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摘 要：自然伽马测井是通过测量地层的自然伽马值，从而划分岩性，进行地层对比。自然伽马测井的优点是可以在裸眼井、套管井和高矿化度钻井液以及干孔中进行测量。在已下入套管的井内进行自然伽马测井时，影响地层自然伽马测井曲线的主要因素有套管、环形水泥等。通过套管段及套管加环形水泥段分别与裸眼段自然伽马测井曲线进行对比分析，发现套管对地层放射性的影响比较均匀，与裸眼段相比幅值降低36%左右，不影响地层放射性曲线的整体形态;套管加上环形水泥后，由于受到第四纪地层的稳定性、分选性以及固井质量等因素的影响，难以确定裸眼自然伽马测井曲线的整体形态，因此能否利用下套管井測量的自然伽马测井数据恢复地层信息，要综合考虑地层情况、井径变化、固井质量等要素。
关键词：自然伽马;裸眼;套管;环形水泥;测井
Influence of casing and annular cement on gamma ray logging curve
CHEN Xiaofen，GAI Jianbin，GAO Wenming
（Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering，Beijing 100048， China）
Abstract： Natural gamma logging divides lithology by measuring the natural gamma value of formation， carry out stratigraphic correlation. The advantage of natural gamma logging is to measure in open hole， cased well and high salinity drilling fluid and dry hole. When natural gamma logging is carried out in the wells that have been put into the casing， the main factors that affect the formation gamma ray logging curve are casing， annular cement casing packing and so on. This paper compares and analyzes the natural gamma logging curves between casing section and casing plus annular cement section and open hole section. It is found that the casing has a uniform influence on the formation radioactivity， and the amplitude of the casing decreases by 36% compared with the open hole section， which does not affect the overall form of the formation radioactivity curve. Because of the influence of Quaternary formation stability， formation sorting and cementing quality， it is difficult to determine the overall shape of the open hole natural gamma ray logging curve after casing and annular cement are added. Therefore， whether the formation information can be recovered by using the natural gamma ray logging data measured in cased wells should comprehensively consider the formation condition， well diameter change and cementing quality.
Keywords： natural gamma; open hole; casing; annular cement; logging
自然伽马测井是以地层自然放射性为基础，测井时自然伽马射线探测器沿井眼进行测量，记录伽马射线强度（徐保庆等，2002）。不同的岩层，放射性物质含量不同，因而不同岩层在自然伽马曲线上就有不同的反映，这是用自然伽马测井的地质地球物理基础（陆勇，2018;尉中良等，2005）。自然伽马测井的优点是可以在裸眼井、套管井和高矿化度钻井液以及干孔中进行测量（王新杰等，2019）。测量和获取测井曲线的方法技术简单、成本低廉（宋子齐等，2011）。有些钻孔在当时环境下不具备测井的条件或地层不稳定不具备裸眼探测的条件。如果可以通过在套管内进行自然伽马测井获取地层信息，能在很大程度上减少布孔勘察费用。对今后工程项目的开展具有一定实际意义。本文通过对大兴区某项目3眼井的套管段及套管加环形水泥段分别与裸眼段自然伽马测井曲线进行对比分析，认为能否利用下套管井测量的自然伽马测井数据恢复地层信息，要综合考虑地层情况、井径变化、固井质量等要素。
1 实例分析
北京市大兴区某项目井管设计分为3段：第一段（0～80 m）为下泵段及开孔段，井径Φ560 mm，井管Φ426 mm，管壁厚度10 mm，设计采用 42.5 R 硅酸盐水泥浆封（固）井，该段地层为第四系;第二段（80～350 m）井径Φ311 mm，井管Φ244.5 mm，管壁厚度8 mm，为开采段，套管为滤水管;第三段（350～510 m）井径Φ216 mm，井管Φ159 mm，为开采段，套管为滤水管，第二段及第三段地层为石灰岩地层。 测井仪器采用的是北京中地英捷PSJ-2A数字测井系统，通过三眼井3次的自然伽马测井曲线进行对比。第一次探测范围是0～80 m，简称一开;第二次探测范围是0～350 m，简称二开;第三次探测范围是0～510 m，简称三开。套管加环形水泥段与裸眼段自然伽马测井数据进行对比（30～80 m）：二开套管加环形水泥段与一开裸眼段自然伽马测井数据;套管段与裸眼段自然伽马测井数据进行对比（80～350 m）：三开套管段与二开裸眼段自然伽马数据。采样率为0.05 m一个点。利用MATLAB软件的corrcoef 函数求相应两列数据的相关系数r，其计算的公式为：
其中n为测点数， 为数列x的平均值，为数列y的平均值。|r|的取值与相关程度见表1。
对比结果见图1、图2、图3，由于零点的选取存在偏差，对相关系数产生一定的影响，所以在相关系数图中，对数据在深度上进行偏移，以求得零点一致时的相关性，横坐标偏移距离负数为裸眼段数据往下偏移，正数为裸眼段数据往上偏移。上下各偏移10 m，对偏移后的数据做相关分析。
2 结果讨论
从自然伽马曲线图中可以看出，3眼井的裸眼段的自然伽马值（蓝色线）均大于下管和固井后测的自然伽马值，主要是下套管后，套管及环形水泥对地层自然伽马有一定的吸收;3眼井在二开（绿色线）30 m左右有个陡降，经调查该深度为静水位，造成放射性曲线在此处有异常，为了更好分析套管加环形水泥段与裸眼段的相关系数，在相关系数图中，只取30～80 m段进行分析。
从相关系数图中可以看出，套管加环形水泥段与裸眼段自然伽马测井数据的相关性为低度相关，普遍低于0.4，为极低相关—低度线性相关，相关系数的曲线图比较杂乱，没有一定的规律;套管段与裸眼段自然伽马测井数据的相关性较好，普遍高于0.7，为高度相关—极高相关，相关系数的曲线图比较规律，大致都在0点处达到最高值，随着偏移位置的加大，相关系数不断的对称减小。
30～80 m套管加环形水泥段与裸眼段相关性较差的原因主要有3点：一是第四系稳定性差，造成井径不规则，导致填充的水泥环形状不均匀，从而对地层自然伽马的吸收不均匀;二是地层的分选性差，地层分界处自然伽马值没有很大的变化，加上水泥环的不均匀吸收，容易掩盖地层分界信息;三是固井质量影响，水泥充填不密实，局部出现窜槽，加剧地层自然伽马的不均匀吸收。三点因素的综合影响，导致套管加环形水泥段与裸眼段相关性较差。
在80～350 m开采段，安装滤水管，套管对地层放射性的吸收很均匀，从表2中可看出，套管段平均自然伽马值为裸眼段平均自然伽马值的64%左右。类似对地层的放射性整体进行缩放，两次的探测曲线有很好的一致性。
因此，能否利用下套管井测量的自然伽马测井数据恢复地层信息，要综合考虑地层情况、井径变化、固井质量等要素。
大兴区另一项目中，在已有井套管内进行自然伽马测井，利用附近测井资料进行对比解译，恢复了该井的地层信息，后通过井下电视录井，发现滤水管位置与砂层位置大体一致。
通过套管内自然伽马测井曲线恢复地层信息在实际水文地质勘探工作中取得了一定的成果，但也存在一定的不足，单一的物探方法取得的数据具有多解性，应多收集周边钻孔资料进行对比分析，建立区域性井间测井曲线的关联特征，相对准确的还原地层信息，以满足我们城市规划建设的需要。
3 结论
套管对地层放射性的吸收很均匀，与裸眼段相比幅值降低36%左右，不影响地层放射性曲线的整体形态。在经过水泥固井后的套管内测量时，由于第四系稳定性差，地层分选性差，加上固井質量的影响，对地层放射性综合影响复杂，看不出裸眼自然伽马测井曲线的整体形态。所以在进行套管自然伽马测井前，应对地层情况、固井质量等进行调查。
当无环形水泥时，套管内自然伽马测井曲线能再现地层信息;当有环形水泥时，如果形状规则均匀，类似于只有套管时均匀地吸收地层自然伽马值，自然伽马曲线整体形态不会改变，不影响对地层的解释。因此，在一定条件下，可以利用套管内自然伽马测井获得地层信息。
参考文献：
陆勇，2018. 自然伽马测井曲线在煤田测井中的应用[J]. 河南科技（10）：80-81.
宋子齐，景成，孙宝佃，等，2011.自然电位、自然伽马测井曲线在文15块的应用[J]. 断块油气田，18（1）：130-133.
尉中良，邹长春，2005.地球物理测井[M].北京：地质出版社.
王新杰，王昀，郝文杰，等，2019.自然伽马测井在水文地质孔填砾中的应用[J]. 物探化探计算技术，41（2）：279-284.
徐保庆，伍泰荣，田树全，2002.自然伽马测井在油田开发中的应用[J]. 断块油气田，9（5）：86-88.
关键词：自然伽马;裸眼;套管;环形水泥;测井
Influence of casing and annular cement on gamma ray logging curve
CHEN Xiaofen，GAI Jianbin，GAO Wenming
（Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering，Beijing 100048， China）
Abstract： Natural gamma logging divides lithology by measuring the natural gamma value of formation， carry out stratigraphic correlation. The advantage of natural gamma logging is to measure in open hole， cased well and high salinity drilling fluid and dry hole. When natural gamma logging is carried out in the wells that have been put into the casing， the main factors that affect the formation gamma ray logging curve are casing， annular cement casing packing and so on. This paper compares and analyzes the natural gamma logging curves between casing section and casing plus annular cement section and open hole section. It is found that the casing has a uniform influence on the formation radioactivity， and the amplitude of the casing decreases by 36% compared with the open hole section， which does not affect the overall form of the formation radioactivity curve. Because of the influence of Quaternary formation stability， formation sorting and cementing quality， it is difficult to determine the overall shape of the open hole natural gamma ray logging curve after casing and annular cement are added. Therefore， whether the formation information can be recovered by using the natural gamma ray logging data measured in cased wells should comprehensively consider the formation condition， well diameter change and cementing quality.
Keywords： natural gamma; open hole; casing; annular cement; logging
自然伽马测井是以地层自然放射性为基础，测井时自然伽马射线探测器沿井眼进行测量，记录伽马射线强度（徐保庆等，2002）。不同的岩层，放射性物质含量不同，因而不同岩层在自然伽马曲线上就有不同的反映，这是用自然伽马测井的地质地球物理基础（陆勇，2018;尉中良等，2005）。自然伽马测井的优点是可以在裸眼井、套管井和高矿化度钻井液以及干孔中进行测量（王新杰等，2019）。测量和获取测井曲线的方法技术简单、成本低廉（宋子齐等，2011）。有些钻孔在当时环境下不具备测井的条件或地层不稳定不具备裸眼探测的条件。如果可以通过在套管内进行自然伽马测井获取地层信息，能在很大程度上减少布孔勘察费用。对今后工程项目的开展具有一定实际意义。本文通过对大兴区某项目3眼井的套管段及套管加环形水泥段分别与裸眼段自然伽马测井曲线进行对比分析，认为能否利用下套管井测量的自然伽马测井数据恢复地层信息，要综合考虑地层情况、井径变化、固井质量等要素。
1 实例分析
北京市大兴区某项目井管设计分为3段：第一段（0～80 m）为下泵段及开孔段，井径Φ560 mm，井管Φ426 mm，管壁厚度10 mm，设计采用 42.5 R 硅酸盐水泥浆封（固）井，该段地层为第四系;第二段（80～350 m）井径Φ311 mm，井管Φ244.5 mm，管壁厚度8 mm，为开采段，套管为滤水管;第三段（350～510 m）井径Φ216 mm，井管Φ159 mm，为开采段，套管为滤水管，第二段及第三段地层为石灰岩地层。 测井仪器采用的是北京中地英捷PSJ-2A数字测井系统，通过三眼井3次的自然伽马测井曲线进行对比。第一次探测范围是0～80 m，简称一开;第二次探测范围是0～350 m，简称二开;第三次探测范围是0～510 m，简称三开。套管加环形水泥段与裸眼段自然伽马测井数据进行对比（30～80 m）：二开套管加环形水泥段与一开裸眼段自然伽马测井数据;套管段与裸眼段自然伽马测井数据进行对比（80～350 m）：三开套管段与二开裸眼段自然伽马数据。采样率为0.05 m一个点。利用MATLAB软件的corrcoef 函数求相应两列数据的相关系数r，其计算的公式为：
其中n为测点数， 为数列x的平均值，为数列y的平均值。|r|的取值与相关程度见表1。
对比结果见图1、图2、图3，由于零点的选取存在偏差，对相关系数产生一定的影响，所以在相关系数图中，对数据在深度上进行偏移，以求得零点一致时的相关性，横坐标偏移距离负数为裸眼段数据往下偏移，正数为裸眼段数据往上偏移。上下各偏移10 m，对偏移后的数据做相关分析。
2 结果讨论
从自然伽马曲线图中可以看出，3眼井的裸眼段的自然伽马值（蓝色线）均大于下管和固井后测的自然伽马值，主要是下套管后，套管及环形水泥对地层自然伽马有一定的吸收;3眼井在二开（绿色线）30 m左右有个陡降，经调查该深度为静水位，造成放射性曲线在此处有异常，为了更好分析套管加环形水泥段与裸眼段的相关系数，在相关系数图中，只取30～80 m段进行分析。
从相关系数图中可以看出，套管加环形水泥段与裸眼段自然伽马测井数据的相关性为低度相关，普遍低于0.4，为极低相关—低度线性相关，相关系数的曲线图比较杂乱，没有一定的规律;套管段与裸眼段自然伽马测井数据的相关性较好，普遍高于0.7，为高度相关—极高相关，相关系数的曲线图比较规律，大致都在0点处达到最高值，随着偏移位置的加大，相关系数不断的对称减小。
30～80 m套管加环形水泥段与裸眼段相关性较差的原因主要有3点：一是第四系稳定性差，造成井径不规则，导致填充的水泥环形状不均匀，从而对地层自然伽马的吸收不均匀;二是地层的分选性差，地层分界处自然伽马值没有很大的变化，加上水泥环的不均匀吸收，容易掩盖地层分界信息;三是固井质量影响，水泥充填不密实，局部出现窜槽，加剧地层自然伽马的不均匀吸收。三点因素的综合影响，导致套管加环形水泥段与裸眼段相关性较差。
在80～350 m开采段，安装滤水管，套管对地层放射性的吸收很均匀，从表2中可看出，套管段平均自然伽马值为裸眼段平均自然伽马值的64%左右。类似对地层的放射性整体进行缩放，两次的探测曲线有很好的一致性。
因此，能否利用下套管井测量的自然伽马测井数据恢复地层信息，要综合考虑地层情况、井径变化、固井质量等要素。
大兴区另一项目中，在已有井套管内进行自然伽马测井，利用附近测井资料进行对比解译，恢复了该井的地层信息，后通过井下电视录井，发现滤水管位置与砂层位置大体一致。
通过套管内自然伽马测井曲线恢复地层信息在实际水文地质勘探工作中取得了一定的成果，但也存在一定的不足，单一的物探方法取得的数据具有多解性，应多收集周边钻孔资料进行对比分析，建立区域性井间测井曲线的关联特征，相对准确的还原地层信息，以满足我们城市规划建设的需要。
3 结论
套管对地层放射性的吸收很均匀，与裸眼段相比幅值降低36%左右，不影响地层放射性曲线的整体形态。在经过水泥固井后的套管内测量时，由于第四系稳定性差，地层分选性差，加上固井質量的影响，对地层放射性综合影响复杂，看不出裸眼自然伽马测井曲线的整体形态。所以在进行套管自然伽马测井前，应对地层情况、固井质量等进行调查。
当无环形水泥时，套管内自然伽马测井曲线能再现地层信息;当有环形水泥时，如果形状规则均匀，类似于只有套管时均匀地吸收地层自然伽马值，自然伽马曲线整体形态不会改变，不影响对地层的解释。因此，在一定条件下，可以利用套管内自然伽马测井获得地层信息。
参考文献：
陆勇，2018. 自然伽马测井曲线在煤田测井中的应用[J]. 河南科技（10）：80-81.
宋子齐，景成，孙宝佃，等，2011.自然电位、自然伽马测井曲线在文15块的应用[J]. 断块油气田，18（1）：130-133.
尉中良，邹长春，2005.地球物理测井[M].北京：地质出版社.
王新杰，王昀，郝文杰，等，2019.自然伽马测井在水文地质孔填砾中的应用[J]. 物探化探计算技术，41（2）：279-284.
徐保庆，伍泰荣，田树全，2002.自然伽马测井在油田开发中的应用[J]. 断块油气田，9（5）：86-88.