自然电位测井

1、Spontaneous potential logging,自然电位测井,自然电位测井(SP),1、方法特点,2、自然电位产生的原因,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,5、自然电位测井曲线的应用,学习内容,1、方法特点,钻井后由于井壁附近的电化学活动性造成的电场叫自然电场。沿井轴测量记录自然电位变化曲线，可以用于区别岩性和研究钻井剖面性质。 SP测井的基本方法为： 如图，在井内放一测量电极M，地面放一测量电极N，将M电极沿井筒移动，即可测出一条井内自然电位变化的曲线。,自然电位测井(SP),要对所测的SP曲线进行地质解释，首先应该了解自然电位是怎

2、样产生的，它与地层的那些性质有关。 ,自然电位测井(SP),1、方法特点,2、自然电位产生的原因,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,5、自然电位测井曲线的应用,学习内容,2、自然电位产生的原因,井内自然电位产生的原因是复杂的，对于油气井来说，主要有以下两个原因：,地层水和泥浆含盐浓度不同而引起的扩散电动势和吸附电动势。 地层压力与泥浆柱压力不同而引起的过滤电动势。 实践证明，在油气井中，这两种电动势以扩散电动势和吸附电动势占绝对优势。,（1）扩散电位,当两种不同浓度的深液被半透膜隔开，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

3、液中移动。这种现象叫扩散，形成的电位叫扩散电位，在油井中，此种扩散有两种途径：,2、自然电位产生的原因,一是高浓度一方通过砂岩向低浓度泥浆中扩散; 二是通过泥岩向泥浆中扩散。其扩散电位大小取决于正负离子的运移率(单价离子在强度为1伏特/厘米的电场作用下的移动速度)；温度、压力；两种溶液的浓度差；浓度、离子类型及浓度差。,离子由砂岩向泥浆中直接扩散时，由于Cl-比Na+的迁移率大，因此在砂岩高浓度一侧聚集多余的正电荷，而在泥浆中聚集负电荷。离子量移动到一定程度，形成动态平衡，此时电位叫扩散电位，经实验证实，扩散电位Ed可由以下公式求得（涅耳斯特方程，Nernst） Ed=Kdlg(Cw/Cmf)

4、 Kd-扩散电位系数，与盐类的化学成份及温度有关。,2、自然电位产生的原因,（1）扩散电位,对于石油钻井而言：,下面列举常见盐溶液的迁移率和Kd值,2、自然电位产生的原因,（1）扩散电位,2、自然电位产生的原因,在井中，18时若地层水浓度Cw等于10倍的泥浆溶液矿化度Cmf时,经理论推算：kd=-11.6mv，其中负号表示低度一方井中的电位低；Cmf、Cw-泥浆滤液和地层水矿化度。 当溶液矿化度不高时，溶液浓度与电阻率成反比，即 Ed=Kdlg(Cw/Cmf)=Kdlg(Rmf/Rw) Rmf,Rw-泥浆滤液和地层水电阻率。,（1）扩散电位,因为泥岩结构、化学成分等与砂岩不同，因此与泥浆之间形

5、成的电位差大，且符号与扩散电位相反，这是由于粘土矿物表面具有选择吸附负离子的能力。因此当浓度不同的NaCl溶液扩散时，粘土颗粒吸附Cl-离子，而Na+离子可以自由移动，若CwCmf，泥浆带正电荷，储集层与泥岩界面处带负电荷，这时形成的电动势为扩散吸附电动势，这是由于既有扩散作用又有吸附作用，因此称为扩散吸附电动势，用Eda表示,由下式求 Eda=Kdalg(Cw/Cmf) 若Cw=10Cmf, t=18 Kda=58mV。,2、自然电位产生的原因,（2）吸附电位,（隔膜作用-砂岩通过泥岩与泥浆之间交换离子),这种电动势是由于泥浆柱与地层之间存在压力差，泥浆滤液通过泥饼或泥质岩石渗滤形成的。,2

6、、自然电位产生的原因,（3）过滤电位,通常，泥浆柱的压力大于地层压力，并在渗透性岩层(如砂岩层)处，都不同程度的有泥饼存在。由于组成泥饼的泥质颗粒表面有一层松散的阳离子扩散层，在压力差的作用下，这些阳离子就会随着泥浆滤液的渗入向压力低的地层内部移动。于是在地层内部一方出现了过多的阳离子，使其带正电，而在井内泥饼一方正离子相对减少，使其带负电，从而产生了电动势。由此形成的电动势，叫做过滤电动势。显然它的极性与扩散电动势相同，即井的一方为负，岩层的一方为正。,过滤电动势Ef的大小与泥饼两边的压力差P和泥浆滤液的电阻率Rmf成正比，而与泥浆滤液的粘度成反比，即 Kf 过滤电位系数，与溶液的成分有关；

7、 P 压力差，单位为大气压； 过滤溶液的粘度，厘泊； 当压差悬殊，泥饼未形成以前，过滤电位有较大的显示。 通常Ef只有在压力差很大时，才不可忽略，但一般钻井时，要求泥浆柱压力只能稍大于地层压力，因此在实际工作中，通常都认为过滤电动势可忽略不计。,2、自然电位产生的原因,（3）过滤电位,自然电位测井(SP),1、方法特点,2、自然电位产生的原因,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,5、自然电位测井曲线的应用,学习内容,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,（1）总电动势,结合等效电路进行分析,由砂岩，泥岩、泥浆所组成的导电回路中，电动势Ed和E

8、da是串联的，因此，在该回路中扩散作用的总电动势Es为该两电动势的代数和 Es = Ed+Eda = Kdlg(Cw/Cmf)+ Kdalg(Cw/Cmf) = Kslg(Cw/Cmf) Ks=Kd+Kda Ks-总的扩散、扩散吸附电动势系数; Es-井内自然电动势,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,（1）总电动势,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,（2）电位分布,SP测井时是与普通电阻率测井同时进行，其测量原理电路见图。 M电极是普通电阻率测井和自然电位测井公用的测量电极，视电阻率测井时，由供电电极供电形成的人工电场是低频脉动直流场，而自然电场是直流场，在视电阻率测量道上

9、加一个隔直元件C，阻隔自然电位进入该道，同时在自然电位测量道上加一个隔交元件L，它只允许自然电场的直流电位信号通过，从而阻断了研究视电阻率的脉动直流电场的信号干扰。,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,（2）电位分布,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,（2）电位分布,由自然电场分布特征可知，在砂岩和泥岩交界处自然电位有明显变化，变化幅度与Ed和Eda有关。 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。它是产生自然电场的总电动势E总： E总=Ed-Eda =Klg(Rmf/Rw) =SSP 式中K为自然电位系数。通常把E总叫作静自然电位，记作SSP。,把 E总叫作静自

10、然电位，记作SSP。此时Ed的幅度称砂岩线，Eda的幅度叫泥岩线。实际测井中以泥岩线作自然电位测井曲线的基线(即零线)，在180C时的纯砂岩层处的SSP： SSP=-69.6lg(RmRw)。 井中巨厚的纯砂岩层井段的自然电位幅度近似认为是SSP。 静自然电位的变化范围在含淡水岩层的+50mV到含高矿化度盐水岩层的-200mV之间。,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,（2）电位分布,自然电位测井(SP),1、方法特点,2、自然电位产生的原因,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,5、自然电位测井曲线的应用,学习内容,4、自然电位测井曲线的特

11、征及影响因素,（1）曲线特征, 异常幅度及其定量计算。 （砂岩有限厚） 自然电位幅度USP定义为：自然电流I在流经泥浆等效电阻rm上的电位降，即USP=Irm。 （巨厚砂岩） rm比rsd、rsh大得多，所以有USPSSP Es=I(rs+rt+rm) Usp=Irm =Es-I(rs+rt) =Es/(1+(rs+rt)/rm),A、曲线对地层中点对称，地层中点处异常值最大； B、厚地层（h4d）的自然电位曲线幅度Usp近似等于SSP，曲线的半幅值点深度正对应着地层界面，因此可用半幅点法确定地层界面； C、随地层厚度的变小，自然电位曲线幅度Usp下降，曲线顶部变尖，底部变宽，Usp小于SSP

12、，而且界面位置离开半幅值点向曲线峰值移动。,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,（1）曲线特征, SP曲线特征,A、自然电位测井曲线没有绝对零点，而是以泥岩井段的自然电位幅度作基线，曲线上方标有带极性符号的横向比例尺，它与曲线的相对位置，不影响自然电位幅度的读数。 B、自然电位幅度Usp的读数是基线到曲线极大值之间的宽度所代表的毫伏数。 C、在砂泥岩剖面井中，一般为淡水泥浆钻进(CwCmf)，在砂岩渗透层井段自然电位曲线出现明显的负异常； 在盐水泥浆井中(CwCmf)，渗透层井段出现正异常，这是识别渗透层的重要特征。,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素, 使用SP曲线应注意的几个问题,（1

13、）曲线特征,上述已经提及，在自然电位曲线上有异常出现的地方，该异常相对于泥岩基线的最大偏转，称自然电位异常幅度。自然电位异常幅度的大小与许多因素有关，可根据自然电流回路的等效电路对此进行分析。 在井内测得的自然电位降落仅仅是自然电动势的一部分(该电动势的另外两部分电位降落分别产生在砂岩层及其围岩之中)，它的数值及曲线特点主要决定于造成自然电场的总电动势Es及自然电流的分布。 Es的大小取决于岩性、地层温度、地层水和泥浆中所含离子成分以及泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。 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厚度和井径的大小。,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,（2）影响因素

14、,从扩散和吸附电动势的产生，我们可以看出，Kd和Ka与温度有关，因此同样的岩层，由于埋藏深度不同，其温度不同，也就造成Kd和Ka值有差别。 通常绝对温度T与Kd和Ka成正比关系，这可从离子的活动性来解释。为了研究温度对自然电位的影响程度，常需计算出地层温度条件下的Kd和Ka值。为计算方便，先计算出18时的Kd和Ka值，然后用下式可计算出任何地层温度t的的Kd值。 式中Kd|t=18为温度为18时的扩散电动势系数；t为地层温度。Ka的温度换算公式与Kd的形式相同。,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,地层温度的影响,（2）影响因素,Usp主要取决于自然电场的总电动势SSP。 显然，Usp与SS

15、P成正比，而SSP的大小取决于岩性和CwCmf。 因此，在一定的范围内，Cw和Cmf差别大，造成自然电场的电动势高，曲线变化明显。,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值的影响,（2）影响因素,地层水和泥浆滤液内所含盐类不同，则溶液中所含离子不同，离子价也不同。由于不同离子的离子价和迁移率均有差异，直接影响Kd和Ka的大小，因而也就影响了Es的数值。 在纯砂岩井段，溶液中所含化学成分改变时，扩散电动势系数Kd也随之改变，造成自然电场的电动势也随之改变，参见下表：,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,地层水和泥浆滤液中含盐性质的影响,（2）影响因素,自然电位异常幅

16、度实际是自然电流在其所经过的泥浆柱上的最大电位降落。因此井径对自然电位异常幅度有明显影响，其影响程度可通过等效电路来分析。 井径扩大，使井眼的截面积增大，则泥浆柱的电阻rm减小，从而导致Usp降低。 井内泥浆电阻率减小，同样使泥浆柱电阻rm减小，则导致Usp降低。 也可以这样考虑，rm减小，使得rm在整个电流回路上的分压作用减弱，也就是Irm变小，自然也就有Usp的降低。 因此在盐水泥浆井中自然电位曲线变化不明显。,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,井的影响（包括井径和泥浆电阻率）,（2）影响因素,岩层厚度变薄，或岩层电阻率增高，自然电位异常幅度均降低。 这是因为岩层厚度变薄时，电流所经过

17、的岩层部分横截面积减小，该部分等效电阻rsd增加； 而当岩层厚度一定，岩层本身的电阻率增大时，rsd也增加。 于是，由上式可知，地层的电阻率越高则Usp越低，因此这两个因素均使自然电位异常幅度降低。 据此不难知道，在岩层厚度、岩性和地层水矿化度等条件均相同的含水层同含油、气层相比，电阻率较高的含油、气层的自然电位异常幅度要比含水层的自然电位异常幅度低。根据这一特点可以用自然电位幅度的差异定性地分辨油、水层。,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,目的层的影响（包括厚度和电阻率）,（2）影响因素,围岩的影响（包括厚度和电阻率）,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,（2）影响因素,泥岩层的电阻率

18、值及其厚度对自然电位异常幅度也有一定的影响。因为这两个参数决定着自然电流回路等效电阻rsh的数值。 泥岩层电阻率越高或岩层厚度越薄，rsh增高，自然电位异常幅度会降低。 但通常泥岩的电阻率都比较低，自然电流在其中所产生的电位降落较小，特别是当泥岩层厚度较大时，泥岩层的这两个因素对自然电位异常幅度的影响并不十分显著。,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,（2）影响因素,岩性的影响,当夹于纯泥岩层中的砂岩内含有泥质时，显然，对着砂岩层处，地层水与泥浆之间的扩散就与前述情况不同。 由于组成泥质的粘土颗粒具有离子选择薄膜的特性，因此，存在于砂岩中的泥质对溶液的直接扩散产生了一种附加的影响。使得砂岩层

19、与井之间除了产生扩散电动势之外，还产生一种附加的吸附电动势。而这两种电动势的极性是相反的，它们部分抵消的结果，会使得对着砂岩层处的扩散电动势数值同岩石不含泥质时相比有所降低，从而使总电动势也降低。电动势降低的程度，与岩石中含泥质的多少有关。 显然，岩石含泥质越多，产生的附加吸附电动势就强，总电动势的降低也越大；反之，就越小。,据此不难推论，在条件相同的情况下，纯砂岩的自然电位异常幅度要比泥质岩石的异常幅度大，而且随着砂岩中泥质含量的增加，自然电位异常幅度会随之减小。因此，根据砂岩层上的自然电位异常幅度大小，可以定量估计地层的泥质含量，和定性判断地层渗透性的好坏。 根据同样的道理，当泥岩层岩性不

20、纯时，对着该层的自然电位曲线将偏离泥岩基线。泥岩层中含的砂质(或石灰质、白云质)越多，这种偏离会更加显著。 可见，含泥质的砂岩和含砂质的泥岩，其自然电位异常幅度界于曲线上纯砂岩线与纯泥岩线之间。,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,（2）影响因素,岩性的影响,自然电位测井(SP),1、方法特点,2、自然电位产生的原因,3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析,4、自然电位测井曲线的特征及影响因素,5、自然电位测井曲线的应用,学习内容,主要包括： 判断岩性、划分渗透层; 判断储层中流体性质； 计算地层水电阻率; 估计泥质含量; 判断水淹层; 地层对比和沉积相研究等。,5、自然电位测井曲线的应

21、用,自然电位测井(SP),泥岩：基线附近； 砂岩：异常幅值和正负反映岩石渗透性好坏和泥浆的性能； 纯水砂岩：Usp=SSP 含油后Usp幅值下降，因为电阻率增大。,5、自然电位测井曲线的应用,（1）判断岩性，区分渗透层,砂 泥 岩 剖 面,自然电位测井(SP),5、自然电位测井曲线的应用,（1）判断岩性，区分渗透层,碳 酸 岩 剖 面,碳酸岩：储集层与非储集层岩性相同，自然电位曲线区分不开。其幅值大小只反映泥质含量的高低。 岩盐、膏岩：无渗透性，因而自然电位无异常显示；,自然电位测井(SP),自然电位异常幅度还可用来判断砂岩渗透层孔隙中所含流体的性质（油？气？水？）。 一般含水砂岩的自然电位幅

22、度Usp比含油砂岩的自然电位幅度Usp要高，据此可判断油水层。如图，同一砂岩层中，上部含油下部含水时，自然电位曲线上表明了上述结论。,5、自然电位测井曲线的应用,（2）判断储层中流体性质,岩层上部含油下部含水,5、自然电位测井曲线的应用,（3）估算泥质含量Vsh,泥质系数法 厚层纯水层砂岩 SSP ，厚层含泥质的砂岩层 PSP， 泥质系数=PSP/SSP，Vsh=1-。 经验公式法 SHP1=(SP-SBL+SSP)/SSP SP-自然电位读值，SBL-自然电位基线值 SHP=(2c*SHP1-1)/(2c-1) C-系数，对于老地层，其值为2，新地层为3 关系曲线法 对存在的各种含泥质砂岩进

23、行取样，通过岩心分析，测定其泥质含量，然后绘制和统计出Vsh与 关系曲线，然后再根据SP确定地层的Vsh值。,在评价油气储集层时，含油气饱和度是一个非常重要的参数，而要确定含油饱和度So，则必须知道地层水电阻率Rw。用自然电位测井资料确定地层水电阻率是常用的方法之一。 其方法是：选择剖面中较厚的饱含水的纯净砂岩层，读出该层的自然电位异常幅度Usp，并根据泥浆资料确定泥浆滤液电阻率Rmf，然后根据下式即可确定出Rw。 这对于低矿化度的地层水和泥浆滤液来说，所得到的Rw是正确的。,5、自然电位测井曲线的应用,（4）确定地层水电阻率 Rw,但当上述溶液矿化度较高时，由于矿化度与溶液电阻率不是线性关系

24、，如果仍用上式确定Rw，则会有一定的误差。为此引入“等效电阻率”的概念，即不论溶液矿化度范围，溶液的等效电阻率和溶液的矿化度总是保持线性关系，即 式中：Rmfe为泥浆滤液等效电阻率； Rwe为地层水等效电阻率。 该式适用于任何矿化度的溶液，但求出的结果是地层水等效电阻率Rwe，然后再用SP-2图版求出Rw。,5、自然电位测井曲线的应用,（4）确定地层水电阻率 Rw,5、自然电位测井曲线的应用,（4）确定地层水电阻率 Rw,5、自然电位测井曲线的应用,确定地层水电阻率Rw方法和步骤, 确定含水层的静自然电位值SSP 选择厚的砂岩水层，此时，rsd和rsh均趋于零，可以直接读出该含水层的自然电位幅

25、度值Usp近似作为SSP使用。否则，需对Usp进行厚度、电阻率和侵入情况校正。 确定Rmfe 为了确定Rmfe，需要知道地层温度t和地层温度下的泥浆电阻率Rmt，确定方法如下： A.确定地层温度t，已知解释目的层深度后，则用已知地温梯度公式来确定地层温度。,（4）确定地层水电阻率 Rw,B.确定地层温度下的泥浆电阻率Rmt 首先在测井曲线图头上查出18时的泥浆电阻率Rm18值；然后换算为Rmt，转换是通过“NaCl溶液电阻率与其浓度和温度关系图版” 。 C.确定Rmf 由Rmt和泥浆密度（一般可由测井图头上查得）用“估计Rmf和Rmc图版” 确定Rmf。或通过近似式Rmf0.75Rmt计算。,

26、5、自然电位测井曲线的应用,（4）确定地层水电阻率 Rw,D.确定Rmfe 如果溶液中仅有NaCl且温度为24（75）时 若Rmf0.1.m，则根据经验取Rmfe0.85Rmf； 若Rmf0.1.m (矿化度较高)，则需要用上图，由Rmf确定Rmfe。,5、自然电位测井曲线的应用,（4）确定地层水电阻率 Rw,5、自然电位测井曲线的应用,确定地层水电阻率 Rmfe方法和步骤, 确定Rw值 首先通过SP-l图版，由SSP和Rmfe确定出等效地层水电阻率Rwe，然后通过SP-2图版由Rwe确定地层水电阻率Rw。SP-1图版是一组曲线号码为温度的Rmfe/Rwe与SSP关系曲线。先由横坐标SSP与已

27、知地层温度曲线相交，得到交点纵坐标x，则在已知Rwe的情况下，由SP-2图版即可确定地层水电阻率Rw。,（4）确定地层水电阻率 Rw,另外也可以通过计算的方法来确定地层水电阻率，其方法如下： 利用自然电位基本方程式 在该式中，SSP和Rmfe通过上述方法确定，而扩散吸附电动势系数可以通过式来计算 式中K|t=18为温度为18时的扩散电动势系数，对于NaCl溶液而言，其大小为69.6mv；t为地层温度。 故此式中未知数仅Rwe一个，因此可以计算出Rwe，然后通过SP-2图版得到地层水电阻率。,5、自然电位测井曲线的应用,（4）确定地层水电阻率 Rw,对于砂泥岩剖面，由自然电位曲线大多可以求得较准

28、确的Rw值。但在有些情况下，如非NaCl的盐类存在，自然电位基线偏移或Rw在井剖面上变化不定时应特别谨慎。 用自然电位曲线求Rw，必须是厚度较大的含水纯砂岩层，若储集层含泥质，将使得所求Rw偏高(RwRmf时)；若储集层含钙质，可能使Rw偏低。,5、自然电位测井曲线的应用,（4）确定地层水电阻率 Rw,在油田开发过程中，常采用注水的方法提高采收率，由于注水驱油或是边水推进，如果储层见到了注入水或边水，则该层叫水淹层。 储集层被水淹的部位决定于岩层各部分的渗透性，一般规律是渗透性好的部分首先被水淹，利用测井资料判断水淹层位及估计水淹程度已是检查注水效果的重要方法。 水淹层在自然电位曲线上的显示特点较多，在工作时，要根据每个地区的实际情况进行分析。对部分水淹层（油层底部或顶部见水），自然电位曲线的基线在该层上下发生偏移，出现台阶，这是一种比较普遍的现象，这是由于注入水与油田水的矿化度不同造成的。,5、自然电位测井曲线的应用,（5）判断水淹层,5、自然电位测