長江大學(xué)-地球物理測井1-1

1、長江大學(xué)地物學(xué)院教學(xué)課件長江大學(xué)地物學(xué)院教學(xué)課件地球物理測井地球物理測井電子教案電子教案第一章第一章 自然電位測井自然電位測井Spontaneous Potential Logging(SP)主講教師：主講教師：宋紅偉宋紅偉E-mail: 第一章第一章 自然電位測井自然電位測井前言前言第一節(jié)第一節(jié) 自然電場產(chǎn)生的原因自然電場產(chǎn)生的原因第二節(jié)第二節(jié) 自然電位測井曲線自然電位測井曲線SP第三節(jié)第三節(jié) 影響影響SP曲線的因素曲線的因素第四節(jié)第四節(jié) SP曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用主要講解自然電位測井的基本原理、曲線形態(tài)、影響因素、地質(zhì)應(yīng)用。主要講解自然電位測井的基本原理、曲線形態(tài)、影響因素、地質(zhì)應(yīng)用。 一、

2、自然電位測井一、自然電位測井SP1928年，斯倫貝謝發(fā)現(xiàn)，井中電極與年，斯倫貝謝發(fā)現(xiàn)，井中電極與放在遠處的參考電極之間有電位差，放在遠處的參考電極之間有電位差，且該電位差隨地層而變化。且該電位差隨地層而變化。當?shù)貙又袥]有外加電流時，通過儀器當?shù)貙又袥]有外加電流時，通過儀器測量井眼內(nèi)自然電場中電位隨井深變測量井眼內(nèi)自然電場中電位隨井深變化的測井方法?；臏y井方法。只能由于導(dǎo)電泥漿的井中。只能由于導(dǎo)電泥漿的井中。 二、自然電場的特點二、自然電場的特點SP曲線曲線自然電場的分布和巖性有密切的關(guān)系，特自然電場的分布和巖性有密切的關(guān)系，特別是在砂別是在砂/泥巖剖面中能夠以明顯的曲線泥巖剖面中能夠以明顯的

3、曲線異常變化來顯示滲透性地層。因此，研究異常變化來顯示滲透性地層。因此，研究井眼內(nèi)自然電場中的電位變化即可反映井井眼內(nèi)自然電場中的電位變化即可反映井眼穿過地層的特征。眼穿過地層的特征。自然電位現(xiàn)象：自然電位現(xiàn)象：（1）自然電位與巖性有關(guān)；）自然電位與巖性有關(guān)；（2）自然電位與泥漿及地層水礦化度有關(guān)；）自然電位與泥漿及地層水礦化度有關(guān)；（3）個別井中淺層砂巖與深層砂巖自然電位幅度不同，甚至有反向現(xiàn)象。）個別井中淺層砂巖與深層砂巖自然電位幅度不同，甚至有反向現(xiàn)象。自然電位測井：自然電位測井：在一些鉆井中存在著天然電場，通過測量電極在井內(nèi)移動，就可以記錄到在一些鉆井中存在著天然電場，通過測量電極在井

4、內(nèi)移動，就可以記錄到地層上電位的變化，這種測井方法即為自然電位測井。地層上電位的變化，這種測井方法即為自然電位測井。 三、三、 自然電位測井的特點自然電位測井的特點自然電位測井自然電位測井儲層儲層自然電位測井具有測量方法簡單、實用價值高等自然電位測井具有測量方法簡單、實用價值高等特點，是劃分巖性、研究儲集層性質(zhì)、求取泥質(zhì)特點，是劃分巖性、研究儲集層性質(zhì)、求取泥質(zhì)含量參數(shù)以及其它地質(zhì)應(yīng)用的基本方法之一。含量參數(shù)以及其它地質(zhì)應(yīng)用的基本方法之一。 四、礦化度的概念四、礦化度的概念 鉆井時，為了安全井并獲取全面的測井資料，一般使泥漿柱壓力稍大于鉆井時，為了安全井并獲取全面的測井資料，一般使泥漿柱壓力稍

5、大于地層壓力，并且很多情況下使用地層壓力，并且很多情況下使用淡水泥漿淡水泥漿（泥漿的礦化度泥漿的礦化度CmCm，因此地層水中離子向泥漿濾液中擴散，由于因此地層水中離子向泥漿濾液中擴散，由于Cl比比Na移動快，所用地層水中富集移動快，所用地層水中富集Na ，泥漿中富集，泥漿中富集Cl ，在動態(tài)平衡的情況下，接觸面就有穩(wěn)定的擴，在動態(tài)平衡的情況下，接觸面就有穩(wěn)定的擴散電動勢。當溶液礦化度低或中等時，可表示為：散電動勢。當溶液礦化度低或中等時，可表示為：一、電化學(xué)電動勢一、電化學(xué)電動勢 2. 擴散吸附電動勢擴散吸附電動勢又稱泥巖薄膜電位又稱泥巖薄膜電位 （Membrane Potential）泥質(zhì)半

6、滲透隔板吸附電位形成實驗?zāi)噘|(zhì)半滲透隔板吸附電位形成實驗?zāi)鄮r隔膜泥巖隔膜u 產(chǎn)生的條件：產(chǎn)生的條件：濃度不同的地層水和泥漿濾液被泥巖隔濃度不同的地層水和泥漿濾液被泥巖隔膜分開膜分開u 泥巖的性質(zhì)：泥巖的性質(zhì)：因泥巖由顆粒很細的粘土組成，粘土晶因泥巖由顆粒很細的粘土組成，粘土晶格中價數(shù)較高的正離子被溶液中價數(shù)較格中價數(shù)較高的正離子被溶液中價數(shù)較低的正離子所取代，使得粘土表面帶負低的正離子所取代，使得粘土表面帶負電，表面帶負電的粘土又以庫侖力吸引電，表面帶負電的粘土又以庫侖力吸引溶液中的正離子組成溶液中的正離子組成雙電層雙電層。一、電化學(xué)電動勢一、電化學(xué)電動勢 2. 擴散吸附電動勢擴散吸附電動勢又稱

7、泥巖薄膜電位又稱泥巖薄膜電位 （Membrane Potential）p 從電位的形成來看，負離子不能移動，從電位的形成來看，負離子不能移動，好像巖石具有選擇吸附性，于是把這種好像巖石具有選擇吸附性，于是把這種電位叫做擴散吸附電位，用電位叫做擴散吸附電位，用Eda表示。表示。p 也有人稱之為薄膜電位，用也有人稱之為薄膜電位，用Em表示，因表示，因為泥巖好像一個離子選擇薄膜，只讓正為泥巖好像一個離子選擇薄膜，只讓正離子通過。離子通過。p 當溶液礦化度低或中等時，可表示為：當溶液礦化度低或中等時，可表示為：低濃度低濃度高濃度高濃度低濃度低濃度高濃度高濃度泥巖泥巖一、電化學(xué)電動勢一、電化學(xué)電動勢 實

8、際鉆井中，泥漿的礦化度一般比地層水低，實際鉆井中，泥漿的礦化度一般比地層水低，即即aw大于大于amf。地層中的。地層中的Na+和和Cl-離子要向井筒內(nèi)離子要向井筒內(nèi)遷移，在不同巖性的地層，有不同的情況：遷移，在不同巖性的地層，有不同的情況： 1 1、砂巖地層，、砂巖地層，NaNa+ +和和ClCl- -同時遷移，由于同時遷移，由于ClCl- - 遷移快，在井筒中形成富集。遷移快，在井筒中形成富集。 2 2、泥巖地層，由于泥巖的陽離子交換作用，、泥巖地層，由于泥巖的陽離子交換作用， 使得使得NaNa+ +遷移到井筒中富集。遷移到井筒中富集。 上述作用形成的電場為上述作用形成的電場為擴散擴散- -

9、吸附電位吸附電位。 2. 擴散吸附電動勢擴散吸附電動勢又稱泥巖薄膜電位又稱泥巖薄膜電位 （Membrane Potential）一、電化學(xué)電動勢一、電化學(xué)電動勢 2. 擴散吸附電動勢擴散吸附電動勢又稱泥巖薄膜電位又稱泥巖薄膜電位 （Membrane Potential）二、動電學(xué)電動勢二、動電學(xué)電動勢（又稱過濾電勢又稱過濾電勢） 在鉆井過程中，一般泥漿柱壓力略大于地層壓在鉆井過程中，一般泥漿柱壓力略大于地層壓力，如果地層具有一定的滲透性，泥漿濾液將力，如果地層具有一定的滲透性，泥漿濾液將通過井壁流入地層孔道。由于巖石中存在雙電通過井壁流入地層孔道。由于巖石中存在雙電層，過濾液體中正離子較多，在

10、壓力差的作用層，過濾液體中正離子較多，在壓力差的作用下，有較多的正離子隨著泥漿濾液進入地層，下，有較多的正離子隨著泥漿濾液進入地層，于是在地層內(nèi)便多余正電量而帶正電，泥漿中于是在地層內(nèi)便多余正電量而帶正電，泥漿中帶負電，產(chǎn)生負的過濾電勢。帶負電，產(chǎn)生負的過濾電勢。泥餅?zāi)囡灉y井儀器車測井儀器車電纜電纜井下測量儀井下測量儀壓井液壓井液井筒井筒fbfPb二、動電學(xué)電動勢二、動電學(xué)電動勢（又稱過濾電勢又稱過濾電勢）三、油井中的自然電場三、油井中的自然電場 總電動勢總電動勢在油井中由于動電學(xué)作用和電化學(xué)作用產(chǎn)生了三種電位（電動勢）：在油井中由于動電學(xué)作用和電化學(xué)作用產(chǎn)生了三種電位（電動勢）： 動電學(xué)電動

11、勢：動電學(xué)電動勢：擴散吸附電動勢：擴散吸附電動勢：擴散電動勢：擴散電動勢： 其中，其中，Ek產(chǎn)生的前提條件是產(chǎn)生的前提條件是P0 。通常情況下，。通常情況下，P很小，所以很小，所以Ek很小很小(可忽略可忽略)，所以油井中的自然電位主要是由擴散作用和擴散吸，所以油井中的自然電位主要是由擴散作用和擴散吸附作用所產(chǎn)生的。附作用所產(chǎn)生的。 注意：擴散電位和擴散吸附電位產(chǎn)生的重要條件是：注意：擴散電位和擴散吸附電位產(chǎn)生的重要條件是：CwCmf。三、油井中的自然電場三、油井中的自然電場 總電動勢總電動勢 由于動電學(xué)作用和電化學(xué)作用，使井由于動電學(xué)作用和電化學(xué)作用，使井眼中存在著自然電流，而且電流總是眼中存

12、在著自然電流，而且電流總是從電位高的地方流向電位低的地方。從電位高的地方流向電位低的地方。三、油井中的自然電場三、油井中的自然電場 總電動勢總電動勢泥漿柱在自然電位環(huán)路泥漿柱在自然電位環(huán)路上相當于一個電阻，上相當于一個電阻，SP電極在測井中穿過這個電極在測井中穿過這個電阻。電阻。泥漿的礦化度越小，則泥漿的礦化度越小，則電阻越大，流過泥漿的電阻越大，流過泥漿的電流就越小，產(chǎn)生的靜電流就越小，產(chǎn)生的靜自然電位相當于砂巖變自然電位相當于砂巖變薄。薄。一、自然電位測井一、自然電位測井進行自然電位測井時，將電極進行自然電位測井時，將電極N放在地面，電極放在地面，電極M用電纜送至井下，用電纜送至井下，沿井

13、軸提升電極沿井軸提升電極M測量自然電位隨井深的變化，所記錄的自然電位測量自然電位隨井深的變化，所記錄的自然電位隨井深變化的曲線叫自然電位測井曲線（常稱之為隨井深變化的曲線叫自然電位測井曲線（常稱之為SP曲線）。曲線）。二、自然電位理論曲線二、自然電位理論曲線三、關(guān)于三、關(guān)于SP曲線的幾個相關(guān)概念曲線的幾個相關(guān)概念 1. 自然電位的基線：自然電位的基線：三、關(guān)于三、關(guān)于SP曲線的幾個相關(guān)概念曲線的幾個相關(guān)概念 2. 靜自然電位：靜自然電位： 也叫總自然電位，指回路中沒有電流時地層界面上下的自然電位也叫總自然電位，指回路中沒有電流時地層界面上下的自然電位差，用差，用SSP表示。表示。 為了使用方便

14、，一般取居厚純砂巖部分的自然電位幅度為為了使用方便，一般取居厚純砂巖部分的自然電位幅度為SSP值。值。 測井自然電位測井自然電位SP：井中自然電位等效電路圖如右圖所示，自然電動井中自然電位等效電路圖如右圖所示，自然電動勢通過泥漿、地層和圍巖三部分導(dǎo)電介質(zhì)放電，勢通過泥漿、地層和圍巖三部分導(dǎo)電介質(zhì)放電，形成自然電流回路。自然電流強度形成自然電流回路。自然電流強度I為為用用M電極在井中測得的自然電位曲線異常幅度值電極在井中測得的自然電位曲線異常幅度值SP只是自然電流在泥漿中產(chǎn)生的電位只是自然電流在泥漿中產(chǎn)生的電位 陣，即陣，即四、四、SP曲線特征曲線特征根據(jù)砂巖地層模型，上、下圍巖（泥巖）足夠厚。

15、對不同厚度的砂巖目根據(jù)砂巖地層模型，上、下圍巖（泥巖）足夠厚。對不同厚度的砂巖目的層進行理論計算，得到一系列自然電位理論曲線。的層進行理論計算，得到一系列自然電位理論曲線。u 特點：特點：1）曲線關(guān)于地層中點對稱，地層中點處異）曲線關(guān)于地層中點對稱，地層中點處異常值最大；常值最大；2）地層越厚，）地層越厚，SP越接近于越接近于SSP，地層厚度變，地層厚度變小，小，SP下降，且曲線頂部變尖，底部變寬，下降，且曲線頂部變尖，底部變寬，SP4d時，時，SP的半幅點對應(yīng)地層的界面，的半幅點對應(yīng)地層的界面，因此較厚地層可用半幅點法確定地層界面，因此較厚地層可用半幅點法確定地層界面，地層變薄時，不能用半幅

16、點法分層。地層變薄時，不能用半幅點法分層。五、實測自然電位測井曲線五、實測自然電位測井曲線1.實測曲線與理論曲線特點基本相同，實測曲線與理論曲線特點基本相同，由于測井時受多方面因素的影響，實由于測井時受多方面因素的影響，實測曲線不如理論曲線規(guī)則。測曲線不如理論曲線規(guī)則。2.使用自然電位曲線時應(yīng)注意：使用自然電位曲線時應(yīng)注意： （1）自然電位曲線沒有絕對零點，是）自然電位曲線沒有絕對零點，是以泥巖井段的自然電位曲線幅度作基線；以泥巖井段的自然電位曲線幅度作基線； （2）自然電位曲線幅度）自然電位曲線幅度SP的讀數(shù)是基的讀數(shù)是基線到曲線異常極大值之間的寬度用橫向線到曲線異常極大值之間的寬度用橫向比

17、例尺換算出的毫伏數(shù)（比例尺換算出的毫伏數(shù)（mV）。）。在石油鉆井的砂泥巖剖面中，自然電位的幅度和特點主要決定于造成自在石油鉆井的砂泥巖剖面中，自然電位的幅度和特點主要決定于造成自然電場的靜自然電位然電場的靜自然電位SSP，并且受自然電流，并且受自然電流 I 分布的影響。分布的影響。SSP的大小取的大小取決于巖性、地層溫度、地層水和鉆井液中所含離子成分和鉆井液濾液電決于巖性、地層溫度、地層水和鉆井液中所含離子成分和鉆井液濾液電阻率與地層水電阻率之比；而自然電場中自然電流阻率與地層水電阻率之比；而自然電場中自然電流 I 的分布則決定于流的分布則決定于流經(jīng)路徑中介質(zhì)的電阻率及地層的厚度和井徑的大小。

18、這些因素對自然電經(jīng)路徑中介質(zhì)的電阻率及地層的厚度和井徑的大小。這些因素對自然電位幅度位幅度SP及曲線形狀均有影響，但影響的主次存在差異。及曲線形狀均有影響，但影響的主次存在差異。 1地層水和鉆井液濾波中含鹽濃度比值（地層水和鉆井液濾波中含鹽濃度比值（CwCmf）的影響）的影響 2巖性的影響巖性的影響 3溫度的影響溫度的影響 4地層水和鉆井液濾波中所含電解質(zhì)的性質(zhì)的影響地層水和鉆井液濾波中所含電解質(zhì)的性質(zhì)的影響 5 地層電阻率的影響地層電阻率的影響 6地層厚度的影響地層厚度的影響 7井徑擴大和鉆井液侵入的影響井徑擴大和鉆井液侵入的影響一、地層水和鉆井液濾波中含鹽濃度比值的影響一、地層水和鉆井液濾

19、波中含鹽濃度比值的影響 當當Cw Cmf 時，砂巖層段則出現(xiàn)自時，砂巖層段則出現(xiàn)自然電位負異常；然電位負異常； 當當Cw Cmf 時，砂巖層段出現(xiàn)自然時，砂巖層段出現(xiàn)自然電位的正異常；電位的正異常； 當當Cw = Cmf 時，沒有造成自然電場時，沒有造成自然電場的電動勢產(chǎn)生，則沒有自然電位異的電動勢產(chǎn)生，則沒有自然電位異常出現(xiàn)。常出現(xiàn)。 Cw與與Cmf 的差別越大，造成自然電的差別越大，造成自然電場的電動勢越大。場的電動勢越大。 地層水和鉆井液濾液中含鹽量的差異是造成自然電場中擴散電動勢地層水和鉆井液濾液中含鹽量的差異是造成自然電場中擴散電動勢Ed和擴和擴散吸附電動勢散吸附電動勢Ea的基本原因

20、。這兩個電動勢的大小決定于的基本原因。這兩個電動勢的大小決定于CwCmf值。以值。以泥巖作垂線，泥巖作垂線，二、巖性的影響二、巖性的影響在砂泥巖剖面井中，通常在砂泥巖剖面井中，通常SP曲線以大段泥巖處的曲線以大段泥巖處的SP曲線作基線，在自然曲線作基線，在自然電位曲線上出現(xiàn)異常變化的多為砂質(zhì)巖層。當目的層為純砂巖時，其與電位曲線上出現(xiàn)異常變化的多為砂質(zhì)巖層。當目的層為純砂巖時，其與圍巖交界處的圍巖交界處的SSP達到最大值達到最大值SSPmax。當目的層含有泥質(zhì)。當目的層含有泥質(zhì)(其他條件不其他條件不變變)時，時，SP降低，因而曲線異常的幅度也減小。此外，當剖面上有部分泥降低，因而曲線異常的幅度

21、也減小。此外，當剖面上有部分泥巖的陽離子交換能力減弱時，滲透層的自然電位異常幅度也會相對降低。巖的陽離子交換能力減弱時，滲透層的自然電位異常幅度也會相對降低。三、溫度的影響三、溫度的影響擴散電動勢系數(shù)擴散電動勢系數(shù)Kd和擴散吸附電動勢系數(shù)和擴散吸附電動勢系數(shù)Ka都是和絕對溫度都是和絕對溫度T成正比的，成正比的，但同樣巖性的巖層，由于埋藏深度不同，其溫度不同，所以但同樣巖性的巖層，由于埋藏深度不同，其溫度不同，所以Kd(或或Ka)值值有差別。這就導(dǎo)致不同埋藏深度的相同巖性的巖層的有差別。這就導(dǎo)致不同埋藏深度的相同巖性的巖層的SP曲線上異常幅度曲線上異常幅度有差異。有差異。四、地層水和鉆井液濾波中

22、所含電解質(zhì)的性質(zhì)的影響四、地層水和鉆井液濾波中所含電解質(zhì)的性質(zhì)的影響井內(nèi)鉆井液濾液和地層水中所含電解質(zhì)不同，則溶液中所含離子不同，不井內(nèi)鉆井液濾液和地層水中所含電解質(zhì)不同，則溶液中所含離子不同，不同離子的離子價和遷移率均不同，直接影響擴散電動勢系數(shù)同離子的離子價和遷移率均不同，直接影響擴散電動勢系數(shù)Kd和擴散吸附和擴散吸附電動勢系數(shù)電動勢系數(shù)Ka值，由此影響值，由此影響Ed和和Ea值。值。五、地層電阻率的影響五、地層電阻率的影響六、地層厚度的影響六、地層厚度的影響七、井徑擴大和鉆井液侵入的影響七、井徑擴大和鉆井液侵入的影響 井徑擴大使井的橫截面積增大，泥漿電阻井徑擴大使井的橫截面積增大，泥漿電

23、阻rm降低，自然電流在井內(nèi)降低，自然電流在井內(nèi)的電位幅度降低，的電位幅度降低，Usp下降。下降。 有泥漿侵入時，地層水和泥漿濾液的接觸面向地層內(nèi)推移，所產(chǎn)生有泥漿侵入時，地層水和泥漿濾液的接觸面向地層內(nèi)推移，所產(chǎn)生的效果相當于井徑擴大，使的效果相當于井徑擴大，使Usp降低，侵入越深，降低，侵入越深，Usp越低。越低。一、判斷滲透性巖層一、判斷滲透性巖層二、估算滲透性砂巖厚度二、估算滲透性砂巖厚度層界面層界面層界面層界面二、估算滲透性砂巖厚度二、估算滲透性砂巖厚度三、估算泥質(zhì)含量三、估算泥質(zhì)含量泥質(zhì)含量及其存在狀態(tài)與砂巖井段產(chǎn)生的擴散吸附電動勢有直接關(guān)系，泥質(zhì)含量及其存在狀態(tài)與砂巖井段產(chǎn)生的擴散

24、吸附電動勢有直接關(guān)系，因而用自然電位曲線可以計算泥質(zhì)含量。目前用的方法是建立在大量的因而用自然電位曲線可以計算泥質(zhì)含量。目前用的方法是建立在大量的實驗工作基礎(chǔ)上的，常用方法是圖版法和計算法：實驗工作基礎(chǔ)上的，常用方法是圖版法和計算法：四、確定地層水電阻率四、確定地層水電阻率Rw 對于純的含水砂巖地層，對于純的含水砂巖地層，SSP與地層水活度和泥漿濾液活度有下列關(guān)系：與地層水活度和泥漿濾液活度有下列關(guān)系： 1. 由自然電位確定由自然電位確定Rw的依據(jù)：的依據(jù)： 在地層水和泥漿濾液礦化度不太高的情況下在地層水和泥漿濾液礦化度不太高的情況下 ，其溶液的電阻率與活，其溶液的電阻率與活度呈反比關(guān)系，上式

25、變?yōu)椋憾瘸史幢汝P(guān)系，上式變?yōu)椋簃fwaaKSSPlgwemfeRRKSSPlgRmfe-泥漿濾液等效電阻率；泥漿濾液等效電阻率；Rwe-地層水等效電阻率。地層水等效電阻率。 四、確定地層水電阻率四、確定地層水電阻率Rw （1）根據(jù)）根據(jù)SP求出靜自然電位求出靜自然電位SSP： 2. 由自然電位確定由自然電位確定Rw的步驟：的步驟：1）當在鉆井剖面中有足夠后且無泥漿侵入的純水層，）當在鉆井剖面中有足夠后且無泥漿侵入的純水層，可直接將該水層的自然電位最大負值與泥巖基線的差值作為可直接將該水層的自然電位最大負值與泥巖基線的差值作為SSP. 2）水層厚度不大，必須對該層進行厚度、電阻率和侵人情況的校）

26、水層厚度不大，必須對該層進行厚度、電阻率和侵人情況的校正，把正，把Usp換算成靜自然電位換算成靜自然電位SSP，此過程可應(yīng)用，此過程可應(yīng)用SP校正圖版校正圖版(SP-3圖版圖版) 。過程：過程：根據(jù)根據(jù)SP求出求出SSP，根據(jù)溫度求出，根據(jù)溫度求出K,根據(jù)根據(jù)Rmf求出求出Rmfe，然后再根，然后再根據(jù)據(jù)Rwe求出求出Rw。四、確定地層水電阻率四、確定地層水電阻率Rw （1）根據(jù)）根據(jù)SP求出靜自然電位求出靜自然電位SSP： 2. 由自然電位確定由自然電位確定Rw的步驟：的步驟：四、確定地層水電阻率四、確定地層水電阻率Rw （2）根據(jù)）根據(jù)泥漿資料及井溫資料確定泥漿資料及井溫資料確定泥漿濾液等效電阻率泥漿