第一章 自然电位测井

第一章自然电位测井早期的电阻率测井过程中，常发现在供电电极不供电时，仍可在井中测量到电位变化。经研究表明这个电位是在钻开岩层后，在井壁附近发生一系列电化学活动的结果，为了与人为供电造成的人工电场相区别，称其自然电场。自然电场的分布和岩性有密切的关系，因此，通过研究井眼内自然电场的电位变化即可反应井壁岩性。这种测井方法叫自然电位测井自然电位具有方法简单、实用性高等特点，是划分岩性和储集层性质、求取测井参数以及其他地质应用不可缺少的基本方法之一第一节自然电位的产生第二节自然电位测井曲线的特征第三节自然电位测井曲线的影响因素第四节自然电位测井曲线的应用第一章自然电位测井第一节自然电位的产生由于泥浆和地层水的矿化度不同，在钻开岩层后，井壁附近两种不同矿化度的溶液接触产生电化学过程，结果产生电动势形成自然电场。在石油井中自然电场主要是由扩散电动势和扩散吸附电动势组成泥浆：钻井时，在井内流动的介质。泥浆滤液：在一定压差下，进入到井壁地层孔隙内的泥浆。地层水：地层孔隙内的水。矿化度：溶液含盐的浓度。溶质重量与溶液重量之比。离子扩散：两种不同浓度的盐溶液接触时，在渗透压的作用下高浓度溶液中的离子，穿过渗透性的隔膜迁移到低浓度一、扩散电动势当两种不同浓度的溶液被半透膜隔开，离子在渗透压作用下，高浓度溶液的离子将穿过半透膜向较低浓度的溶液中移动。这种现象叫扩散现象，形成的电位叫扩散电位.扩散电位产生的条件：1、泥浆和地层水的矿化度不同2、井壁地层具有渗透性3、正、负离子的迁移速率不同第一节自然电位的产生扩散电动势可由Nernst方程计算：其中：R——克分子气体常数，8.313J/k；T——绝对温度，K；T=273+toCF——Farady常数，96520C/equiv；Cw、Cm——两种溶液的矿化度；U、v——正、负离子的迁移率Z+、Z-——正、负离子的离子价n+、n-——每个分子离解后形成的正离子数和负离子数一、扩散电位第一节自然电位的产生在砂泥岩剖面井中的纯砂岩段，在井壁附近产生的扩散电动势可表示为：一、扩散电位第一节自然电位的产生在井中，18℃时若地层水浓度Cw等于10倍的泥浆溶液矿化度Cmf时，经理论推算：kd=-11.6mv，其中负号表示低度一方井中的电位低一、扩散电位NaCl第一节自然电位的产生产生条件：1、泥浆和地层水的矿化度不同；2、井壁地层具有一定的渗透性；3、地层颗粒对不同极性的离子具有不同的吸附性。组成泥岩的粘土，其结晶构造和化学性质只允许阳离子通过泥岩扩散，而吸附带负电的阴离子，这样当Cw>Cm时，对着泥岩的井眼中建立了正电位二、扩散吸附电位第一节自然电位的产生二、扩散吸附电位扩散吸附电位产生示意图第一节自然电位的产生二、扩散吸附电位当泥浆和地层水矿化度都较低时，上式可写为第一节自然电位的产生NaCl第一节自然电位的产生电流线及电位在井中的分布。电流流向为泥岩→泥浆→砂岩→泥岩。在回路中有关参数为Ed、Eda砂岩泥岩Cw>CmfEs=Ed+Eda=Kd•lg(Cw/Cmf)+Kda•lg(Cw/Cmf)=Ks•lg(Cw/Cmf)Ks=Kd+KdaKs---总的扩散、扩散吸附电动势系数;Es-井内自然电动势泥岩

由自然电场分布特征可以看出在砂岩和泥岩交界处自然电位有明显的变化，变化的幅度与Ed和Eda有关。在相当厚的纯砂岩和纯泥岩交界面附近的自然电位变化最大。它是产生自然电场的总电动势E总：式中K为自然电位系数。通常把异常幅度及其定量计算。

异常幅度、自然电位泥岩基线概念SSP=I(rsd+rsh+rm)Usp=I•rm

=SSP*rm/(rsd+rm+rsh)巨厚含水纯砂岩处Usp=SSP

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的变化曲线，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的测量电极，视电阻率测井时由供电电极供电所形成的人工电场是低频脉动直流场，而自然电场是直流场，这样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，它只允许自然电场的直流电位信号通过，而阻断了研究视电阻率的脉动直流电场的信号干扰。使M电极同时接收到的两个场的电位信号，互不干扰。单独进行自然电位测井是极少的。第一节自然电位的产生第二节自然电位测井曲线的特征1、泥岩基线：均质、巨厚的泥岩对应的自然电位曲线。2、最大静自然电位SSP：均质、巨厚的完全含水的纯砂岩层的自然电位读数与泥岩基线读数之差3、比例尺：SP曲线的图头上标有的线性比例尺，用于计算非泥岩层与泥岩基线间的自然电位差4、异常：指相对泥岩基线而言，渗透性地层的SP曲线的位置。负异常：（CW>Cmf)淡水泥浆正异常：（CW<Cmf）盐水泥浆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）的自然电位曲线幅度ΔUsp近似等于地层实际值，曲线的半幅值点深度正对应着地层界面，因此可用半幅点法确定地层界面；c.随地层厚度的变小，自然电位曲线幅度下降，，曲线顶部变尖，底部变宽，半幅点向围岩方向移动。第二节自然电位测井曲线的特征第三节自然电位测井曲线的影响因素一、地层水和泥浆滤液含盐浓度的比值地层水和泥浆滤液含盐浓度的差异，是产生扩散电动势及扩散吸附电动势的基本原因，差异越大,Ed和Eda越大，产生的电场越强，测井值越高；差异越小，Ed和Eda越小，产生的电场越弱，测井值越低。比值大于1，在渗透性层段出线负异常；比值小于1，在渗透性层段出现正异常。二、岩性随地层泥质含量的增加，SP曲线异常幅度减小。三、地层温度由于Kd及Kda与绝对温度成正比，因此地层温度的高低将会影响Kd及Kda大小，进而影响Ed及Eda的大小。四、地层水及泥浆滤液中含盐性质地层水及泥浆滤液所含盐分不同，则溶液中所含离子不同，不同离子的离子价及迁移速度率不同，这将影响Kd及Kda的大小.五、地层的导电性地层导电性差，测量回路的电流小，在井内泥浆第三节自然电位测井曲线的影响因素柱上产生的压差小，测量值低USP=SSP*rm/(rm+rsd+rsh）其中：SSP-最大静自然电位；rm-井内泥浆的等效电阻；rsd-砂岩等效电阻；rsh泥岩等效电阻六、地层厚度地层厚度减小，围岩影响增加，测量值与实际值差距加大七、井径扩大和侵入的影响井径扩大，造成泥浆柱的电阻减小，压差降低；泥浆侵入，使得测量电极M与测量源之间距离增加，M值减小第三节自然电位测井曲线的影响因素第四节自然电位测井曲线地质应用自然电位曲线主要应用于判断岩性、井间地层对比、划分渗透层、确定地层水电阻率、计算地层泥质含量及确定水淹层等。一、划分渗透层在砂泥岩剖面，自然电位测井曲线以均质泥岩段的自然电位曲线为基线，出现异常的层段（偏离基线）均可认为是渗透层段。在淡水泥浆井，渗透层段出现负异常，在盐水泥浆中，渗透层段出现正异常。自然电位曲线主要应用于判断岩性、井间地层对比、划分渗透层、确定地层水电阻率、计算地层泥质含量及确定水淹层等。一、划分渗透层泥岩：基线附近；砂岩：异常幅值和正负反映岩石渗透性好坏和泥浆的性能；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。其幅值大小只反映泥质含量的高低。岩盐、膏岩：无渗透性，因而自然电位无异常显示；第四节自然电位测井曲线地质应用砂泥岩剖面碳酸岩剖面第四节自然电位测井曲线地质应用第四节自然电位测井曲线地质应用二、确定地层泥质含量泥质：地层中细粉砂岩和湿粘土的混合物叫泥质。泥质含量：泥质体积占地层体积的百分比。主要方法：图版法和公式法两种方法图版法1）测定泥质砂岩的泥质含量；2）确定泥质地层的自然电位幅度；3）对其自然电位幅度进行岩层厚度及孔隙流体校正；4）绘制泥质含量与自然电位幅度的关系曲线第四节自然电位测井曲线地质应用二、确定泥质含量公式法根据泥质地层的自然电位幅度与泥质含量的关系，应用下式计算地层的泥质含量：Vsh=1-PSP/SSP其中，PSP为泥质砂岩的自然电位幅度SSP为本区含水纯砂岩的静自然电位三、确定地层水电阻率Rw地层水电阻率在评价储层流体性质方面占有相当重要的位置。用自然电位确定Rw的依据为：SSP=Klg（Rmfe/Rwe）其中：K=Kd–Kda，Rmfe、Rwe为泥浆滤液及地层水等效电阻率第四节自然电位测井曲线地质应用过程如下：1、确定完全含水纯地层的井自然电位SSP，Usph/dRtRmRs查图版；2、确定泥浆滤液等效电阻率Rmfe：1）确定地层温度：t=t0+dt×h其中：t0：地表温度；dt：地温梯度；h：地层深度

2）.地层温度下泥浆电阻率计算Rm=Rm18/(1+a(t-18))a=0.0213）确定地层温度下的泥浆电阻率Rm及泥浆滤液RmfRmf=0.75Rm3、确定地层水电阻率Rw第四节自然电位测井曲线地质应用四、自然电位测井曲线地质应用四、判断水淹层水淹层：含有注入水的油层，称之为水淹层判断条件：当注入水与原地层水及钻井液的矿化度互不相同时，与水淹层相邻的泥岩层的基线出现偏移，△Esp= Kdlg(Rzhu/RW)其中：Rzhu：注入水的电阻率统计资料表明：△Esp>8mv为高含水5mv<△Esp<8mv为中含水；△Esp<5mv可能为低水淹或岩性变化所致四、自然电位测井曲线地质应用五、沉积环境分析五、小结一、自然电位产生的机理1、地层水矿化度（Cw）不同于钻井液矿化度（Cm）；2、盐溶液中的不同离子迁移速度不同；

3、地层中泥质颗粒对不同性质的离子具有不同的吸附性；4、井壁地层具有一定的渗透性；二、自然电位曲线的特点：1、泥岩基线：均质、巨厚的泥岩地层对应的自然电位曲线。2、最大静自然电位SSP：均质、巨厚的完全含水的纯砂岩的自然电位读数与泥岩基线读数之差。3、比例尺：SP曲线图头上标有的线性比例尺，用于计算非泥岩层与泥岩基线间的自然电位差五、小结4、异常：指相对泥岩基线而言，渗透性地层的SP曲线的位置。1）负异常：在砂泥岩剖面井中，当CW>Cmf（淡水泥浆）时，渗透性地层的SP曲线位于泥岩基线的左侧；2）正异常：在砂泥岩剖面井中，当Cw<Cmf（盐水泥浆）时，渗透性地层的SP曲线位于泥岩基线的右侧。5、曲线形态特征：1）曲线关于地层中点对称；