测井解释4－砂泥岩解释3－阳离子交换模型(自学）.ppt

1、第三节 阳离子交换模型,一、阳离子交换模型的提出,1、通用泥质砂岩电导率解释模型的特点, 把砂岩和泥质粘土中的地层水看成性质相同的 一种自由电解液，则泥质砂岩的电导性是泥质与砂 岩中地层水并联的结果。, 据泥质或粘土在砂岩中的分布形式提出不同的假设，按并联导电概念和Archie提出不同的泥质砂岩的电导率方程。,实质结论 : 都是在泥质砂岩条件下对Archie公式的 扩展和延伸。,2、粘土矿物具有离子交换作用,泥质砂岩中都含有数量不同的粘土矿物，从其导 电机理来看，粘土具有阳离子交换作用（能力） 它与自由电解液（离子导电方式）完全不同。,3、多人提出根据阳离子的交换能力（特性）来研 究泥质砂岩的

2、导电特性, 、1956年Hill首次提出用阳离子的交换能力来研究泥质砂岩的导电特性。,、1968年Waxman和Smits进一步实验又提出同 样的见解，即现在所谓的WaxmanSmits模型 （WS模型）。,、1978年Clarior等人，WS模型中针对存在的某些矛盾确定交换能力的困难，对WS模型作了改进，随后Best等人研究出了双水模型为基础的井场直观解释模型得到更广泛的应用。,二、粘土矿物的类型与基本性质,1、 粘土矿物：颗粒极细的含水层状结晶的硅酸盐 矿物和少许非晶质硅酸盐矿物的总称。,2、 粘土矿物具有特征：可塑性，吸附性，胶体性。,3、对石油地质和测井有重要的粘土矿物,蒙脱石、伊利石

3、、绿泥石、高岭石 不同的粘土矿物其性质也不同 。,结论：绝大多数的碎屑岩储集层都含有粘土矿物,同种岩石中含有多种粘土矿物，一般都没有通用的泥岩或泥质参数能够表征各种类型的泥质沉积物或岩石。因此，全面研究粘土矿物的类型含量及分布形式，仍是测井解释和地层评价中有待解决的重要课题。,三、岩石的阳离子交换作用,1、 粘土的水化作用,粘土颗粒表面直接和间接吸附极性分子而形成水膜的作用称为粘土的水化作用或水化膨胀作用。,2、粘土的阳离子交换作用,粘土表面吸附的阳离子是不能自由移动的，这种吸附力是有限的，在外电场的作用下，这些被吸附的水合离子可以与水溶液中的其它离子交换位置，其难易程度取决于静电引力，可用库

4、仑力讨论。,3、粘土表面的扩散层内水膜的特点, 、水膜内的极性分子是靠静电引力被吸附在粘土颗粒表面，这层水膜不动粘土束缚水，或粘土水化水或粘土水（双水模型）。,粘土表面吸附阳离子而排斥阴离子。故认为粘土水中只含阳离子而不含阴离子，也即不含盐, 扩散层内液体的矿化度低，故其导电性差，电阻率高，在外加电场下，阳离子与水溶液中的离子交换作用，导电作用增强。,4、岩石的阳离子交换容量,（1）、阳离子交换作用大小,、（用于实验分析） CEC（阳离子交换能力）=含可交换阳离子的毫摩尔数 / 100克岩样,、（测井解释）Qv（阳离子交换容量）=可交换阳离子的毫摩尔数/总孔隙体积,（2）、影响阳离子交换能力的

5、主要因素 粘土矿物类型 粘土的比面,不要求,1、WS模型观点：,除了地层水的导电性要比其含盐量预计的更好以外，泥质与同样、孔隙曲折度和Sw的纯砂岩地层具有相同的导电性。,地层水的导电性好是因附加导电性（阳离子交换作用,其附加导电率为BQv/Swt。 B是被吸附的平衡阳离子的等效导电率。,2、WS模型假设条件,（1）、泥质砂岩的导电性是自由电解液（地层 水）和粘土阳离子交换并联导电的结果。 （2）、可交换阳离子的导电途径与自由电解液相同。,（3）、在（Swt1）泥质砂岩中，可交换阳离子的迁移率不受油气的影响。 （4）、在平衡溶液的电导率Cw小的范围内，可交换阳离子迁移率随Cw增大而增大。,3、A

6、rchie模型与W-S模型比较,P193 图4-27 Archie W-S,4、含水泥质砂岩的电导率方程,C0：饱含地层水的泥质砂岩的电导率 Cw：地层水的电导率,当Cw较高时，C0与Cw关系不论是砂岩或泥质砂岩其斜率相同，该斜率为1/F*，则有： C0/Cw=1/F*,对于砂岩： F*=/Ft*, F*=/tm* m*: Cw相当高时的泥质砂岩胶结指数,从图上可以得出：在相同的Cw下，泥质砂岩的C0纯砂岩的C0,则C0=xCex+yCw 式中Cex：粘土阳离子交换电导率 Cw：自由电解液电导率 x，y：几何常数，表示导电途径几何形状的影响，只与几何形状有关,对纯砂岩 Cex =0 y= C0

7、 / Cw =1/ F* 则C0 =（Cex +Cw ）/ F*,WaxmanSmitS据实验提出的经验方程： C0 =（BQv+ Cw）/ F* 含水泥质砂岩的w-S电导率方程 上式中的：B=3.831-0.83e-Cw/2 B为交换阳离子的当量电导率,5、含油气泥质砂岩的电导率方程 据W-S假设条件，交换阳离子的迁移不受S0影响，则交换阳离子产生的电导率BQv/Swt。故含油气砂岩的混合液是由自由电解液和阳离子交换构成的，因此等效电导率Cwe是它们的并联Cwe=Cw+BQv/Swt,据阿尔奇公式，纯岩层有：Swn=FCt/ Cw,用类似的方法有： Sn*wt=F*Ct/Cwe 含油气泥质砂

8、岩的电导率： Ct= (Cw+ BQv /Swt)Sn*wt/F* n*:相当于该岩石不含粘土的饱和度指数，n*=2.,1、WS模型中的Qv Qv是用岩心样品在实验中测量的，无法用测井资料来计算，限制了它的使用性。,2、归一化的Qv的无量纲参数的提出 为了解决WS中的困难， I.Juhasz提出改进的方法，用Qvn代替Qv，相应把WS方程转为归一化的WS方程。Qvn可以用测井资料求出。,五、归一化的WS方程,Qvn=Qv/Qvsh, 无量纲参数 式中Qvsh:是与砂岩邻近的泥岩Qv值 Qv：可看成是地层单位孔隙体积中的有效粘土含量,式中的t：泥质砂岩用b求 t Vsh ：可用几种方法，选其中的

9、最小值（Vsh=min） tsh：用泥岩的b来求tsh,在地层水矿化度和粘土成分稳定的地层表面上，有：Qv=Vsh/t Qvsh=（Vsh/t）sh 则Qvn=Qv/Qvsh=(Vsh/t)/(Vsh/t)sh=（Vshtsh）/t,把泥质砂岩中粘土影响仍然归结为由于粘土阳离子交换作用产生附加导电性，而且认为相互邻近的泥岩和泥质砂岩具有相同的粘土附加导电性。,3、归一化的Qv的实质,这与Clavier建立的双水模型的本质区别：泥质水的电导率大于或等于地层水的电导率。,故此法认为泥质水的电导率总大于地层水的电导率。,4、归一化后的电导率公式,据视地层水电导率的定义和含油气泥质砂岩有：Ct-m*=

10、Swn*(Cw+BQv/Swt) a=1, Cwa=F*Ct=t-m*Ct= Swtn*(Cw+BQv/Swt),泥岩中Swt=1， 泥岩的Qv泥质水电导率Cwash,Cwash= Cw+B Qv sh =tsh-m* Ctsh, 泥岩的Qv 值为Qv sh =（CwashCw ）/B,又B Qv = B Qvn Qvsh= Qvn（CwashCw ）,将B Qv 代入W-S的含油气泥质砂岩电导率公式中:,Ct-m*=Swn*(Cw+BQv/Swt),归一化后的电导率方程,当R0与含水砂岩的泥岩的实际电阻率曲线有良好的一致性,所选的m *、Rw、Rwsh、Qvn、Ft都是适用的，故可用这些数值

11、来解释含油气层段。,5、选择合适的m *、Rw、Rwsh,方法：用lgRtlgFt、CwaQvn及Z图来确定纯砂岩点和泥岩点,m * ：通过含水纯砂岩点并与水层点群相切的直线代表纯砂岩线，其斜率为m *,请同学们自学,Qvn,Cwa=Ft-*,油,水,通过水层和泥岩的点子基本在一条直线上，则表明粘土矿物成分基本稳定，否则不稳定。参数用岩心测量得出，通常砂岩或.，碳酸盐岩中，.,六、双水模型,（1）、Qv 估计问题，难以估计准确 （2）、泥岩问题：含砂岩邻近的泥岩电导率大于水层的电导率，但实际情况中有许多反常现象，例矿化度值高或油气层的电导率大于相邻泥岩的电导率等。,1、CClavior发现W-

12、S方程中的两个问题,、CClavior的观点 认为粘土除了能产生补偿阳离子以外还具有从接近它表面的地层水中，排斥盐导的作用，而且粘土表面补偿阳离子具有一定厚度，这种缺乏盐分的薄水膜对泥质砂岩的导电性有影响，而W-S模型正好忽略了该点，因此他们在1977年提出了双水模型（仍有Qv）。,DLBest等人在1978年，研究出了Sclunberger公司的现场分析程序CYBERLOOK。采用了双水模型，直接用测井资料计算的，而不用岩心测量Qv，而使阳离子交换理论更广泛地用于实际的测井分析。,3、双水模型 （1）、泥质地层中含有两种类型的水 、自由水：远离粘土表面未被泥质束缚的全部水，有成为远水，电导率

13、具有普通地层水的性质，自由水未必是可动的，它包含有部分残余水。 、束缚水：是粘土表面附近缺乏盐分的水，但由于可交换阳离子而具有导电性，其导电率为Cwsb,它包含有粘土水和部分原生的远水（在岩石压实时未被挤出或结构泥质中被粉砂圈比的水）。,含泥质地层的导电性是自由水和束缚水并联导电 的结果。,Swf=f/t可动水饱和度 Swb=b/t束缚水饱和度 Swt=(f+b)/ t 且有Swt=Swb+Swf总含水饱和度,（2）、双水模型,t=f+b+h e=f+h,（3）、泥质砂岩的电导率和饱和度方程,束缚水对含泥质地层电导性有重要的影响，并把它看作是特殊导电溶液来考虑。,双水模型泥质砂岩的电导率及饱和

14、度方程的推导,除了地层水的导电性与按其矿化度预计的值不同以外，含泥质孔隙度，孔隙曲折度及Sw的纯地层具有同样的导电性，而地层水的导电性是自由水与束缚水并联导电所决定的，因此可采用纯岩石Archie公式研究含泥地层的导电特性。,设自由水与束缚水混合液的导电率为Cwm，泥质地层的Ct，据纯砂岩的Archie公式,Ct=(Swtt)2Cwn Cwn(f+b)=Cwff+bCwb 上式两边同除t：Cwn=(Swt-Swb)Cwf+CwbSwb/Swt 把上式代入Archie公式得： Cwn =t2(Swt-Swb)Cwf+CwbSwb/Swt,式中：x=Swb(Cwf-Cwb)/2Cwf,由该式可求出含油气泥质的电导率和电阻率方程 从上式可解出:,4、CBERLOOK程序的含水饱和度,泥质砂岩的含水饱和度不应包括束缚水,则在程序的CYBERLOOK程序的Sw=(R0/Rt)1/2,当Swt=1时， Rt=R0 (100%含水地层的电阻率),上式中的参数Rwa=Rt2 Rwb:100%纯泥岩处的Rwa Rwf:100%含水纯地层处的Rwa t: Nb交会或s 其中Swb用Ish与Swb经验关系图得到的。,将计算的R0与Rt曲线作重叠显示，由此可得出10