03-自然电位测井new

1、自然电位测井云美厚云美厚河南理工大学资源与环境学院河南理工大学资源与环境学院电测井系列之一电测井系列之一什么是自然电位？定义：自然条件下，因地层介质自然激化形成定义：自然条件下，因地层介质自然激化形成的电场在空间上所造成的电位差。的电场在空间上所造成的电位差。 一般用一般用SPSpontaneous Potential or Self Potential表示表示测井原理：测量电极在井内移动时，可测得与测井原理：测量电极在井内移动时，可测得与地层性质有关的电位变化见图地层性质有关的电位变化见图特点：自然产生，无需供电特点：自然产生，无需供电 自然电位曲线变化与岩性密切相关，能自然电位曲线变化与岩

2、性密切相关，能以明显的异常显示出渗透性地层以明显的异常显示出渗透性地层(油气勘探为储油气勘探为储集层、煤田勘探含水层集层、煤田勘探含水层)自然电位测井优点：自然电位测井优点： 简单，实用，低本钱简单，实用，低本钱 是划分岩性和研究储集层是划分岩性和研究储集层(渗透层渗透层)性质的重要性质的重要方法方法vMN井中电极M与地面电极N之间的电位差返回自然电位测井原理图 扩散扩散-吸附电场吸附电场地层水矿化度地层水矿化度 (含盐浓度含盐浓度)与钻井液矿化度不同，与钻井液矿化度不同，引起离子扩散作用；岩石颗粒对离子的吸附作用正负离子扩散速度引起离子扩散作用；岩石颗粒对离子的吸附作用正负离子扩散速度不同；

3、见图不同；见图 过滤电场过滤电场地层压力与钻井液柱压力不同，在地层孔隙中产生的地层压力与钻井液柱压力不同，在地层孔隙中产生的过滤作用过滤作用实践证明，扩散作用是井内自然电位产生的主要原因实践证明，扩散作用是井内自然电位产生的主要原因 过滤作用只在泥浆柱和地层间的压力差很大且泥过滤作用只在泥浆柱和地层间的压力差很大且泥 饼未形成前才有较大显示饼未形成前才有较大显示 通常钻井液柱压力略高于地层压力，压差较小，通常钻井液柱压力略高于地层压力，压差较小， 且测井时泥饼已形成，故常忽略过滤电位且测井时泥饼已形成，故常忽略过滤电位井内自然电位产生的两个主要原因井内自然电位产生的两个主要原因井内自然电场分布

4、示意图砂岩泥岩泥岩钻井液C1C1C2CmfC1C2Cmf扩散扩散方向方向泥岩结构、化学成分与砂岩不同，自然电位数值与砂岩差异大，且符号相反粘土外表具选择吸附负离子能力一、扩散吸附电位一、扩散吸附电位扩散电动势扩散电动势Ed-扩散动扩散动态平衡态平衡高浓度C1低浓度C2半透膜C1C2自然电场MNEd21lgCCKEddEd单位单位mV；浓度；浓度C1，C2单位单位g/L；Kd为扩散电位系数，单位为扩散电位系数，单位mV;与溶液与溶液中盐类化学成分和温度有关中盐类化学成分和温度有关对对NaCl溶液，当溶液，当t=25(18 )时，测时，测得得Kd12lgRRKEdd当浓度不很大时，浓度与电阻率成反

5、比当浓度不很大时，浓度与电阻率成反比R1，R2分别为不同浓度液体电阻率砂岩段：砂岩段：扩散电动势的形成扩散电动势的形成 浓度为浓度为Cw的地层水和浓度为的地层水和浓度为Cmf的泥浆滤滤液在井壁附近的泥浆滤滤液在井壁附近接触产生扩散现象，通常接触产生扩散现象，通常CwCmf。 扩散结果：扩散结果：地层水内富集正电荷地层水内富集正电荷 泥浆滤液中富集负电荷泥浆滤液中富集负电荷 形成形成扩散电动势扩散电动势EdwmfddRRKElgKd为扩散电位系数为扩散电位系数Rw为地层水电阻率；为地层水电阻率；Rmf为钻井液滤液电阻率为钻井液滤液电阻率对对NaCl溶液，溶液，t=25(18 )KdwmfddRR

6、KElg泥岩段：泥岩段：扩散扩散-吸附电动势的形成吸附电动势的形成 泥岩内地层水浓度为泥岩内地层水浓度为Cw和浓度为和浓度为Cmf的泥浆滤滤的泥浆滤滤液在泥岩井壁附近接触产生扩散现象，通常液在泥岩井壁附近接触产生扩散现象，通常CwCmf。 泥岩特殊性：结构、化学成分与砂岩不同，粘土泥岩特殊性：结构、化学成分与砂岩不同，粘土矿物外表具有选择吸附负离子的能力，故只有正离矿物外表具有选择吸附负离子的能力，故只有正离子可以自由移动，泥岩井壁主要为正离子扩散见子可以自由移动，泥岩井壁主要为正离子扩散见动画动画 扩散结果：泥岩地层水内富集负电荷扩散结果：泥岩地层水内富集负电荷 泥浆滤液中富集正电荷泥浆滤液

7、中富集正电荷 形成扩散形成扩散-吸附电动势吸附电动势EdaKda扩散吸附电位系数扩散吸附电位系数Rw为地层水电阻率为地层水电阻率Rmf为钻井液滤液电阻率为钻井液滤液电阻率wmfdadaRRKElg也称薄膜电动势薄膜电动势对对NaCl溶液，当溶液，当t=25(18 )时，时，Kda成因：因过滤作用井壁附近聚集了大量负离子，成因：因过滤作用井壁附近聚集了大量负离子， 地层内部聚集了大量正离子地层内部聚集了大量正离子 在地层和泥浆接触面两端形成电位在地层和泥浆接触面两端形成电位 相应电动势为过滤电动势，用相应电动势为过滤电动势，用Ef表示表示渗透层砂岩层处：泥浆压力渗透层砂岩层处：泥浆压力地层压力条

8、件下地层压力条件下 过滤电位与扩散吸附电位方向一致，过滤电位与扩散吸附电位方向一致， 其数值与压力差及过滤液电阻率成正比，其数值与压力差及过滤液电阻率成正比， 与过滤液粘度成反比与过滤液粘度成反比二、过滤电位二、过滤电位过滤电动势过滤电动势EfmfffRPKE P为压力差，为压力差，atm；Rmf为过滤溶液的电阻率，为过滤溶液的电阻率，m； 过滤溶液粘度，厘泊，过滤溶液粘度，厘泊，10-3PasKf过滤电位系数，与溶液成分、浓度有关过滤电位系数，与溶液成分、浓度有关因压差小，因压差小，一般忽略不计一般忽略不计在砂泥岩剖面井中，自然电场主要由扩散电位和扩散吸在砂泥岩剖面井中，自然电场主要由扩散电

9、位和扩散吸附电位组成附电位组成+ +-+-自然电位测井曲线形状与特点自然电位测井曲线形状与特点一、井内自然电位的分布一、井内自然电位的分布井内自然电场分布示意图井内自然电场分布示意图砂岩泥岩泥岩钻井液CshCshCsdCmfCshCsdCmf扩散扩散方向方向Eda1EdEda1Eda2Eda2mfsdddCCKElgmfshdadaCCKElg1sdshdadaCCKElg2画出等效电路以砂泥岩剖面的油气井为例钻井一般采用淡水钻井液钻进，测井时多遇到CwCmf情况井内自然电位的等效电路井内自然电位的等效电路Eda1EdEda2rmfrshrt钻井液钻井液等效电阻等效电阻泥岩泥岩等效电阻等效电阻

10、砂岩砂岩等效电阻等效电阻结论：结论：在井在井与砂岩、泥与砂岩、泥岩的接触面岩的接触面上，自然电上，自然电流回路的总流回路的总自然电动势自然电动势E Es s为各接触为各接触面上自然电面上自然电动势的代数动势的代数和和21dadadsEEEEmfwmfsdmfsddadsdshdamfshdamfsdddadadsCCKCCKCCKKCCKCCKCCKEEEElg lglg)(lglglg21dadKKK称为自然电位系数称为自然电位系数砂岩中地层水矿化度砂岩中地层水矿化度当当t=25时，时， K其中，其中，井筒内钻井液滤液矿化度井筒内钻井液滤液矿化度当当溶液浓度不很大时，浓度与电阻率成反比，有浓

11、度不很大时，浓度与电阻率成反比，有wmfsRRKElg如果砂岩含有泥质或泥岩不纯，将使如果砂岩含有泥质或泥岩不纯，将使总电动势减小，上式不可用总电动势减小，上式不可用自然电位异常幅度的计算自然电位异常幅度的计算自然电流等效电路tshmfrrrEsImftshmtshmfmfSPrrrEsrrrrEsrIU1回路电流强度回路电流强度I I实测自然电位异常幅度值实测自然电位异常幅度值 Usp实际上是实际上是自然电流在井内泥浆电阻上的自然电流在井内泥浆电阻上的电位降电位降参考电流方向实际电流方向半无限导电性各向同性均匀岩石A(+)MN供电电极测量电极电流强度I点电流源对称四极装置地面电法MN测量电极

12、MN测量电极实际电流流向参考电流方向高电位低电位Usp=UMN=UM-UN泥岩砂岩实测为电位降实测为电位降理论公式为电位升，所以理论公式为电位升，所以计算和实测差一个负号计算和实测差一个负号高电位低电位如何理解电位降-负异常总自然电动势的含义：总自然电动势的含义： 相当于自然电流回路断路时的电压相当于自然电流回路断路时的电压自然电位幅度自然电位幅度Usp是自然电位总电动势是自然电位总电动势Es的一局部的一局部对于纯水层砂岩纯砂岩对于纯水层砂岩纯砂岩+水饱和的总自然电动势，常称水饱和的总自然电动势，常称为它的静态自然电位，简称静自然电位，为它的静态自然电位，简称静自然电位， 用用SSPStati

13、c Self Potential )表示表示 为使用方便，实测为使用方便，实测SP曲线上不设绝对零线，而是以大段曲线上不设绝对零线，而是以大段泥岩对应的自然电位曲线作为泥岩对应的自然电位曲线作为SP曲线的相对基线曲线的相对基线(称为泥岩称为泥岩基线，即零线基线，即零线)。这样，井中巨厚的纯水层砂岩井段的自然。这样，井中巨厚的纯水层砂岩井段的自然电位幅度可近似地认为是电位幅度可近似地认为是SSP，SSPES。 因巨厚砂岩或泥岩层的截面积比井的截面积大得多，因巨厚砂岩或泥岩层的截面积比井的截面积大得多，rmfrsd，rmfrsh，UspEsSSP ,而对于一般有限厚而对于一般有限厚地层，地层， U

14、spCmf时，自然电位逐渐降低，曲线偏向负方向岩性界面b点处，电流最大，电位变化最大，曲线急剧向负向偏转过地层界面后，电流密度减小，电位继续降低，地层中心c点，电流最小，曲线几乎变为平行井轴直线砂岩底部，电流增大，电位增大，正向偏转含水纯砂岩的自然电位理论曲线含水纯砂岩的自然电位理论曲线UspSSPh地地层层厚厚度度井井径径条件：条件：地层、钻井液均匀地层、钻井液均匀 上下围岩岩性相同上下围岩岩性相同SP曲线特点：曲线特点：曲线关于目的层中心对曲线关于目的层中心对称，中心处异常值最大称，中心处异常值最大目的层顶、底界面处，目的层顶、底界面处， Usp变化最大变化最大地层越厚，地层越厚， Usp

15、越接近越接近SSP，地层厚度变小，地层厚度变小， Usp下降，曲线顶部变尖下降，曲线顶部变尖，底部变宽，底部变宽 Usp 4d时，时， Usp的的半幅点对应地层的界面，半幅点对应地层的界面，可用曲线半幅点确定地层可用曲线半幅点确定地层界面界面厚度变小，界面处的曲厚度变小，界面处的曲线幅度值将离开半幅点向线幅度值将离开半幅点向曲线峰值移动。此时半幅曲线峰值移动。此时半幅点不可用于确定顶底界面点不可用于确定顶底界面实测曲线与理论曲线特点根本相同，但因实测曲线与理论曲线特点根本相同，但因测井时受多方面因素的影响，其不如理论测井时受多方面因素的影响，其不如理论曲线规那么。曲线规那么。实测自然电位幅度为

16、自然电流在井内的产实测自然电位幅度为自然电流在井内的产生的电位降，它永远小于自然电流回路的生的电位降，它永远小于自然电流回路的总电动势总电动势泥岩或页岩层段，岩性稳定，在泥岩或页岩层段，岩性稳定，在SP曲线上显示为一条电位不变的直线泥岩曲线上显示为一条电位不变的直线泥岩基线基线渗透性砂岩段，渗透性砂岩段，SP曲线偏离泥岩基线，曲线偏离泥岩基线，在足够厚的砂岩层中，曲线到达固定的偏在足够厚的砂岩层中，曲线到达固定的偏转幅度，定为砂岩线。转幅度，定为砂岩线。砂岩砂岩SP曲线的异常幅度为地层中点曲线的异常幅度为地层中点(极大极大值值)的自然电位与基线的差值的自然电位与基线的差值(mV)。实测SP曲线

17、泥泥岩岩基基线线砂砂岩岩线线相对泥岩基线而言，渗透性砂岩地层的自然电位曲线可相对泥岩基线而言，渗透性砂岩地层的自然电位曲线可向左或向右偏转，它主要取决于地层水和泥浆溶液的相向左或向右偏转，它主要取决于地层水和泥浆溶液的相对矿化度。对矿化度。 当当CwCmfCwCmf时，砂岩层段自然电位出现负异常时，砂岩层段自然电位出现负异常 当当CwCmfCwCmf时，砂岩层段时，砂岩层段SPSP出现正异常；出现正异常； 当当Cw=CmfCw=Cmf时，不存在形成自然电场的条件，时，不存在形成自然电场的条件， 因而无自然电位异常出现。因而无自然电位异常出现。 CwCw和和CmfCmf的差异越大，所形成的自然电

18、场的的差异越大，所形成的自然电场的 总电动势越大总电动势越大 在砂泥岩剖而中，钻井一般用淡水钻井液在砂泥岩剖而中，钻井一般用淡水钻井液(Cw(CwCmf,Cmf,所以，所以，SPSP异常多为负异常异常多为负异常; ;即离开基线向即离开基线向 “ “- -号方向号方向左偏。假设采用盐水钻井液左偏。假设采用盐水钻井液(Cw(CwCmf)Cmf)，那么，那么SPSP出现正出现正异常，即从基线向标有异常，即从基线向标有“+ +号方向右偏，号方向右偏， 因此，因此，SPSP曲线是识别渗透层的重要测井资料之一。曲线是识别渗透层的重要测井资料之一。负异常正异常自然电位曲线影响因素自然电位曲线影响因素mfts

19、hSPrrrEsU1自然电位自然电位异常幅值异常幅值说明：自然电位幅度值与形成自然电场的总电动势Es、井内泥浆电阻rmf、泥岩电阻rsh以及砂岩电阻rt有关影响自然电位异常幅值的主要因素：影响自然电位异常幅值的主要因素：1 1岩性和矿化度比值岩性和矿化度比值( (或电阻率比值或电阻率比值) )的影响的影响 UspEsUspEs，EsEs取决于岩性和取决于岩性和Rmf/Rw(Rmf/Rw(即即Cw/Cmf)Cw/Cmf)，所以岩性和所以岩性和Cw/Cmf Cw/Cmf 直接影响直接影响Usp Usp 的异常幅度。的异常幅度。 在砂泥岩剖面，自然电位曲线以泥岩为基线。在在砂泥岩剖面，自然电位曲线以

20、泥岩为基线。在含水纯砂岩层中，自然电位幅度最大，含水纯砂岩层中，自然电位幅度最大，UspEs=SSP UspEs=SSP 泥质含量增加，泥质含量增加，SSPSSP下降，导致下降，导致UspUsp下降；下降；2 2地层厚度和井径的影响地层厚度和井径的影响 地层厚度地层厚度，rt rmfrt rmf，Usp Usp ，曲线变得平，曲线变得平缓。缓。 当地层厚度一定，井径减小，当地层厚度一定，井径减小，rmfrmf，Usp Usp 。UspSSPh地地层层厚厚度度井井径径h一定，d减小，h/d增大rmf增大，Usp增大表象 本质3 3地层电阻率的影响地层电阻率的影响 砂岩电阻率砂岩电阻率Rt(Rt(

21、或围岩电阻率或围岩电阻率Rsh) ,Rsh) ,使使rt(rt(或或rsh) rsh) , ,Usp Usp 泥浆电阻率泥浆电阻率RmfRmf，rmfrmf，UspUsp，因此，因此, ,在盐水井中在盐水井中自然自然 电位曲线变化不明显，很难划分地层。电位曲线变化不明显，很难划分地层。不同Rt/Rm值的SP曲线Rm即RmfRt/Rm 意味着Rt (或或Rm )， Usp 4 4泥浆侵入的影响泥浆侵入的影响 泥浆侵入，地层水和泥浆滤液的接触面向地层内推泥浆侵入，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，移，所产生的效果相当于井径扩大，rmfrmf， UspUsp钻井液侵入

22、带对SP曲线影响D侵入带直径无侵入侵入深 1 1判断岩性，确定渗透性地层判断岩性，确定渗透性地层 自然电位岩石的成分、组织结构、胶结物成分及含量自然电位岩石的成分、组织结构、胶结物成分及含量有密切的关系，所以可根据自然曲线的变化判断岩性和分有密切的关系，所以可根据自然曲线的变化判断岩性和分析岩性的变化。析岩性的变化。 砂泥岩剖面中，当砂泥岩剖面中，当RwRmf(CwRw4dh4d，d d为井径为井径定厚度。定厚度。 如果如果h4dh4d，用，用“半幅点法确定的渗透层厚度一般要半幅点法确定的渗透层厚度一般要大于实际地层的厚度，结果会产生较大的误差。大于实际地层的厚度，结果会产生较大的误差。自然电

23、位曲线的应用自然电位曲线的应用2 2）计算地层水电阻率。）计算地层水电阻率。 条件：条件：仅限于渗透性地层仅限于渗透性地层 自然电位仅由扩散吸附作用产生，自然电位仅由扩散吸附作用产生， 过滤电位可忽略过滤电位可忽略 地层水内主要化学成分是地层水内主要化学成分是NaClNaCl 泥浆电阻率不高，泥浆电阻率不高， 可以利用下式来计算可以利用下式来计算Rw Rw 具体计算时要求：具体计算时要求： 已知地层厚度已知地层厚度h h、井径、井径d d、地层电阻率、地层电阻率RtRt和钻井液电和钻井液电阻率阻率RmRm、围岩、围岩( (泥岩泥岩) )电阻率电阻率RshRsh 有侵入时，已知侵入带直径有侵入时

24、，已知侵入带直径D D，冲洗带电阻率，冲洗带电阻率RxoRxowmfRRKSSPlg第一步，确定静自然电位第一步，确定静自然电位SSP 当含水砂岩层厚度足够大，无侵入，且当含水砂岩层厚度足够大，无侵入，且RtRshRm时时，直接读出，直接读出Usp即可作为即可作为SSP；SSP Usp 当层厚不大时，必须进行校正。校正方法如下当层厚不大时，必须进行校正。校正方法如下 1、从自然电位曲线，读取、从自然电位曲线，读取Usp 2、选择较符合实际、选择较符合实际Rsh/Rm值的横排图板见下页值的横排图板见下页 3、选择无侵入或比较符合、选择无侵入或比较符合Rxo/Rt值得有侵入图板值得有侵入图板 4、

25、在横坐标上找出、在横坐标上找出h/d的值，垂向上与对应的值，垂向上与对应Rt/Rm无侵入或无侵入或RxoRm有侵入曲线或内插曲线相交，有侵入曲线或内插曲线相交，读取交点纵坐标即为校正系数读取交点纵坐标即为校正系数v 5、计算静自然电位、计算静自然电位SSP，有，有 SSP= Usp/v具体计算方法步骤具体计算方法步骤RxoRxo=RtRxo=5RtRxo-冲洗带电阻率，D侵入带直径D/d=5Rsh/Rm=1Rsh/Rm=5Rsh/Rm=20Rsh/Rm=1Rsh/Rm=5Rsh/Rm=20Rxo/RmRt/RmV=第二步，计算相应地层温度的自然电位系数第二步，计算相应地层温度的自然电位系数Kt

26、 、确定地层温度、确定地层温度t 当目的层深度时，地层温度可利用当目的层深度时，地层温度可利用“估计地层温度估计地层温度图版或地温梯度公式确定。图版或地温梯度公式确定。 、确定的层温度下的自然电位系数、确定的层温度下的自然电位系数Kt 根据地层温度根据地层温度t和自然电位系数和自然电位系数K18，按下式计算，按下式计算oKtKt1818273273K1818时的自然电位系数；Kt的层温度为t时的自然电位系数第三步，确定泥浆滤液电阻率第三步，确定泥浆滤液电阻率 、确定地层温度、确定地层温度t方法同前方法同前 当目的层深度时，地层温度可利用当目的层深度时，地层温度可利用“估计地层温度图估计地层温度

27、图版或地温梯度公式确定。版或地温梯度公式确定。 、确定地层温度下的泥浆电阻率、确定地层温度下的泥浆电阻率 在测井曲线图头上，查出在测井曲线图头上，查出18时的泥浆电阻率时的泥浆电阻率 利用下式求取地层温度下的泥浆电阻率利用下式求取地层温度下的泥浆电阻率tmR018mR)8(021.01018tRRmtm或利用或利用“溶液电阻率与其浓度和温度的关系图版溶液电阻率与其浓度和温度的关系图版(见图见图)读读取地层温度下的泥浆电阻率取地层温度下的泥浆电阻率 、确定泥浆滤液电阻率、确定泥浆滤液电阻率Rmf。 用近似公式用近似公式 计算计算 或由或由 和泥浆密度用和泥浆密度用“估计估计Rmf和和Rmc图版图

28、版见图确定见图确定tmRtmmfRR75. 0溶液电阻率溶液电阻率温度温度t溶液浓度溶液浓度溶液电阻率与其浓度和温度的关系图版溶液电阻率与其浓度和温度的关系图版返回返回Rmf Rmf 或或RmcRmcRmRm估计估计Rmf和和Rmc图版图版wmfRRKSSPlgKSSPmfwRR/10对于低矿化度地层水和泥浆滤液情形对于低矿化度地层水和泥浆滤液情形 浓度和电阻率之间满足反比关系浓度和电阻率之间满足反比关系计算方法：计算方法： 按照前述三步确定按照前述三步确定SSPSSP、K K、RmfRmf后，直接利用后，直接利用下式即可确定地层水电阻率下式即可确定地层水电阻率Rw Rw 第三步，确定地层水电阻率第三步，确定地层水电阻