第五章 油气层识别及评价方法03_for stu

( f )cw X d Av X H Av
• Diamond & Kinter 1000 通过实验发现(右图）：
Asp v CECsp
• Clavier等人则应用上 述比例系数于下式：
Specific Area, m2/g
100 Mont. Ill. Kaol. 10 0.01
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 6.18 108 cm
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：
三、 Waxman-Smits方程（粘土附加导电模型）
适用于泥质砂岩（粘土附加导电）饱和度计算。
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；
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。
2、Waxman-Smits模型的初步建立
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， 如右图所示。
• Archie公式（Archie，1942） • Waxman-Smits方程（Waxman and Smits, 1968; Waxman and Thomas, 1974） • 双水模型（Clavier, Coates, and Dumanoir, 1977） • 并联电导模型
一、 Archie公式
24 22 140℃ 80 60 50 40 30 25 110℃ 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.01 25℃ 50℃ 80℃ 20 17 14 12 8 5 x103 mg/L
阳离子当量电导B, (1/ohm-m)/(meq/cc)
20
0.1
1
10
地层水电阻率Rw，ohm-m
第五章 油气层识别及评价方法
Identification of potential hydrocarbon-bearing zone and saturation evaluation
第一节 理论基础 第二节 定性识别方法 第三节 天然气层识别 第四节 饱和度定量评价模型
（纯砂岩及泥质砂岩）
第三节 饱和度定量评价模型
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。 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。
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。 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
10
Ir=Sw^-2 Qv=0.05 Qv=0.5 Qv=2 Qv=4
*
100
(Rw=0.05ohm-m,50℃)
Ir=Sw^-2 Qv=0.05 Qv=0.5 Qv=2 Qv=4
* 电阻率指数，Ir
1 0.1 含水饱和度，Sw 1
10
1 0.1 含水饱和度，Sw
1
三、双水模型（基于扩散双电层的粘土附加导电理论）
1000
m=2
100
100
10
10
1 0.01
1 0.1 1
0.1
1
Porosity, φ
Water Saturation, Sw
abRw Sw Rm t
1 n
二、粘土矿物的基本性质及扩散双电层理论
（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。
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。
阳离子当量电导B值图版
（据 Waxman & Thomas, 1974)
W~S模型：
（电导率形式）
1 C o (C w BQv ) F
1 C t * n* F Sw
*
Qv Cw B Sw


W~S模型：
（电阻率形式）
（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。
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”。
Ro 1 m* F 1 R BQ Rw w v
Ir
*
1 R BQ Rt n* w v Sw Ro 1 R w BQv Sw
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℃)
电阻率指数，Ir
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。
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)；
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表面的自由水(又称远水)， 其电导性质与岩石中的体积水相同。
• 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 ：
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。
tg
1 m* F*
Co
1 C w C e 1* C w BQv F* F
e F Na eNa C e BC Qv Qv 1000 1000
n wt
C we
( f ) fw C w ( f ) cw C cw ( f ) fw ( f ) cw

( f ) fw C w ( f ) cw C cw S wt
三、双水模型（基于扩散双电层的粘土附加导电理论） • 双水模型把泥质砂岩岩石中的水分为两部分。
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 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])。
n1 Xd XH XH n
B 1 0.6 exp 0.77 * 4.6 Rw
（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： Q Q
' v v
Sw
1 有： C t * n* F Sw
• 于是：
Av Qv
0.1
1
10
Specific CEC, meq/g
( f ) cw X H Av X H Qv Q Qv
• 粘土水（近水）的电导率Ccw： 定义： Ccw Qcw
适用于以粒间孔隙为主的纯岩石饱和度计算。 1、地层因素—孔隙度 2、电阻率指数—含水饱和度
Ro F a m Rw
10000 m=2.2
Ir
1000
Rt n bS w Ro
n=2.2 n=2 n=1.7
Formation Factor, F
m=1.7
Resistivity Index, Ir
• 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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
S Ct C we Fo
等效水溶液电导率Cwe：
（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。
分散状 (disperse）
粘土膜 (pore-lining)
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。
Q Cw B v 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。
至此，形成了比较完善的W~S模型。