地球物理测井-第一章第四节自然电位测井

地球物理测井-第一章第四节自然电位测井第一页，共36页。第一章自然电位测井主要内容前言第一节自然电场产生的原因第二节自然电位测井曲线SP第三节影响SP曲线的因素第四节SP曲线的应用2第二页，共36页。前言■一、自然电位测井SP1928年，斯伦贝谢发现，井中电极与放在远处的参考电极之间有电位差，且该电位差随地层而变化。当地层中没有外加电流时，通过仪器测量井眼内自然电场中电位随井深变化的测井方法。只能用于导电泥浆的井中。3第三页，共36页。前言■二、自然电场的特点SP曲线自然电场的分布和岩性有密切的关系，特别是在砂/泥岩剖面中能够以明显的曲线异常变化来显示渗透性地层。因此，研究井眼内自然电场中的电位变化即可反映井眼穿过地层的特征。自然电位现象：（1）自然电位与岩性有关；（2）自然电位与泥浆及地层水矿化度有关；第四页，共36页。前言■三、

自然电位测井的特点自然电位测井储层自然电位测井具有测量方法简单、实用价值高等特点，是划分岩性、研究储集层性质、求取泥质含量参数以及其它地质应用的基本方法之一。钻井时，为了安全并且能获取全面的测井资料，一般使泥浆柱压力稍大于地层压力，并且很多情况下使用淡水泥浆（泥浆的矿化度Cm<地层水的矿化度Cw）。■四、矿化度的概念定义（矿化度）：溶液的盐浓度，早期用ppm表示，意为partpermillion，即百万分之一，相当于1kg溶液中有若干mg盐（mg/kg）。目前按法定计量单位为mg/L。5第五页，共36页。前言■五、

离子迁移率（温度18℃时几种离子迁移率）Na＋：4.35m2/mol；Cl－：6.55m2/mol.6第六页，共36页。第一节自然电场产生的原因由于泥浆和地层水的矿化度不同，在钻开岩层后，在井壁附近两种不同矿化度的溶液接触产生电化学过程，结果产生电动势造成自然电场。在油井中的自然电场一般是由地层和泥浆间发生的电化学作用和动电学作用产生的，所产生的电动势分别称为电化学电动势和动电学电动势。电化学电动势Ec（ElectrochemicalcomponentoftheSP）包括扩散电动势，吸附电动势和氧化还原电动势；动电学电动势Ek（ElectrokineticcomponentoftheSP）主要是过滤电动势。7第七页，共36页。8第一节自然电场产生的原因一、电化学电动势■1.吸附电动势又称泥岩薄膜电位

（MembranePotential）泥质半渗透隔板吸附电位形成实验泥岩隔膜产生的条件：1.泥浆和地层水矿化度不同；2.井壁地层有渗透性；3.地层颗粒对不同极性离子有不同吸附性泥岩的性质：从电位的形成来看，负离子不能移动，好像岩石具有选择吸附性，于是把这种电位叫做吸附电位，用Ea表示。离子交换作用第八页，共36页。9第一节自然电场产生的原因一、电化学电动势■1.吸附电动势又称泥岩薄膜电位

（MembranePotential）也有人称之为薄膜电位，因为泥岩好像一个离子选择薄膜，只让正离子通过。低浓度高浓度低浓度高浓度泥岩当溶液矿化度低或中等时，可表示为：KaKaKaKaKaKa当溶液矿化度低或中等时，可表示为：KaKaKa当溶液矿化度低或中等时，可表示为：KaKaKa当溶液矿化度低或中等时，可表示为：第九页，共36页。10第一节自然电场产生的原因一、电化学电动势

实际钻井中，泥浆的矿化度一般比地层水低，即aw大于amf。地层中的Na+和Cl-离子要向井筒内迁移，在不同岩性的地层，有不同的情况：■1.吸附电动势又称泥岩薄膜电位

（MembranePotential）1、砂岩地层，Na+和Cl-同时迁移，由于Cl-

迁移快，在井筒中形成富集。2、泥岩地层，由于泥岩的阳离子交换作用，

使得Na+迁移到井筒中富集。上述作用形成的电场为吸附电位。第十页，共36页。第一节自然电场产生的原因一、电化学电动势■2.扩散电动势又称流体接触电动势

（DiffusionPotential）扩散电动势形成示意图两种浓度不同的溶液，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。半渗透薄膜

扩散电动势形成条件：

1.泥浆和地层水矿化度不同；2.地层有渗透性；3.离子迁移率不同。11第十一页，共36页。第一节自然电场产生的原因在渗透性砂岩中，若地层水矿化度大于泥浆滤液矿化度，则地层中的钠离子Na＋与氯离子Cl－将向泥浆滤液中扩散。一、电化学电动势■2.扩散电动势又称流体接触电动势

（DiffusionPotential）低浓度低浓度高浓度高浓度氯离子Cl－迁移速度比钠离子Na＋快，浓度大的一边正离子多。12第十二页，共36页。第一节自然电场产生的原因一、电化学电动势■2.扩散电动势又称流体接触电动势

（DiffusionPotential）在动态平衡的情况下，接触面就有稳定的扩散电动势。当溶液矿化度低或中等时，可表示为：13第十三页，共36页。14第一节自然电场产生的原因一、电化学电动势■3.氧化还原电动势

当金属与溶液接触时，金属会得到或者失去电子而带电，从而与溶液一起形成电动势。

金属矿层、煤层的自然电位形成原理石油勘探开发中不予考虑第十四页，共36页。第一节自然电场产生的原因二、动电学电动势（又称过滤电势）在钻井过程中，一般泥浆柱压力略大于地层压力，如果地层具有一定的渗透性，泥浆滤液将通过井壁流入地层孔道。由于岩石中存在双电层，过滤液体中正离子较多，在压力差的作用下，有较多的正离子随着泥浆滤液进入地层，于是在地层内便多余正电量而带正电，泥浆中带负电，产生负的过滤电势。书P4115第十五页，共36页。一般可忽略

KlKlKlKl第一节自然电场产生的原因第十六页，共36页。三、油井中的自然电场－总电动势在油井中由于动电学作用和电化学作用产生了三种电位（电动势）：过滤电动势：吸附电动势：扩散电动势：其中，Ek产生的前提条件是ΔP≠0。通常情况下，ΔP很小，所以Ek很小(可忽略)，所以油井中的自然电位主要是由扩散作用和吸附作用所产生的。注意：扩散电位和吸附电位产生的重要条件是：Cw≠Cmf。第一节自然电场产生的原因17第十七页，共36页。18第一节自然电场产生的原因扩散电动势与吸附电动势之和，可表示为：三、油井中的自然电场－总电动势书P43Kda——扩散吸附电动势系数；对NaCl而言，Kda=70.7mV书P43第十八页，共36页。第二节自然电位测井曲线SP一、自然电位测井进行自然电位测井时，将电极N放在地面，电极M用电缆送至井下，沿井轴提升电极M测量自然电位随井深的变化，所记录的自然电位随井深变化的曲线叫自然电位测井曲线（常称之为SP曲线）。19第十九页，共36页。二、关于SP曲线的几个相关概念第二节自然电位测井曲线SP■1.自然电位的基线：Cw>CmfP45纯砂岩层自然电位——SSP静自然电位20第二十页，共36页。三、SP曲线特征第二节自然电位测井曲线SP根据砂岩地层模型，上、下围岩（泥岩）足够厚。对不同厚度的砂岩目的层进行理论计算，得到一系列自然电位理论曲线。特点：1）曲线关于地层中点对称，地层中点处异常值最大；2）地层越厚，SP越接近于SSP，地层厚度变小，SP下降，且曲线顶部变尖，底部变宽，SP<<SSP;3）当h>4d时，SP的半幅点对应地层的界面，因此较厚地层可用半幅点法确定地层界面，地层变薄时，不能用半幅点法分层。21第二十一页，共36页。第三节影响SP曲线的因素在石油钻井的砂泥岩剖面中，自然电位的幅度和特点主要决定于造成自然电场的静自然电位SSP，并且受自然电流I分布的影响。SSP的大小取决于岩性、地层温度、地层水和钻井液中所含离子成分和钻井液滤液电阻率与地层水电阻率之比；而自然电场中自然电流

I

的分布则决定于流经路径中介质的电阻率及地层的厚度和井径的大小。这些因素对自然电位幅度SP及曲线形状均有影响，但影响的主次存在差异。1．温度的影响2.岩性的影响

3．电解质成分的影响4.地层水和钻井液滤波中含盐浓度比值（Cw／Cmf）的影响5.地层厚度的影响6.地层电阻率的影响7．井径扩大和钻井液侵入的影响自然电流通过钻井液电阻上的电位降22第二十二页，共36页。第三节影响SP曲线的因素一、温度的影响温度变化导致电动势系数变化。Kda二、岩性的影响在砂泥岩剖面井中，通常以大段泥岩处的SP曲线作基线，在自然电位曲线上出现异常变化的多为砂质岩层。当目的层为纯砂岩时，其与围岩交界处的SSP达到最大值SSPmax。当目的层含有泥质(其他条件不变)时，SP降低，因而曲线异常的幅度也减小。此外，当剖面上有部分泥岩的阳离子交换能力减弱时，渗透层的自然电位异常幅度也会相对降低。三、电解质成分的影响离子迁移率Kda第二十三页，共36页。第三节影响SP曲线的因素四、地层水和钻井液滤波中含盐浓度比值的影响当Cw>Cmf时，砂岩层段则出现自然电位负异常；当Cw<Cmf时，砂岩层段出现自然电位的正异常；当Cw

=Cmf时，没有造成自然电场的电动势产生，则没有自然电位异常出现。Cw与Cmf的差别越大，造成自然电场的电动势越大。地层水和钻井液滤液中含盐量的差异是造成自然电场中扩散电动势Ed和吸附电动势Ea的基本原因。这两个电动势的大小决定于Cw/Cmf值。以泥岩作垂线:24第二十四页，共36页。第三节影响SP曲线的因素五、地层厚度的影响25第二十五页，共36页。第三节影响SP曲线的因素六、地层电阻率的影响rtrt26第二十六页，共36页。第三节影响SP曲线的因素七、井径扩大和钻井液侵入的影响井径扩大使井的横截面积增大，泥浆电阻rm降低，自然电流在井内的电位幅度降低，Usp下降。

有泥浆侵入时，地层水和泥浆滤液的接触面向地层内推移，所产生的效果相当于井径扩大，使Usp降低，侵入越深，Usp越低。27第二十七页，共36页。第四节SP曲线的应用

28第二十八页，共36页。第四节SP曲线的应用一、判断渗透性岩层29第二十九页，共36页。第四节SP曲线的应用二、估算渗透性砂岩厚度层界面层界面30第三十页，共36页。第四节SP曲线的应用二、估算渗透性砂岩厚度31第三十一页，共36页。第四节SP曲线的应用三、确定地层水电阻率Rw对于纯的含水砂岩地层，在地层水和泥浆滤液矿化度不太高的情况下，其溶液的电阻率与活度呈反比关系，即：Rmf-泥浆滤液电阻率；Rw-地层水电阻率。过程：根据SP求出SSP，根据温度求出K，已知钻井液滤液电阻率Rmf，便可求出Rw。32第三十二页，共36页。第四节SP曲线的应用四、估算泥质含量泥质含量及其存在状态与砂岩井段产生的扩散吸附电动势