电法

nullnull第七章 电法测井 电法测井是地球物理测井中三大测井之一，它根据岩层电学性质的差别，测量地层的电阻率、电导率或介电常数等电学参数，用来研究地质剖面，判断岩性，划分油气水层，研究储集层的含油性、渗透性和孔隙性以及其它性质。 本章先介绍岩石电阻率的影响因素，然后逐渐涉及不同电测井方法的基本原理，曲线特点及应用情况。 null 各种岩石具有不同的导电能力，岩石的导电能力可用电阻率来示。由物理学可知，对均匀材料的导体，其电阻为： 其中：L--导体长度，S--导体的横截面积，R--电阻率，仅与材料性质有关。 由上式可以看出，导体的电阻不仅和导体的材料有关，而且和导体的长度、横截面积有关。从研究导体性质的角度来说，测量电阻这个物理量显然是不确切的，因此电阻率测井方法测量的是地层的电阻率，而不是电阻。 但是，在实验室中测量岩石的电阻率是通过测量其电阻来得到的。§7.1 岩石电阻率与岩性、储油物性 和含油物性的关系null 通常是将岩样切成的圆柱状，此时，其长度和横截面积已知，通过测量测量电极间的电位差和流过岩样的电流，得到岩样的电阻，在由上式求得岩样的电阻率。下面分别讨论影响岩石电阻率的各种因素。 一、岩石电阻率与岩性的关系 按导电机理的不同，岩石可分成两大类，离子导电的岩石和电子导电的岩石，前者主要靠连通孔隙中所含的溶液的正负离子导电；后者靠组成岩石颗粒本身的自由电子导电。 对于离子导电的岩石，地层水中所含有的盐类在水中呈离子状态，在外加电场的作用下，正、负离子运动形成电流，所以该类岩石电阻率的大小主要取决于岩石孔隙中所含溶液的性质、浓度和含量等。沉积岩（如砂岩、页岩等）就属于离子导电的岩石，虽然沉积岩造岩矿物的自由电子也可以传导电流，但相对于离子导电来说是次要的，因此沉积岩主要靠离子导电，其电阻率比较低。null 对于电子导电的岩石，其电阻率主要由所含导电矿物的性质和含量来决定。大部分火成岩（如玄武岩、花岗岩等）非常致密坚硬，不含地层水，主要靠造岩矿物中少量的自由电子导电，所以电阻率都很高。如果火成岩含有较多的金属矿物，由于金属矿物中自由电子很多，这种火成岩电阻率就比较低。 二、岩石电阻率与地层水性质的关系 组成沉积岩的造岩矿物的固体颗粒部分称为岩石骨架，主要靠很少的自由电子导电，其导电能力很差，因此沉积岩的导电能力主要由孔隙溶液（即地层水）的电阻率决定，所以研究沉积岩的电阻率必须首先研究影响地层水电阻率的因素。地层水的电阻率Rw，取决于其溶解盐的化学成分、溶液含盐浓度和地层水的温度，下面来看看溶解盐成分、浓度以及温度对地层水电阻率之间关系。 null1、地层水电阻率与地层所含盐类化学成分的关系 在温度、浓度相同的条件下，溶液内所含盐类不同，其电阻率也不同。地层水中常含NaCl、KCl、CaCO3、Na2SO4、MgSO4等盐类，且各种成分含量不同。求取地层水电阻率Rw的方法如下： （1）当地层水中只有NaCl，或除NaCl外只含有微量的非NaCl盐类，则可将地层水视为纯NaCl溶液来研究它的电学性质，利用NaCl溶液电阻率与其浓度和温度的关系图版（见书P199）求出地层水电阻率Rw。图版的纵坐标为温度变化轴，横坐标为NaCl溶液电阻率轴，斜线数字为溶液矿化度。 null （2）当地层水中所含的非NaCl盐类的含量不可忽略时，应先用“不同离子的换算系数图版”（见书P200）求出地层水中所含各种盐类离子的换算系数，得出该地层水中等效的NaCl溶液矿化度，再利用“氯化钠溶液电阻率与其浓度和温度的关系图版”确定Rw。 不同离子的换算系数图版的纵坐标为换算系数，图版的横坐标为总矿化度（溶液浓度），单位为ppm，即mg/kl。举例说明该图版的使用方法（见书P199）。 2、地层水电阻率Rw与溶液浓度和温度的关系 以NaCl溶液为例，当溶液浓度增高时，溶液中离子数增多，溶液的导电性加强，溶液电阻率降低；当溶液温度升高时，离子迁移率增大，溶液的导电能力加强，也使溶液电阻率降低。此外，有些盐类由于温度升高，溶解度增加，使溶液电阻率降低。 null 地层水的温度取决于地层水的埋藏深度，当已知地层深度时，可用“估计地层温度图版”确定其温度。测井时，常在井口测量泥浆电阻率。根据当时测量的温度和电阻率，利用NaCl溶液电阻率与其浓度和温度的关系图版（图7-2）换算成18℃时泥浆电阻率，填在测井记录原图上。在需要知道地层温度下泥浆电阻率时，先确定地层温度，然后有测井图头查出，再用(图7-2)求出。如无该图版，可用下式将温度下的换算成下的： 确定地层温度的方法，可根据所掌握的资料进行选择。一种可从地温曲线上查出地层所在深度的温度；另一种是根据当地的地温梯度（井深每增加100米，地温增加的度数）和平均地表温度，利用“估计地层温度图版”，估算地层温度。 null 沉积岩的导电能力主要取决于单位体积岩石中的孔隙体积（孔隙度：岩石中孔隙体积占岩石总体积的百分数）和地层水电阻率Rw。岩石孔隙度越大或地层水的电阻率越低，岩石导电能力越强，电阻率就越低；反之，则岩石导电能力差，岩石电阻率高.。 当砂岩的颗粒之间有胶结物存在时，因为胶结物电阻率一般比较高，对电流起阻碍作用，使电流经过的路径更曲折，相当于导体的长度增加，而导体的横截面积变小，胶结砂岩的电阻率增高，因而胶结砂岩的导电能力比未胶结砂岩差。三、含水岩石电阻率与孔隙度的关系(如图)null 实验证明，对于给定的岩样，孔隙中完全含水时的岩石电阻率Ro与地层水电阻率Rw有正比关系，即Ro/ Rw为一常数。这个比值只与岩石的孔隙度和胶结情况、孔隙形状有关，而与饱和在岩样中的地层水电阻率无关。通常称比值Ro/ Rw为岩石的地层因素或相对电阻，用F表示，即： 其中： R0 — 孔隙中充满地层水时的岩石电阻率。 Rw — 地层水电阻率 F与的关系是从实验中得出的。我们取n块孔隙度不同的同类岩石岩样，使各岩样饱和水，分别测出各岩样的电阻率，然后在以F为纵坐标、为横坐标的双对数坐标纸上，得到上述实验数据曲线。由此可归纳出下列关系式： null通式为： （1） 式中： a — 比例系数，不同岩性有不同的数值，变化范围在0.6～1.5 m —胶结指数，随岩石胶结程度而变化，一般为2,变化范围1.5～3 φ— 岩石孔隙度，用百分比表示 在应用该公式时，可根据各地区、各地层的实验统计结果确定a、m值。若无条件确定a、m时，可根据岩性在F—关系图版中选计算公式，或由岩性选择F—关系曲线求出。 四、含油岩石电阻率与含油气饱和度的关系(如图) 为了定量描述岩石孔隙中所含流体的数量，引入饱和度的概念。 null孔隙内完全充满水时， 。 一般岩石孔隙中不是含水就是含油，空的是很少见的，故： 对于纯气层，则有： null 残余水饱和度Sor：束缚油和有条件才能流动的油之体积占全部孔隙体积的百分数。 在亲水岩石孔隙中含有水和油时，油水在孔隙中的分布特点是：水包围在岩石颗粒的表面，孔隙的中央充满石油，周围是地层水。石油的电阻率很高，可看作是不导电的，所以含油岩石电阻率Rt比该岩石完全含水时的电阻率高，在这种情况下，当岩性固定时，有： 对于给定的岩样，Rw和都一定时，So越高，Rt越大，反之，Rt 越小。但自然界中Rw和都是变化的，并且对Rt有影响。为消除此影响，引入“电阻增大系数I”，即含油岩石电阻率Rt与该岩石完全含水时的电阻率Ro之比: null 在同样的岩石中，I只与So有关，而与Rw和及孔隙形状无关。 Rt—So的关系也可由实验得出。选择本地区有代表性的岩样，先测出完全含水时的Ro，然后向完全含水岩样中逐步压入石油，改变岩样的So，并测出对应的Rt，在双对数坐标纸上，以I为纵坐标，Sw为横坐标，作出关系曲线。对不同岩性的岩石，有： （2） 式中： b：系数， n：饱和度指数， b，n只与岩性有关，表示油水在孔隙中的分布状况对含油岩石电阻率的影响。 上述（1）式和（2）式合称为阿尔奇（Archie）公式，它们是应用电阻率测井资料解释具有粒间孔隙的含水岩石和含油岩石的两个基本解释公式。 §7.2 普通电阻率法测井§7.2 普通电阻率法测井 普通电阻率法测井是地球物理测井中最基本、最常用的测井方法，它包括梯度电极系普通电阻率测井、电位电极系普通电阻率测井和微电极测井，尽管这些方法的具体特点和所要解决的问题各不相同，但它们的实质都是进行电阻率测量。 普通电阻率法测井是把一个普通的电极系（由三个电极组成）放入井内，另一个电极留在地面，测量井内岩石电阻率变化的曲线。在测量地层电阻率时，要受井径、泥浆电阻率、上下围岩及电极距等因素的影响，测得的参数不等于地层的真电阻率，而是被称为地层的视电阻率。因此普通电阻率测井又称为视电阻率测井。null 埋藏在地下的岩石的电阻率，是一个既不能直接观察又不能直接测量的物理量，只有当电流通过它的时候才能间接地测出来。因此，在测量电阻率时，必须向岩层通入一定的电流，然后研究岩石电阻率不同对电场分布的影响，从而进一步找出电位与电阻率之间的关系。 一、普通电阻率测井 1、电阻率的测量原理 假定井眼所穿过的地层是均匀各向同性的无限大介质，即岩性相同，且电阻率都是R。以点电源A（电流强度为I）,空间任取一点P，它到A的距离为r，以r为半径作一球，求球面上任一点P的电位。 球面上的电流密度为： 由欧姆定律知： null而 所以 当时 ， ，C=0 故，则均匀介质中任一点的电位为： I — 电流强度（已知） r — 该点到点电源的距离（已知） 讨论： （1）若将点电源放在P点，则它在A点产生的电位也是 ，电场的这种性质称为电位的互换原理。对于非均匀介质，这个原理也是适用的。 null（2）如果在均匀介质中放置个点电源，其电流强度分别为，它们距P点的距离分别为，那么所有点电源在P点所产生的电位是各个点电源单独在P点产生的电位的代数和，即： 电场的这种性质称为电位的叠加原理。在均匀介质中，电阻率R与电位U之间存在着简单的关系，由即可求出R，普通电阻率测井正式利用了这一原理。 null 上图是普通电阻率测井的测量原理线路。将由供电电极和测量电极组成的电极系A、M、N或M、A、B放入井内，而把另一个电极B或N放在地面泥浆池中，作为接地回路电极。电极系通过电缆与地面上的电源和记录仪相连接。当电极系由井内向井口移动时，供电电极A、B供给电流I，测量M、N电极间的电位差。通过地面记录仪可将电位差转换为地层视电阻率Ra。 对图a，供电电极A的电流I和电极B的电流—I对测量电极M点的电位都有贡献。 N点离A,B点很远，则 。 因此 ： （3） K — 电极系系数，它的大小与电极系中三个电极之间的距离有关。 null 对如果用图b的线路进行测量，可以证明R的表达式与（3）式完全相同，但这时的电极系系数为： 由此可见，均匀介质中的电阻率与测量电极系的结构、供电电流以及测量电位差有关，当电极系结构和供电电流大小一定时，均匀介质的电阻率与测量电位差成正比。 2、视电阻率 以上的分析，都是假定电极系处在均匀介质中，但实际测井遇到的情况要复杂得多。石油勘探的目的层具有较好的孔隙性和渗透能力，钻井过程中，由于泥浆柱的压力大于地层压力，泥浆的滤液向渗透层的孔隙中渗透，在渗透层靠近井壁的部分形成泥浆滤液的侵入带，并在井壁上形成泥饼。 侵入带内泥浆滤液的分布是不均匀的，靠近井壁的部分，泥浆滤液把孔隙中原有的液体全部赶跑，占据了整个孔隙空间，这部分叫泥浆冲洗带，其它部分称为过渡带。null 另外，渗透层的厚度也是有限的，其顶部和底部都为非渗透的地层，称为目的层的上下围岩。以上各个部分（原状地层，泥浆侵入带，泥饼，上下围岩，井内泥浆），其电阻率Rt、Ri（冲洗带电阻率用Rxo表示）、Rmc、Rs和Rm通常是不同的。渗透层各部分介质剖面图见（书P207）。 在这种井剖面的情况下，测量的电位差除了受地层真电阻率Rt影响外，还要受Ri、Rmc、Rs、Rm，井径d，侵入带直径D，以及地层厚度h和电极系结构等因素的影响，因此不能用（3）式简单地求解地层的真电阻率。但是在井中实际测量的电位差，仍然可以代入公式（3）中计算电阻率，在这种复杂情况下求出的电阻率称为地层的视电阻率，用Ra表示，则： 一般来说，地层的视电阻率不同于地层的真电阻率，但是选择适当的电极系和测量条件，可以使测量的视电阻率主要反映地层电阻率的变化。因而可以利用在井内测量的视电阻率曲线，来研究钻井剖面地层电阻率的相对变化。 null3、电极系 在电极系的三个电极中，有两个在同一线路(供电线路或测量线路)中，叫成对电极或同名电极，另外一个和地面电极在同一线路（测量线路或供电线路）中，叫不成对电极或单电极。根据电极间的相对位置的不同，可以分为梯度电极系和电位电极系。 （1）电位电极系：不成对电极到靠近它的那个成对电极之间的距离小于成对电极间距离的电极系。电位电极系中成对电极之间的距离（ 或 ）较大，即 或 。电位电极系又分为正装电位电极系和倒装电位电极系两种： 正装电位（底部电位）：成对电极在不成对电极之下的电位电极系。 倒装电位（顶部电位）：成对电极在不成对电极之上的电位电极系。 null 当成对电极系中的一个电极放到无限远处时，即或这种电位电极系称为理想电位电极系。对理想电位电极系，当 时， ， ， ，则： 另外，根据供电电极的多少，电位电极系又分为单极供电电位电极系和双极供电电位电极系。 综上所述，根据梯度或电位、正装或倒装、单极供电或双极供电，可把电极系分为八种不同的电极系，详见（P209表7-4）。 （2）梯度电极系：不成对电极到靠近它的那个成对电极之间的距离大于成对电极间距离的电极系。电极系的三个电极之间有三个距离： ， ， 或 ， ， 这三个距离当中，梯度电极系中成对电极之间的距离（ 或 ）最小，即 或 ，梯度电极系又分为正装梯度电极系和倒装梯度电极系两种： null 正装梯度（底部梯度）：成对电极在不成对电极之下的梯度电极系。 倒装梯度（顶部梯度）：成对电极在不成对电极之上的梯度电极系。 当成对电极间的距离无限小（在极限情况下等于0）时的梯度电极系叫理想梯度电极系。对理想梯度电极系，当 时， ， ，即： 另外，根据供电电极的多少，梯度电极系又分为单极供电梯度电极系和双极供电梯度电极系。 (3)电极系的记录点、电极系探测深度及表示方法 采用记录点这一概念是为了便于更好地划分地层，确定地层的顶底界面。 null 对于梯度电极系，记录点选择在成对电极的中点，测量的视电阻率曲线的极大值和极小值正好对准地层界面，电极距为不成对电极到记录点的距离。对于电位电极系，记录点选择在两个相近电极A、M的中点，记录的视电阻率曲线正好与相应地层的中心对称，电极距为单电极到最近一个成对电极之间的距离。 记录点一般用“O”表示，电极距用“L”表示，画图表示。 电极系的电极距L表示电极系的长度，L不同电极系的探测深度就不同。探测深度通常以探测半径r表示，在均匀介质中，以供电电极为中心，以某一半径划一假想球面，若假想球面内包含的介质对电极系测量结果的贡献占整个测量结果的50%，则此半径r就是该电极系的探测深度或探测半径。一般梯度电极系的探测范围是1.4倍电极距L，而电位电极系的r=2L。由此可知，L越大探测深度也越大。 null 电极系的表示方法：通常按照电极在井中的次序，由上到下写出代表电极的字母，字母间写出相应电极间的距离，（以米为单位）表示电极系的类。 如：A0.4M0.1N表示电极距为0.45m的底部梯度电极系，电极A、M之间的距离为0.4m，M、N之间的距离为0.1m。 （4）电极系互换原理 把电极系中的电极和地面电极功能互换（原供电电极改为测量电极，原测量电极改为供电电极），而各电极间的相对位置不变，则所得到的视电阻率值不变，这称为电极系互换原理。根据互换原理，表7-4中的梯度电极系实质上只有两种类型，电位电极系只有一种类型。 思考题： 为什么说根据互换原理，表7-4中的梯度电极系实质上只有两种类型，而电位电极系只有一种类型？ null二、非均匀介质中电阻率的测量 电阻率测井实质是研究各种介质中电场的分布问题。到目前为止，可利用Laplace方程来求解其电位场的介质有以下几种情况：均匀各向同性介质、均匀各向异性介质、纵向阶跃介质、径向阶跃介质。均匀各向同性介质中的情况我们已经讨论过，在这里我们重点研究纵向阶跃介质中的点电源电场分布及其电阻率。 若有两个电阻率为 R1和R2的均匀各向同性的介质，它们的分界面是一个平面。在R1中放入一个电流强度为I的电极A（I），在此电场中，除电源外，空间各点的电位满足Laplace方程和电场的边界条件，可利用镜像法来求电场的分布，如P209图7-15所示。空间中各点的电位可用表示，其中I表示供电点所在介质的编号，j表示测量点所在介质的编号。此时该问题的定解条件为： null 根据稳定电流场和静电场的相似性，可采用静电类比法确定点电源的位置及虚电源的电流强度，求出各点处的电势的表达式。设点电源到地层界面的距离为z，各虚电源的分布如下： null 其中，逗号前面是电极位置，圆括号内是它的坐标，逗号后面是电极的电流强度，由此表可求得电势的表达式为： 式中 ，称为电流反射系数； ，称为电流透射系数。 讨论： （1）当R10，透射系数1- K12<1，，界面对电流有排斥作用，使得界面另一方的电流线变疏，并且等位面拉长，如图7-16（a） （2）当R1>R2时，反射系数K12<0，透射系数1- K12>1，，界面对电流有吸引作用，使得界面另一方的电流线变密，并且等位面压扁，如图7-16（b） null (3)在极限情况下，当 时，即介质2为绝缘介质（例如空气）时，反射系数K12→1,透射系数1- K12→0，I ’=I，I ’’=0。当R2→0,即介质2为理想导体时，反射系数K12→-1,透射系数1- K12→2，I ’=-I，I ’’=2I。 如果供电电源A及测量点O均在R2介质中，同理可得到： 其中： 假定A点为坐标原点，z轴垂直于界面，界面的坐标为z ,r与z 轴正方向之间的夹角为 。在测井时，若井 垂直于地层界 面，则 ， 全在井轴上，令r= ，则有：null 由 可得： null 1.对于理想的电位电极系，有 （1）当A和M都在R1中时， ，当 时，Ra→R1。 （2）当A和M在界面两侧时， （3）当A和M都在R2中时， ，当 时，Ra→R2。 由上述三式可算出理想电位电极系的视电阻率曲线（如P212图7-17所示）。由于记录点O在A、M的中点，曲线向上移动了 /2。当电极系远离界面使 | z | >4r时，Ra为电极系 所在介质的电阻率；当A、M在界面两侧时， ， 曲线形状为平行与井轴的直线，长度为 。M、N之间的距离对Ra曲线形状也有影响。null 在实际测量中，把M、N放得相当远，可看作满足 ，因此Ra曲线不受此影响。 2.对于理想的梯度电极系，令 ，则有 同理可求出顶部梯度电极系的视电阻率公式。 （1）当A和O都在R1中时， ，当 时，Ra→R1；z = r 时，Ra＝R1(1-K12) （2）当A和O在界面两侧时， 。 由上述两式可以看出，当O点穿过界面时，Ra发生了一个跃变： ,跃变前后两视电阻率之 比恰好等于真电阻率之比。 null （3）当A和O都在R2中时， ， 当 时，Ra→R2，z = 0 时，Ra＝R2(1+K21)=R2(1-K12)。即当A点穿过界面时，Ra曲线连续。 对于底部梯度电极系，有 由上述四个式子可算出梯度电极系的理论曲线（如P213图7-18）所示，由于记录点是O而不是A，顶部梯度曲线上移了 ，底部梯度曲线下移了 。 null三、视电阻率曲线的特征及影响因素 假定只有一个高电阻率地层，上下围岩的电阻率相等，并且没有井的影响，采用理想电极系进行测量。来看一下视电阻率的理论曲线。 1、电位电极系视电阻率曲线特征 见P213图7-19。 （1）当上下围岩电阻率相等时，电位电极系的视电阻率曲线关于地层中心对称 （2）当地层厚度大于电极距时，对应高电阻率地层中心，视电阻率曲线显示极大值；地层厚度越大，极大值越接近于地层真电阻率（图a）；当地层厚度小于电极距时，对应高阻层中心，曲线出现极小值（图b）。 （3）在地层界面处，曲线上出现“小平台”，其中点正对着地层的界面，随层厚降低，“小平台”发生倾斜；当 时，“小平台”靠地层外侧一点为高值点，出现假极大值。 null （4）对厚层取曲线的极大值作为电位电极系的视电阻率数值，围岩上下界面对应界面处平直段的中点，即 ，的中点。（图a） 在选择电极系时，电极距L不能太大，一般选L < hmin；由于井的影响，L 又不能太小。一般选取L＝0.5m，对于h <0.5m的地层，不能用电位电极系视电阻率曲线去分辨。在实际应用中，“小平台”和“假极大”均难以分辨。 2. 梯度电极系视电阻率曲线特征 在相当厚的高阻层附近，用理想底部梯度电极系进行测量, 得到的视电阻率曲线图7-21所示, 由于忽略了井的影响，则： 式中 为记录点O处的场强。 null 令 为均匀介质的电流密度，记录点O处的 电流密度为 。根据微分形式的欧姆定律有： 其中 为记录点O所在介质的真电阻率。在测量条件不变时，在某一深度上的Ra值与O点所在介质的电阻率Ro成正比，与O点处的电流密度jo成正比。举例用上式解释底部梯度电极系视电阻率曲线。 如P214图7-20. （1）曲线与地层中点不对称，对着高阻层，底部梯度电极 曲线在地层底界面出现极大值，顶界面出现极小值；顶部梯度电极曲线在高阻层顶界面出现极大值，底界面出现极小值，而且两者的曲线形状正好倒转。这是确定地层界面的重要特征，由此可见可用梯度电极系视电阻率曲线来确定高阻层的顶底界面。null （2）地层厚度很大时，在地层中点附近，有一段视电阻率曲线和深度轴平行的直线，其值等于地层的真电阻率曲线（用来确定地层的真电阻率）。 （3）对于h>L的中厚度岩层，其视电阻率曲线与厚地层的视电阻率曲线形状相似，但随着厚度的减小，地层中部视电阻率曲线的平直段变小直到消失。 （4）当用底部梯度电极系时，在薄的高阻层下方出现一个假极大值，它距高阻层底界面为一个电极距。 不同厚度的高阻层电阻率取值原则： （1）高阻厚层：取中部曲线段的平直段作为地层的真电阻率 （2）高阻薄层：取曲线唯一的一个尖峰（极大值） （3）高阻中厚层：取面积平均值（具体取法见书） null3、实测视电阻率曲线及影响因素 前面讨论的Ra理论曲线是在理想条件下作出来的，即地层是水平的，采用理想电极系，不考虑井的影响。实测曲线由于受井的影响变得平缓且曲线幅度降低（如P216图7-23），为正确使用视电阻率曲线，有必要研究各种条件对视电阻率曲线的影响。 （1）井径、层厚的影响 当地层电阻率、电极距、泥浆电阻率等因素一定时，随着h/d降低（井径加大或地层厚度减小），视电阻率曲线变得平滑。在钻井过程中，除非井壁坍塌，井径有明显扩大，一般实测井径与钻头直径差别不大，因此h/d降低时，主要是地层厚度变薄。所以在其它条件相同时，高阻薄层视电阻率曲线的幅度值比厚层要偏低。 井径变化对视电阻率曲线的影响，归根结底是由于井内泥浆的影响。通常泥浆电阻率低于地层电阻率，井径扩大，井的扩大，井的分流作用增大，视电阻率值降低。null（2）电极系的影响 从理论曲线分析中可知，电极系类型不同，所测视电阻率曲线形状不同。即使同一类型的电极系在同样的测量条件下，电极系的尺寸不同，所测的视电阻率曲线的形状及幅度也不一样。 （3）侵入影响 采用不同电阻率的泥浆钻井时，会对渗透性地层产生泥浆高侵和泥浆低侵现象，视电阻率会受到影响。 泥浆高侵（增阻泥浆侵入）：地层孔隙中原来含有的流体的电阻率较低，电阻率较高的泥浆滤液侵入后，使侵入带岩石电阻率升高。这种情况多出现在水层。 泥浆低侵（减阻泥浆侵入）：地层孔隙中原来含有的流体的电阻率比渗入地层中的泥浆滤液的电阻率高时，泥浆滤液侵入后，使侵入带岩石电阻率降低。这种情况一般出现在地层水矿化度不很高的油层。 泥浆侵入对于测量和确定岩层的真电阻率Rt是一种因素，但也可根据侵入类型粗略地估计渗透层含油、水情况。null（4）高阻邻层的屏蔽影响 以上讨论的是单一高电阻率地层的视电阻率曲线。实际测井工作中，经常碰到的是许多高电阻率地层和低电阻率地层交互出现。如果各高阻层之间的距离小于2个电极距，则相邻高阻层对供电电极发出的电流产生屏蔽作用，因而使曲线形态发生畸变。实践证明，高阻邻层的屏蔽作用，不仅与地层厚度，地层电阻率有关，而且还和电极系类型，电极距，夹层厚度有关。 下面研究相邻高电阻率地层对梯度电极系的屏蔽影响。如P218图7-28所示，I层、III层为两个相邻的高电阻率地层，其厚度和电阻率完全相同，II层为地低电阻率夹层。图a表示用底部梯度电极系进行测量，电极距小于夹层厚度，当测量电极正对高阻层I时，A电极位于高阻层III的下方，由于高阻层III对电流的排斥作用，使测量电极处的电流密度增大，于是高阻层I的Ra的曲线升高，形成增阻屏蔽。null 当用顶部梯度电极系时，上部高阻层III没有屏蔽作用，高阻层I的Ra曲线不发生畸变，但因高阻层I的屏蔽作用，使高阻层III的Ra曲线升高，如图b所示。图c中，电极距大于高阻层I、III和低阻层II的总厚度，因此当测量电极正对高阻层I时，A电极在高阻层III上方，流向下方的电流，受到高阻层III的屏蔽作用，使得记录点O处的电流密度减小。于是高阻层I的Ra曲线降低，形成减阻屏蔽。 综上所述，在定性分析屏蔽影响时，要考虑以下几点： a、位于单电极方向的高阻层，可对另一高阻层产生屏蔽影响，但后者对前者的读数基本上不产生影响。 b、当两个高阻层之间的距离小于电极距时，可产生减阻屏蔽。 c、当两个高阻层之间的距离大于电极距时，可产生增阻屏蔽。 null 位于单电极方向的高阻层，可能成为屏蔽层。用底部梯度电极系测量视电阻率曲线时，测量层上方的高阻层可能对测量的视电阻率曲线产生屏蔽作用。 当测量电极位于测量层时，高阻层的底界面与单电极之间的距离大于一个电极距时，屏蔽作用不大，可不必考虑 高阻层的底界面与单电极之间的距离小于一个电极距时，出现增阻屏蔽，居里越小，屏蔽作用越大，视电阻率曲线升高愈显著。当单电极位于高阻层顶面之上时，出现减阻屏蔽，视电阻率曲线显著降低。 单电极位于高阻层之中时，在高阻层的底面附近为增阻屏蔽，在高阻层的顶面附近为减阻屏蔽，在地层中部偏下，没有屏蔽作用。实际工作中，测量层和屏蔽层的厚度，电阻率往往有较大的差别，所以高阻邻层的屏蔽作用和它的厚度及电阻率有关。屏蔽层的厚度越大，电阻率越高，则屏蔽作用越强。 null 图7-29是应用顶、底部梯度电极系划分油水层的实例。上面为油层，下面为水层，相距为4.5m，用A3.75M0.5N底部梯度电极系测量时，由于高阻层（油层）的屏蔽作用，使下方的电流密度增大，在水层测量视电阻率升高，以至于认为下层为油层。用N0.5M3.75A顶部梯度电极系时，上部油层对电极A的屏蔽影响很小，因此水层显示低的视电阻率，反映了地层的真实情况。 （5）地层倾斜的影响 理论曲线是在水平岩层中得出的结果，而实际上大部分岩层总有些倾斜，所以实测曲线与理论曲线形状和幅度都有所不同。 其它条件均相同，只改变地层倾角 ，所测的梯度电极系视电阻率曲线发生变化（如P220图7-31）。若把利用倾斜地层中所测的Ra划分岩层所得到的厚度定义为视厚度ha。其曲线特点为： null 随地层倾角 增大，极大值向地层中心移动，使曲线变得较对称；曲线的极大值随 增大而降低，曲线变得平缓，极小值模糊不清；ha> h， 越大，ha和h差别越大。 时，曲线还保持曲线的基本特征，只是确定的岩层厚度偏高。 因此，在用视电阻率曲线来确定地层真电阻率时，必须经过多次校正。 4、视电阻率曲线的应用 普通电阻率测量视电阻率曲线主要用来划分岩性剖面。划分岩层时，要利用曲线的突出特点。在实测的梯度曲线上，极小值已失去划分岩层的价值，而极大值却仍很突出。通常采用顶、底部梯度曲线上的极大值，分别确定高阻岩层的顶界面和底界面。 一般常用 的两种不同类型的梯度曲线上的极大值划分高阻岩层，且不需在 的校正。 标准测井实际上是普通电阻率测井的一个重要应用。主要是利用多条测井曲线来进行地质剖面对比。 null 微电极测井是在普通电阻率测井的基础上发展起来的一种测井方法，它采用特制的微电极测量井壁附近地层的电阻率。普通电阻率测井能从剖面上划分出高阻层，但它不能区分这个高阻层是致密层还是渗透层；另外，在含油气地区经常会遇到砂泥岩的薄交互层，而由于普通电极系的电极距较长，尽管能增加探测深度，但难以划分薄层（这是一对矛盾）。因此，为解决上述实际问题，在普通电极系的基础上，采用了电极距很小的微电极测井。 1、微电极测井的原理 微电极系的电极距比普通电极系的电极距小得多，为了减小井的影响，电极系采用了特殊的结构，测井时使电极紧贴在井壁上，这就大大减小了泥浆对结果的影响。 §7.3 微电极测井null 我国微电极测井普遍采用微梯度和微电位两种电极系，微梯度的电极距为0.0375m，微电位的电极距为0.05m。由于电极距很小，它的探测深度都很小，实验证明微梯度电极系的探测范围只有5cm，微电位的约为8cm左右。 在渗透性地层处，由于泥浆滤液侵入地层中，在井的周围形成泥浆滤液侵入带，井壁上形成了泥饼，侵入带内的泥浆滤液是不均匀的。靠近井壁附近，孔隙内几乎都是泥浆滤液，这部分叫泥浆冲洗带，它的电阻率大于5倍的泥饼电阻率，而泥饼电阻率约为泥浆电阻率的1～3倍。在非渗透的致密层和泥岩层段，没有泥饼和侵入带。渗透层和非渗透层的这种区别，是区分它们的重要依据。 由于微梯度和微电位电极系探测半径不同，因此泥饼、泥浆薄膜（极板与井壁之间夹的泥浆）和冲洗带电阻率对它们的影响不同，探测半径较大的微电位电极系主要受冲洗带电阻率的影响，显示较高的数值。null 微梯度受泥浆影响较大，显示较低的数值。因此在渗透性地层处，微梯度和微电位测量的视电阻率曲线出现幅度差，利用这个差异可以判断渗透性地层。在渗透性地层处，微电位的读数大于微梯度的读数，显示出的幅度差称为正幅度差，（反之，显示出的幅度差称为负幅度差）。 利用微梯度和微电位的视电阻率曲线的差别研究地层，必须使微电极系和井壁的接触条件保持不变，所以要求微梯度和微电位同时测量。 2、微电极测井曲线的应用 选用微梯度和微电位两种电极系以及相应的电极距，目的是要它们在渗透性地层段出现明显的幅度差，因此，不但要求两者同时测量，而且要将两条视电阻率曲线画在一起，采用重叠法进行解释。根据现场实践，微电极测井主要有以下几种应用： null（1）确定岩层界面，划分薄层和薄的交互层 通常依据微电极测井曲线的半幅点或曲线分离点确定地层界面，一般可划分20cm厚的薄层，薄的交互层也有较清楚的显示。 （2）判断岩性和确定渗透性地层 在渗透性地层处，微电极测井曲线出现正幅度差，在非渗透性地层处没有幅度差，或出现正负不定的幅度差。根据微电极测井视电阻率值的大小和幅度差的大小，可以判断岩性和确定地层的渗透性。 如：含油砂岩和含水砂岩一般都有明显的正幅度差，如果含油砂岩和含水砂岩的岩性相同，则含水砂岩的幅度和幅度差都略低于含油砂岩。砂岩含油性越好，这种差别越明显这是由于含油砂岩的冲洗带中，有残余油存在的缘故。如果砂岩含泥质较多，含油性变差，则微电极曲线幅度和幅度差均要降低。对于泥岩，微电极曲线幅度低，没有幅度差或有很小的正负不定的幅度差，曲线呈直线状，具有砂泥岩剖面中典型的非渗透岩层曲线特点。null（3）确定井径扩大井段 在井内，如有井壁坍塌形成大洞穴时，微电极系的极板悬空，所测视电阻率曲线幅度低，Ra 和Rm相同。 （4）确定冲洗带电阻率Rxo和泥饼厚度hmc 微电极测井探测深度浅，因此可用来确定冲洗带电阻率Rxo和hmc。如P225图7-37所示，图版的纵坐标为R微梯度/Rmc，横坐标为R微电位/Rmc，曲线号码为Rxo/Rmc，虚线号码为hmc(mm)。具体步骤如下： 在微电极曲线上读出R微梯度，R微电位（平均值）； 利用图7-52确定Rmc； 计算出R微梯度/Rmc和R微电位/Rmc； 用名义井径选取图版，由纵、横坐标确定实线曲线号码 ，即； 由该点的虚线号码确定hmc。null§7.4 自然电位测井 人们在早期的实际测井中，在供电电极没有供电时，测量电极在井内移动时，仍能测量到与地层性质有关的电位变化。由于这个电位是自然产生的，所以称为自然电位，用SP表示。 自然电位曲线变化与岩性有密切关系，能以明显的异常显示出渗透性地层，这对于确定砂岩储集层具有重要意义。自然电位测井方法简单，实用价值高，是划分岩性和研究储集层性质的重要方法。 要利用自然电位测井为生产服务，首先必须了解自然电位是怎样产生的？它与地层哪些性质有关？然后才可能利用测量的自然电位曲线来解释有关的地质问题。 null一、井内自然电位产生的原因 井内自然电位产生的原因是复杂的，对于油井来说，主要有以下两个原因： (1) 地层水矿化度（含盐量）与泥浆矿化度不同。 (2) 地层压力不同于泥浆柱压力。 实践证明：油井的自然电位主要由扩散作用产生的，只有在泥浆柱和地层间的压力差很大的情况下，过滤作用才成为较重要的因素。 1、扩散电动势（Ed） 如下图，在一个玻璃容器用渗透性的半透膜将之隔开，两边NaCl溶液的浓度不同。左边为C1，右边为C2，且C1>C2。离子在渗透压力作用下，高浓度溶液的离子要穿过半透膜移向较低浓度的溶液，这种现象称为扩散。对Nacl溶液来说，Cl-的迁移率大于Na+的迁移率，经过一段时间的聚集后，C1中有正离子，C2中有负离子。此时在两种不同浓度NaCl溶液的接触面上产生自然电场，能测到电位差。null 当离子继续扩散时，由于C2中负离子对Cl-的排斥和对Na+的吸引，C1中正离子对的吸引，Na+和Cl-的迁移速度趋于相等，最终达到扩散的动态平衡，此时两侧的电动势保持为一定值，此时的电动势称为扩散电动势或扩散电位。 扩散电动势 Kd：为扩散电位系数。对NaCl溶液来说，当t=18℃时，测得Kd＝-11.6mV。 当溶液浓度不很大时，溶液浓度与电阻率成反比，所以 与上述实验现象一样，井内自然电位的产生也是两种不同浓度的溶液相接触的产物。砂岩段由于其渗透性较好，一般产生扩散电位。这是由于浓度为Cw的地层水和浓度为Cmf的泥浆滤液在井壁附近接触产生扩散现象的结果。通常，Cw>Cmf，所以一般扩散结果是地层水内富集正电荷，泥浆滤液中富集负电荷。此时有： null2、扩散吸附电动势（Eda） 实验装置同1，只是将半透膜换成泥岩隔膜。同样，在两种不同浓度溶液的接触面产生离子扩散，扩散方向仍是由C１向C２一方。但由于泥岩隔膜具有阳离子交换作用，试空隙内溶液中的阳离子居多，扩散结果是在浓度小的C２方富集了大量的正电荷带正电，浓度大的一方带负电。这样就在泥岩隔膜处形成扩散吸附电位，记为Eda，其表达式为 Kda为扩散吸附电位系数。对NaCl溶液来说，当t=18℃时，测得Kd＝-11.6mV。因为泥岩选择地让正离子通过，其作用有如化学中的半透膜，所以扩散吸附电位也称薄膜电位。 在砂泥岩井段，在泥岩井壁附近，由于泥浆滤液浓度与地层水的浓度不同（Cw>Cmf）而产生的扩散吸附电动势为： null 不同岩层的吸附能力不同，岩层的吸附能力用 表示，它是1cm3的孔隙体积中偶电层阳离子的克当量数， 也称泥岩的阳离子交换能力。 越大，岩层的吸附能力越强。在t=18℃时，Eda中Kda的最大变化范围，从 →0时-11.6mV到 →∞时的58mV。 3、过滤电动势 在压力差的作用下，当溶液通过毛细管时，管的两端产生电位差。这是由于毛细管壁吸附负离子，使溶液中正离子相对增多。正离子在压力差的作用下，随同溶液向压力低的一端移动，因此在毛细管两端富集不同极性的离子。压力低的一方带正电，压力高的一端带负电，于是就产生了电位差。 在岩石中，颗粒和颗粒之间有很多孔隙，它们彼此连通，形成很细的孔道，相当于上述的毛细管。当泥浆柱的压力大于地层的压力时，泥浆向地层过渡，泥浆滤液通过井壁在岩石孔道中流过。null 由于岩石颗粒的选择吸附性，孔道壁上吸附泥浆滤液中的负离子仅有正离子向地层中移动，这样在井壁附近聚集了大量负离子，在地层内部聚集了大量正离子， 其地层和泥浆接触面两端形成的电位形成的电动势过滤电动势，用Ef表示。 在泥浆压力大于地层压力的条件下，渗透层处，过滤电位与扩散吸附电位方向一致，其数值与地层和泥浆柱之间的压力差及过滤溶液的电阻率成正比，与过滤溶液的粘度成反比，即： 式中： 为压力差，单位为大气压； 为过滤溶液的电阻率，单位为欧姆米； 过滤溶液粘度，单位为厘泊； 过滤电位系数，与溶液的成分浓度有关。 过滤电位只有当地层与泥浆柱压力差很悬殊时，而且在泥饼形成以前，才有较大的显示。但一般钻井时要求泥浆柱压力只能稍大于地层压力，相差不是很大，而且在测井时已形成泥饼，因此一般井内过滤电位的作用可忽略不计。 null 在砂泥岩剖面的井中的自然电场主要由扩散电位和扩散吸附电位组成。 二、自然电位测井曲线 在钻穿地层的过程中，地层与泥浆相接触，产生了扩散吸附作用，在泥浆与地层接触面上产生了自然电位。 1.井内自然电位的分布 设砂岩、泥岩的地层水矿化度分别为 、 ，泥浆滤液的矿化度为 ，且有 。井内产生自然电位的等效电路如图。 在砂岩和泥浆接触面上，由于扩散作用产生的扩散电位为： 在泥岩和泥浆接触面上，由于扩散吸附作用产生的扩散吸附电位为： 在砂岩和泥岩接触面上，由于扩散吸附作用产生的扩散吸附电位为： null 对于砂岩层段来说，自然电流回路的总自然电位Es（三者之和）是各接触面上自然电位的代数和，即： 式中， 为砂岩中地层水的矿化度； —自然电位系数，当t=18℃时， K=|-11.6|+|58|=69.6mV。 通常称为称为静自然电位，用SSP表示。实际测井时以泥岩作自然电位曲线的基线（即零线），当 时，砂岩的自然电位异常为负值，因此上式可写为： null 通常把井中巨厚纯水层砂岩井段的自然电位幅度近似地认为是SSP，静自然电位的变化范围在含淡水岩层+50mV到含高矿化度盐水层的-200mV之间。 如果在井内有两个相邻的岩层，其阳离子交换能力分别用 、 表示，两种岩层内地层水电阻率相同，这两个地层附近产生的扩散吸附电位分别为 和 ，在两地层交界面处的静自然电位SSP为： 如P229图7-44所示。当 为某一大于1的常数时， ＝0.1的地层扩散吸附电位 为负值， ＝0.2的地层扩散吸附电位 为正值，这时的静自然电位SSP就是 和 之差。 如果 →∞， ＝0，则测得纯泥岩和纯砂岩交界处的静自然电位，即静自然电位的最大值 ，当t=18℃时为： （5） null 如果 ＝ ，则 ＝ ，静自然电位得到最小值0。 在砂泥岩剖面上，相当厚的纯砂岩井段的自然电位幅度与用（5）式计算的值相差很小，因此一般认为井内自然电场主要是由扩散吸附作用造成的。不同性质的岩层所造成的自然电场不同，通过测量井中自然电位变化可判别砂泥岩剖面中的岩性。 由前面的井中自然电场的等效电路可知： ，而自然电位 实际上是自然电流在井内泥浆电阻上的电位降，即： （6） 对于巨厚地层，砂岩层和泥岩层的截面积比井的截面积大得多，所以 ， ， ,而对于一般有限厚