矿场地球物理-第一章-自然电位测井

第一章自然电位测井自然电位测井：是在裸眼井中测量井壁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。由于这个电位是自然产生的，所以称为自然电位，用SP（Spontaneouspotential）表示。第一章自然电位测井219:39第一章自然电位测井第一节自然电场的产生地二节自然电位测井及曲线特征第三节自然电位测井的影响因素第四节自然电位曲线的应用第一章自然电位测井319:39第一节自然电场的产生一、扩散电动势的产生–在渗透压力作用下，高浓度溶液的离子要穿过半透膜，移向较低浓度的溶液，这种现象称为扩散。–对Nacl溶液来说，Cl-的迁移率大于Na+的迁移率，经过一段时间的迁移后，Cw中有多余正离子，Cm中有多余负离子。在两种不同浓度NaCl溶液的接触面上产生自然电场，可以测到电位差。–离子继续扩散时，Na+和Cl-的迁移速度趋于相等，最终达到扩散的动态平衡，此时两侧的电动势可用Nernst方程计算。渗透性半透膜NaCl溶液NaCl溶液第一章自然电位测井419:39第一节自然电场的产生Nernst方程：其中第一章自然电位测井519:39第一节自然电场的产生在NaCl溶液中可简化为第一章自然电位测井619:39第一节自然电场的产生扩散电动势产生的条件–1.两种溶液的矿化度不同–2.中间具有渗透性隔层–3.正负离子的迁移率不同井中砂岩剖面的扩散电动势–泥浆滤液和地层水的矿化度不同–附着在地层上的泥饼具有渗透性–泥浆滤液和地层水的正负离子迁移率不同。第一章自然电位测井719:39第一节自然电场的产生如果泥浆滤液为NaCl溶液，扩散电动势的表达式为：–其中Cw—地层水的矿化度，Cmf—泥浆滤液矿化度。上式适用于Cw和Cmf为低矿化度或中等矿化度溶液。在矿化度较低的情况下，溶液的电阻率与溶液的矿化度成反比关系，因此上式可写为：扩散电动势系数第一章自然电位测井819:39第一节自然电场的产生二、扩散吸附电动势–组成泥岩的粘土矿物，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的作用称为阳离子交换作用。–扩散结果在浓度小的一方富集正电荷带正电，在浓度大的一方富集负电荷，形成扩散吸附电动势Eda：渗透性泥岩隔膜NaCl溶液NaCl溶液第一章自然电位测井919:39第一节自然电场的产生二、扩散吸附电动势–扩散吸附电动势Eda计算公式：–其中Kda为扩散吸附电动势系数。–NaCl溶液中扩散电动势系数公式为–在NaCl溶液中，当泥岩的阳离子交换能力接近极值，岩石孔隙中只有正离子参加扩散，Cl-迁移率为零。此时Kda为：第一章自然电位测井1019:39第一节自然电场的产生二、扩散吸附电动势–扩散吸附电动势产生的条件：1.两种溶液的矿化度不同；2.两种溶液用渗透性隔层隔离；3.渗透性隔层对不同极性的离子具有不同的吸附性。–井中泥岩剖面的扩散吸附电动势1.泥浆滤液矿化度低于地层水矿化度2.泥岩具有渗透性3.泥岩具有吸附阴离子的阳离子交换能力。泥浆滤液地层水第一章自然电位测井1119:39第一节自然电场的产生当井壁附近地层水和泥浆滤液矿化度都较低时，且CwCmf时泥岩剖面上的扩散吸附电动势为：在矿化度较低的情况下，溶液的电阻率与溶液的矿化度成反比关系，因此上式可写为：第一章自然电位测井1219:39第一节自然电场的产生三、氧化还原电位–地下煤层与其接触的溶液（地层水或钻井液）发生氧化还原反应，从而在其接触面上形成氧化还原电位，最终形成沿井身的自然电位异常。–煤层自然电位的正负和大小取决于有机体的分解、碳化、及氧化过程中发生的氧化还原反应的方向和强度。当煤层处于氧化状态时，可形成自然电位正异常；当煤层处于还原状态时，可形成自然电位的负异常。第一章自然电位测井1319:39第一节自然电场的产生三、氧化还原电位氧化状态还原状态第一章自然电位测井1419:39第一节自然电场的产生三、氧化还原电位–无烟煤和石墨的氧化反应最强烈，自然电位曲线表现为正异常。–瘦煤、炼焦煤、肥煤氧化反应强度递减，其自然电位正异常依次减小。–气煤和褐煤处于还原状态且强度不大自然电位表现为不大的负异常。–由于烟煤中含有的金属硫化物氧化作用很强，因此烟煤的自然电位正异常与其所含的金属硫化物有关。第一章自然电位测井1519:39第一节自然电场的产生四、过滤电动势–在压力差的作用下，当溶液通过毛细管时，管的两端产生电位差。这是由于毛细管壁吸附负离子，使溶液中正离子相对增多。正离子在压力差的作用下，随同溶液向压力低的一端移动，因此在毛细管两端富集不同极性的离子，形成过滤电动势。–在岩石中，岩石颗粒之间形成很细的毛细管孔道，当泥浆柱的压力大于地层的压力时，泥浆滤液通过井壁在岩石孔道中流过，形成过滤电动势。第一章自然电位测井1619:39第一节自然电场的产生在砂泥岩剖面的井中的自然电场主要由砂岩井段的扩散电位和泥岩井段扩散吸附电位组成。在煤层中自然电位以氧化还原电位为主。过滤电位只有当地层与泥浆柱压力差很悬殊时，而且在泥饼形成以前，才有较大的显示。一般钻井时要求泥浆柱压力只能稍大于地层压力，相差不是很大，而且在测井时已形成泥饼，因此一般井内过滤电位的作用可忽略不计。第一章自然电位测井1719:39第二节自然电位测井及曲线特征一、自然电位测井（SpontaneousPotentialLogging）–在砂泥岩剖面井中，当CwCmf时，在砂岩层段井内形成扩散电动势，在井壁上富集负电荷；而在泥岩层段井内形成扩散吸附电动势，在井壁上富集正电荷。在砂泥岩剖面井中自然电场分布如图：–进行自然电位测井时将对比电极N放在地面测量电极M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称为自然电位曲线（SP曲线）。第一章自然电位测井1819:39第二节自然电位测井及曲线特征二、自然电位测井曲线的特征–静自然电位：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其电动势E总称为静自然电位SSP：–泥岩基线：均质、巨厚的泥岩地层所对应的自然电位曲线，即Eda的幅度。而Ed的幅度称为砂岩线。所以静自然电位SSP是均质、巨厚的砂岩地层的自然电位读数与泥岩基线的幅度差。–实际测井时以泥岩基线作自然电位曲线的基线(即零线)，当Cw＞Cmf时，砂岩的自然电位异常为负值。把井中巨厚的纯砂岩井段的自然电位幅度近似认为是SSP。第一章自然电位测井1919:39第二节自然电位测井及曲线特征如果中间的渗透层是含水砂岩层，上下围岩均为泥岩，令井内泥浆、砂岩、泥岩各段电阻分别为rm，rsd，rsh，由kirchoff定律得：实际测量的ΔUsp是自然电流在井内泥浆电阻上的电位降，即：对于巨厚地层，砂岩层和泥岩层的截面积比井的截面积大得多，所以rm比rsd、rsh大得多，有SP≈SSP；而对于一般有限厚地层，ΔUspSSP。第一章自然电位测井2019:39第二节自然电位测井及曲线特征淡水泥浆上下围岩为泥岩有限厚度的砂岩的自然电位曲线特征：–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，ΔUSP越接近SSP，地层厚度变小，ΔUSP下降，且曲线顶部变尖，底部变宽，ΔUSP≤SSP；–3.当h4d时，ΔUSP的半幅点对应地层的界面，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。–4.实测曲线与理论曲线特点基本相同，由于测井时受多方面因素的影响，实测曲线不如理论曲线规则。第一章自然电位测井2119:39第二节自然电位测井及曲线特征使用自然电位曲线时应注意：–自然电位曲线没有绝对零点，是以泥岩井段的自然电位曲线幅度作基线；–砂泥岩剖面中自然电位曲线幅度ΔUSP的读数是基线到曲线极大值之间的宽度所代表的毫伏数。–在砂泥岩剖面中，以泥岩作为基线，CwCmf时，砂岩层段出现自然电位负异常；CwCmf时，砂岩层段出现自然电位正异常；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差别愈大，造成自然电场的电动势愈大。这是自然电位曲线识别渗透性砂岩层的重要特征。第一章自然电位测井2219:39第二节自然电位测井及曲线特征第一章自然电位测井2319:39第三节自然电位测井的影响因素一、地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值(Cw/Cmf)的影响–ΔUSP主要决定于自然电场的总电动势SSP，ΔUSP与SSP成正比，而SSP的大小决定于盐性和(Cw/Cmf)值。Cw/Cmf决定自然电位的异常状态和异常幅度。第一章自然电位测井2419:39第三节自然电位测井的影响因素二、岩性的影响–在砂泥岩剖面，自然电位曲线以泥岩为基线，在自然电位曲线上出现异常变化的多为砂岩层。在巨厚的含水纯砂岩层，自然电位幅度最大，ΔUSP≈SSP；随泥质含量的增加SSP下降，从而导致ΔUSP下降；当剖面中部分泥岩井段由于岩性不纯等原因导致泥岩的阳离子交换能力减弱时，往往会产生基线偏移，也使ΔUSP下降。第一章自然电位测井2519:39第三节自然电位测井的影响因素三、温度的影响–Kd和Kda都和绝对温度T成正比，同样条件的岩层由于埋藏深度不同，其温度不同，因此Kd和Kda值有差别，产生的自然电位曲线幅度有差异。–在一般情况下往往把某一岩层温度为18℃时的Kd和Kda求出来，当地层温度为ｔ℃时，有第一章自然电位测井2619:39第三节自然电位测井的影响因素四、地层水和泥浆滤液中含盐性质的影响–井内相接触的溶液所含的盐类不同，液体中所含的离子不同，由于不同离子的离子价及迁移率均有差别，在泥岩井段就直接影响Kda，因而影响了Eda。在纯砂岩中，水中所含盐类的化学成分改变时，Kd和Ed也随之改变，造成自然电场的电动势也随之改变。第一章自然电位测井2719:39第三节自然电位测井的影响因素五、地层电阻率的影响–地层电阻率Rsd增加和围岩电阻率Rsh增加时，自然电流在地层内的电位降加大，则ΔＵSP降低。泥浆电阻率Rm下降，则rm下降，ΔＵSP下降。地层的电阻率越高则ΔＵSP越低。可以根据自然电位曲线的这一特点区分油水层。第一章自然电位测井2819:39第三节自然电位测井的影响因素六、地层厚度的影响–自然电位幅度ΔＵSP随目的层地层厚度ｈ减小而下降，且曲线变得平缓。这是由于ｈ下降，自然电流经过地层的截面积减小，地层电阻增大，ΔＵSP与SSP差别加大的缘故。七、井径扩大和泥浆侵入的影响–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降下降，ΔＵSP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ΔUSP降低，侵入越深，ΔUSP越低。第一章自然电位测井2919:39第四节自然电位曲线的应用一、划分渗透性岩层–在砂泥岩剖面中，当RwRmf(CwCmf)时，在自然电位曲线上，以泥岩为基线，出现负异常的井段可认为是渗透性岩层，其中纯砂岩井段出现最大的负异常；含泥质的砂岩层，负异常幅度较低，而且随泥质含量的增多，异常幅度下降。–砂岩的ΔＵSP还决定于砂岩渗透层孔隙中所含流体的性质，一般含水砂岩的ΔＵ水SP比含油砂岩的ΔＵ油SP要高。第一章自然电位测井3019:39第四节自然电位曲线的应用一、划分渗透性岩层–在识别出渗透层后，可用“半幅点”法确定渗透层的上下界面位置。地层上下围岩岩性相同时，找出从泥岩基线到异常幅度的中点P，过P作一条平行于井轴的直线与自然电位曲线相交于a，b两点，Ha，Hb分别为渗透层顶、底界面深度，地层厚度为h=Hb-Ha。–对于h4d的厚渗透层可以这样估计，地层厚度越厚，精度越高。薄的渗透层如用半幅点法估计岩层厚度会产生较大的误差，故不能用半幅点法。第一章自然电位测井3119:39第四节自然电位曲线的应用二、估计泥质含量–泥质含量和其存在状态对砂岩产生的扩散吸附电动势有直接影响，因此可以利用自然电位曲线估计泥质含量。–在一个地区欲使用这种方法，必须先进行大量的试验工作，通过试验建立ΔＵSP与泥质含量Vsh之间的定量关系，然后才能利用自