MATLAB軟件在地球物理測井教學(xué)中的應(yīng)用研究

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

關(guān)鍵詞：地球物理測井；MATLAB；教學(xué)研究

地球物理學(xué)是利用各種物理學(xué)原理研究地球及地球內(nèi)部礦藏資源的綜合性學(xué)科。該學(xué)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(shè)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(guān)工程問題的方法。在進(jìn)行測井課程的教學(xué)過程中，需要將數(shù)學(xué)、物理學(xué)及地質(zhì)學(xué)相關(guān)知識相結(jié)合，計算相關(guān)地層參數(shù)。但是，單純讓學(xué)生進(jìn)行紙面上的計算極易產(chǎn)生一種現(xiàn)象：高分低能。也就是說，學(xué)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(yīng)用所學(xué)到的東西。本文針對這一情況，提出將MATLAB軟件融入測井教學(xué)，一方面使學(xué)生對測井?dāng)?shù)據(jù)處理的流程有一個清晰的認(rèn)識；另一方面激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的編程能力，從而使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撆c實際相結(jié)合，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)綜合能力的目的。

一、傳統(tǒng)的測井教學(xué)存在的問題

首先，傳統(tǒng)的教學(xué)以教師講授為主，這樣的教學(xué)方式只能把相關(guān)理論簡單灌輸給學(xué)生，難以使學(xué)生對該理論在實踐中的應(yīng)用有清晰的認(rèn)識。

其次，測井?dāng)?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?dāng)?shù)據(jù)是在一定深度范圍內(nèi)通過連續(xù)測量所得到的。在教學(xué)過程中，學(xué)生課堂練習(xí)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(nèi)某項指標(biāo)變化的曲線。這樣一來，就會出現(xiàn)一個問題，學(xué)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(biāo)的定量計算公式往往包含很多參數(shù)，而不同的地質(zhì)條件對不同的參數(shù)有不同的影響，從而最終對各指標(biāo)產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的教學(xué)方式，只能讓學(xué)生對這些影響死記硬背，而不能讓學(xué)生親自探究。

部分學(xué)校在進(jìn)行測井課程教學(xué)時，教師會對目前的一些測井商業(yè)軟件進(jìn)行演示，讓學(xué)生親手操作。這樣的教學(xué)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(xué)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(jié)果。這樣的形式對實際生產(chǎn)很有好處，但對教學(xué)來說就存在一定的問題。學(xué)生只能看到輸入的數(shù)據(jù)和輸出的結(jié)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(xué)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(xué)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(jìn)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(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)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(xué)公式的運算邏輯，所以也更容易被學(xué)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(rèn)為，為了使學(xué)生理順測井?dāng)?shù)據(jù)、計算公式、計算結(jié)果三者之間的關(guān)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(yīng)用

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

首先，這一教學(xué)方法可以將MATLAB與測井兩門課程所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合，使學(xué)生將在MATLAB這門課程中所學(xué)到的知識應(yīng)用在測井課程的實踐中。一方面，學(xué)生可以借此機(jī)會溫習(xí)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(rèn)識。

其次，MATLAB軟件可以使學(xué)生對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行批量化處理，而非對單一的數(shù)據(jù)進(jìn)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(gòu)成。傳統(tǒng)的教學(xué)方法要求學(xué)生在練習(xí)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(xí)存在兩個問題。第一，無法使學(xué)生了解聲波測井孔隙度的計算方式，而只能學(xué)會類似中學(xué)時期的紙面計算的方法。筆者認(rèn)為，這樣無法真正培養(yǎng)出高素質(zhì)的大學(xué)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(jié)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(jié)果應(yīng)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?dāng)?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(xué)生用上這類軟件，也無法真正了解計算過程，從而使學(xué)生失去了將書本上的理論應(yīng)用于實踐的機(jī)會。因此，筆者認(rèn)為，可以將MATLAB軟件引入課堂，通過教師的演示及學(xué)生親手編程，將理論與實際結(jié)合起來，這樣不但使學(xué)生在編程中掌握了計算原理，而且提高了學(xué)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(dāng)這些參數(shù)發(fā)生改變時，孔隙度的計算結(jié)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(jié)果會發(fā)生變化。傳統(tǒng)的教學(xué)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(xué)生展示這些變化規(guī)律。若將MATLAB軟件引入測井課堂，學(xué)生自己對巖石骨架參數(shù)進(jìn)行調(diào)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(jié)論和建議

本文提出了將MATLAB軟件引入地球物理測井教學(xué)，對傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行補(bǔ)充和改進(jìn)，解決了傳統(tǒng)測井教學(xué)中存在的幾個問題。第一，編程提升了授課質(zhì)量，加深了學(xué)生對數(shù)據(jù)處理相關(guān)公式的理解；第二，學(xué)生除了掌握書本上的方法、原理等內(nèi)容以外，還能對數(shù)據(jù)處理的實踐有一個清晰的認(rèn)識；第三，學(xué)生通過編程自行探索某些測井參數(shù)隨地質(zhì)條件變化的規(guī)律，提升了自學(xué)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(yīng)更加側(cè)重于應(yīng)用MATLAB軟件解決實際的測井問題，提高學(xué)生對各種原理的認(rèn)識水平，而不是以練習(xí)編程為核心。在接下來的教學(xué)工作中，筆者還會對該教學(xué)方法進(jìn)行探索和優(yōu)化，進(jìn)一步提高測井課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的聽課效果。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)，2016.

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

[3]李舟波.鉆進(jìn)地球物理勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.