MATLAB软件在地球物理测井教学中的应用研究

摘 要：测井是一门应用性很强的学科，传统的测井教学以教师讲授为主，这在很大程度上限制了本门课程的教学质量。针对这一情况，笔者将MATLAB软件引入测井教学之中，收获了很好的效果。

关键词：地球物理测井；MATLAB；教学研究

地球物理学是利用各种物理学原理研究地球及地球内部矿藏资源的综合性学科。该学科下辖多门课程，地球物理测井则是其中之一。地球物理测井，简称测井，是用各种专门的仪器设备沿井身测量井剖面上岩层的各种地球物理参数，以此研究岩层及有关工程问题的方法。在进行测井课程的教学过程中，需要将数学、物理学及地质学相关知识相结合，计算相关地层参数。但是，单纯让学生进行纸面上的计算极易产生一种现象：高分低能。也就是说，学生在处理问题的时候，只会套公式，而对整个数据的处理流程一知半解，难以在实践中应用所学到的东西。本文针对这一情况，提出将MATLAB软件融入测井教学，一方面使学生对测井数据处理的流程有一个清晰的认识；另一方面激发学生的兴趣，提高学生的编程能力，从而使学生能够将理论与实际相结合，达到提高教学质量、培养综合能力的目的。

一、传统的测井教学存在的问题

首先，传统的教学以教师讲授为主，这样的教学方式只能把相关理论简单灌输给学生，难以使学生对该理论在实践中的应用有清晰的认识。

其次，测井数据具有一定的特殊性。在采集的时候，由绞车将仪器吊入井下，然后一边向上拉，一边测量。因此，测井数据是在一定深度范围内通过连续测量所得到的。在教学过程中，学生课堂练习所用到的数据往往是单一的，这是因为纸面的计算不可能要求太繁琐；而实测数据则是大量而连续的，最终需要得到一条在几百甚至几千米深度范围内某项指标变化的曲线。这样一来，就会出现一个问题，学生所掌握的知识与实践中遇到的问题无法很好地衔接起来。

最后，测井各种指标的定量计算公式往往包含很多参数，而不同的地质条件对不同的参数有不同的影响，从而最终对各指标产生影响。传统的教学方式，只能让学生对这些影响死记硬背，而不能让学生亲自探究。

部分学校在进行测井课程教学时，教师会对目前的一些测井商业软件进行演示，让学生亲手操作。这样的教学方式在一定程度上对上述三个问题的解决有一定的推动作用，可以使学生对数据处理流程有一定的了解。但是，一般的测井软件在操作时都是这样一种形式：输入→输出，即输入数据，输出结果。这样的形式对实际生产很有好处，但对教学来说就存在一定的问题。学生只能看到输入的数据和输出的结果，而无法知晓数据的计算流程。因此，笔者将MATLAB软件引入地球物理测井的教学工作中。

二、MATLAB软件

MATLAB是matrix和laboratory的组合，即矩阵实验室。它是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算。MATLAB可以进行矩阵运算，绘制函数和数据，实现算法，创建用户界面，连接其他编程语言的程序，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。相较于传统的C语言、FORTRAN语言等，MATLAB程序的编写更符合数学公式的运算逻辑，所以也更容易被学生掌握。地球物理测井中涉及大量的矩阵计算及成图的问题。笔者认为，为了使学生理顺测井数据、计算公式、计算结果三者之间的关系，将MATLAB软件引入测井课堂是非常有必要的。

三、MATLAB软件引入测井课堂的应用

目前，很多高等院校的理工科专业都开设了MATLAB这门课程，但是一般都是教授该软件的使用方法，很少将其与学生所学的其他课程进行结合。而笔者通过与学生的交流以及个人的一些体会，实践了一种新的教学方法：将MATLAB软件与地球物理测井课程相结合。这种结合并非完全用上机代替以讲授为主的授课方式，而是对课程中数学、物理知识比较丰富且实践性比较强的部分，通过MATLAB软件以演示和编程的方式进行授课。下面以声波测井孔隙度计算为例，对该方法进行阐述。

首先，这一教学方法可以将MATLAB与测井两门课程所学内容进行结合，使学生将在MATLAB这门课程中所学到的知识应用在测井课程的实践中。一方面，学生可以借此机会温习MATLAB的编程方法；另一方面，通过编程，可以对声波测井孔隙度的计算原理有一个更清晰的认识。

其次，MATLAB软件可以使学生对測井数据进行批量化处理，而非对单一的数据进行纸面上的计算。

声波测井的实际数据由深度数据和仪器测量数据构成。传统的教学方法要求学生在练习时，选取其中的一个深度的测量数据带入公式计算孔隙度。这样的练习存在两个问题。第一，无法使学生了解声波测井孔隙度的计算方式，而只能学会类似中学时期的纸面计算的方法。笔者认为，这样无法真正培养出高素质的大学生。第二，利用声波测井所计算出来的某一深度的孔隙度，是由该深度附近地层所决定的，而非简单地只由该深度地层决定。因此，单一某一深度的孔隙度计算结果对于声波测井工作来说没有太大的意义，而真正需要的结果应该是孔隙度随深度变化的曲线。但是由于声波测井的数据量非常大，这一曲线通过手动计算几乎是无法完成的。目前，市面上有多种测井数据处理的软件，但是，这类软件普遍价格昂贵，而且即使能让学生用上这类软件，也无法真正了解计算过程，从而使学生失去了将书本上的理论应用于实践的机会。因此，笔者认为，可以将MATLAB软件引入课堂，通过教师的演示及学生亲手编程，将理论与实际结合起来，这样不但使学生在编程中掌握了计算原理，而且提高了学生解决实际问题的能力。

最后，通过公式可以看出声波测井孔隙度计算公式涉及很多参数，当这些参数发生改变时，孔隙度的计算结果也会发生变化。以岩石骨架的声波时差Δtma为例，地层的岩石骨架分别取砂岩、灰岩和白云岩时，孔隙度计算结果会发生变化。传统的教学方法只能通过公式分析岩石骨架改变时孔隙度的变化情况，而不能通过具体的实例为学生展示这些变化规律。若将MATLAB软件引入测井课堂，学生自己对岩石骨架参数进行调整，可以得到图1中的a（岩石骨架为砂岩）、b（岩石骨架为灰岩）、c（岩石骨架为白云岩）三幅图，继而利用这三幅图，亲自探究岩石骨架的变化对孔隙度大小的影响规律。

四、结论和建议

本文提出了将MATLAB软件引入地球物理测井教学，对传统的教学方法进行补充和改进，解决了传统测井教学中存在的几个问题。第一，编程提升了授课质量，加深了学生对数据处理相关公式的理解；第二，学生除了掌握书本上的方法、原理等内容以外，还能对数据处理的实践有一个清晰的认识；第三，学生通过编程自行探索某些测井参数随地质条件变化的规律，提升了自学和创新能力。但是需要注意的是，地球物理测井本身才是本门课程的核心。在授课时，教师应更加侧重于应用MATLAB软件解决实际的测井问题，提高学生对各种原理的认识水平，而不是以练习编程为核心。在接下来的教学工作中，笔者还会对该教学方法进行探索和优化，进一步提高测井课程的教学质量和学生的听课效果。

参考文献：

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