《测井储层评价》第四章 泥质砂岩储层测井评价

• 粘土水（近水）相对体积：
根据扩散双电层理论模型，粘土水相对体 积等于粘土水扩散层厚度Xd与单位孔隙体积的 粘土表面体Av之积 ：
( f )cw Xd Av XH Av
Specific Area, m2/g
1000
• Diamond & Kinter 通过实验发现(右图）：
100
Asp v CECsp
第四章 泥质砂岩储层测井评价方法
（含油饱和度定量评价）
近半个世纪以来，泥质砂岩的测井评价一直是一件比较 困难的事情。由于碎屑岩油气储层中几乎都存在不同含量 的粘土矿物，而后者又对几乎各种测井响应有不同程度的 影响。因此，深入研究粘土矿物的物理、化学性质及其对 测井响应的影响是利用测井资料评价泥质砂岩储层的重要 岩石物理基础。
根据该理论，在扩散层中（扩散层外 边界距粘土颗粒表面的距离称扩散层厚度，
用Xd表示），只有Na+离子，而无Cl-离子 （NaCl溶液）。扩散层厚度Xd以外，阳离
子浓度与溶液浓度相同。
在扩散层中，Stern层的厚度可以用XH表示，即外Holmholtz
平面距粘土颗粒表面的距离：
X H 2rw 3rw rNa 6.18 10 8 cm
绿泥石、高岭石是1:1层 型粘土矿物。
3、粘土矿物在岩石中的分布形式及产状
泥质分布形式：
分散、结构、层状；
粘土矿物在孔隙中的产状：
分散状 (disperse）、 粘土膜 (pore-lining)、 搭桥装 (pore-bridging)；
分散状 (disperse）
粘土膜 (pore-lining)
浓度，摩尔/升。Clavier等人认为，当远水溶液浓度<n> 大于某一数值〈n1〉时α=1(〈n1〉=0.35摩尔/升[40])。
§4.2 基于粘土附加导电实验规律的理论 —Waxman~Smits模型
1942年：Archie公式提出(Shell, USA) 。 适用于具有粒间孔隙的纯净砂岩。
1956年：Hill和Milburn(Shell,Holland) 发表了泥质砂 岩电学实验数据，提出并联附加导电模型；
2、粘土矿物的化学结构
• 粘土是一种层状硅酸盐矿物； • 硅氧四面体（Tetrahedral）和铝（镁）八面体(Octahedral)
是粘土矿物的基本结构单元。
按照四面体片和八面体片 的配合比例，可以把粘土矿 物的基本结构层分为1:1层型 和2:1层型两个基本类型。
蒙脱石、伊利石属2:1 层型粘土矿物。
1968年：Waxman和Smits根据Hill和Milburn实验结果， 初步建立了W-S模型，遗留2个问题。
1974年：Waxman和Thomas针对2个遗留问题进行了实验
测量，完善了泥质砂岩饱和度评价模型(W-S)模型。
1977年：双水模型问世。Clavier等（SLB)
一、Waxman-Smits模型的初步建立
至此，形成了比较完善的W~S模型。
1.5
1
Qv/Sw 实验数据
0.5
0
0
0.5
1
1.5
Qv'计算结果
实验样品Qv’与Qv/Sw数据对比
（塔里木盆地塔北三叠系）
30
最大当量电导，ml/(oh m-m.meq)
25
20
15
W&Th
10
B'_max
5
B_max
0
0
50
100
150
200
250
温度，℃
钠离子最大当量电导与温度的关系
一、粘土矿物/泥质的基本性质
1、定义 2、粘土矿物的化学结构 3、粘土矿物在岩石中的分布形式及产状 4、粘土矿物的电荷
二、阳离子交换性吸附及阳离子交换量 三、扩散双电层理论
1、粘土/泥质的定义
• 粘土：直径小于2μm（1/256mm 或8φ） 的层状硅酸盐矿物颗粒；
• 泥质：粘土和其它细颗粒组分组成的混 合物。
• 双水模型在国外引起了很多争论，评论家 提出的许多问题至今仍没有解决 。
双水模型
Ct

S
n wt
Fo
C we
等效水溶液电导率：
C we

( f ) fw Cw ( f ) fw
( f )cw Ccw ( f )cw

( f ) fw Cw ( f ) cw Ccw S wt
W~S模型：
（电导率形式）
W~S模型：
（电阻率形式）
1 Co F (Cw BQv )
Ct

1
F
*
S
n* w
C w
wenku.baidu.com
B Qv Sw

F*

Ro Rw
m* 1
1 Rw BQv



Ir*

Rt Ro

S
n* w
1
1 Rw BQv Rw BQv S
• 双水模型把泥质砂岩岩石中的水分为两 部分。
一部分是由双电层引起的粘土水(又称近 水)，粘土水不含盐但含所有的平衡阳离子。 并认为，粘土水的电导率与粘土类型及平衡阳 离子的浓度均无关，而只与温度有关。
另一部分水是远离粘土的水(又称远水)， 其电导性质与岩石中的体积水相同。
• Clavier等人一文用了大量的篇幅讨论了W-S 模型的不完善之处，如胶结指数m*、阳离 子当量电导B仍与阳离子交换容量有关等， 并用建立W-S模型所用的实验数据证明了双 水模型比W-S模型具有更高的精度。
其中rw为水分子的半径，1.4。rNa为钠离子的半径，0.96。
根据Gouy-Chapman扩散模型，25℃时扩散层的理论厚度Xd与
溶液浓度<n>有关：
Xd XH

n1 n


XH
其中，XH—外Helmholtz平面与粘土表面的距离，是一常数。
Xd—扩散层厚度，单位为；<n>—扩散层以外的远水溶液
纵观近半个世纪的研究工作，Waxman 和Smits模型 （简称W-S模型）和双水模型是泥质砂岩测井评价领域两项 最具代表性的岩石物理研究成果。由于这两个模型均是建 立在粘土矿物的阳离子交换性质之上的，为更好地理解这 类模型的物理意义，下面简要概述一下粘土矿物有关阳离 子交换特性等基本性质。
第四章 泥质砂岩储层测井评价方法
（含油饱和度定量评价）
§4.1 粘土矿物的基本性质及扩散双电层 §4.2 基于粘土附加导电实验规律的理论
—Waxman~Smits模型
§4.3 基于扩散双电层的粘土附加导电理论
—双水模型
§4.4 低电阻率油气层测井评价实例
准噶尔陆梁白垩系； 塔里木塔北三叠系。
§4.1 粘土矿物的基本性质及扩散双电层
w

电阻率指数，Ir* 电阻率指数，Ir*
W-S模型所描述的含油泥质砂岩的电阻率变化规律
100
(Rw=0.5ohm-m,50℃)
Ir=Sw^-2
Qv=0.05
Qv=0.5
Qv=2
10
Qv=4
100
1 0.1
含水饱和度，Sw
10 1
(Rw=0.05ohm-m,50℃)
Ir=Sw^-2 Qv=0.05 Qv=0.5 Qv=2 Qv=4
0.05
0.045 0.04
Ce

BC

F
e Na
1000
Qv

e Na
1000
Qv
Co
Á¦
0.035
tg 1 m*
0.03
F*
tg
0.025
0.02
0.015
0.B01
B

1

a
exp

Cw



*
0.001eNa
0.005
C0
B

1

0.6
exp
阳离子交换具有等电量互相交换（如一个Ca2+离子与两 个Na+互相交换）和交换过程可逆等特点；
当溶液离子浓度相差不大，离子价愈高，与粘土表面的 吸附力愈强；
相同价数的不同离子与粘土表面的吸附能力与离子的半 径成正比、与每一种离子的浓度成正比。
2、阳离子交换容量（CEC）
粘土矿物在pH值为7的条件下能够吸附交换阳 离子的数量，它是粘土矿物负电荷数量的量度，阳 离子交换容量（CEC）的单位是mmol/100g，即每 100g干样品所交换下来的阳离子毫摩尔数。
• 1979年：部分地是对双水模型一文的回应， Waxman和Smits编辑发表了他们的壳牌公 司的同事：Hill、Shirley和Klein在60年代 完成但未公开发表的研究成果，这篇文章 使用了几乎是W-S模型和双水模型用到的同 样数据分析了“双水”概念，但得出的结 果却与W-S模型更为吻合。
有：Ct

1
F
*
S
n* w
C w

B Qv Sw

• 问题： 没有对B值的影响因素进行完整测量。
2、含油泥质砂岩电导率(Ct)与含水饱和度(Sw)
1974年：Waxman & Thomas 通过实验 测量，验证了关于Qv’的假设； 得到了阳离子当量电导B值与温 度、地层水矿化度的关系图版。

0.77
Rw


*
4.6
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7 Cw0.8
0.9
1
Co

1 F*
Cw

Ce

1 F*
Cw

BQv

2、含油泥质砂岩电导率(Ct)与含水饱和度(Sw)
• 假设：
油层（Sw<1）可交换阳离子的有 效浓度Qv’与Qv和Sw有关, 即： Qv' Qv Sw
通过实验测量，Hill和Milburn发现了随溶
液电导率（Cw）增加，岩石电导率（Co）的非
线性变化规律，如下图所示。Waxman和Smits
认为，稀释溶液范围（图中低Cw段）溶液电解
质浓度的增加所导致的岩石电导率的急剧增加 是由于岩石中粘土表面可交换阳离子的迁移率 增加所致。
1、泥质砂岩电导率(Co)与溶液电导率(Cw)
Gouy-Chapman模型：粘土矿物表面带 有负电荷，因而一旦把它放入溶液中，溶 液中的阳离子就会被吸附到粘土矿物的表 面以保持电中性。由于粘土矿物表面对阳 离子的吸附，粘土矿物表面的阳离子浓度 将比主体溶液的阳离子浓度大。同时，由 于阳离子存在浓度梯度，因此阳离子就趋 向于从粘土矿物表面向外扩散最终达到平 衡。环绕粘土矿物颗粒的这一平衡带具有 一定的扩散厚度，在这个厚度内阳离子浓 度随着离粘土矿物表面距离的增大而减小， 直至与主体溶液的阳离子浓度相等。扩散 层内，存在有一个伴随的阴离子不足。在 这个模型内，有两个电性电荷层存在，即 带有负电荷的粘土矿物表面和紧邻于粘土 矿物表面的带有正电荷的阳离子扩散层， 二者构成“双电层”。
1
0.1
1
含水饱和度，Sw
§4.3 基于扩散双电层的粘土附加导电理论
—双水模型
• 1977年：Clavier等人根据双电层理论，通 过对Hill和Milburn、 Waxman和Smits、 Waxman和Thomas等人所做的泥质砂岩样 品实验结果的重新分析，并在一系列理论 假设前提下，提出的泥质砂岩电阻率和含 水饱和度解释模型。
影响粘土矿物阳离子交换容量大小的因素主要 有三种，即粘土矿物的类型、粘土矿物的分散程度 和溶液的酸碱性条件。
S: 70-130; I: 10-40; K: 3-15 mmol (meq)/100g
三、扩散双电层理论
扩散双电层理论是一
个用来解释粘土矿物 表面、层间阳离子与 层间阴离子呈弱键联 结的水和环绕在粘土 矿物周围的溶液之间 相互作用的模型。这 个模型通常是以GouyChapman模型和Stern 模型为基础，如右图 所示。
搭桥状 (pore-bridging)
4、粘土矿物的电荷
（1） 构造电荷—永久电荷 源于粘土矿物晶格中的离子替代； 硅氧四面体：Al3+ 替代 Si4+， 铝氧八面体：Mg2+ / Fe2+ 替代 Al3+。
蒙脱石：八面体离子替代； 伊利石：四面体离子替代； 高岭石：没有构造电荷。
（2）表面电荷 （取决于溶液ph值和粘土矿物的结构）
表面羟基是两性的，既能作为酸，也 可以作为碱。它们可以以下述形式进一 步与H+ 或OH- 作用：
MOH + H+ → MOH+2 MOH + OH- → MO- + H2O
二、阳离子交换性吸附及阳离子交换量
1、离子交换性吸附
吸附在粘土矿物表面上的阳离子可以和溶 液中的同号离子发生交换作用，这种作用即为 离子交换性吸附。
Stern模型：是对Gouy-Chapman模型的 修正。Stern首先对Gouy-Chapman扩散双 电层理论进行修正以使之更加符合实际体 系，他认为离子接近粘土矿物表面（粘土 表面、胶粒表面）的距离不能小于其有效 半径，并且离子与带电表面的作用比简单 的库仑力更复杂。在Stern模型中，把双 电层分为两部分：一部分为接近粘土矿物 表面的紧密层—Stern层；另一部分即 Gouy-Chapman扩散层。
• Clavier等人则应用上 10
述比例系数于下式：
0.01
Av Qv
Mont.