计划建设中。除计量标准外，专用计量设备，计量仪表，计量衡器等配套设施齐全。

计量站主要从事石油测井行业中测井仪器及其刻度设备（工作标准井、刻度器等）的检定、校准工作。计量站成立后的第一件事就是对长庆、中油、海洋、新疆、西安、中原、玉门、江苏、辽河及大港等单位在用的进口、国产的自然伽马测井仪、补偿中子测井仪进行了抽检，以了解当时全国在用仪器计量特性状况，此后对大庆、吉林、辽河、大港、中原、江汉、华北、胜利、四川等油田的自然伽马工作标准井进行了量值传递，对中子孔隙度工作标准井进行了量值比对测量。基本实现了自然伽马、中子孔隙度量值的统一。协助青海、南阳、大庆油田建立和完善工作标准及刻度器的建设。此外，计量站正在筹建电法测井、声波测井等检测装置，进一步完善计量站建设，计量站将在测井市场化、国际化中发挥愈来愈重要的作用。

利用先进的测井计量设施，完成了和正在完成对测井界具有深远影响的科研任务，先后起草并发布了五项有关测井的行业标准，计量站主持完成的《放射性测井仪器系列标准》双语版是首批面对国内外的五项双语标准之一。完成的集团公司下达的测井系列量值溯源体系的研究。自然伽马与补偿中子通用刻度器的研究，以及正在进行的放射性测井响应的蒙卡方法研究都是很有意义的。

计量站的行业标准装置在测井行业不仅是量值准确可靠的保证，也是测井仪器开发研究的基础实验基地，西安石油勘探仪器总厂依托计量站的行业标准装置，先后独立的开发研制成功的φ70补偿中子测井仪，CN241补偿中子测井仪，为EAR2000配套的YMJ－C岩性密度测井仪的研制，计量站的行业标准装置发挥了至关重要的作用。同时也是测井仪器出厂检验的基本保证。从测井仪器生产源头把住了计量关。

国际竞争方面，现实状况是我们处于劣势，主要表现在装备落后，技术落后，管理落后，标准竞争是高层次竞争，在其他标准领域西方发达国家普遍捷足先登，而测井领域，由于体制的原因，国际上统一的标准并不多见，这就给了我们一个契机，只要现在努力，还为时不晚，还有胜算的可能。计量站有可能在这方面发挥作用。

机构重组后，测井作业进入市场化操作，一般意义上，同行之间的竞争，是比质量、比技术、比效益、比服务的过程，其中比质量是竞争的核心，计量是质量的保证手段，因此，比较而言，计量工作愈来愈受到管理层的关注，计量管理，计量手段、计量技术、计量队伍建设日益受到重视。我们已感受到测井公司对各种刻度器的周期检验主动性明显提高了，对测井数据的准确性、可靠性，一致性愈加关注了。油公司与此同时对测井资料的审核愈加严格了、深入了。计量站的测井计量龙头作用愈加显著。

可以预见，如果在近几年内，把覆盖测井总量90%的标准建立起来，必将全面把测井质量提高到一个新的水平，同时在国内自主开发新仪器新方法方面发挥坚实的基础平台作用，加速测井仪器由仿制到自主开发的过度，早日结束跟着西方跑的被动局面。专业化重组进一步集中财力、人力、装备能力、资源调配的机动性，将有限的开发资金集中使用，使本来具有的优势发挥得更好。