第03章 自然電位SP

1、中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明1第三章 自然電位測(cè)井自然電位測(cè)井（SP）p 自然電位測(cè)井是在裸眼井中測(cè)量井軸上自然產(chǎn)生的電位自然電位測(cè)井是在裸眼井中測(cè)量井軸上自然產(chǎn)生的電位變化，以研究井剖面地層性質(zhì)的一種測(cè)井方法；變化，以研究井剖面地層性質(zhì)的一種測(cè)井方法；p 是最早使用的測(cè)井方法之一，簡(jiǎn)便而實(shí)用，是砂泥巖剖是最早使用的測(cè)井方法之一，簡(jiǎn)便而實(shí)用，是砂泥巖剖面淡水泥漿裸眼井必測(cè)的項(xiàng)目之一。對(duì)于區(qū)分巖石性質(zhì)，面淡水泥漿裸眼井必測(cè)的項(xiàng)目之一。對(duì)于區(qū)分巖石性質(zhì)，尤其是在區(qū)分泥質(zhì)和非泥質(zhì)地層方面，更有其突出的優(yōu)尤其是在區(qū)分泥質(zhì)和非泥質(zhì)地層方面，更有其突出的優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)。 （S Spontaneous pontan

2、eous P Potentialotential）中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明23.1 3.1 井下自然電位的產(chǎn)生井下自然電位的產(chǎn)生3.2 3.2 自然電位的測(cè)量自然電位的測(cè)量3.3 3.3 自然電位測(cè)井影響因素自然電位測(cè)井影響因素3.4 SP3.4 SP測(cè)井的主要應(yīng)用測(cè)井的主要應(yīng)用第三章第三章 自然電位測(cè)井自然電位測(cè)井中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明33.1 3.1 井下自然電位的產(chǎn)生井下自然電位的產(chǎn)生 鉆井后，由于電化學(xué)作用，自然產(chǎn)生多種電動(dòng)勢(shì)，鉆井后，由于電化學(xué)作用，自然產(chǎn)生多種電動(dòng)勢(shì)，包括擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)、擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)、過(guò)濾電動(dòng)勢(shì)等。但包括擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)、擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)、過(guò)濾電動(dòng)勢(shì)等。但對(duì)自然電位測(cè)井

3、起主要作用的是擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)和擴(kuò)散吸附對(duì)自然電位測(cè)井起主要作用的是擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)和擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)，其它電動(dòng)勢(shì)一般可以忽略。電動(dòng)勢(shì)，其它電動(dòng)勢(shì)一般可以忽略。產(chǎn)生自然電場(chǎng)的產(chǎn)生自然電場(chǎng)的主要原因主要原因： 地層水溶液離子濃度與泥漿濾液的離子濃度不同，產(chǎn)生地層水溶液離子濃度與泥漿濾液的離子濃度不同，產(chǎn)生離子擴(kuò)散；離子擴(kuò)散； 巖石顆粒表面對(duì)離子有吸附作用；巖石顆粒表面對(duì)離子有吸附作用； 泥漿濾液向地層中滲透作用。泥漿濾液向地層中滲透作用。中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明41. 1. 擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì) 純巖石中地層水與泥漿之間的直接擴(kuò)散純巖石中地層水與泥漿之間的直接擴(kuò)散 砂巖孔隙中的地層水與井內(nèi)砂巖孔隙中的地層水

4、與井內(nèi)泥漿之間，相當(dāng)于不同濃度的兩泥漿之間，相當(dāng)于不同濃度的兩種種NaClNaCl溶液直接接觸。離子將從溶液直接接觸。離子將從高濃度的巖層一方朝著井內(nèi)直接高濃度的巖層一方朝著井內(nèi)直接擴(kuò)散。由于擴(kuò)散。由于ClCl的遷移率大于的遷移率大于NaNa，擴(kuò)散結(jié)果：低濃度的泥漿一，擴(kuò)散結(jié)果：低濃度的泥漿一方出現(xiàn)過(guò)多的方出現(xiàn)過(guò)多的ClCl，帶負(fù)電，高，帶負(fù)電，高濃度的巖層一方，相對(duì)剩余濃度的巖層一方，相對(duì)剩余NaNa離子，帶正電。從而產(chǎn)生了電位離子，帶正電。從而產(chǎn)生了電位差差地層一方的電位高于泥漿地層一方的電位高于泥漿一方的電位一方的電位。中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明5在在NaClNaCl溶液中，擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)溶

5、液中，擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)EdEd表達(dá)式為：表達(dá)式為：溫度為溫度為1818時(shí)，時(shí)，K Kd d11.6mV11.6mV。2.3lglg lg lgwwddmmmfwddmfwCCRTuvEKFuvCCRCKKCR 中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明6 2. 2. 擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì) 泥質(zhì)巖石中地層水與泥漿之間的擴(kuò)散泥質(zhì)巖石中地層水與泥漿之間的擴(kuò)散 擴(kuò)散的另一個(gè)渠道是地層水中的擴(kuò)散的另一個(gè)渠道是地層水中的離子通過(guò)泥質(zhì)隔膜或周?chē)哪鄮r向低離子通過(guò)泥質(zhì)隔膜或周?chē)哪鄮r向低濃度的泥漿（井眼）一方進(jìn)行擴(kuò)散。濃度的泥漿（井眼）一方進(jìn)行擴(kuò)散。（上頁(yè)圖）（上頁(yè)圖） 粘土顆粒表面帶有較多的負(fù)電荷，粘土顆粒表面帶有較多的

6、負(fù)電荷，在鹽溶液中吸附陽(yáng)離子形成在鹽溶液中吸附陽(yáng)離子形成吸附層吸附層和和擴(kuò)散層擴(kuò)散層。泥巖中存在很厚的。泥巖中存在很厚的雙電層雙電層（內(nèi)負(fù)外正），能夠移動(dòng)的地層水在（內(nèi)負(fù)外正），能夠移動(dòng)的地層水在壓實(shí)過(guò)程中排出去了，基本不存在雙壓實(shí)過(guò)程中排出去了，基本不存在雙電層以外的自由水。電層以外的自由水。中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明7 泥質(zhì)巖石中，一方面仍存在正常的擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)；另一方面，當(dāng)粘泥質(zhì)巖石中，一方面仍存在正常的擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)；另一方面，當(dāng)粘土將同樣性質(zhì)的兩種不同濃度的溶液分開(kāi)時(shí)，在濃度大的一邊土將同樣性質(zhì)的兩種不同濃度的溶液分開(kāi)時(shí)，在濃度大的一邊（CwCw），粘土顆粒表面的擴(kuò)散層中將有更多的陽(yáng)離子，

7、這些陽(yáng)離），粘土顆粒表面的擴(kuò)散層中將有更多的陽(yáng)離子，這些陽(yáng)離子通過(guò)與雙電層表面的子通過(guò)與雙電層表面的陽(yáng)離子交換陽(yáng)離子交換而向低濃度溶液一方移動(dòng)，低而向低濃度溶液一方移動(dòng)，低濃度溶液（濃度溶液（CmCm）一方的陽(yáng)離子將不斷增多而帶正電，另一方）一方的陽(yáng)離子將不斷增多而帶正電，另一方（CwCw）則帶負(fù)電，此電動(dòng)勢(shì)與擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)極性相反。這樣共同形）則帶負(fù)電，此電動(dòng)勢(shì)與擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)極性相反。這樣共同形成擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)。成擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)。 泥質(zhì)就象一種只許帶正點(diǎn)荷的泥質(zhì)就象一種只許帶正點(diǎn)荷的NaNa通過(guò)，而不允許通過(guò)，而不允許ClCl通過(guò)的離子通過(guò)的離子選擇薄膜一樣，有時(shí)稱(chēng)為選擇薄膜一樣，有時(shí)稱(chēng)為選擇吸附

8、作用選擇吸附作用。maxdalg lg2.3mfwdadadamfwRCEKKCRRTvKF （純純泥泥巖巖 0 0，故故 ）1818時(shí)，時(shí)，K Kdada上限為上限為58.0mV58.0mV，下限為，下限為11.6mV11.6mV。中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明8中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明93. 3. 井內(nèi)總的自然電動(dòng)勢(shì)井內(nèi)總的自然電動(dòng)勢(shì) 實(shí)際地層水和泥漿濾液中的主要鹽類(lèi)常實(shí)際地層水和泥漿濾液中的主要鹽類(lèi)常為為NaClNaCl，且地層水的礦化度比泥漿濾液，且地層水的礦化度比泥漿濾液高高( (淡水泥漿淡水泥漿) )。因此，夾于泥巖中的砂巖。因此，夾于泥巖中的砂巖層被充滿(mǎn)泥漿的井孔穿過(guò)時(shí)，地層水與泥

9、層被充滿(mǎn)泥漿的井孔穿過(guò)時(shí)，地層水與泥漿之間的擴(kuò)散結(jié)果是：漿之間的擴(kuò)散結(jié)果是： 砂巖與泥漿直接接觸處產(chǎn)生擴(kuò)散電動(dòng)砂巖與泥漿直接接觸處產(chǎn)生擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)，井孔一方為負(fù)，巖層一方為正；勢(shì)，井孔一方為負(fù)，巖層一方為正； 砂巖中地層水通過(guò)泥巖向井中擴(kuò)散，砂巖中地層水通過(guò)泥巖向井中擴(kuò)散，產(chǎn)生擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)，井孔一方為正，巖產(chǎn)生擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)，井孔一方為正，巖層一方為負(fù)。層一方為負(fù)。（1 1）井壁附近電荷分布井壁附近電荷分布中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明10+-+等效電路示意圖（假設(shè)淡水泥漿等效電路示意圖（假設(shè)淡水泥漿CwCm）E EdadaEdEda泥巖泥巖泥巖泥巖砂巖砂巖中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明11（2 2）

10、 井內(nèi)總自然電位（井內(nèi)總自然電位（SSPSSP） 井內(nèi)自然電動(dòng)勢(shì)形成之后，與周?chē)膶?dǎo)電介質(zhì)就構(gòu)成了電流流動(dòng)的井內(nèi)自然電動(dòng)勢(shì)形成之后，與周?chē)膶?dǎo)電介質(zhì)就構(gòu)成了電流流動(dòng)的閉合回路。在巖層中心的上下有兩個(gè)這樣的閉合回路，均由擴(kuò)散電閉合回路。在巖層中心的上下有兩個(gè)這樣的閉合回路，均由擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)E Ed d、擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)E Edada以及井孔泥漿柱、砂巖和泥巖這幾部以及井孔泥漿柱、砂巖和泥巖這幾部分的等效電阻分的等效電阻r rmm、r rt t和和r rs s組成。組成。lglg()lglglgddawwwddaddamfmfmfmfwmfwSSPEECCCKKKKCCCRCKKCR

11、 該回路的總電動(dòng)勢(shì)（靜自然電動(dòng)勢(shì)該回路的總電動(dòng)勢(shì)（靜自然電動(dòng)勢(shì)SSPSSP）為該兩電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和：）為該兩電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和：【注意：【注意：K K為負(fù)值為負(fù)值(K(Kd dK Kdada) )，如，如1818時(shí)純砂巖處，時(shí)純砂巖處，K K69.6mV69.6mV?！俊！恐袊?guó)石油大學(xué)（華東）張福明12中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明133.1 3.1 井下自然電位的產(chǎn)生井下自然電位的產(chǎn)生3.2 3.2 自然電位的測(cè)量自然電位的測(cè)量3.3 3.3 自然電位測(cè)井影響因素自然電位測(cè)井影響因素3.4 SP3.4 SP測(cè)井的主要應(yīng)用測(cè)井的主要應(yīng)用第三章第三章 自然電位測(cè)井自然電位測(cè)井中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明14

12、3.2 3.2 自然電位的測(cè)量自然電位的測(cè)量 1. 1. 自然電位自然電位SPSP的理論計(jì)算的理論計(jì)算p自然電流：自然電流：p測(cè)量的自然電位異常幅度值測(cè)量的自然電位異常幅度值U Usp sp ：自然電流流過(guò)井內(nèi)泥漿柱電：自然電流流過(guò)井內(nèi)泥漿柱電阻上的電位降阻上的電位降 ：mshsdSSPIrrr 1spmmshsdmshsdmSSPSSPSPUI rrrrrrrr p 在巨厚層，砂、泥巖層的截面積遠(yuǎn)大于井眼的截面積，在巨厚層，砂、泥巖層的截面積遠(yuǎn)大于井眼的截面積，故故r rshsh r rmm、r rsdsd r4dh4d時(shí)，自時(shí)，自然電位異常幅度近似等于然電位異常幅度近似等于靜自然電位；當(dāng)?shù)?/p>

13、層厚度靜自然電位；當(dāng)?shù)貙雍穸萮4dh4d時(shí)，自然電位異常時(shí)，自然電位異常幅度小于靜自然電位，厚幅度小于靜自然電位，厚度越小，差別越大。度越小，差別越大。 p厚層可以用厚層可以用“半幅點(diǎn)半幅點(diǎn)”確確定地層界面定地層界面 ?！景敕c(diǎn)即幅度之半，見(jiàn)圖示。半幅點(diǎn)即幅度之半，見(jiàn)圖示?！恐袊?guó)石油大學(xué)（華東）張福明213. 3. 地層電阻率的影響地層電阻率的影響p含油氣飽和度比較高的儲(chǔ)集層，其電阻率比它完全含水時(shí)含油氣飽和度比較高的儲(chǔ)集層，其電阻率比它完全含水時(shí) r rsdsd 明顯升高，明顯升高，SPSP略有下降。一般油氣層的略有下降。一般油氣層的SPSP略小于相鄰的水層。略小于相鄰的水層。 Rt/RmR

14、t/Rm增大，曲線(xiàn)幅度減小。增大，曲線(xiàn)幅度減小。p圍巖電阻率圍巖電阻率RsRs增大，則增大，則 r rshsh 增大，使自然電位異常幅度減小。增大，使自然電位異常幅度減小。中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明224. 4. 泥漿侵入帶的影響泥漿侵入帶的影響 p在滲透性地層，泥漿濾液在滲透性地層，泥漿濾液滲入到地層孔隙中，使泥滲入到地層孔隙中，使泥漿濾液與地層水的接觸面漿濾液與地層水的接觸面向地層方向移動(dòng)了一個(gè)距向地層方向移動(dòng)了一個(gè)距離。離。p侵入帶的存在，相當(dāng)于井侵入帶的存在，相當(dāng)于井徑擴(kuò)大，因而使自然電位徑擴(kuò)大，因而使自然電位異常幅度值降低。隨著泥異常幅度值降低。隨著泥漿侵入的增大，自然電位漿侵入的增

15、大，自然電位異常幅度減小。異常幅度減小。 【注：圖中注：圖中U Uspsp為無(wú)侵入時(shí)的幅度為無(wú)侵入時(shí)的幅度】中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明235. 5. 巖性剖面的影響巖性剖面的影響p自然電位是一種以泥巖為背景來(lái)顯示儲(chǔ)集層性質(zhì)的測(cè)井方自然電位是一種以泥巖為背景來(lái)顯示儲(chǔ)集層性質(zhì)的測(cè)井方法法，SPSP大小不只與儲(chǔ)集層性質(zhì)有關(guān)，而且與相鄰泥巖的性大小不只與儲(chǔ)集層性質(zhì)有關(guān)，而且與相鄰泥巖的性質(zhì)有關(guān)。因此，這種方法只能用于儲(chǔ)集層與泥巖交替出現(xiàn)質(zhì)有關(guān)。因此，這種方法只能用于儲(chǔ)集層與泥巖交替出現(xiàn)的巖性剖面，最常見(jiàn)的是砂泥巖剖面。的巖性剖面，最常見(jiàn)的是砂泥巖剖面。p這種測(cè)井方法不能用于巨厚的碳酸鹽巖剖面。因?yàn)檫@類(lèi)

16、剖這種測(cè)井方法不能用于巨厚的碳酸鹽巖剖面。因?yàn)檫@類(lèi)剖面沒(méi)有或很少有泥巖，裂縫較發(fā)育的儲(chǔ)集層以致密碳酸鹽面沒(méi)有或很少有泥巖，裂縫較發(fā)育的儲(chǔ)集層以致密碳酸鹽巖為圍巖，許多儲(chǔ)層要通過(guò)遠(yuǎn)處的泥巖才能形成自然電流巖為圍巖，許多儲(chǔ)層要通過(guò)遠(yuǎn)處的泥巖才能形成自然電流回路，因而在相鄰泥巖間形成巨厚的大片回路，因而在相鄰泥巖間形成巨厚的大片SPSP異常，不能用異常，不能用來(lái)劃分和研究?jī)?chǔ)集層。來(lái)劃分和研究?jī)?chǔ)集層。 中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明246. 6. 影響校正影響校正 右圖是自然電右圖是自然電位校正圖版，它位校正圖版，它考慮了侵入帶直考慮了侵入帶直徑、沖洗帶電阻徑、沖洗帶電阻率、地層厚度、率、地層厚度、地層電

17、阻率和圍地層電阻率和圍巖電阻率的影響。巖電阻率的影響。 【注：本課程對(duì)圖注：本課程對(duì)圖版不作要求版不作要求】中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明253.1 3.1 井下自然電位的產(chǎn)生井下自然電位的產(chǎn)生3.2 3.2 自然電位的測(cè)量自然電位的測(cè)量3.3 3.3 自然電位測(cè)井影響因素自然電位測(cè)井影響因素3.4 SP3.4 SP測(cè)井的主要應(yīng)用測(cè)井的主要應(yīng)用第三章第三章 自然電位測(cè)井自然電位測(cè)井中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明263.4 SP3.4 SP資料的主要應(yīng)用資料的主要應(yīng)用 定性解釋定性解釋?zhuān)ê竺鎴D示）（后面圖示） (1) (1) 劃分儲(chǔ)集層：劃分儲(chǔ)集層： 厚層厚層“半幅點(diǎn)半幅點(diǎn)”指示指示 (2) (2) 判

18、斷油氣水層判斷油氣水層 ：水層：水層SPSP幅度大于油層幅度大于油層 (3) (3) 判斷巖性判斷巖性 ：主要區(qū)分砂巖和泥巖：主要區(qū)分砂巖和泥巖 (4) (4) 地層對(duì)比和研究沉積相地層對(duì)比和研究沉積相 ：利用曲線(xiàn)形態(tài)：利用曲線(xiàn)形態(tài) (5) (5) 指示地層水礦化度變化指示地層水礦化度變化( (包括水淹層等包括水淹層等) )：曲線(xiàn)異常的變化：曲線(xiàn)異常的變化 估算泥質(zhì)含量估算泥質(zhì)含量 （相對(duì)值法相對(duì)值法） 確定地層水電阻率確定地層水電阻率 【具體步驟見(jiàn)洪有密具體步驟見(jiàn)洪有密測(cè)井原理與綜合解釋測(cè)井原理與綜合解釋】 lglgmfewmfweRCSSPKKCR 1shSPSSPSPVSSPSSP 中國(guó)石油大學(xué)（華東）張福明27劃分層界面劃分層界面“半幅點(diǎn)半幅點(diǎn)”油水層油水層SP差異差異中