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第1章 绪论与自然电位

绪论

1、学习这门课的主要意义(在油田的勘探、开发中的应用)

“矿场地球物理测井”简称测井,和物探同属于应用地球物理学科。物探属于地面地球物理石油勘探,测井是井孔地球物理。某一地区经过详细的地质调查和地面地球物理勘探之后,显示可能存在油气藏,就需要进行钻井,但是钻井的成本很高,而地面勘探限于对一个地区的广阔方面的勘探,它(物探)的分辨率很低。如何对深达几百米甚至几千米的地质剖面作出细致、准确的描述,判断油、气、水的存在呢?测井则是最有效、最经济的方法之一,并大量应用于剖面地层对比解释构造问题,研究沉积相、油藏描述工程中进行地层分析和油气评价也主要依靠测井资料。另外,生产动态测井则为采油工程提供了快速、廉价的监测和井内情况的诊断手段;钻井工程中利用测井资料控制钻进、找窜、确定吸水剖面、检查固井质量、检查增产效果等越来越普遍。因此,测井又称为"石油工业的眼睛",培养勘探、开发的复合型人才,应具有复合型的知识结构,测井学科是必备的知识。

2、这门课所涉及的主要内容

测井方法与原理(电法测井、声波测井、放射性测井三大类共10章);

测井资料数字处理与综合解释(储集层岩性、储集物性、含油性、裂缝的评价与识别);

其它测井方法简介(地层倾角测井、生产动态测井以及其测井等)。

这门课将从系统讲述测井方法与原理出发,建立基本概念,为正确认识和利用测井曲线奠定必要的基础。

3、这门课的主要特点

4、对同学们的主要要求

绪论中,将主要介绍的内容:

什么是测井?测井的工作过程?

测井方法及主要应用?储集层分类及其评价的主要参数?

课程设计1:应用测井资料研究地层的沉积环境及沉积相。

2:应用测井资料研究地层的生油岩分布及生油能力

3:应用测井资料研究地层的的物性和含油性

4:应用测井资料研究生产井产层的剩余油饱和度分布

一、测井简介

1、测井

测井—用各种专门的仪器沿井身测量地层的各种物理参数,将所得资料进行综合解释、判明油气藏和其它矿藏的方法。测井是寻找油气田和其它矿藏的重要手段,探查地下矿藏的方法一般分为直接法和间接法:

直接法—钻井取心等(但成本高);

间接法—以测井及其解释为主。

2、测井工作过程

① 测井设备???装载电缆—绞车装有各种测井仪器设备

—仪器车

???各种电极系,测量装置

—井下仪器数控和记录)包括电源和面板(进行—地面仪器测井仪器

②测井过程

a. 资料的获取,即获取测井曲线的过程

使用专门仪器,下入井中,由绞车上提仪器,在这一过程中记录地层剖面的各种物理参数,得到的是物理参数随深度变化的曲线(模拟曲线,数字)

b. 测井资料的数据处理和综合解释

通过测井资料的数字处理和综合解释,将各种物理参数转化为地质参数,并结合钻井、地质、采油等资料,判断油气水层。

3、测井方法的分类

a. 按技术服务目的分???生产动态测井地层评价测井

b. 按所研究的地层物理性质分为

???????

????????井温测井。 ;测量井眼的几何形态)的含量);井径测井(气测井(测量泥浆中烃

—其它测井。以及声波全波列测井等纵波幅度(声幅测井) 播速度(声速测井)、探测纵波在地层中的传研究地层的声学性质,—声波测井中子测井等)。地层介质的相互作用( 中子测井、岩性密度测井)

(密度线与地层介质相互作用马能谱NGS,伽马射然放射性GR,自然伽 探测的是地层的自的各种测井方法总称,研究地层的核物理性质—放射性测井电阻率测井、SP等。率、介电常数等,包括参数,如电阻率、电导的电学参数和电化学电化学特性,探测地层研究地层的电学性质和

—电法测井

4、测井系列

目前已经发展并投入经济运行的测井方法很多,有常规测井方法、生产动态测井方法,还要目前的一些测井新技术和新方法,比如成象测井、核磁测井等。但是一种测井方法一般只能在一定的条件下反映地层的某种性质,无法得到地层的全面认识,而考虑的测井费用等问题,又不可能对一口井进行所有的测井项目。因此,必须根据地质要求选择一套经济实用的测井方法,组成测井系列,它主要以解决地质问题为主,可能包括不同的测井方法。

5、测井在油气田勘探开发正的应用

①判断岩性、划分储层,确定其厚度和深度

②计算储层的物理参数(Φ、K)

③计算储层的含水饱和度Sw,判断含油性

④确定地层本身的一些物理参数,如密度

⑤开发过程中提供动态监测

⑥检查固井质量,计算地层压力等。

小记:世界上第一次测井是由法国人斯仑贝谢兄弟与道尔一起在1927.9.5实现的,我国第一次测井是由原中国科学院学部委员、著名地球物理学家翁文波先生1939年12月20日在四川巴县石油沟油矿1号实现的。(提提张庚骥先生的崇高威望)

二、储集层

测井以涉及到勘探开发的各个领域,尤其是测井方法与测井技术的不断发展,为测井技术提供了更广泛的应用空间,但就这门课来讲,其重点仍然是储集层的识别与评价问题。

1、储集层的概念

众所周知,油气是点点滴滴存在于岩石的孔隙、缝洞中,因此并非所有的岩石都可以储存油气,只有那些具有储存油气的空间,同时这些储存空间又具有连通性的岩层才能称为储集层或渗透层。

储集层又称渗透层,必备的两个条件:

孔隙性:具有良好的储存空间(孔隙、裂缝、洞穴等);

渗透性:存储空间是相互连通的,流体可以流动。

2、储集层的划分(按岩性划分储集层)

①碎屑岩储集层(约占40%左右),包括砾岩、砂岩、粉砂岩储层等,储集空间主要以原生的粒间孔隙为主,测井对这种储集层解释效果最好;

②碳酸盐岩储集层(占50%左右)包括石灰岩、白云岩、生物灰岩、鲕状灰岩等储集层,储集空间主要以次生孔隙为主,包括裂缝、溶洞等,由于裂缝、溶洞的不均匀发育,使得测井解释的效果不太好,但随着测井技术的不断发展,碳酸盐岩储集层测井评价已经取得了较大进展,达到了定量解释或评价。

③其它岩性储集层(少数)

火成岩、变质岩、页岩等(必要条件是裂缝等次生孔隙发育)。

3、储集层的基本参数(φ、Κ、Sw、He)

①孔隙度φ

指储集层的孔隙空间占岩石体积的百分数,孔隙度是反映储集层储集能力相对大小的参数。

几个概念:

总孔隙度:储集层的总孔隙空间占岩石体积的百分数,φt;

有效孔隙度:储集层的有效孔隙(具有连通性)空间占岩石体积的百分数,φe;

缝洞孔隙度:储集层的缝洞孔隙空间占岩石体积的百分数。

②渗透率K

在有一定压差存在时,储层有让流体在其孔道中通过的能力,岩石的这种性质称为渗透性,其好坏用渗透率来表示,单位达西,常用单位毫达西,它是描述流体流过岩石难易程度的基本参数。

几个概念:

绝对渗透率(K)—只有一种流体通过岩石时测得的渗透率;

有效渗透率 (Ke)—多种流体同时通过岩石势时对其中一种流体测得的渗透率,也称为相渗透率;

相对渗透率(Kr)—K

有效渗透率和绝对渗透率的比值,表示各

Kr/

Ke

种流体流动的相对难易程度;

③饱和度(S)

岩石孔隙中所含的某种流体体积占岩石体积的百分数(含水饱和度Sw、含油气饱和度Sh,Sw+Sh=1)。

④有效厚度He

储集层厚度是指储层顶底界面之间的厚度。

有效厚度:油气储量计算中所用,指目前经济技术条件下能开采出工业

性油气流的油气层的实际厚度,即扣除了不合标准的泥岩夹层、致密夹层。

第一章自然电位测井(SP)

自然电位测井(spontaneous potential logging):是在裸眼井中测量井轴上自然产生的电位随深度的变化,以研究井剖面地层性质的一种测井方法。它是最早使用的测井方法之一,最简单而很有用,至今仍然是砂泥岩剖面、淡水泥浆井必测的项目之一。

本章的主要内容:

1、自然电位产生原因及井内自然电场的分布;

2、自然电位测井原理、曲线特点及影响因素;

3、自然电位曲线的应用。

§1 自然电场的产生

一、井内自然电位产生的原因

不同浓度的盐溶液相接触时的扩散和吸附作用;盐溶液在岩石孔隙中的渗滤作用;金属矿物的氧化还原作用等。而前两者为测井中自然电位主要考虑的原因。

①地层水含盐浓度与泥浆含盐浓度不同,引起离子扩散运动或岩石颗粒对离子的吸附作用产生的扩散吸附电动势;

②由于地层压力与泥浆柱压力的差别,盐溶液在孔隙中的渗滤作用而产生的过滤电动势。

一般情况下,过滤电动势的影响要小于前者,因此测井解释一般不作考虑,但是在测井精细解释中,仍需要对其进行必要的校正。

二、扩散电动势

1、扩散现象

用一渗透性膜隔开的不同浓度的NaCl溶液在相互接触时,高浓度溶液中的离子在渗透压的作用下,总要向低浓度溶液扩散,这种现象称为扩散现象。

2、扩散电动势的产生

各种离子的迁移速度不同(或迁移率,与迁移速度成正比,各离子的迁移率见表1-1,Page 5),设两种溶液的浓度分别为C1和C2,而且C1〉C2,则有:由于Cl-的迁移速度大于Na+的迁移速度,随着扩散作用的进行,则C2端相对富集了Cl-,有负电荷的积累,而在高浓度C1端则有Na+的相对富集,有

正电荷的积累,在溶液接触面形成了扩散电场;在扩散电场作用下,Cl -受到电场的排斥作用而迁移速度减小,Na+则受到电场的吸引而受到增大,同时在渗透压的作用下两种离子继续扩散,最终达到一种动态的平衡,即Na +和Cl -的迁移速度相等,从而在隔膜的两端产生一个稳定的电动势,即扩散电动势Ed 。

对于NaCl 溶液来说:

12lg Kd Ed 1

2C2C1-11.6mv;

Kd C 18Farady F T R 3.22

1lg 21lg 3

.2o R R R R v

u v u F T R Kd C C Kd C C v u v u F T R Ed ?===+-?==+-?=因此:浓度较低时,时,常数;

—绝对温度;

—克分子气体常数;—称为扩散系数;其中:

3、纯砂岩层的扩散电动势

如图,在纯砂岩层,井壁处地层水矿化度Cw ,泥浆滤液矿化度Cmf ,对于淡水泥浆,则Cmf

Rw

Rmf Kd Cmf Cw Kd Ed lg lg ?=?= 三、扩散—吸附电动势

1、产生原因(两种不同矿化度的盐溶液被泥岩隔膜隔开时,情况会怎样?)

从扩散电动势产生的原因来看,扩散电动势产生的必须具备的条件是:盐溶液浓度差的存在和渗透性隔膜的存在,不同的隔膜甚至会影响到离子的扩散性质。泥岩与砂岩的性质不同,因此对离子的扩散作用的影响也就不同,首先看看泥岩本身的一些特性。

①泥岩的离子双电层

泥岩颗粒的晶格臵换作用、矿物水解作用、破键作用等原因,使得岩石颗粒表明带有固定的负电荷,它同水溶液接触时,必然吸引极性水分子和Na+

(地层水含盐以NaCl 为主,还包括Na 2CO 3、MgCl 、CaCl 2等),其中一部分Na +

紧贴岩石颗粒表面,指做热运动,而不能移动,构成吸附层;另一部分阳离子则在吸附层之外形成扩散层,在扩散层Na +可以正常移动。这就是离子双电层。在双电层以外的水称为自由水(远水),同正常溶液相同。因此泥质砂岩中离子的扩散就包括了这两部分的离子的共同扩散。由于地层的压实作用,泥岩层不含自由水,因此泥岩孔隙中只含有Na +,并参与扩散作用。

②扩散—吸附电动势的产生

正是由于离子双电层的存在,在扩散过程中,离子扩散包括两部分:一部分是远水中的离子的扩散,应同砂岩一样;另一部分则是双电层中的Na +的扩散。两者共同作用相当于参与扩散的阳离子数增多,从效应上看,表现为Na +的迁移速度超过了Cl -,因此扩散的结果与砂岩恰相反,即在浓度小的一方富集了Na +,出现相对过剩的正电荷,而在高浓度一方,富集了Cl -,出现了过剩的负电荷。正是由于泥岩吸附的Na +的参与(扩散层),这种扩散作用称为扩散—吸附作用,而形成的电动势则称为扩散—吸附电动势Eda ,或称为薄膜电位。

1

2lg 21lg R R Kda C C Kda Eda ?=?= 其中,Kda 称为扩散—吸附电动势系数,它不是常数,随泥质含量和C1和C2而变化,对于纯泥岩、NaCl 溶液来说,18o C 时,Kda max =58mv (即参与扩

散的离子只有Na +的极限情况)。

2、砂泥岩剖面上的扩散—吸附电动势

在砂泥岩剖面的泥岩井段,设地层水和泥浆滤液的矿化度分别为Cw 和Cmf ,对于淡水泥浆,则Cw 〉Cmf ,则井壁处有扩散—吸附电动势的产生。

Rw

Rmf Kda Cmf Cw Kda Eda lg lg ?=?=

§2 自然电位测井原理及曲线特征

一、砂泥岩剖面井内自然电场分布

1、等效电路

根据自然电场分布,井内等效电路如图:

2、总电动势

Eda -Ed =总E

Kd 与Kda 符号正好相反,泥岩层与砂岩层井壁上的自然电动势的极性相反,但在,表现在电路上,两个电动势的反向则是相同的。

自然电位测井的自然电流分布图

3、自然电流

自然电场产生井内的自然电流为

m

sd sh r r r ++=总E I 4、测量结果(理论上)

m r I Usp ?=?

二、测井原理

在普通电阻率测井时,“代”测一条SP 曲线,但是二者的电场不同,普通电阻率测井时需要供电电路向地层提供低频矩形交流电场(小于15hz ),而井内的自然电场则是直流电,只要在电路中分别加相应的排干扰元件即可,如图。自然电位测井与普通电阻率测井共用一个测量电极M ,在提升测量电极M 的过程中,经过不同的地层,得到一条随井深变化的SP 曲线,(实际测量的是Usp ?)。

三、静自然电位SSP 和SP 曲线

首先认识一下自然电位曲线。

1、SP (Usp ?)曲线及其特点

①SP 曲线要素

随电极M 的上升,测量一条随井深变化的曲线,即为SP 曲线,曲线的基本形态如图所示。

基线—实测SP 曲线没有绝对的零点,而是以井段中较厚的泥岩层的SP

幅度为基线,称为泥岩基线;

异常—在砂岩层处SP 曲线相对于泥岩基线发生偏转,对应的曲线峰称为异常。曲线相对于泥岩基线可以向正方向偏转,称为正异常;也可以向负方向偏转,称为负异常。

半幅点—幅点变化的中点,a,b ,对应厚地层一般对应于地层的界面。 由井内自然电场分别可知,SP 在砂泥岩界面幅度变化最大。

②曲线特点

a.当地层岩性均匀,且上下围岩性质相同时,曲线对称于地层中点,且在地层中点处出现极大值;

b.厚地层(h>4d ),曲线半幅点对应于地层界面;

c.随地层厚度减小,对应于地层界面处的幅度升高(向峰值方向移动),地层的极大值减小,此时由半幅点确定的地层厚度要大于实际地层厚度。

2、曲线读数

① 作泥岩基线,选井段内厚泥岩层的SP 作为基线(沿井轴平行); ② 量出地层峰值与基线的距离;

③ 根据测井曲线图头的带极性的横向比例尺,将距离转化成SP 的幅度值(毫伏)

3、静自然电位SSP

从自然电位产生机理来看,扩散电位和扩散吸附电位是自然电流产生的一个决定性因素,因此测井上定义静自然电位SSP :

Rw

Rmf Klg Eda -E ===d E SSP 总 静自然电位是自然电流回路中产生SP 的决定性因素,被定义为自然电流回路中总的电动势,在18 o C ,极限情况下,静自然电位系数K=Kd-Kda=-11.6-58=69.6(mv )。

SSP 与Usp ?的关系: 由于:m

sd sh m sd sh r r r SSP I r r r I SSP ++=

?++?=)( 又因:m sd sh m m r r r r SSP r I Usp ++?=?=? 在纯的、非常厚的含水砂岩层,地层的截面积比井大得多,即有:

sh m r r >>>>和sd m r r ,因此:SSP r r SSP r I Usp m

m m =?≈?=? 也就是说,在纯的、巨厚含水砂岩地层,测量结果Usp ?可以看作是静自然电位SSP ;对于薄层,SSP Usp rsd

§3 自然电位测井的影响因素

m

sd sh m m r r r r SSP r I Usp ++?=?=? Rw Rmf Klg

Eda -E ===d E SSP 总 根据等效电路,我们知道,SP 受到SSP 、r m 、r sd 、r sh 等因素的影响,而

SSP 取决于地层的岩性、地层温度(K 受地层温度、岩性的影响)、溶液的盐成份、浓度比。

一、Cw/Cmf 的影响

Cw/Cmf>1或Rmf/Rw<1,则0lg >Rw

Rmf ,SP 曲线在砂岩层处出现负异常,且随着比值的增大,曲线的幅度升高; Cw/Cmf<1或Rmf/Rw>1,则0lg

Rmf ,SP 曲线在砂岩层处出现正异常; Cw/Cmf ≈1或Rmf/Rw ≈1,则0lg

≈Rw Rmf ,SP 曲线在砂岩层处异常消失。 二、岩性的影响

K 值受泥质含量的影响,Vsh 增大,曲线异常幅度降低。

SP 曲线是以泥岩基线作为参考,在井剖面上,若粘土矿物发生变化,基线发生偏移,需要分段解释。

三、温度的影响

↑↑→↑→SP Kda 或Kd T

定量计算主要反映在K 与温度的变化上,291

C)t(273K K o C

18o += 另外,埋藏深度不同,温度也不同。

四、溶液含盐性质的影响 含盐类型不同,离子价和离子迁移率不同,则K 不同,SP 不同

表1-1,1-2给出了18o C 时几种不同盐溶液的Kd 值。

五、地层电阻率的影响

m

sd sh m m r r r r SSP r I Usp ++?=?=? ↓↑→S P Rsh)(Rsd r sh 、、sd r

地层其它性质相同时,含油气水不同时,SP 不同。

水油水油S P S P R R

六、地层厚度的影响

h>4d 的厚地层,曲线幅度不受地层厚度的影响;

h<4d 的薄层,↓↓→SP h ,主要原因在于电阻率的变化。

七、扩径和侵入的影响

扩径—井径扩大,侵入—泥浆滤液进入渗透性地层

1、扩径:↓↓→→↑S P r (m 横截面增大)d

2、侵入:相当于扩径(侵入越深,SP 越小),同时,泥浆滤液与地层水接触面向地层深处移动,也使得SP 减小。

§4 自然电位曲线的应用

曲线的应用是根据曲线的幅度值大小与所受的影响因素的关系。

1、划分渗透层 (为SP 曲线的最主要的应用之一)

以泥岩的SP 为基线,若mf w C C >或w mf R R >,即淡水泥浆,SP 曲线在渗透层处有负异常,据此特征找出渗透层位臵。

确定渗透层界面(深度点)用半幅点法:h>4d ,且上下围岩性质相同,上、下半幅点在同一垂线上,否则不在一条垂线上,此时应参考其它分层曲线。

2、估算泥岩含量sh V (书中的sh Q )

测井解释的泥岩指的是由细粉砂和湿粘土组成的混合物,具有不同的分布形式,测井解释中分为层状、分散及结构泥质。

计算方法有:

①建立地质经验:(SP 、sh V )回归曲线或制作图版.

②利用公式计算: a. SSP

SP V sh -=1 线性比例),其中SSP 对一解释井段应是一常数, 从含水纯砂岩处取得,此式只适用于含泥质的地层。

b. 目前所用数字处理程序中常用的方法,先由上式求出泥岩的相对值

1sh V ,再计算 1

2121*--=c V c sh sh V ,其中c=3.7(新地层,即第三纪地层);c=2(老地层)。

三.确定w R

w R 是测井解释中一个重要参数,而由曲线确定是最常用的方法之一,依据: SSP=mf w c c K lg =w

mf R R K lg 在低、中矿化度溶液中,w w R C 1∝、mf mf R C 1∝ 在高矿化度溶液中上式不成立 ,这时,可用SSP=we mfe R R K lg

(等效原则是使c

和R 成线性关系) 步骤:1.确定SSP ,在厚的含水砂岩层读取SP ,若Rm Rs Rt ≈≈,且无入侵,则SSP=SP ;若不满足上述条件,用图1--10(P12)的图版对SP 作厚度、侵入及围岩影响的校正,校正后可改为SSP 。

1. 确定mfe R

(1)由m R 求mf R ,通常可由测井图头上读得m R (18度),由图版(图1--11、

1--12)换算出t m R ,再由图1--13得mf R ,或由公式mf R =0.75t m R 计算得到.

(2)由mf R 求mfe R

a. NaCl 溶液,75度时,若mf R >0.1M Ω,则mf mfe R R =;

b. 若mf R <0.1M Ω, 由图1--14(p17)求mfe R

(3) 求W R

a. 由t ,SSP 及mfe R 求we R (图1--15)

b. 由we R 和t 求w R (图1--14)

用SP 求w R 的条件:a. 必须有纯水层存在,接近SSP 。

b. 地层水成份以NaCl 为主。

c. 过滤电位可以忽略不计。

四.判断水淹层

1、水淹层:在油层开发中,见到了注入水的油层,称为水淹层。由于油层内部的非均质性,大多数水淹层具有局部水淹的特点。

2、判断:

在SP 曲线上,水淹层上下泥岩基线发生偏移,一般为淡水注入,上部水淹,则上基线偏移;下部水淹,则下基线偏移。

偏移的多少主要取决于水淹前后地层水矿化度的比值i w C C /,比值越大,偏移也越大,适水淹程度愈高。根据偏移量sp E ?的大小,水淹程度可分为强、中等、弱水淹。一般:强水淹, sp E ?〉8 毫伏;中 等,sp E ?在5~8毫伏;若水淹或岩性变化,sp E ?〈5毫伏;sp E ?=i w c c K lg =w

i R R K lg 作业:一含水砂岩层,由电测资料得知: 该地层有入侵,其中t R =5M Ω,

xo R =25M Ω s R =2.5M Ω m R =0.5M Ω,SP 曲线读数sp U ?=

-32mv ,地层厚度为3m ,井径0.3m ,求该水层的SSP 。

[1] 试说明在Cw

自然电流和自然电位测井曲线形态

[2]自然电位曲线的泥岩基线:

a.测量的自然电位的零线

b.衡量SP异常的基线

c.没有意义

[3]偏向低电位一方的SP异常,称为?异常,其数值是:

a.负的

b. 正的

c. 可能为正、也可能为负

[4]明显的电位异常说明:a. Cw>Cmf b.Cmf>Cw c.Cw=Cmf

[5]注入水水淹的储集层产生SP基线偏移的原因:

a.注入水含盐量与地层原生水含盐量有明显差别

b.储集层上部和下部泥岩性质不同

[6]用SP计算泥质含量的有利条件:

a.地层含油气

b.薄层

c.侵入深的地层

d.完全含水、厚度大和侵入浅的

地层

[7]根据SP的影响因素可知,使用SP计算的泥质含量:

a.小于实际值

b.大于实际值

c.与实际值相等

参考文献:

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