自然电位测井

课 时 教 学 实 施 方 案
课程：地球物理测井 授课班级：资源 1101-04 授课学期： 2013-2014 学年 1 学期
课
题
第二章 自然电位测井
通过本章内容的学习，达到以下目的：
计划学时
6 学时
教
1.了解自然电位形成的原因，掌握阳离子交换、扩散电动势、扩散— —吸附电动势的概念。 2.掌握电动势的公式形式， 明确其影响因素， 了解泥岩和砂岩在自然 电位上的差异 3.了解影响储集层自然电位异常的因素 4.掌握自然电位曲线的应用， 重点掌握划分储集层和计算泥质含量的 用法
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由于晶格置换作用、矿物水解作用、破键作用等原因，岩石颗粒与水溶液 接触的表面常常带有固定不动的负电荷。这种现象在粘土矿物中最显著，砂岩 中的细粒成分也可能有。（在此回顾上节的内容，建立岩石体积物理模型时为 什么要把岩石骨架与泥质成分区分开，也有一部分这个原因）。这些带电表面， 靠静电引力吸引极性水分子及 Na＋的水合离子。其中一部分阳离子紧贴岩石颗 粒表面，只作热运动，不能移动，构成吸附层；另一部分阳离子在吸附层之外 形成扩散层，可正常迁移。这样就形成了岩石颗粒表面的双电层：内层是岩石 颗粒本身在表面多余的负电荷，外层是岩石颗粒表面吸附层和扩散层内的阳离 子，总电荷等于内层电荷。 此处在黑板上画出离子双电层的示意图。 由于泥岩颗粒表面负电荷多，双电层外层厚度很大，能够自由移动的地层 水在压实过程中排出去了，剩下的孔隙很小，不存在双电层以外的自由水。砂 岩能岩性较纯、孔隙直径较大的岩石，双电层外层的厚度非常小，或者只在局 部地方有双电层，孔隙内含有大量的自由水，其含盐量和离子成分保持正常的 状态，从水层中取出的水样就是这种水。 2.阳离子交换 双电层中的水统称粘土束缚水， 但其扩散层是是可动的， 吸附层是不动的。 它们的阳离子或其水合离子都可以互相交换位置，也可以同双电层外的阳离子 或其水合离子交换位置而移动，这种现象称为阳离子交换。其特点是同样电荷 的离子互相交换和等电量互相交换。 岩石阳离子交换的能力用阳离子交换容量表示。实验室测量时用符号 CEC 表示岩石的阳离子交换容量，它表示每 100g 干岩样交换钠离子的毫克当量数。 测井解释中用 Qv 表示岩石的阳离子交换容量，它表示每单位总孔隙体积交换 钠离子的克当量数或毫克当量数。
K d 2.3
Rmf Rw
l l RT l l ZF
Kd——扩散电动势系数, 25℃时，对于 NaCl 溶液，Kd= -11.6mv Rmf—泥浆滤液电阻率，RW—地层水电阻率 2.扩散—吸附电动势 （1）形成条件： 岩性不太纯，泥质含量较多的储集层，岩石颗粒表面形成明显的离子双电 层，阳离子交换容量有显著的数值。
子大体平衡，称为远水。 二、储集层的自然电动势 假设完全含水的储集层其冲洗带与原状地层直接接触，则其自然电动势可 看成是产生在两者接触的界面上。主要分以下几种： 1. 扩散电动势 （1）假设： ①泥浆滤液和地层水中的盐都是 NaCl； ②冲洗带泥浆滤液 NaCl 质量浓度为 Cmf，原状地层水盐浓度为 Cw，且 Cw ﹥Cmf，此时称为淡水泥浆。 ③地层岩性很纯，Qv 近似为 0，岩石孔隙中几乎没有离子双电层，两种溶 液的交界面相当于无数孔隙构成的渗透性隔膜 （2）扩散电动势形成的过程 ①离子从浓度高的一方向浓度低的一方扩散； + + ②Cl 的迁移率>Na 的迁移率,使得泥浆一侧的 Cl 富集，地层水一侧 Na 富集，形成正负电荷的富集，在两种溶液交界出产生电动势； + ③电动势使 Cl 迁移速度减慢， 而 Na 迁移速度加快， 使电荷富集速度减慢； ④到正负离子迁移速度相同时，电动势不再增加，达到动态平衡。此时的 电动势称为扩散电动势。 （3）扩散电动势大小 应用电化学知识， 导出两种自由溶液相接触时计算扩散电动势的涅尔斯特方程：
Ed 2.3
l l RT Cw lg l l ZF Cmf
l+——正离子迁移率, l-——负离子迁移率，R——气态常数，T——绝对温度， Z——离子价，F——法拉第常数，Cmf——泥浆滤液浓度，CW——地层水浓度 因为溶液电阻率与其质量浓度成反比，上式可改为：
Ed Kd lg
Qv CEC (1 t ) G 100t
G ——岩石平均颗粒密度，g/cm3；
t ——岩石总孔隙度，小数；
双电层内层离子主要是靠粘土和细小颗粒表面多余的负电荷形成的，阳离 子交换容量反映了双电层外层平衡离子的浓度，故岩石的阳离子交换容量是岩 石泥质或粘土含量的指示。 3.双水 在孔隙直径较大的泥质砂岩中，双电层的厚度很有限，实际上岩石孔隙中 以自由水为主。这两部分水在性质上是不同的：双电层外层那部分水主要含阳 离子，阴离子很少，其性质与相邻泥岩孔隙中的水相同，称为粘土束缚水；双 电层外层以外，离颗粒表面较远的那部分水，是通常性质的地层水，正、负离
（2）形成过程： + ①岩石孔隙内有两种水， 一种是含有双电层的粘土水， 富含 Na ， Cl 很少； + 一种是远水，离子平衡，所以整体来说 Na 浓度增加； ②在浓度差的作用下发生离子扩散（远水中的钠离子、氯离子；扩散层中 的钠离子）,钠离子的扩散量比纯岩石情况下大； ③使富集的电荷量比纯岩石减少，产生电动势变小； ④当泥质含量达到一定的程度，电动势反向； 泥质岩石中的这种电动势， 即是扩散-吸附电动势。 因为岩石孔隙有让阳离 子选择性渗透的作用，如化学中的半透膜，故这种电动势也称薄膜电势。 泥质岩石的电动势介于纯砂岩和纯泥岩之间。 3.过滤电动势 为防止井喷， 钻井时的泥浆柱压力略大于地层压力。 在此压力差的作用下， 泥浆滤液会向岩石孔隙内渗透，并会带动离子双电层中扩散层的流体向同一方 向流动。泥浆滤液为电中性，而扩散层富集阳离子，故在低压一侧形成正电荷 富集，而在高压一侧形成负电荷富集，从而形成过滤电动势。 一般认为这一过程发生在泥饼形成之前，泥饼形成后几乎是不渗透的，上 述压差将落在泥饼上， 不会再形成滤液流动， 而原来聚集的电荷重新达到平衡， 不再有过滤电动势。因此过滤电动势产生于正在产生液体流动的层位，而储集 层都有泥饼，所以通常不考虑过滤电动势。 表达式：
第一节
有自然产生的电动势。
井内的自然电动势
井内可以测量到自然电位，说明井内有自然电流流动，那就要求井内必须 井内自然电动势的起因，包括不同浓度的盐溶液相接触时的扩散—吸附作 用，盐溶液在孔隙中的渗滤作用，金属矿物和煤的氧化还原作用。对石油测井 来说主要是前两种。这两种作用都与孔隙水中离子的分布有关，所以本节首先 要介绍孔隙水中离子的分布。 一、岩石孔隙水中离子的分布 岩石孔隙中的水是地层水（原装地层）或泥浆滤液（冲洗带），它们所含 的盐以 NaCl 为主，盐分子在水中都是充分离解的，就是靠这些离子的运动， 形成了岩石的导电性和自然电动势。 1.离子双电层 水分子是电荷不完全平衡的极性分子，对外可显示正负两个极性，故 Na＋ 和 Cl 可分别吸引极性水分子形成水合离子。
学
目
的
重 点 难 点
电动势的表达式；用自然电位曲线划分储集层、计算泥质含量
自然电位的形成；各种电动势的含义；自然电位曲线的影响因素
教具 准备
PPT 的制作，多媒体使用
教 学 后 记
（包括教学要点、步骤、方法、时间安排及板书设计、作业布置等）
一、教学要点 1.井内有自然电动势产生是由于储层内阳离子的扩散作用，而阳离 子的分布状态和扩散作用都是微观上的，电流的流动也是无法直接看到 的，所以本章内容讲解非常困难。要尽量用图形帮助学生理解电动势的 产生。 2.通过自然电位的公式，明确决定自然电位大小的因素，进而引出 影响自然电位异常的主要因素。 3.自然电位测井的应用是本章的重点内容，让学生重点掌握如何根 据自然电位曲线划分储集层以及计算泥质含量 二、教学步骤、方法 第一节 井内的自然电动势（2 学时） 1. 通过回顾第一章第二节内容，明确自然电位测井是一种电法测 井，并且测量的是地层中自然产生的电位。 2. 说明自然电位产生的原因是不同浓度的溶液相接触时的扩散-吸 附作用、盐溶液在孔隙中的渗滤作用等。这些作用都与孔隙水中离子的 分布有关，从而引出本节的第一个主要内容：离子在孔隙水中的分布— —离子双电层——阳离子交换。 3. 明确了阳离子的分布及扩散作用， 推导各种电动势的具体成因及 大小，强调扩散电动势、扩散吸附电动势、过滤电动势的概念及公示表 达式。 第二节 自然电位曲线形态分析（2 学时） 1. 2. 了解了地层中的电动势以后，就可以根据电动势的大小判断电流在 由于电流在流动过程中受到很多因素的影响，所以这些因素也间接 井眼地层中的流动方向，从而确定砂泥岩储层中自然电位曲线的形态。 影响了自然电位曲线的形态。逐一讲述地层水与泥浆滤液性质、岩性、 储层厚度、储层侵入带大小、井径等对自然电位曲线的影响。 第三节 自然电位测井的应用（2 学时）（本章重点） 1. 2. 3. 说明自然电位测井适用于砂泥岩剖面和淡水泥浆的裸眼井，并说明 自然电位曲线的定性解释：划分储集层，判断岩性、判断油气水层、 自然电位曲线的定量解释：计算泥质含量，确定地层水电阻率 原因。 地层对比和沉积相研究
E A
Rmf

P
A
பைடு நூலகம்
4
Rmf——泥浆滤液电阻率，Ω .m； μ ——泥浆滤液的粘度，Pa.s；Δ P—泥 浆柱与地层之间的压力差，atm；Aφ —过滤电动势系数，mV，渗透岩石 0.77mV； ε —是泥浆滤液的介电常数 ；ζ —是与岩石的物理化学性质有关的参数。
三、泥岩的自然电动势 泥岩的电动势一般是扩散—吸附电动势。即把泥岩看成只让阳离子透过的 理想薄膜，储集层中的地层水或井内泥浆滤液中的阳离子通过泥岩孔隙向另一 方扩散，产生扩散吸附电动势。 产生过程： ①砂岩中 Na+、Cl吸附； ③在泥浆中形成 Na+富集,泥岩中 Cl-富集，达到平衡时，电动势为 Eda 我们把这样形成的电动势看成是存在于泥岩井壁两侧，Cw>Cmf 时，泥浆一 通过泥岩向井内扩散; ②泥岩孔隙中阳离子浓度高，它将排斥 Na+，使其扩散到泥浆中，而 Cl- 被