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1、地 球 物 理 测 井,第一章 电法测井,（自然电位测井）,心胸有多大，事业就有多大包容有多少，拥有就有多少,地球物理测井自然电位测井SP,自然电位测井：,电法测井的一种。也叫SP Logs（源自Spontaneous Potential Logs），是根据自然电位曲线研究井内地质剖面的方法。,电阻率测井：,测量井下岩层的电阻率，一般须人为供电。,SP的发现,进行电阻率测井时，目的层测量结束、在断电情况下，发现记录仪仍然显示，井下有电位的变化。,地球物理测井自然电位测井SP,自然电位:自然电场产生的电位.,应用基础自然电位与井中岩层的岩性有密切的关系，能以明显异常显示渗透层。,M测量电极,N地
2、面电极,地球物理测井自然电位测井SP,测量原理：由于固定在地面的N电极的电位VN是一个恒定值，因此，当测量电极M在井中移动时，电位差计所测得的电位差VMN的变化，就是井下自然电位的变化，把它记录成随井深变化的曲线，即自然电位曲线。,地球物理测井自然电位测井SP,一、自然电位的成因,由于泥浆和地层水的矿化度不同，地层压力和泥浆柱压力不同，在钻开岩层后，井壁附近两种不同矿化度的溶液接触产生电化学过程，结果产生电动势造成自然电场。,自然电动势,扩散电动势（Ed）,扩散吸附电动势（Eda）,过滤电动势（E）,地球物理测井自然电位测井SP,假定：地层水和泥浆滤液中的盐类均为NaCL,且Cmf Cw，泥浆
3、未侵入地层。由物理化学可知，当两种不同浓度的溶液相接触时,高浓度溶液中的离子将在渗透压力的驱使下，由浓度大的一方向浓度小的一方移动，该现象称为扩散现象。,以一个上下是厚层泥岩的砂岩剖面为例,砂岩,泥岩,泥岩,地球物理测井自然电位测井SP,CwCmf砂泥岩剖面离子扩散路径和电荷分布,如上图所示，浓度大的地层水中的离子有两种路径向浓度小的泥浆中扩散：,通过砂岩井壁直接向泥浆中扩散,通过砂岩围岩周围的泥岩向泥浆中扩散,地球物理测井自然电位测井SP,1、纯砂岩的扩散电动势,如果砂岩为纯砂岩，不含泥质，地层水中的Na+和Cl-在渗透压力作用下，沿第一条路径扩散，且Na+移动速度较慢，Cl-较快，因此，低
4、浓度的泥浆中Cl-富集而带负电，高浓度的地层水中Na+过剩带正电，在地层水和泥浆滤液的接触面两侧出现电位差。,高浓度为正，低浓度为负,扩散电动势,动平衡时，电动势保持一定值,地球物理测井自然电位测井SP,Cw、Cmf分别为地层水和泥浆的浓度u、v分别为Na、Cl的迁移率；R为摩尔气体常数；F为法拉第常数；T为绝对温度K；Kd扩散电动势系数,由上式可知，在纯砂岩时，uv，Kd为负值；且与溶液的盐类成分和温度有关。,地球物理测井自然电位测井SP,在井内纯砂岩井段所测量的自然电位即是扩散电动势造成的。,CwCmf,在井内纯泥岩井段所测量的自然电位即是扩散吸附电动势造成的。,地球物理测井自然电位测井S
5、P,2、纯泥岩的扩散吸附电动势,当地层水中的离子通过第二条路径经泥岩向井中泥浆扩散时，将受到泥岩中粘土颗粒表面偶电层（Na）的影响。根据异性相吸、同性相斥的原理，泥岩表面吸附层的补偿阳离子将吸引Cl而排斥Na（扩散），Cl不能通过泥岩进入泥浆，因此，导致泥浆中正离子富集，砂、泥岩交界面Cl多带负电，形成电位差。,（高浓度为负，低浓度为正）,形成的电动势称为扩散吸附电动势,指针与前面实验方向相反,地球物理测井自然电位测井SP,设纯泥岩单位孔隙体积的补偿阳离子浓度QV=，则认为Vcl-=0,Kda扩散吸附电动势系数，mv，值为正，与温度有关,扩散吸附电动势Eda表达式,在相同条件下，不同岩石的扩散
6、吸附电动势差别很大,Eda由高到低依次为：泥质页岩粘土含泥砂岩石灰岩砂岩无烟煤泥灰岩铝土矿石英砂白云岩高岭土,地球物理测井自然电位测井SP,地球物理测井自然电位测井SP,3、泥质砂岩的扩散电动势,Na和Cl的迁移率u、v随泥质砂岩中Qv（补偿阳离子浓度）的大小而变化。当泥质含量少、Qv小时，vu，低浓度为负，高浓度为正，具有纯砂岩性质；当泥质含量高、Qv大时，vu，低浓度为正，高浓度为负，具有纯泥岩性质。,可见，扩散电动势系数Kd可正可负，取决于Qv大小、溶液的盐类成分和温度。,地球物理测井自然电位测井SP,思考：如果Cw Cmf或地层水为淡水时，将会是什么情况？,地球物理测井自然电位测井SP
7、,除此以外还有过滤电动势，它是在压力作用下，泥浆滤液向地层中渗入时产生的，只有在压差很大的情况下才不被忽略，但通常情况下，P泥浆稍大于P地，此时可以不考虑该电动势。由此通常情况下是由扩散电动势和扩散吸附电动势产生的。过滤电动势：,泥浆滤液的粘度p泥浆柱与地层间的压力差A过滤电动势系数，mV，一般为0.77,地球物理测井自然电位测井SP,二、自然电位曲线的特点及影响因素,1、电化学总电动势和自然电流的等效电路,当井中泥浆滤液与地层水之间存在浓度差时，则在泥浆滤液与地层水接触面两侧产生扩散电动势Ed，在泥岩井段与砂岩层面间产生扩散吸附电动势Eda。井下介质都是导电介质，电动势的存在必然会在井下介质
8、中产生自然电流和自然电位场。,地球物理测井自然电位测井SP,自然电流回路等效电路,Rsh泥岩等效电阻Rsd砂岩等效电阻Rm井筒内泥浆等效电阻,地球物理测井自然电位测井SP,在井内砂岩和泥岩接触面附近的自然电位等效电路中，Ed与Eda是相互叠加的.,在相当厚的砂岩和泥岩接触面处的自然电位幅度基本上是产生自然电场的总电动势SSP，也称静自然电位.,静自然电位,地球物理测井自然电位测井SP,根据KIRCHHOFF（基尔霍夫）定律得：E总=Ed+Eda（代数和）为了保证Ed 0 E总=Eda-Ed(因为砂岩：Ed 0)所以 E总=(Kda-Kd)lg(Rmf/Rw)=Es则令 K=Kda-Kd 自然电
9、位系数对于纯砂岩或纯泥岩，K只与溶液盐类成分和温度有关。对于泥质砂岩，K不但与溶液盐类成分和温度有关，而且与泥质含量或Qv值有关。,地球物理测井自然电位测井SP,SSPEsklg(Rmf/Rw),PSP泥质砂岩的静自然电位，指泥质砂岩和纯泥岩的总电动势。PSP的大小反映泥质的多少，PSP SSP。,实测曲线通常以泥岩为基线，巨厚纯砂岩的自然电位幅度就是静自然电位。,地球物理测井自然电位测井SP,2、自然电位曲线特点,自然电位（VSP）是指自然电流在井中泥浆柱上产生的电压降。,测量SP时，地面电极N的VN0，导致SP曲线没有零刻度，用箭头上标的正负表示电位的相对高低，通常选择泥岩的自然电位作为基
10、线，叫泥岩基线。对于一个地区，泥岩是比较稳定的，泥岩的SP是一条大致平行于深度坐标的直线。,地球物理测井自然电位测井SP,负异常：当CWCmf时,SP由泥岩的正电位向砂岩的负电位降低。（淡水泥浆）,正异常：当CWCmf时,SP由泥岩的负电位向砂岩的正电位升高。（盐水泥浆）,地球物理测井自然电位测井SP,根据理论和实际曲线分析，SP曲线有如下特点：（1）当泥浆、地层和上下围岩岩性均匀时，SP曲线对称于地层中部；（2）当h4d时，曲线半幅点正对地层界面；（3）当CwCmf，渗透性地层出现负异常；当CWCmf，渗透性地层出现正异常；当CwCmf，渗透性地层无负异常。,ab段泥岩基线c点半幅点d点地层
11、中部,地球物理测井自然电位测井SP,3、影响自然电位曲线幅度的因素,自然电位曲线的异常幅度Vsp，是指以泥岩曲线为基线，渗透层的SP曲线偏移基线的幅度值。,不同井眼和地层条件对所测的自然电位幅度影响很大。因此，在应用其资料时，必须考虑其影响因素，否则将影响解释精度。,自然电位的幅度、特点主要取决于自然电场的静自然电位SSP和自然电流I的分布。SSP的大小主要取决于岩性、温度、地层水和泥浆中所含离子成分、泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。自然电流I的分布主要取决于介质的电阻率、地层厚度、井径大小。,地球物理测井自然电位测井SP,地层水和泥浆中含盐量的比值（Cw/Cmf）的影响 Cw/Cmf 1（
12、淡水泥浆）渗透层的Vsp有负异常 Cw/Cmf 1（盐水泥浆）渗透层的Vsp有正异常 Cw/Cmf=1 渗透层的Vsp无异常 Cw 与 Cmf 的差异越大则，Vsp有异常幅度也越大。,岩性影响 Vsh，Qv，Kd向Kda接近 K Es Vsp由此可知,泥质含量增加,自然电位幅度变小,即有:砂岩的Vsp 泥质砂岩的Vsp 砂质泥岩的Vsp 泥岩的Vsp,剖面上泥岩性质变化（Qv变化）时，自然电位基线会偏移。,地球物理测井自然电位测井SP,温度的影响,绝对温度,Qv时：,显然，Ed、Eda都和绝对温度T成正比。,地球物理测井自然电位测井SP,泥浆和地层水的化学成分的影响,Ed和Eda由离子的扩散吸
13、附形成，故当泥浆和地层水中的化学成分不同时，其所含离子不同，导致溶液中离子数的差异，不同离子的离子价和迁移率又不同，这就直接影响扩散吸附电动势系数，最终使得Ed和Eda变化。,地球物理测井自然电位测井SP,地层电阻率的影响,地层较厚时，由于岩层的截面积比井的截面积大得多，所以，砂岩和泥岩对自然电流的电阻Rsd、Rsh比泥浆柱的电阻Rm小得多。此时，对于纯砂岩来讲，UspSSP。当地层电阻率增高时，Rsd、Rsh与Rm比较不能忽略，则UspSSP。即地层电阻率Usp。,地球物理测井自然电位测井SP,地层厚度的影响,不同厚度地层自然电位理论曲线,地层厚度hUsp,地球物理测井自然电位测井SP,注意
14、：要用自然电位异常幅度Vsp计算SSP和PSP，必须对以上因素的影响进行校正。,井径和侵入带直径的影响,井径扩大井的截面积加大自然电流在井内的电位降变小 Usp降低。,泥浆侵入地层泥浆滤液与地层水的接触面向地层内推移其效果相当于井径扩大 Usp降低,地球物理测井自然电位测井SP,三、自然电位曲线的应用,地层中泥质含量是影响岩性和渗透性的主要因素，因此，自然电位曲线可用来判断岩性和划相、确定渗透层、求地层水电阻率、估计地层泥质含量和判断水淹层等。,地球物理测井自然电位测井SP,1、判断渗透层,砂泥岩剖面中,RwRmf时，以泥岩为基线，渗透层会出现负异常；,渗透层（砂岩）越纯，负异常越大；,泥质含
15、量增加，负异常幅度变低。,地球物理测井自然电位测井SP,碳酸盐岩剖面,地球物理测井自然电位测井SP,地球物理测井自然电位测井SP,碳酸岩盐的渗透层常夹在厚层致密灰岩之间，离泥岩较远，在Cw/Cmf 1下仍有负异常，但电流要经过大段的致密灰岩后才能形成回路。因此层界面不清，幅度小。通常情况下不用SP来分层。膏盐地层不含地层水且很致密，不能产生Es，它的SP与围岩相同且无异常。,注意：,地球物理测井自然电位测井SP,2、估计渗透层厚度,自然电位曲线与自然伽马曲线配合，划分渗透层的界面非常有效。,确定渗透层界面半幅点法,厚储层,地球物理测井自然电位测井SP,地球物理测井自然电位测井SP,薄 储 层,
16、地球物理测井自然电位测井SP,3、估算泥质含量,泥质：一般把泥质砂岩中的细粉砂和湿粘土的混合物叫做泥质。,分散泥质：泥质分散在砂岩颗粒间孔隙的表面,层状泥质：泥质在砂岩中呈条带状,结构泥质：泥质颗粒代替了某些砂岩颗粒的位置,泥质的含量及其存在状态对砂岩产生的扩散吸附电动势有直接影响 可以利用泥岩自然电位曲线估算泥质含量。,地球物理测井自然电位测井SP,估算泥质含量方法,间接法,直接法,直接法,把某地区各种含泥质的砂岩经取样测定，直接建立自然电位幅度Usp和相对自然电位Tsp与泥质含Vsh的相关关系。,SPmax本地区标准层（一般纯砂岩）的自然电位幅度,地球物理测井自然电位测井SP,间接法,经验
17、公式,PSP泥质砂岩假静自然电位SSP厚的纯水砂岩层的静自然电位,现场应用：以泥岩的SPsh为基线，分别读出(含泥）砂岩的自然电位SP和厚的纯水砂岩层的自然电位SPsd，则有：,（计算机常用公式）,该公式对水层适用，油气层和薄层计算的Vsh偏高,地球物理测井自然电位测井SP,4、求地层水电阻率（Rw是计算地层含油饱和度的重要参数之一）,图版法：,（1）确定静自然电位SSP,如果纯砂岩水层厚度很大，无侵入，且RtRmRs时，则可直接读出该层的自然电位幅度值Vsp 作为SSP。,如果水层厚度不大，则必须对该层的Vsp 进行厚度、电阻率和侵入情况的校正（使用SP-3校正图版进行校正P13图1-10）
18、,地球物理测井自然电位测井SP,（2）确定等效泥浆滤液电阻率Rmfe值,见P14图1-11、P15图1-12 P16图1-13、P17图1-14,图版法：,（3）确定地层水电阻率Rw值,根据已知的SSP和地层温度查P17 SP-1图即可。,根据上图求出了Rmfe/Rwe的比值,由此可求出Rwe。如果Rwe0.1,则Rw=Rwe否则就用SP-2图(Rwe,T)求出Rw。,地球物理测井自然电位测井SP,根据SSP和T或图版求出求Rwe=Rmfe/（Rmfe/Rwe）；根据Rwe、T以及图版求出Rw。,利用SSP求Rw,请同学们认真阅读书中例题！,地球物理测井自然电位测井SP,用SP法求地层水电阻率
19、要求地层有一定渗透率、地层水成分是NaCl、泥浆电阻率不高、过滤电位可忽略不计。无侵入效果较好。,注 意,地球物理测井自然电位测井SP,已知含水纯砂岩自然电位Usp30mV，地层厚度h=3m，井径d=0.25m，砂岩层电阻率Rt=10.m，围岩（泥岩）电阻率Rs=2.5.m，泥浆电阻率Rm=0.5.m，泥浆密度m=1.44g/cm3，地层温度t=85C，无侵入。求地层水电阻率Rw。,练 习：,地球物理测井自然电位测井SP,5、判断水淹层,在油田开发中，常采用注水的方法来提高采收率。如果油田见到了注水则该层为水淹层。利用测井资料判断水淹层层位及估计水淹层是目前检查注水效果的重要课题，目前有些油田
20、利用SP曲线根据基线偏移确定水淹层位，并根据偏移量的大小来估计水淹程度。水淹层在SP曲线上出现基线偏移是因为注入水的矿化度不同于地层水和泥浆滤液。当Cw C注 Cmf，且为均匀的纯砂岩，可以证明在水淹水平界面处SP曲线上无异常变化，而只发生基线偏移，可以计算出偏移量的大小。,地球物理测井自然电位测井SP,Cw1 砂岩,Cw2 水淹,泥岩,泥岩,CmfCw2Cw1,E12,E23,E31,偏移量,P18 水淹层SP曲线偏移原理图,地球物理测井自然电位测井SP,EspklgCw1/Cw2,K值在水淹前后不会有太大变化，因此Esp主要取决于水淹前后地层水矿化度的比值Cw1/Cw2。显然，油层水淹程度越高（淡水饱和度高），Cw1/Cw2越大，基线偏移也越大。,地层中部或者全部被水淹，SP的基线不发生偏移，而是表现为异常幅度减小。,地球物理测井自然电位测井SP,结 论：,SP曲线的上基线偏移则油层上部被水淹,SP曲线的下基线偏移则油层下部被水淹,本节重点：,（3）SP曲线的应用,地球物理测井自然电位测井SP,（1）基本概念：扩散电动势、扩散吸附电动势、正（负）差异、泥岩基线、SSP、PSP,（2）SP曲线特点以及SP曲线幅度的影响因素,
