Spontaneouspotentiallogging 自然電位測井 西安石油大學地球科學與工程學院趙軍龍 自然電位測井 SP 1 方法特點 2 自然電位產生的原因 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 5 自然電位測井曲線的應用 學習內容 1 方法特點 鉆井后由于井壁附近的電化學活動性造成的電場叫自然電場 沿井軸測量記錄自然電位變化曲線 可以用于區別巖性和研究鉆井剖面性質 SP測井的基本方法為 如圖 在井內放一測量電極M 地面放一測量電極N 將M電極沿井筒移動 即可測出一條井內自然電位變化的曲線 自然電位測井 SP 要對所測的SP曲線進行地質解釋 首先應該了解自然電位是怎樣產生的 它與地層的那些性質有關 自然電位測井 SP 1 方法特點 2 自然電位產生的原因 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 5 自然電位測井曲線的應用 學習內容 2 自然電位產生的原因 井內自然電位產生的原因是復雜的 對于油氣井來說 主要有以下兩個原因 地層水和泥漿含鹽濃度不同而引起的擴散電動勢和吸附電動勢 地層壓力與泥漿柱壓力不同而引起的過濾電動勢 實踐證明 在油氣井中 這兩種電動勢以擴散電動勢和吸附電動勢占絕對優勢 1 擴散電位 當兩種不同濃度的溶液被半透膜隔開 離子在滲透壓作用下 高濃度溶液的離子將穿過半透膜向較低濃度的溶液中移動 這種現象叫擴散 形成的電位叫擴散電位 在油井中 此種擴散有兩種途徑 2 自然電位產生的原因 一是高濃度一方通過砂巖向低濃度泥漿中擴散 二是通過泥巖向泥漿中擴散 其擴散電位大小取決于 正負離子的遷移率 單價離子在強度為1伏特 厘米的電場作用下的移動速度 溫度 壓力 兩種溶液的濃度差 濃度 離子類型及濃度差 離子由砂巖向泥漿中直接擴散時 由于Cl 比Na 的遷移率大 因此在砂巖高濃度一側聚集多余的正電荷 而在泥漿中聚集負電荷 離子量移動到一定程度 形成動態平衡 此時電位叫擴散電位 經實驗證實 擴散電位Ed可由以下公式求得 涅耳斯特方程 Nernst Ed Kdlg Cw Cmf Kd 擴散電位系數 與鹽類的化學成份及溫度有關 2 自然電位產生的原因 1 擴散電位 對于石油鉆井而言 下面列舉常見鹽溶液的遷移率和Kd值 2 自然電位產生的原因 1 擴散電位 2 自然電位產生的原因 在井中 18 時若地層水濃度Cw等于10倍的泥漿溶液礦化度Cmf時 經理論推算 kd 11 6mv 其中負號表示低濃度一方井中的電位低 Cmf Cw 泥漿濾液和地層水礦化度 當溶液礦化度不高時 溶液濃度與電阻率成反比 即Ed Kdlg Cw Cmf Kdlg Rmf Rw Rmf Rw 泥漿濾液和地層水電阻率 1 擴散電位 因為泥巖結構 化學成分等與砂巖不同 因此與泥漿之間形成的電位差大 且符號與擴散電位相反 這是由于粘土礦物表面具有選擇吸附負離子的能力 因此當濃度不同的NaCl溶液擴散時 粘土顆粒吸附Cl 離子 而Na 離子可以自由移動 若Cw Cmf 泥漿帶正電荷 儲集層與泥巖界面處帶負電荷 這時形成的電動勢為擴散吸附電動勢 這是由于既有擴散作用又有吸附作用 因此稱為擴散吸附電動勢 用Eda表示 由下式求Eda Kdalg Cw Cmf 若Cw 10Cmf t 18 Kda 58mV 2 自然電位產生的原因 2 吸附電位 隔膜作用 砂巖通過泥巖與泥漿之間交換離子 這種電動勢是由于泥漿柱與地層之間存在壓力差 泥漿濾液通過泥餅或泥質巖石滲濾形成的 2 自然電位產生的原因 3 過濾電位 通常 泥漿柱的壓力大于地層壓力 并在滲透性巖層 如砂巖層 處 都不同程度的有泥餅存在 由于組成泥餅的泥質顆粒表面有一層松散的陽離子擴散層 在壓力差的作用下 這些陽離子就會隨著泥漿濾液的滲入向壓力低的地層內部移動 于是在地層內部一方出現了過多的陽離子 使其帶正電 而在井內泥餅一方正離子相對減少 使其帶負電 從而產生了電動勢 由此形成的電動勢 叫做過濾電動勢 顯然它的極性與擴散電動勢相同 即井的一方為負 巖層的一方為正 過濾電動勢Ef的大小與泥餅兩邊的壓力差 P和泥漿濾液的電阻率Rmf成正比 而與泥漿濾液的粘度 成反比 即Kf 過濾電位系數 與溶液的成分有關 P 壓力差 單位為大氣壓 泥漿濾液的粘度 厘泊 當壓差懸殊 泥餅未形成以前 過濾電位有較大的顯示 通常Ef只有在壓力差很大時 才不可忽略 但一般鉆井時 要求泥漿柱壓力只能稍大于地層壓力 因此在實際工作中 通常都認為過濾電動勢可忽略不計 2 自然電位產生的原因 3 過濾電位 自然電位測井 SP 1 方法特點 2 自然電位產生的原因 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 5 自然電位測井曲線的應用 學習內容 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 1 總電動勢 結合等效電路進行分析 由砂巖 泥巖 泥漿所組成的導電回路中 電動勢Ed和Eda是串聯的 因此 在該回路中擴散作用的總電動勢Es為該兩電動勢的代數和Es Ed Eda Kd lg Cw Cmf Kda lg Cw Cmf Ks lg Cw Cmf Ks Kd KdaKs 總的擴散 擴散吸附電動勢系數 Es 井內自然電動勢 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 1 總電動勢 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 2 電位分布 SP測井時是與普通電阻率測井同時進行 其測量原理電路見圖 M電極是普通電阻率測井和自然電位測井公用的測量電極 視電阻率測井時 由供電電極供電形成的人工電場是低頻脈動直流場 而自然電場是直流場 在視電阻率測量道上加一個隔直元件C 阻隔自然電位進入該道 同時在自然電位測量道上加一個隔交元件L 它只允許自然電場的直流電位信號通過 從而阻斷了研究視電阻率的脈動直流電場的信號干擾 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 2 電位分布 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 2 電位分布 由自然電場分布特征可知 在砂巖和泥巖交界處自然電位有明顯變化 變化幅度與Ed和Eda有關 在相當厚的純砂巖和純泥巖交界面附近的自然電位變化最大 它是產生自然電場的總電動勢E總 E總 Ed Eda Klg Rmf Rw SSP式中K為自然電位系數 把E總叫作靜自然電位 記作SSP 此時Ed的幅度稱砂巖線 Eda的幅度叫泥巖線 實際測井中以泥巖線作自然電位測井曲線的基線 即零線 在180C時的純砂巖層處的SSP SSP 69 6lg Rm Rw 井中巨厚的純砂巖層井段的自然電位幅度近似認為是SSP 靜自然電位的變化范圍在含淡水巖層的 50mV到含高礦化度鹽水巖層的 200mV之間 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 2 電位分布 自然電位測井 SP 1 方法特點 2 自然電位產生的原因 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 5 自然電位測井曲線的應用 學習內容 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 1 曲線特征 異常幅度及其定量計算 砂巖有限厚 自然電位幅度 USP定義為 自然電流I在流經泥漿等效電阻rm上的電位降 即 USP Irm 巨厚砂巖 rm比rsd rsh大得多 所以有 USP SSPEs I rs rt rm Usp I rm Es I rs rt Es 1 rs rt rm A 曲線對地層中點對稱 地層中點處異常值最大 B 厚地層 h 4d 的自然電位曲線幅度 Usp近似等于SSP 曲線的半幅值點深度正對應著地層界面 因此可用半幅點法確定地層界面 C 隨地層厚度的變小 自然電位曲線幅度 Usp下降 曲線頂部變尖 底部變寬 Usp小于SSP 而且界面位置離開半幅值點向曲線峰值移動 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 1 曲線特征 SP曲線特征 A 自然電位測井曲線沒有絕對零點 而是以泥巖井段的自然電位幅度作基線 曲線上方標有帶極性符號的橫向比例尺 它與曲線的相對位置 不影響自然電位幅度的讀數 B 自然電位幅度 Usp的讀數是基線到曲線極大值之間的寬度所代表的毫伏數 C 在砂泥巖剖面井中 一般為淡水泥漿鉆進 Cw Cmf 在砂巖滲透層井段自然電位曲線出現明顯的負異常 在鹽水泥漿井中 Cw Cmf 滲透層井段出現正異常 這是識別滲透層的重要特征 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 使用SP曲線應注意的幾個問題 1 曲線特征 上述已經提及 在自然電位曲線上有異常出現的地方 該異常相對于泥巖基線的最大偏轉 稱自然電位異常幅度 自然電位異常幅度的大小與許多因素有關 可根據自然電流回路的等效電路對此進行分析 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 2 影響因素 在井內測得的自然電位降落僅僅是自然電動勢的一部分 該電動勢的另外兩部分電位降落分別產生在砂巖層及其圍巖之中 它的數值及曲線特點主要決定于造成自然電場的總電動勢Es及自然電流的分布 Es的大小取決于巖性 地層溫度 地層水和泥漿中所含離子成分以及泥漿濾液電阻率與地層水電阻率之比 自然電流I的分布則決定于流經路徑中介質的電阻率及地層厚度和井徑的大小 從擴散和吸附電動勢的產生 我們可以看出 Kd和Ka與溫度有關 因此同樣的巖層 由于埋藏深度不同 其溫度不同 也就造成Kd和Ka值有差別 通常絕對溫度T與Kd和Ka成正比關系 這可從離子的活動性來解釋 為了研究溫度對自然電位的影響程度 常需計算出地層溫度條件下的Kd和Ka值 為計算方便 先計算出18 時的Kd和Ka值 然后用下式可計算出任何地層溫度t 的的Kd值 式中Kd t 18 為溫度為18 時的擴散電動勢系數 t為地層溫度 Ka的溫度換算公式與Kd的形式相同 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 地層溫度的影響 2 影響因素 Usp主要取決于自然電場的總電動勢SSP 顯然 Usp與SSP成正比 而SSP的大小取決于巖性和Cw Cmf 因此 在一定的范圍內 Cw和Cmf差別大 造成自然電場的電動勢高 曲線變化明顯 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 地層水和泥漿濾液中含鹽濃度比值的影響 2 影響因素 地層水和泥漿濾液內所含鹽類不同 則溶液中所含離子不同 離子價也不同 由于不同離子的離子價和遷移率均有差異 直接影響Kd和Ka的大小 因而也就影響了Es的數值 在純砂巖井段 溶液中所含化學成分改變時 擴散電動勢系數Kd也隨之改變 造成自然電場的電動勢也隨之改變 參見下表 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 地層水和泥漿濾液中含鹽性質的影響 2 影響因素 自然電位異常幅度實際是自然電流在其所經過的泥漿柱上的最大電位降落 因此井徑對自然電位異常幅度有明顯影響 其影響程度可通過等效電路來分析 井徑擴大 使井眼的截面積增大 則泥漿柱的電阻rm減小 從而導致 Usp降低 井內泥漿電阻率減小 同樣使泥漿柱電阻rm減小 則導致 Usp降低 也可以這樣理解 rm減小 使得rm在整個電流回路上的分壓作用減弱 也就是Irm變小 自然也就有 Usp的降低 因此在鹽水泥漿井中自然電位曲線變化不明顯 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 井的影響 包括井徑和泥漿電阻率 2 影響因素 巖層厚度變薄 或巖層電阻率增高 自然電位異常幅度均降低 這是因為巖層厚度變薄時 電流所經過的巖層部分橫截面積減小 該部分等效電阻rsd增加 而當巖層厚度一定 巖層本身的電阻率增大時 rsd也增加 于是 由上式可知 地層的電阻率越高則 Usp越低 因此這兩個因素均使自然電位異常幅度降低 據此不難知道 在巖層厚度 巖性和地層水礦化度等條件均相同的含水層同含油 氣層相比 電阻率較高的含油 氣層的自然電位異常幅度要比含水層的自然電位異常幅度低 根據這一特點可以用自然電位幅度的差異定性地分辨油 水層 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 目的層的影響 包括厚度和電阻率 2 影響因素 圍巖的影響 包括厚度和電阻率 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 2 影響因素 泥巖層的電阻率值及其厚度對自然電位異常幅度也有一定的影響 因為這兩個參數決定著自然電流回路等效電阻rsh的數值 泥巖層電阻率越高或巖層厚度越薄 rsh增高 自然電位異常幅度會降低 但通常泥巖的電阻率都比較低 自然電流在其中所產生的電位降落較小 特別是當泥巖層厚度較大時 泥巖層的這兩個因素對自然電位異常幅度的影響并不十分顯著 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 2 影響因素 巖性的影響 當夾于純泥巖層中的砂巖內含有泥質時 顯然 對著砂巖層處 地層水與泥漿之間的擴散就與前述情況不同 由于組成泥質的粘土顆粒具有離子選擇薄膜的特性 因此 存在于砂巖中的泥質對溶液的直接擴散產生了一種附加的影響 使得砂巖層與井之間除了產生擴散電動勢之外 還產生一種附加的吸附電動勢 而這兩種電動勢的極性是相反的 它們部分抵消的結果 會使得對著砂巖層處的擴散電動勢數值同巖石不含泥質時相比有所降低 從而使總電動勢也降低 電動勢降低的程度 與巖石中含泥質的多少有關 顯然 巖石含泥質越多 產生的附加吸附電動勢就強 總電動勢的降低也越大 反之 就越小 據此不難推論 在條件相同的情況下 純砂巖的自然電位異常幅度要比泥質巖石的異常幅度大 而且隨著砂巖中泥質含量的增加 自然電位異常幅度會隨之減小 因此 根據砂巖層上的自然電位異常幅度大小 可以定量估計地層的泥質含量 和定性判斷地層滲透性的好壞 根據同樣的道理 當泥巖層巖性不純時 對著該層的自然電位曲線將偏離泥巖基線 泥巖層中含的砂質 或石灰質 白云質 越多 這種偏離會更加顯著 可見 含泥質的砂巖和含砂質的泥巖 其自然電位異常幅度界于曲線上純砂巖線與純泥巖線之間 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 2 影響因素 巖性的影響 自然電位測井 SP 1 方法特點 2 自然電位產生的原因 3 擴散作用在井內形成的總電動勢及電位分析 4 自然電位測井曲線的特征及影響因素 5 自然電位測井曲線的應用 學習內容 主要包括 判斷巖性 劃分滲透層 判斷儲層中流體性質 計算地層水電阻率 估計泥質含量 判斷水淹層 地層對比和沉積相研究等 5 自然電位測井曲線的應用 自然電位測井 SP 泥巖 基線附近 砂巖 異常幅值和正負反映巖石滲透性好壞和泥漿的性能 純水砂巖 Usp SSP含油后Usp幅值下降 因為電阻率增大 5 自然電位測井曲線的應用 1 判斷巖性 區分滲透層 砂泥巖剖面 自然電位測井 SP 5 自然電位測井曲線的應用 1 判斷巖性 區分滲透層 碳酸巖剖面 碳酸巖 儲集層與非儲集層巖性相同 自然電位曲線區分不開 其幅值大小只反映泥質含量的高低 巖鹽 膏巖 無滲透性 因而自然電位無異常顯示 自然電位測井 SP 自然電位異常幅度還可用來判斷砂巖滲透層孔隙中所含流體的性質 油 氣 水 一般含水砂巖的自然電位幅度 Usp比含油砂巖的自然電位幅度 Usp要高 據此可判斷油水層 如圖 同一砂巖層中 上部含油下部含水時 自然電位曲線上表明了上述結論 5 自然電位測井曲線的應用 2 判斷儲層中流體性質 巖層上部含油下部含水 5 自然電位測井曲線的應用 3 估算泥質含量Vsh 泥質系數法厚層純水層砂巖SSP 厚層含泥質的砂巖層PSP 泥質系數 PSP SSP Vsh 1 經驗公式法SHP1 SP SBL SSP SSPSP 自然電位讀值 SBL 自然電位基線值SHP 2c SHP1 1 2c 1 C 系數 對于老地層 其值為2 新地層為3 關系曲線法對存在的各種含泥質砂巖進行取樣 通過巖心分析 測定其泥質含量 然后繪制和統計出Vsh與關系曲線 然后再根據SP確定地層的Vsh值 在評價油氣儲集層時 含油氣飽和度是一個非常重要的參數 而要確定含油飽和度So 則必須知道地層水電阻率Rw 用自然電位測井資料確定地層水電阻率是常用的方法之一 其方法是 選擇剖面中較厚的飽含水的純凈砂巖層 讀出該層的自然電位異常幅度 Usp 并根據泥漿資料確定泥漿濾液電阻率Rmf 然后根據下式即可確定出Rw 這對于低礦化度的地層水和泥漿濾液來說 所得到的Rw是正確的 5 自然電位測井曲線的應用 4 確定地層水電阻率Rw 但當上述溶液礦化度較高時 由于礦化度與溶液電阻率不是線性關系 如果仍用上式確定Rw 則會有一定的誤差 為此引入 等效電阻率 的概念 即不論溶液礦化度范圍 溶液的等效電阻率和溶液的礦化度總是保持線性關系 即式中 Rmfe為泥漿濾液等效電阻率 Rwe為地層水等效電阻率 該式適用于任何礦化度的溶液 但求出的結果是地層水等效電阻率Rwe 然后再用SP 2圖版求出Rw 5 自然電位測井曲線的應用 4 確定地層水電阻率Rw 5 自然電位測井曲線的應用 4 確定地層水電阻率Rw 5 自然電位測井曲線的應用 確定地層水電阻率Rw方法和步驟 確定含水層的靜自然電位值SSP選擇厚的砂巖水層 此時 rsd和rsh均趨于零 可以直接讀出該含水層的自然電位幅度值 Usp近似作為SSP使用 否則 需對 Usp進行厚度 電阻率和侵入情況校正 確定Rmfe為了確定Rmfe 需要知道地層溫度t和地層溫度下的泥漿電阻率Rmt 確定方法如下 A 確定地層溫度t 已知解釋目的層深度后 則用已知地溫梯度公式來確定地層溫度 4 確定地層水電阻率Rw B 確定地層溫度下的泥漿電阻率Rmt首先在測井曲線圖頭上查出18 時的泥漿電阻率Rm18 值 然后換算為Rmt 轉換是通過 NaCl溶液電阻率與其濃度和溫度關系圖版 C 確定Rmf由Rmt和泥漿密度 一般可由測井圖頭上查得 用 估計Rmf和Rmc圖版 確定Rmf 或通過近似式Rmf 0 75Rmt計算 5 自然電位測井曲線的應用 4 確定地層水電阻率Rw D 確定Rmfe如果溶液中僅有NaCl且溫度為24 75 時若Rmf 0 1 m 則根據經驗取Rmfe 0 85Rmf 若Rmf 0 1 m 礦化度較高 則需要用上圖 由Rmf確定Rmfe 5 自然電位測井曲線的應用 4 確定地層水電阻率Rw 5 自然電位測井曲線的應用 確定地層水電阻率Rmfe方法和步驟 確定Rw值首先通過SP l圖版 由SSP和Rmfe確定出等效地層水電阻率Rwe 然后通過SP 2圖版由Rwe確定地層水電阻率Rw SP 1圖版是一組曲線號碼為溫度的Rmfe Rwe與SSP關系曲線 先由橫坐標SSP與已知地層溫度曲線相交 得到交點縱坐標x 則在已知Rwe的情況下 由SP 2圖版即可確定地層水電阻率Rw 4 確定地層水電阻率Rw 另外也可以通過計算的方法來確定地層水電阻率 其方法如下 利用自然電位基本方程式在該式中 SSP和Rmfe通過上述方法確定 而擴散吸附電動勢系數可以通過式來計算式中K t 18 為溫度為18 時的擴散電動勢系數 對于NaCl溶液而言 其大小為69 6mv t為地層溫度 故此式中未知數僅Rwe一個 因此可以計算出Rwe 然后通過SP 2圖版得到地層水電阻率 5 自然電位測井曲線的應用 4 確定地層水電阻率Rw 對于砂泥巖剖面 由自然電位曲線大多可以求得較準確的Rw值 但在有些情況下 如非NaCl的鹽類存在 自然電位基線偏移或Rw在井剖面上變化不定時應特別謹慎 用自然電位曲線求Rw 必須是厚度較大的含水純砂巖層 若儲集層含泥質 將使得所求Rw偏高 Rw Rmf時 若儲集層含鈣質 可能使Rw偏低 5 自然電位測井曲線的應用 4 確定地層水電阻率Rw 在油田開發過程中 常采用注水的方法提高采收率 由于注水驅油或是邊水推進 如果儲層見到了注入水或邊水 則該層叫水淹層 儲集層被水淹的部位決定于巖層各部分的滲透性 一般規律是滲透性好的部分首先被水淹 利用測井資料判斷水淹層位及估計水淹程度已是檢查注水效果的重要方法 水淹層在自然電位曲線上的顯示特點較多 在工作時 要根據每個地區的實際情況進行分析 對部分水淹層 油層底部或頂部見水 自然電位曲線的基線在該層上下發生偏移 出現臺階 這是一種比較普遍的現象 這是由于注入水與油田水的礦化度不同造成的 5 自然電位測井曲線的應用 5 判斷水淹層 5 自然電位測井曲線的應用 5 判斷水淹層 右圖中展示