自然电位曲线幅度和形状

Question

如题所述

Answer 1

自然电位测井的目的是根据其形态（幅度和形状）定量和定性地研究储油气地层孔隙性、渗透性、沉积环境和计算泥质含量、地层水电阻率。为此，研究影响自然电位曲线幅度和形状的因素很有必要。

影响自然电位曲线形态的主要因素是自然电动势的大小，自然电位或自然电流分布特性。自然电势和自然电流分布受温度、岩性、电性、泥浆和地层水电解质成分、地层厚度等因素影响。

（一）油气钻井中的自然电动势

1.自然电动势

设钻井穿过砂岩、泥岩成水平面接触的地层岩石（图1-45）。当砂岩中的地层水矿化度 c₁大于泥浆的矿化度 c₂时，地层水的Na⁺、C1 ^-沿两个方向向泥浆中扩散。其一，直接通过砂岩向泥浆扩散，形成扩散电动势。其二，砂岩中的Na⁺、Cl^-经过泥岩向井中扩散，形成薄膜电动势。二者之和就是扩散 吸附电动势。相对泥岩井段，砂岩井段的电动势极性为负。

图1-45 钻井中自然电动势示意图

在18℃情况下，按 Na⁺和 Cl^-迁移率数据，可以算出K_d=-11.6 mV，则

地球物理测井

当c₁等于10倍c₂时，E_d=-11.6 mV。吸附电动势相当于氯离子迁移率为零时的扩散电动势，所以溶液的E_a可以写成：

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式中：K_a叫做吸附电动势系数。当c₁=10c₂时，E_a=58 mV。

扩散电动E_d和吸附电动势E_a形成井内自然电流，分析自然电流方向，E_a和E_d是串联的，总电动势称为扩散吸附电动势，以E_da表示：

地球物理测井

式中：K_da称为扩散吸附电动势系数；R_mf、R_w为与c₁、c₂成反比的泥浆、地层水电阻率。

2.影响自然电动势的因素

自然电动势主要和温度、岩性、泥浆与地层水电阻率R_mf和R_w的比值以及泥浆与地层水中的离子成分有关。

1）温度的影响。温度的变化将引起扩散吸附电动势系数的改变，当地层温度为t时，它的扩散吸附电动势由下式决定：

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式中为温度18℃时的扩散吸附电动势系数；为温度为t（℃）时扩散吸附电动势系数。

2）岩性影响。当矿岩层中含有泥质时，由于泥质颗粒对负离子的吸附作用，使得负离子的迁移率发生变化，于是扩散电动势系数将和纯砂岩的不同。例如，对于NaCl溶液，在常温下，扩散电动势系数的绝对值将小于-11.6 mV。随着泥质含量增多，自然电位幅度与含有相同地层水的纯地层的自然电位幅度相比要降低，甚至可以变成正的。泥质含量继续增多，扩散电动势系数也继续增大。当泥质多到一定程度，负离子完全不能通过，其数值达到58 mV，这时岩层的岩性就同泥质围岩没有区别了。

石油钻井中观测到的自然电位是由相邻两层的扩散吸附电动势共同作用的结果，纯砂岩上的电动势叫扩散电动势，通过泥岩扩散产生的电动势叫吸附电动势。此外，在每一岩层中（除理想的纯砂层外），扩散与吸附作用往往也是同时存在的，不能截然分开。

如果泥质围岩不能很好地阻止负离子通过，吸附电动势将要减少。因此，砂岩层含有泥质，或泥质围岩的吸附性减弱，都使总的自然电动势减小。根据这个关系，有可能利用自然电位曲线估计砂岩层的泥质含量。

3）泥浆和地层水中电解质成分的影响。扩散吸附电动势系数值与溶液的化学成分有直接关系，泥浆和地层水中所含盐类不同，其电解质中离子的迁移率也不同，使扩散吸附电动势系数改变，从而影响自然电动势的大小甚至极性。

当相接触的两种溶液含有相同盐类时，18℃时的扩散吸附电动势系数K_da值由1-5表给出。

表1-5

如果地层水中除了NaCl之外还含有10%的CaCl₂时，在地层水矿化度大于泥浆矿化度的情况下，18℃时的扩散电动势系数K_da为-16.7mV。

4）地层水和泥浆矿化度相对差别的影响。地层水矿化度大于泥浆矿化度（或地层水电阻率小于泥浆电阻率）时，砂岩相对于泥岩有负的自然电位异常；地层水矿化度小于泥浆矿化度时，砂岩相对于泥岩有正的自然电位异常；地层水与泥浆矿化度差别愈大，电动势愈大。

当已知泥浆矿化度（或电阻率）时，则根据自然电位异常可估计出地层水矿化度。

图1-46 井中自然电位等效电路

（二）井中的自然电位

自然电位在井内的分布直接决定自然电位曲线的形状，它和自然电流在井内的分布有关，而自然电流分布是由介质的电阻率和几何大小所决定的。

自然电动势通过泥浆、岩层和围岩等导电介质放电，形成自然电流回路。用图1-46所示的等效电路估计自然电位和自然电流的大小。图中r_m、r_s、r_t分别为泥浆、围岩、岩层的等效电阻。根据闭合线路中总电位降等于总电动势的道理，按图1-46应有：

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式中I为自然电流；Ir_m为自然电流在井中的电位降，即自然电位幅度。

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需要注意，这里虽然用等效电路的方法估计自然电流的大小，但自然电流是分布在整个地层岩石中的体电流，和真正电路中的电流是完全不同的。图1-46中用电流线示意出了自然电流的分布。对着泥岩的井段，随着向泥-砂岩界面的接近，电流线越来越密，自然电流密度是增加的。在砂-泥岩界面上，自然电流密度增加到极大值。越过砂-泥岩界面之后，井中的电流线越来越稀，自然电流密度逐渐降低点落在岩层顶底界面上（见图1-47 a）。

当岩层电阻率低于围岩电阻率时，自然电位曲线对着围岩部分比较平缓，如图1-47c所示，E/2点落在顶底界面上下。

在岩层厚度比较大，各部分介质的电阻率差别不大（R_t≈R_m≈R_s）的情况下，I（r_t+r_s）和Ir_m相比，可以忽略不计。因为这时岩层和围岩对自然电流的截面积比井的截面大得多，所以电阻就小得多。因此

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接近于自然电动势的自然电位幅度值U_SP，习惯上用SP表示，对于纯砂岩层的自然电位幅度称为静自然电位（SSP），对于含泥质砂岩层称为假静自然电位（PSP）。它相当于自然电流断路时在图1-46中M与M′两点间的电位差。

图1-47 井中自然电场分布示意图

1.自然电位曲线特征

图1-48是自然电位理论曲线，曲线上的数字是地层岩石厚度h与井径d之比值h/d。不难看出，它们具有如下特征：当上、下围岩岩性相同时，砂岩层的自然电位曲线对称于地层中点，且该处的自然电位幅度最大；自然电位幅度随砂岩厚度增加而增加。当地层厚度h≥4d时，U_SP≈E_da，并可用半幅点确定其界面。

2.泥岩基线

砂岩层的自然电位幅度是以泥岩的自然电位为基准计算的。一口井各泥岩层的自然电位稳定，基本不变，连结起来是一条与深度轴平行的直线，称为泥岩基线。当二层含有不同矿化度地层水的砂岩层被一层不纯的泥岩隔开时，实测的自然电位曲线也能观察到泥岩基线的倾斜（图1-49）或泥岩基线的移动（图1-50）。

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图1-48 不同厚度地层的自然电位曲线曲线模数，

（三）影响自然电位分布的因素

1.地层岩石厚度与电阻率

由图（1-48）可见，地层厚度增加时，自然电位幅度增加。因为自然电位的截面积增加，使r_t、r_s减少：

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导致自然电位幅度U_SP增加。当地层厚到一定程度时，r_t≪r_m、r_sh≪r_m。这时，U_SP≈E_da，为静自然电位（SSP）。

自然电位测井定量解释时，取厚度大于四倍井径、不含泥质的纯砂岩水层的自然电位作为静自然电位。

图1-49 SP泥岩基线

图1-50 SP泥岩基线移动

地层电阻率或R_t/R_m增加使自然电位幅度降低，是含烃地层的自然电位低于其不含烃时的自然电位的原因（图1-51）。地层岩石电阻率很高时，地层界面也难以确定，如图1-52所示。由于高阻地层迫使自然电流密度在井内剧增，自然电流在地层岩石中分布微乎其微，井内的自然电流密度梯度不变。因此，自然电位梯度不变，自然电位曲线是斜率不变的直线。

图1-51 SP与岩层厚度关系

图1-52 SP与岩层电阻率关系

为了排除地层厚度与电阻率对自然电位的影响，利用图1-53的校正图版。从浅探测电阻率电线上读取电阻率R_i，计算R_i/R_m。再结合地层岩石厚度，查得自然电位校正系数（SP/SSP）。最后，利用右上角的诺模图，得到该地层岩石的静自然电位。

图1-53 SP、厚度与电阻率影响校正图版

2.井径与侵入带

井径增加，泥浆的等效电阻减少，自然电位下降。侵入带内的电解质介质主要是泥浆滤液，泥浆侵入影响总的说来相当于井径扩大，扩散电动势发生在冲洗带和岩层未被侵入部分之间。侵入带愈深，自然电位幅度也愈低。当淡水泥浆侵入渗透性盐水砂层时，泥浆滤液比地层水轻，侵入到砂层上界面附近，并侵入较深；而靠近砂岩下界面侵入较浅。侵入带剖面如图1-54所示。在顶界面处，两种溶液接触面移至距井壁较远的地层中，扩散作用发生在侵入区边缘，界面处井眼中的自然电流减小，电位变化减慢，使曲线ab段变得平缓圆滑。在泥岩夹层处，SP曲线cd段呈现锯齿状。在夹层的上界，异常幅度大于SSP；在泥岩夹层下界，SP幅度小于SSP，这种现象是由于在泥岩夹层下面泥浆滤液的积聚所造成的。在井眼周围出现一个水平圆盘状的“电池”（由地层水、圆盘状泥浆滤液和它们之间的泥岩夹层组成），这个电池的电动势叠加在SSP上使曲线发生异常。

在渗透性很好的砂岩下部，会见到自然电位异常幅度减小的现象。这是由于泥浆滤液在地层内上移，以致下部侵入现象完全消失，其侵入带剖面如图1-55所示。这时泥浆滤液与地层水不直接接触，它们之间被起阳离子薄膜作用的泥饼隔开，扩散电动势E_d由泥饼产生的吸附电动势E_ma代替。E_ma比纯泥岩产生的吸附电动势E_a要小得多，且与扩散电位E_d的方向相反。所以，砂岩下部的回路总电势为E_a-E_ma，小于砂岩上部回路的总电动势E_a+E_d。反映在曲线上则是异常幅度减小。

图1-54 淡水泥浆侵入渗透层（有泥岩夹层）的情况

图1-55 泥浆侵入高渗透层的自然电位曲线