自然电位测井

1、课 时 教 学 实 施 方 案课程：地球物理测井 授课班级：资源1101-04 授课学期： 2013-2014学年 1 学期课 题第二章 自然电位测井计划学时6学时教 学 目 的通过本章内容的学习，达到以下目的：1. 了解自然电位形成的原因，掌握阳离子交换、扩散电动势、扩散吸附电动势的概念。2. 掌握电动势的公式形式，明确其影响因素，了解泥岩和砂岩在自然电位上的差异3. 了解影响储集层自然电位异常的因素4. 掌握自然电位曲线的应用，重点掌握划分储集层和计算泥质含量的用法重 点电动势的表达式；用自然电位曲线划分储集层、计算泥质含量难 点自然电位的形成；各种电动势的含义；自然电位曲线的影响因素教具

2、准备PPT的制作，多媒体使用教 学 后 记 教 学 进 程 设 计（包括教学要点、步骤、方法、时间安排及板书设计、作业布置等）一、教学要点1.井内有自然电动势产生是由于储层内阳离子的扩散作用，而阳离子的分布状态和扩散作用都是微观上的，电流的流动也是无法直接看到的，所以本章内容讲解非常困难。要尽量用图形帮助学生理解电动势的产生。2.通过自然电位的公式，明确决定自然电位大小的因素，进而引出影响自然电位异常的主要因素。3.自然电位测井的应用是本章的重点内容，让学生重点掌握如何根据自然电位曲线划分储集层以及计算泥质含量二、教学步骤、方法第一节 井内的自然电动势（2学时）1. 通过回顾第一章第二节内容，

3、明确自然电位测井是一种电法测井，并且测量的是地层中自然产生的电位。2. 说明自然电位产生的原因是不同浓度的溶液相接触时的扩散-吸附作用、盐溶液在孔隙中的渗滤作用等。这些作用都与孔隙水中离子的分布有关，从而引出本节的第一个主要内容：离子在孔隙水中的分布离子双电层阳离子交换。3. 明确了阳离子的分布及扩散作用，推导各种电动势的具体成因及大小，强调扩散电动势、扩散吸附电动势、过滤电动势的概念及公示表达式。第二节 自然电位曲线形态分析（2学时）1. 了解了地层中的电动势以后，就可以根据电动势的大小判断电流在井眼地层中的流动方向，从而确定砂泥岩储层中自然电位曲线的形态。2. 由于电流在流动过程中受到很多

4、因素的影响，所以这些因素也间接影响了自然电位曲线的形态。逐一讲述地层水与泥浆滤液性质、岩性、储层厚度、储层侵入带大小、井径等对自然电位曲线的影响。第三节 自然电位测井的应用（2学时）（本章重点）1. 说明自然电位测井适用于砂泥岩剖面和淡水泥浆的裸眼井，并说明原因。2. 自然电位曲线的定性解释：划分储集层，判断岩性、判断油气水层、地层对比和沉积相研究3. 自然电位曲线的定量解释：计算泥质含量，确定地层水电阻率三、板书设计画出井眼周围的离子分布图；画出井眼、泥岩、砂岩交界面的电流流动示意图并推导自然电位形态特征；推导用自然电位曲线计算泥质含量的公式。备注学生作业批改记录作业题目作业时间专业班级学生

5、作业情况学生作业批改记录作业题目作业时间专业班级学生作业情况教 案第二章 自然电位测井第一章第二节中将测井方法按照物理性质进行了分类，其中电法测井作为测井中十分重要的测井方法，在实际工作中得到广泛应用。本章内容就详细讲述一种电法测井自然电位测井。它是世界上最早使用的测井方法之一，简单实用，是砂泥岩剖面淡水泥浆裸眼井必测的项目之一。定义：自然电位测井是在裸眼井中测量井轴上自然产生的电位变化，以研究井剖面地层性质的一种测井方法。因为本章内容涉及到电学和电化学的知识，先向学生讲解几个概念，帮助他们理解本章的内容：电动势：是反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量，电动势使电源两端产生电压；它的

6、大小等于非静电力把单位正电荷从电源的负极，经过电源内部移到电源正极所作的功；电动势的方向规定为从电源的负极经过电源内部指向电源的正极，即与电源两端电压的方向相反。电位（电势）：在静电学里，电势（electric potential）（又称为电位）定义为：处于电场中某个位置的单位电荷所具有的电势能。电势只有大小，没有方向，是标量，其数值不具有绝对意义，只具有相对意义。电势只不过是和标准位置相比较得出的结果，我们常取地球为标准位置。第一节 井内的自然电动势井内可以测量到自然电位，说明井内有自然电流流动，那就要求井内必须有自然产生的电动势。井内自然电动势的起因，包括不同浓度的盐溶液相接触时的扩散吸附

7、作用，盐溶液在孔隙中的渗滤作用，金属矿物和煤的氧化还原作用。对石油测井来说主要是前两种。这两种作用都与孔隙水中离子的分布有关，所以本节首先要介绍孔隙水中离子的分布。一、岩石孔隙水中离子的分布岩石孔隙中的水是地层水（原装地层）或泥浆滤液（冲洗带），它们所含的盐以NaCl为主，盐分子在水中都是充分离解的，就是靠这些离子的运动，形成了岩石的导电性和自然电动势。1.离子双电层水分子是电荷不完全平衡的极性分子，对外可显示正负两个极性，故Na和Cl可分别吸引极性水分子形成水合离子。由于晶格置换作用、矿物水解作用、破键作用等原因，岩石颗粒与水溶液接触的表面常常带有固定不动的负电荷。这种现象在粘土矿物中最显著

8、，砂岩中的细粒成分也可能有。（在此回顾上节的内容，建立岩石体积物理模型时为什么要把岩石骨架与泥质成分区分开，也有一部分这个原因）。这些带电表面，靠静电引力吸引极性水分子及Na的水合离子。其中一部分阳离子紧贴岩石颗粒表面，只作热运动，不能移动，构成吸附层；另一部分阳离子在吸附层之外形成扩散层，可正常迁移。这样就形成了岩石颗粒表面的双电层：内层是岩石颗粒本身在表面多余的负电荷，外层是岩石颗粒表面吸附层和扩散层内的阳离子，总电荷等于内层电荷。此处在黑板上画出离子双电层的示意图。由于泥岩颗粒表面负电荷多，双电层外层厚度很大，能够自由移动的地层水在压实过程中排出去了，剩下的孔隙很小，不存在双电层以外的自

9、由水。砂岩能岩性较纯、孔隙直径较大的岩石，双电层外层的厚度非常小，或者只在局部地方有双电层，孔隙内含有大量的自由水，其含盐量和离子成分保持正常的状态，从水层中取出的水样就是这种水。2.阳离子交换双电层中的水统称粘土束缚水，但其扩散层是是可动的，吸附层是不动的。它们的阳离子或其水合离子都可以互相交换位置，也可以同双电层外的阳离子或其水合离子交换位置而移动，这种现象称为阳离子交换。其特点是同样电荷的离子互相交换和等电量互相交换。岩石阳离子交换的能力用阳离子交换容量表示。实验室测量时用符号CEC表示岩石的阳离子交换容量，它表示每100g干岩样交换钠离子的毫克当量数。测井解释中用Qv表示岩石的阳离子交

10、换容量，它表示每单位总孔隙体积交换钠离子的克当量数或毫克当量数。岩石平均颗粒密度，g/cm3；岩石总孔隙度，小数；双电层内层离子主要是靠粘土和细小颗粒表面多余的负电荷形成的，阳离子交换容量反映了双电层外层平衡离子的浓度，故岩石的阳离子交换容量是岩石泥质或粘土含量的指示。3.双水在孔隙直径较大的泥质砂岩中，双电层的厚度很有限，实际上岩石孔隙中以自由水为主。这两部分水在性质上是不同的：双电层外层那部分水主要含阳离子，阴离子很少，其性质与相邻泥岩孔隙中的水相同，称为粘土束缚水；双电层外层以外，离颗粒表面较远的那部分水，是通常性质的地层水，正、负离子大体平衡，称为远水。二、储集层的自然电动势假设完全含

11、水的储集层其冲洗带与原状地层直接接触，则其自然电动势可看成是产生在两者接触的界面上。主要分以下几种：1. 扩散电动势（1）假设：泥浆滤液和地层水中的盐都是NaCl；冲洗带泥浆滤液NaCl质量浓度为Cmf，原状地层水盐浓度为Cw，且CwCmf，此时称为淡水泥浆。地层岩性很纯，Qv近似为0，岩石孔隙中几乎没有离子双电层，两种溶液的交界面相当于无数孔隙构成的渗透性隔膜（2）扩散电动势形成的过程离子从浓度高的一方向浓度低的一方扩散；Cl-的迁移率>Na+的迁移率,使得泥浆一侧的Cl-富集，地层水一侧Na+富集，形成正负电荷的富集，在两种溶液交界出产生电动势；电动势使Cl-迁移速度减慢，而Na+迁

12、移速度加快，使电荷富集速度减慢；到正负离子迁移速度相同时，电动势不再增加，达到动态平衡。此时的电动势称为扩散电动势。（3）扩散电动势大小应用电化学知识，导出两种自由溶液相接触时计算扩散电动势的涅尔斯特方程：l+正离子迁移率, l-负离子迁移率，R气态常数，T绝对温度，Z离子价，F法拉第常数，Cmf泥浆滤液浓度，CW地层水浓度因为溶液电阻率与其质量浓度成反比，上式可改为：Kd扩散电动势系数, 25时，对于NaCl溶液，Kd= -11.6mv Rmf泥浆滤液电阻率，RW地层水电阻率2.扩散吸附电动势（1）形成条件：岩性不太纯，泥质含量较多的储集层，岩石颗粒表面形成明显的离子双电层，阳离子交换容量有

13、显著的数值。（2）形成过程：岩石孔隙内有两种水，一种是含有双电层的粘土水，富含Na+，Cl-很少；一种是远水，离子平衡，所以整体来说Na+浓度增加；在浓度差的作用下发生离子扩散（远水中的钠离子、氯离子；扩散层中的钠离子）,钠离子的扩散量比纯岩石情况下大；使富集的电荷量比纯岩石减少，产生电动势变小；当泥质含量达到一定的程度，电动势反向；泥质岩石中的这种电动势，即是扩散-吸附电动势。因为岩石孔隙有让阳离子选择性渗透的作用，如化学中的半透膜，故这种电动势也称薄膜电势。泥质岩石的电动势介于纯砂岩和纯泥岩之间。3.过滤电动势为防止井喷，钻井时的泥浆柱压力略大于地层压力。在此压力差的作用下，泥浆滤液会向岩

14、石孔隙内渗透，并会带动离子双电层中扩散层的流体向同一方向流动。泥浆滤液为电中性，而扩散层富集阳离子，故在低压一侧形成正电荷富集，而在高压一侧形成负电荷富集，从而形成过滤电动势。一般认为这一过程发生在泥饼形成之前，泥饼形成后几乎是不渗透的，上述压差将落在泥饼上，不会再形成滤液流动，而原来聚集的电荷重新达到平衡，不再有过滤电动势。因此过滤电动势产生于正在产生液体流动的层位，而储集层都有泥饼，所以通常不考虑过滤电动势。表达式： Rmf泥浆滤液电阻率，.m； 泥浆滤液的粘度，Pa.s；P泥浆柱与地层之间的压力差，atm；A过滤电动势系数，mV，渗透岩石0.77mV； 是泥浆滤液的介电常数 ； 是与岩石

15、的物理化学性质有关的参数。三、泥岩的自然电动势泥岩的电动势一般是扩散吸附电动势。即把泥岩看成只让阳离子透过的理想薄膜，储集层中的地层水或井内泥浆滤液中的阳离子通过泥岩孔隙向另一方扩散，产生扩散吸附电动势。产生过程：砂岩中Na+、Cl- 通过泥岩向井内扩散;泥岩孔隙中阳离子浓度高，它将排斥Na+，使其扩散到泥浆中，而Cl- 被吸附；在泥浆中形成Na+富集,泥岩中Cl-富集，达到平衡时，电动势为Eda我们把这样形成的电动势看成是存在于泥岩井壁两侧，Cw>Cmf时，泥浆一侧为正极，泥岩一侧为负极。反之，泥浆一侧为负极，泥岩一侧为正极。 表达式：由于形成原因都是离子的扩散，只是泥岩中只有阳离子的

16、扩散，没有阴离子，所以将计算扩散电动势的涅尔斯特方程中l-=0,便得到泥岩的电动势：为电动势系数，当温度为25时，对于NaCl溶液，Kda=59.1mv，与砂岩中的系数符号相反，表示泥岩井壁上与储集层冲洗带界面上的自然电动势的极性是相反的。第二节 自然电位曲线形态分析一、自然电位曲线的形成要了解自然电位，就要了解自然电流。图2-1显示了砂泥岩储集层中自然电位和电流的变化情况（Cw>Cmf）：砂岩冲洗带与未侵入带的交界面上产生扩散电动势Ed，冲洗带一侧为负极，未侵入带一侧为正极；砂岩未侵入带的地层水通过泥岩孔隙与泥岩井眼内的泥浆滤液产生扩散吸附电动势Eda，该电动势在泥岩井壁两侧，泥浆一侧

17、为正极，泥岩一侧为负极。 图2-1在上述前提条件下，自然电流从泥岩井壁的正极出发，流经井内泥浆，进入砂岩冲洗带和未侵入带，再经过泥岩流向井内泥浆。因此，井内的自然电流在砂岩、泥岩与井眼交界处形成环状流动，全部电流都流经井内砂岩与泥岩的交界面，该处电流密度最大，其他地方有不同程度的发散。自然电流在井内的电位降造成井轴上自然电位的变化，各个地层的变化构成全井自然电位曲线。曲线形成：由上往下，当泥岩厚度较大，测量电极离泥岩与砂岩界面较远时，那里没有自然电流流动，测量到的电位是电极极化电位，一般非常小，而且是稳定的，故自然电位曲线是一段比较平直的直线；当井内有了自然电流由上往下流动，且各个截面的电流强

18、度逐渐增加时，它产生的电位降也增加，井内自然电位缓慢降低，界面上电流强度最大，地层界面上的电位也降低最快，过了界面电位又降低缓慢，直到没有自然电流流动变成平直曲线；到了地层下部的界面时，因电流是由下往上流动，使井内自然电位逐渐变高，直到没有电流流动时升到泥岩井内的电极电位。二、储集层的自然电位异常自然电位曲线记录井轴上自然电位曲线的变换，并不记录自然电位的实际数值。因而，曲线图例上不标出电位的真实坐标，只用正、负号标出电位高低方向，并用两条竖线标出电位变化的横向比例。1.泥岩基线定义：我们把一个井段内邻近的泥岩层的自然电位曲线构成的直线段，称为自然电位泥岩基线，简称泥岩基线。特点： 泥岩基线比

19、较平直； 一个井段内相邻泥岩的自然电位曲线大体上构成一条竖直线或略有倾斜的直线。标定泥岩基线时要注意以下事项：标定泥岩基线时，考虑大多数，倾向纯泥岩；储集层负异常时，泥岩基线取最高；储集层正异常时，泥岩基线取最低；不同地层水矿化度，基线不同。2.储集层自然电位异常储集层的自然电位曲线一般都偏离泥岩基线，叫做自然电位异常。当Cw>Cmf，即淡水泥浆时，储集层自然电位曲线偏向低电位一方，称为负异常，它偏离泥岩基线的最大幅度是该异常的大小，其值是负的；当Cw<Cmf，即盐水泥浆情况下，储集层的自然电位偏向高电位一方，称为正异常，其值是正的。三、影响储集层自然电位异常的因素储集层自然电位异

20、常的最大幅度是自然电流在井内泥浆中产生的电位降。因此，影响井内自然电流的因素也就是影响储集层自然电位异常的因素。设井内泥浆柱等效电阻为rm，储集层冲洗带等效电阻为rxo，未侵入带等效电阻为rt，泥岩等效电阻为rsh，只考虑储集层扩散电动势Ed和泥岩扩散吸附电动势Eda，则它们串联电路的等效电流I为：如果把储集层的自然电位异常记为SP，并把它看成是自然电流在井内泥浆柱上的电位降，则：自然电位总电动势（Ed-Eda）与SP符号一致，当Cw>Cmf时，Ed<0，Eda>0，（Ed-Eda）<0，与SP负异常一致。1. 静自然电位（总自然电动势）自然电流回路的总自然电动势（Ed

21、-Eda）是产生SP的决定性因素。这个总自然电动势称为静自然电位，用SSP表示，因为它相当于自然电流回路断路（没有自然电流）时储集层的自然电位异常。SSP= Ed-Eda=因为Kd和Kda与溶液绝对温度T(K)成正比，25时(即25+273=298)，Kd=-11.6mV，Kda=59.1mV，Kd-Kda=-70.7mV，令自然电位系数K:则完全含水纯岩石的静自然电位为：此式表明，Cw>Cmf，即淡水泥浆时，SSP或SP为负值，反之为正值。根据上述公式可得出以下影响SSP或SP的因素：（1） 地层水与泥浆性质。二者的含盐量应该有较大差别，因为Cw与Cmf相近时SP无异常，Cw>C

22、mf时为负异常，Cw<Cmf时为正异常。（2） 储集层与泥岩的岩性。上述计算SSP的公式是对纯砂岩与纯泥岩得出的结果，如果储层泥质含量增加或者泥岩砂质增多，都将使总自然电动势减小。（3） 地层温度。地层温度升高使自然电位系数K增加，从而使SP增加，但一般温度变化的影响有限，在有限的解释井段内可不考虑温度变化的影响。2. 储集层厚度储集层厚度是影响SP幅度的常见因素，一般4m以下的地层，SP随其厚度减小而减小。厚度变薄意味着自然电流流经储集层的横截面减小，从而使rxo和rt增加，在其他因素不变的情况下，自然电流减小，SP减小。相反，当储集层厚度充分大时，rxo、rt及rsh比rm小得多，当

23、忽略其影响时，SP->SSP。3. 储集层含油性和电阻率含油气饱和度比较高的储集层，其电阻率比它完全含水时高3-5倍以上，这时rt明显升高，使SP略有减小。所以在测井图上，油气层的SP略小于相邻的水层，厚度较大的油水同层，当其向下Sw增加时，SP异常逐渐增大。4. 储集层侵入带直径储集层侵入带直径愈大，Ed离井壁愈远，从而使自然电流回路的路径增长，自然电流减小，SP略有减小。裸眼井中，相隔很长时间对同一地层测出的SP有明显差别，就是泥浆长期浸泡，侵入深度加大的结果。5. 泥浆电阻率和井径泥浆电阻率不但影响自然电动势，而且影响井内电位降。当泥浆电阻率很低时被称为盐水泥浆，这时即使有自然电动

24、势，但因rm太小，井内自然电位几乎没有变化，SP曲线平直，不能划分储集层。因此自然电位测井不能用于盐水泥浆，用于淡水泥浆最好。储集层井径明显扩大时，因rm减小，SP可能减小。6. 岩性剖面自然电位测井是一种以泥岩为背景来显示储集层性质的测井方法，SP大小不只与储集层性质有关，而且与相邻泥岩的性质有关。这种方法只能用于储集层与泥岩交替出现的岩性剖面，最常见的是砂泥岩剖面，也可以包括碎屑岩以外的其他岩性储集层，如生物灰岩等。但不能用于巨厚的碳酸盐岩剖面，因为它没有或很少有泥岩，裂缝发育的储集层以致密碳酸盐岩为围岩，许多储集层要通过远处的泥岩才能形成自然电流回路，因而在相邻泥岩间形成巨厚的大片SP异常，不能用来划分和研究储集层。第三节 自然电位测井的应用自然电位测井在砂泥岩剖面和淡水泥浆的裸眼井中，应用广泛，有很多的用途。一、自然电位曲线的定性解释1.划分储集层自然电位曲线上一切偏离泥岩基线的明显异常是孔隙性和渗透性较好的储集层的标志。在泥岩基线上或其附近变化的地层是非储集层，是泥岩或其他孔隙性和渗透性很差的地层，后者常称为致密层。对于岩性均匀、厚度较大、界面清楚的储集层，通常用SP异常幅度的半幅点（从泥岩基线算起1/