电法测井自然电位测井市公开课一等奖省赛课获奖课件

1.3自然电位测井(spontaneouspotentiallog)自然电位测井基本原理、曲线形态、影响原因、地质应用。测量自然电位随井深改变曲线，用于划分岩性和研究储集层性质。其测井基本方法以下：如图所表示，在井内放一测量电极M，地面放一测量电极N，将M电极沿井筒移动，即可测出一条井内自然电位改变曲线。要对所测SP曲线进行地质解释，首先应该了解自然电位是怎样产生，它与地层那些件质相关。电法测井自然电位测井第1页一、自然电位产生原因

井内自然电位产生原因是复杂，对于油气井来说，主要有以下两个原因：①地层水和泥浆含盐浓度不一样而引发扩散电动势和吸附电动势。②地层压力与泥浆柱压力不一样而引发过滤电动势。实践证实，在油气井中，这两种电动势以扩散电动势和吸附电动势占绝对优势。电法测井自然电位测井第2页一、自然电位产生原因1.扩散电位

当两种不一样浓度溶液被半透膜隔开，离子在渗透压作用下，高浓度溶液离子将穿过半透膜向较低浓度溶液中移动。这种现象叫扩散，形成电位叫扩散电位，在油井中，此种扩散有两种路径：一是高浓度一方经过砂岩向低浓度泥浆中扩散;二是经过泥岩向泥浆中扩散。其扩散电位大小取决于①正负离子运移率(单价离子在强度为1伏特/厘米电场作用下移动速度)；②温度、压力；③两种溶液浓度差；④浓度、离子类型及浓度差。电法测井自然电位测井第3页电法测井自然电位测井第4页

离子由砂岩向泥浆中扩散时，因为Cl-比Na+运移率大，所以在砂岩高浓度一侧聚集多出正电荷，而在泥浆中聚集负电荷。离子量移动到一定程度，形成动态平衡，此时电位叫扩散电位，经试验，扩散电位Ed可由以下公式求得：Ed=Kdlg(Cw/Cmf)Kd-扩散电位系数，与盐类化学成份及温度相关。在井中，18℃时若地层水浓度Cw等于10倍泥浆溶液矿化度Cmf时,经理论推算：kd=-11.6mv，其中负号表示低度一方井中电位低Cmf、Cw-泥浆滤液和地层水矿化度。当溶液矿化度不高时，溶液浓度与电阻率成反比，即Ed=Kdlg(Cw/Cmf)=Kdlg(Rmf/Rw)Rmf,Rw-泥浆滤液和地层水电阻率电法测井自然电位测井第5页电法测井自然电位测井第6页2.吸附电位(隔膜作用-砂岩经过泥岩与泥浆之间交换离子)一、自然电位产生原因因为泥岩结构、化学成份等与砂岩不一样，所以与泥浆之间形成电位差大，且符号与扩散电位相反，这是因为粘土矿物表面含有选择吸附负离子能力。所以当浓度不一样NaCl溶液扩散时，粒土颗粒吸附Cl-离子Na+离子能够自由移动，若Cw＞Cmf，泥浆带正电荷，泥岩带负电荷，这时形成电动势为扩散吸附电动势，这是因为现有扩散作用又有吸附作用，所以称为扩散吸附电动势，用Eda表示,由下式求得Eda=Kdalg(Cw/Cmf)若Cw=10Cmf,t=18℃Kda=-58电法测井自然电位测井第7页3.过滤电位：

这种电动势是因为泥浆柱与地层之间存在压力差，泥浆滤液经过泥饼或泥质岩石渗滤形成。通常，泥浆柱压力大于地层压力，并在渗透性岩层(如砂岩层)处，都不一样程度有泥饼存在。因为组成泥饼泥质颗粒表面有一层涣散阳离子扩散层，在压力差作用下，这些阳离子就会伴随泥浆滤液渗透向压力低地层内部移动。于是在地层内部一方出现了过多阳离子，使其带正电，而在井内泥饼一方正离子相对降低，使其带负电，从而产生了电动势。由此形成电动势，叫做过滤电动势。显然它极性与扩散电动势相同，即井一方为负，岩层一方为正。一、自然电位产生原因电法测井自然电位测井第8页

过滤电动势Ef大小与泥饼两边压力差ΔP和泥浆滤液电阻率Rmf成正比，而与泥浆滤液粘度μ成反比，即Kf–过滤电位系数，与溶液成份相关；ΔP–压力差，单位为大气压；μ–过滤溶液粘度，厘泊；压差悬殊，泥饼未形成以前，过滤电位有较大显示。通常Ef只有在压力差很大时，才不可忽略，但普通钻井时，要求泥浆柱压力只能稍大于地层压力，所以在实际工作中，通常都认为过滤电动势可忽略不计。一、自然电位产生原因电法测井自然电位测井第9页

1、总电动势

由砂岩，泥岩、泥浆所组成导电回路中，电动势Ed和Ea是串联，所以，在该回路中扩散作用总电动势Es为该两电动势代数和

Es=Ed+Eda=Kd•lg(Cw/Cmf)+Kda•lg(Cw/Cmf)=Ks•lg(Cw/Cmf)Ks=Kd+Kda

Ks---总扩散、扩散吸附电动势系数;Es-井内自然电动势二、扩散作用在井内形成总电动势及电位分析电法测井自然电位测井第10页电流线及电位在井中分布。电流流向为泥岩→泥浆→砂岩→泥岩。在回路中相关参数为Ed、Eda电法测井自然电位测井第11页

2、电位分布二、扩散作用在井内形成总电动势及电位分析电法测井自然电位测井第12页

进行自然电位测井时，将测量电极N放在地面，M电极用电缆送至井下，提升M电极沿井轴测量自然电位随井深改变曲线，该曲线叫自然电位曲线（常称之为SP曲线)。实际测井时是与普通电阻率测井同时进行，其测量原理电路见图，M电极是普通电阻率测井(亦叫视电阻率测井)和自然电位测井公用测量电极，视电阻率测井时由供电电极供电所形成人工电场是低频脉动直流场，而自然电场是直流场，这么只要在视电阻率测量道上加一个隔直元件C，阻隔自然电位进入该道而不受干扰，同时在自然电位测量道上加一个隔交元件L，它只允许自然电场直流电位信号经过，而阻断了研究视电阻率脉动直流电场信号干扰。使M电极同时接收到两个场电位信号，互不干扰。单独进行自然电位测井是极少。二、扩散作用在井内形成总电动势及电位分析电法测井自然电位测井第13页

由自然电场分布特征能够看出在砂岩和泥岩交界处自然电位有显著改变，改变幅度与Ed和Eda相关。在相当厚纯砂岩和纯泥岩交界面附近自然电位改变最大。它是产生自然电场总电动势E总：式中K为自然电位系数。通常把二、扩散作用在井内形成总电动势及电位分析电法测井自然电位测井第14页

通常把E总叫作静自然电位记作SSP。此时Ed幅度称砂岩线，Eda幅度叫泥岩线。实际测井中以泥岩线作自然电位测井曲线基线(即零线)，在180C时纯砂岩层处SSP=-69.6LgRm／Rw。井中巨厚纯砂岩层井段自然电位幅度近似认为是SSP。静自然电位改变范围在含淡水岩层+50mV到含高矿化度盐水岩层-200mV之间。二、扩散作用在井内形成总电动势及电位分析电法测井自然电位测井第15页1.曲线特征(1)异常幅度及其定量计算。

异常幅度、自然电位泥岩基线概念Es=I(rs+rt+rm)Usp=I•rm

=Es-I(rs+rt)=Es/(I+(rs+rt)/rm)含水纯砂岩处Usp=SSP三、自然电位测井曲线特征及影响原因电法测井自然电位测井第16页(2)曲线特征三、自然电位测井曲线特征及影响原因a.曲线对地层中点对称，地层中点处异常值最大；b.厚地层（h＞4d）自然电位曲线幅度ΔUsp近似等于SSP，曲线半幅值点深度正对应着地层界面，所以可用半幅点法确定地层界面；c.随地层厚度变小，自然电位曲线幅度ΔUsp下降，，曲线顶部变尖，底部变宽，ΔUsp小于SSP，而且界面位置离开半幅值点向曲线峰值移动。电法测井自然电位测井第17页三、自然电位测井曲线特征及影响原因使用自然电位测井曲线时应注意几个问题：⑴自然电位测井曲线没有绝对零点，而是以泥岩井段自然电位幅度作基线，曲线上方标有带极性符号横向百分比尺，它与曲线相对位置，不影响自然电位幅度读数。⑵自然电位幅度ΔUsp读数是基线到曲线极大值之间宽度所代表毫伏数。⑶在砂泥岩剖面井中，普通为淡水泥浆钻进(Cw>Cmf)，在砂岩渗透层井段自然电位曲线出现显著负异常；在盐水泥浆井中(Cw<Cmf)，则渗透层井段出现正异常，这是识别渗透层主要特征。电法测井自然电位测井第18页2、影响原因三、自然电位测井曲线特征及影响原因上述已经提及，在自然电位曲线上有异常出现地方，该异常相对于泥岩基线最大偏转，称自然电位异常幅度。自然电位异常幅度大小与许多原因相关，可依据自然电流回路等效电路对此进行分析。在井内测得自然电位降落仅仅是自然电动势一部分(该电动势另外两部分电位降落分别产生在岩层及其围岩之中)，它数值及曲线特点主要决定于造成自然电场总电动势Es及自然电流分布。Es大小取决于岩性、地层温度、地层水和泥浆中所含离子成份以及泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。自然电流I分布则决定于流经路径中介质电阻率及地层厚度和井径大小。电法测井自然电位测井第19页A、地层温度影响

三、自然电位测井曲线特征及影响原因

从扩散和吸附电动势产生，我们能够看出，Kd和Ka与温度相关，所以一样岩层，因为埋藏深度不一样，其温度不一样，也就造成Kd和Ka值有差异，这就造成了一样岩性岩层，因为埋藏深度不一样，产生自然电位曲线幅度有差异。

通常绝对温度T与Kd和Ka成正比关系，这可从离子活动性来解释。为了研究温度对自然电位影响程度，常需计算出地层温度条件下Kd和Ka值。为计算方便，先计算出18℃时Kd和Ka值，然后用下式可计算出任何地层温度t℃Kd值。式中Kd|t=18℃为温度为18℃时扩散电动势系数；t为地层温度。Ka温度换算公式与Kd形式相同。电法测井自然电位测井第20页B、地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值影响三、自然电位测井曲线特征及影响原因

ΔUsp主要取决于自然电场总电动势SSP。显然，ΔUsp与SSP成正比，而SSP大小取决于岩性和Cw／Cmf。所以，在一定范围内，Cw和Cmf差异大，造成自然电场电动势高，曲线改变显著。电法测井自然电位测井第21页C、地层水和泥浆滤液中含盐性质影响三、自然电位测井曲线特征及影响原因地层水和泥浆滤液内所含盐类不一样，则溶液中所含离子不一样，离子价也不一样。因为不一样离子离子价和迁移率都有差异，直接影响Kd和Ka大小，因而也就影响了Es数值。在纯砂岩井段，溶液中所含化学成份改变时，扩散电动势系数Kd也随之改变，造成自然电场电动势也随之改变，参见电法测井自然电位测井第22页D、井影响（包含井径和泥浆电阻率）三、自然电位测井曲线特征及影响原因如上所述，自然电位异常幅度实际是自然电流在其所经过泥浆柱上最大电位降落。所以井径对自然电位异常幅度有显著影响，其影响程度可经过来分析。井径扩大，使井眼截面积增大，则泥浆柱电阻rm减小，从而造成ΔUsp降低。井内泥浆电阻率减小，一样使泥浆柱电阻rm减小，造成ΔUsp降低。也能够这么考虑，rm减小，使得rm在整个电流回路上分流作用减弱，也就是Irm变小，自然也就有ΔUsp降低。所以在盐水泥浆井中自然电位曲线改变不显著。电法测井自然电位测井第23页E、目标层影响（包含厚度和电阻率）三、自然电位测井曲线特征及影响原因岩层厚度变薄，或者岩层电阻率增高，自然电位异常幅度均降低。这是因为岩层厚度变薄时，电流所经过岩层部分横截面积减小，该部分等效电阻rsd增加；而当岩层厚度一定，岩层本身电阻率增大时，rsd也增加。于是，由上式可知，地层电阻率越高则ΔUsp越低，所以这两个原因均使自然电位异常幅度降低。据此不难知道，在岩层厚度、岩性和地层水矿化度等条件均相同含水层同含油、气层相比，电阻率较高含油、气层自然电位异常幅度要比含水层自然电位异常幅度低。依据这一特点能够用自然电位幅度差异定性地分辨油、水层。电法测井自然电位测井第24页F、围岩影响（包含厚度和电阻率）三、自然电位测井曲线特征及影响原因泥岩层电阻率值及其厚度对自然电位异常幅度也有一定影响。因为这两个参数决定着自然电流回路等效电阻rsh数值。泥岩层电阻率越高或岩层厚度越薄，rsh增高，自然电位异常幅度会降低。但通常泥岩电阻率都比较低，自然电流在其中所产生电位降落较小，尤其是当泥岩层厚度较大时，泥岩层这两个原因对自然电位异常幅度影响并不十分显著。电法测井自然电位测井第25页G、岩性影响三、自然电位测井曲线特征及影响原因以上讨论都是假定岩层及其围岩是纯岩石情况。当夹于纯泥岩层中砂岩内含有泥质时，显然，对着砂岩层处，地层水与泥浆之间扩散就与前述情况不一样。因为组成泥质粘土颗粒含有离子选择薄膜特征，所以，存在于砂岩中泥质对溶液直接扩散产生了一个附加影响。使得砂岩层与井之间除了产生扩散电动势之外，还产生一个附加吸附电动势。而这两种电动势极性是相反，它们部分抵消结果，会使得对着砂岩层处扩散电动势数值同岩石不含泥质时相比有所降低，从而使总电动势也降低。电动势降低程度，与岩石中含泥质多少相关。显然，岩石含泥质越多，产生附加吸附电动势就强，总电动势降低也越大；反之，就越小。电法测井自然电位测井第26页G、岩性影响三、自然电位测井曲线特征及影响原因

据此不难推论，在条件相同情况下，纯砂岩自然电位异常幅度要比泥质岩石异常幅度大，而且伴随砂岩中泥质含量增加，自然电位异常幅度会随之减小。所以，依据砂岩层上自然电位异常幅度大小，能够定量预计地层泥质含量，和定性判断地层渗透性好坏。依据一样道理，当泥岩层岩性不纯时，对着该层自然电位曲线将偏离泥岩基线。泥岩层中含砂质(或石灰质、白云质)越多，这种偏离会愈加显著。可见，含泥质砂岩和含砂质泥岩，其自然电位异常幅度界于曲线上纯砂岩线与纯泥岩线之间。电法测井自然电位测井第27页四、自然电位测井曲线应用

在判断岩性、划分渗透层;计算地层水电阻率;预计泥质含量;判断水淹层;地层对比等项工作中，当前广泛使用自然电位测井资料。电法测井自然电位测井第28页四、地质应用

1、判断岩性，区分渗透层

泥岩：基线附近；砂岩：异常幅值和正负反应岩石渗透性好坏和泥浆性能；纯水砂岩：Usp=SSP含油后Usp幅值下降，因为电阻率增大碳酸岩：储集层与非储集层岩性相同，自然电位曲线区分不开。其幅值大小只反应泥质含量高低。岩盐、膏岩：无渗透性，因而自然电位无异常显示；电法测井自然电位测井第29页砂泥岩剖面碳酸岩剖面电法测井自然电位测井第30页四、地质应用

另外，自然电位异常幅度还可用来判断砂岩渗透层孔隙中所合流体性质。普通含水砂岩自然电位幅度ΔUsp比含油砂岩自然电位幅度ΔUsp要高，据此可判断油水层。如图，同一砂岩层中,上部含油下部含水时，自然电位曲线上表明了上述结论。电法测井自然电位测井第31页四、地质应用2、估算泥质含量Vsh（1）泥质系数法厚层纯水层砂岩SSP厚层含泥质砂岩层PSP泥质系数а=PSP/SSPVsh=1-а（2）经验公式法

SHP1=(SP-SBL+SSP)/SSPSP-自然电位读值SBL-自然电位基线值SHP=(2c*SHP1-1)/(2c-1)C-系数，对于老地层，其值为2，新地层为3电法测井自然电位测井第32页3、确定地层水电阻率Rw方法四、地质应用在评价油气储集层时，含油气饱和度是一个非常主要参数，而要确定含油饱和度So，则必须知道地层水电阻率Rw。用自然电位测井资料确定地层水电阻率是惯用方法之一。其方法是：选择剖面中较厚饱含水纯净砂岩层，读出该层自然电位异常幅度ΔUsp，并依据泥浆资料确定泥浆滤液电阻率Rmf，然后依据下式即可确定出Rw。

这对于低矿化度地层水和泥浆滤液来说，所得到Rw是正确。电法测井自然电位测井第33页3、确定地层水电阻率Rw方法四、地质应用但当上述溶液矿化度较高时，因为矿化度与溶液电阻率不是线性关系，假如仍用上式确定Rw，则会有一定误差。为此引入“等效电阻率”概念，即不论溶液矿化度范围，溶液等效电阻率和溶液矿化度总是保持线性关系，即

式中Rmfe为泥浆滤液等效电阻率；Rwe为地层水等效电阻率。该式适合用于任何矿化度溶液，但求出结果是地层水等效电阻率Rwe，然后再用SP-2图版求出Rw。电法测井自然电位测井第34页四、地质应用电法测井自然电位测井第35页3、确定地层水电阻率Rw方法和步骤四、地质应用

(1)确定含水层静自然电位值SSP选择厚砂岩水层，此时，rsd和rsh均趋于零，能够直接读出该含水层自然电位幅度值ΔUsp近似作为SSP使用。不然，需对ΔUsp进行厚度、电阻率和侵入情况校正。

电法测井自然电位测井第36页四、地质应用电法测井自然电位测井第37页3、确定地层水电阻率Rw方法和步骤四、地质应用(2)确定Rmfe为确定Rmfe，需要知道地层温度t和地层温度下泥浆电阻率Rmt，确定方法以下：①确定地层温度t，已知解释目标层深度后，则用已知地温梯度公式来确定地层温度.电法测井自然电位测井第38页四、地质应用电法测井自然电位测井第39页四、地质应用

②确定地层温度下泥浆电阻率Rmt首先在测井曲线图头上查出18℃时泥浆电阻率Rm18℃值；然后换算为Rmt，或者经过转换方法得到，转换是经过“NaCl溶液电阻率与其浓度和温度关系图版”。电法测井自然电位测井第40页电法测井自然电位测井第41页四、地质应用③确定Rmf由Rmt和泥浆密度（普通可由测井图头上查得）用“预计Rmf和Rmc图版”确定Rmf。或经过近似式Rmf＝0.75Rmt计算。电法测井自然电位测井第42页四、地质应用

④确定Rmfe假如溶液中仅有NaCl且温度为24℃（75）时若Rmf＞0.1Ω.m，则依据经验取Rmfe＝0.85Rmf；若Rmf＜0.1Ω.m(矿化度较高)，则需要用下列图，由Rmf确定Rmfe。电法测井自然电位测井第43页四、地质应用(3)确定Rw值首先经过SP-l图版，由SSP和Rmfe确定出等效地层水电阻率Rwe，然后经过SP-2图版由Rwe确定地层水电阻率Rw。SP-1图版是一组曲线号码为温度Rmfe/Rwe与SSP关系曲线。先由横坐标SSP与已知地层温度曲线相交，得到交点纵坐标x，则。在已知Rwe情况下，由SP-2图版即可确定地层水电阻率Rw。电法测井自然电位测井第44页3、确定地层水电阻率Rw方法和步骤四、地质应用电法测井自然电位测井第45页四、地质应用另外也能够经过计算方法来确定地层水电阻率，其方法以下：利用自然电位基本方程式

在该式中，SSP和Rmfe经过上述方法确定，而扩散吸附电动势系数能够经过式来计算

式中K|t=18℃为温度为18℃时扩散电动势系数，对于NaCl溶液而言，其大小为69.6mv；t为地层温度。故此式中未知数仅Rwe一个，所以能够计算出Rwe，然后经过SP-2得到地层水电阻率。电法测井自然电位测井第46页四、地质应用对于砂泥岩剖面，由自然电位曲线大多能够求得较准确Rw值。但在有些情况下，如非NaCl盐类存在，自然电位基线偏移或Rw在井剖面上改变不定时应尤其小心。用自然电位曲线求Rw，必须是厚度较大含水纯砂岩层，若储集层含泥质，将使得所求Rw偏高(Rw／Rmf时)；若储集层含钙质，可能使Rw偏低。电法测井自然电位测井第47页四、地质应用4、判断水淹层在油田开发过程中，常采取注水方法提升采收率，因为注水驱油或是边水推进，假如储层见到了注入水或边水，则该层叫水淹层。储集层被水淹部位决定于岩层各部分渗透性，普通规律是渗透性好部分首先被水淹，利用测井资料判断水淹层位及预计水淹程度已是检验注水效果主要方法。水淹层在自然电位曲线上显示特点较多，在工作时，要依据每个地域实际情况进行分析。对部分水淹层（油层底部或顶部见水），自然电位曲线基线在该层上下发生偏移，出现台阶，这是一个比较普遍现象，这是因为注入水与油田水矿化度不一样造成。电法测井自然电位测井第48页四、地质应用(五个方面)

4、判断水淹；如图中展示了水淹层测井曲线，在自然电位测井曲线上，下部基线偏移，偏移量ΔEsp＝30mv属高含水层，经射孔后得知含水率到达99％。四、地质应用电法测井自然电位测井第49页四、地质应用(五个方面)

4、判断水淹四、地质应用水淹层在自然电位曲线上出现基线偏移是因为注入水矿化度C注界于地层水和泥浆滤液矿化度之间，即Cw＞C注＞Cmf。电法测井自然电位测井第50页四、地质应用电法测井自然电位测井第51页四、地质应用电法测井自然电位测井第52页叙述测井基本概念以及测井技术特点叙述测井技术可分为哪几类？SP法划分岩层界面、确定渗透层简述扩散电动势和吸附电动势产生过程。在什么条件下，自然电位异常异常幅度非常靠近于静自然电位？为何？用自然电位曲线计算泥质含量依据？自然电位曲线上，在地质条件完全一致情况下，油气层与水层差异是什么？思索题电法测井自然电位测井第53页二、标准测井

对一个区域，为了研究地质剖面、结构形态、岩性和岩相改变，选择一到二个电极系作为标准电极系，与自然电位SP，井径等测量方法，组成测井系列，在全区全部井中，用相同深度百分比尺和横向百分比尺对全井进行测量，这就是所谓标准测井或标准电测。选择标准：测量结果能清楚划分当地域地质剖面上各种岩层。目标：测量视电阻率应尽可能靠近地层真电阻率。矛盾结合体：选择中长电极距电极系。处理地责问题：1.确定地层深度和厚度；2.判断岩性、划分渗透层；3.初步判断油、气、水位置；4.地层对比电法测井自然电位测井第54页电法测井自然电位测井第55页电法测井自然电位测井第56页1．标准电极系选择1)在视电阻率曲线上，能清楚地划分地质剖面上各种岩层，并准确地确定其界面2)测量视电阻率，尽可能地靠近岩层真电阻率。普通砂泥岩剖面中，多项选择择底部梯度电极系，能清楚反应高阻薄层电阻率改变特征，并依据极大值，准确确定出油水界面。普通确定由试验而出，因为它要考虑岩层厚度、井径、泥浆电阻率大小等原因影响。2．标准测井应用两个方面：绘制单井综合录井和作井间地层对比(1)绘制录井图地质时代、层序、岩性、地层深度、厚度、含油气性、结构形态及岩相改变，综合录井图上标准测井曲线用来1)确定岩层厚度及埋藏深度Ra极大值，SP幅点，泥岩扩径处等2)确定岩性：了解一个地域岩性与电测曲线之间关系3)确定解释目层位，作曲线对比(如划分油、气水层)如：在砂泥岩剖面上，油气水层均为渗透层。SP负异常、井径小于钻头直径。据此划分出渗透层，普通油层高阻比水层电阻率高，据视电阻率曲线大致划分出油水层。电法测井自然电位测井第57页(2)作地层对比、确定结构形态岩相改变经过地层对比能够确定地层在空间分布情况，岩性改变规律，结构展布等，从而找出油、气聚集有利地域，预测钻探目标层深度及作钻井地质预告等。