地球物理測井：第03章 自然電位測井（SP）

1、中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-311 第三章 自然電位測井自然電位測井（SP） p 自然電位測井是在裸眼井中測量井軸上自然產(chǎn)生的電位自然電位測井是在裸眼井中測量井軸上自然產(chǎn)生的電位 變化，以研究井剖面地層性質(zhì)的一種測井方法；變化，以研究井剖面地層性質(zhì)的一種測井方法； p 是最早使用的測井方法之一，簡便而實用，是砂泥巖剖是最早使用的測井方法之一，簡便而實用，是砂泥巖剖 面淡水泥漿裸眼井必測的項目之一。對于區(qū)分巖石性質(zhì)，面淡水泥漿裸眼井必測的項目之一。對于區(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。點。 （S Spon

2、taneous pontaneous P Potentialotential） 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-312 3.1 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 自然電位的測量自然電位的測量 3.3 3.3 自然電位測井影響因素自然電位測井影響因素 3.4 SP3.4 SP測井的主要應(yīng)用測井的主要應(yīng)用 第三章第三章 自然電位測井自然電位測井 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-313 3.1 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)生多種電動勢，鉆井后，由于電化學(xué)作用，自然產(chǎn)生多種電動勢， 包括擴(kuò)散電動勢、擴(kuò)散吸附電動勢、過濾

3、電動勢等。但包括擴(kuò)散電動勢、擴(kuò)散吸附電動勢、過濾電動勢等。但 對自然電位測井起主要作用的是擴(kuò)散電動勢和擴(kuò)散吸附對自然電位測井起主要作用的是擴(kuò)散電動勢和擴(kuò)散吸附 電動勢，其它電動勢一般可以忽略。電動勢，其它電動勢一般可以忽略。 產(chǎn)生自然電場的產(chǎn)生自然電場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； 巖石顆粒表面對離子有吸附作用；巖石顆粒表面對離子有吸附作用； 泥漿濾液向地層中滲透作用。泥漿濾液向地層中滲透作用。 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-314 1. 1. 擴(kuò)散電動勢擴(kuò)散電動勢 純巖石中地層

4、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)過多的方出現(xiàn)過多的ClCl ，帶負(fù)電，高 ，帶負(fù)電，高 濃度的巖層一方，相對剩余濃度的巖層一方，相對剩余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

5、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。 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-315 在在NaClNaCl溶液中，擴(kuò)散電動勢溶液中，擴(kuò)散電動勢EdEd表達(dá)式為：表達(dá)式為： 溫度為溫度為1818時，時，K Kd d11.6mV11.6mV。 2.3lglg lg lg ww dd mm mf w dd mfw CCRTuv EK FuvCC R C KK CR 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-316 2. 2. 擴(kuò)散吸附電動勢擴(kuò)散吸附電動勢 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)散的另一個渠道是地層水中的擴(kuò)散的另一個渠道是地層水中的 離子通過泥

6、質(zhì)隔膜或周圍的泥巖向低離子通過泥質(zhì)隔膜或周圍的泥巖向低 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。 （上頁圖上頁圖） 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負(fù)電荷， 在鹽溶液中吸附陽離子形成在鹽溶液中吸附陽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），能夠移動的地層水在（內(nèi)負(fù)外正），能夠移動的地層水在 壓實過程中排出去了，基本不存在雙壓實過程中排出去了，基本不存在雙 電層以外的自由水。電層以外的自由水。 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-317 泥質(zhì)巖石中，一方面仍存在正常的擴(kuò)散電動勢；另一方面，當(dāng)粘

7、泥質(zhì)巖石中，一方面仍存在正常的擴(kuò)散電動勢；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時，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時，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離子，這些陽離），粘土顆粒表面的擴(kuò)散層中將有更多的陽離子，這些陽離 子通過與雙電層表面的子通過與雙電層表面的陽離子交換陽離子交換而向低濃度溶液一方移動，低而向低濃度溶液一方移動，低 濃度溶液（濃度溶液（CmCm）一方的陽離子將不斷增多而帶正電，另一方）一方的陽離子將不斷增多而帶正電，另一方 （CwCw）則帶負(fù)電，此電動勢與擴(kuò)散電動勢極性相反。這樣共同形）則帶負(fù)電，此電動勢與擴(kuò)散電動

8、勢極性相反。這樣共同形 成擴(kuò)散吸附電動勢。成擴(kuò)散吸附電動勢。 泥質(zhì)就象一種只許帶正點荷的泥質(zhì)就象一種只許帶正點荷的NaNa 通過，而不允許 通過，而不允許ClCl 通過的離子 通過的離子 選擇薄膜一樣，有時稱為選擇薄膜一樣，有時稱為選擇吸附作用選擇吸附作用。 max da lg lg 2.3 mf w dadada mfw R C EKK CR RT vK F （純純泥泥巖巖 0 0，故故 ） 1818時，時，K Kda da上限為 上限為 58.0mV58.0mV，下限為，下限為 11.6mV11.6mV。 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-318 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-31

9、9 3. 3. 井內(nèi)總的自然電動勢井內(nèi)總的自然電動勢 實際地層水和泥漿濾液中的主要鹽類常實際地層水和泥漿濾液中的主要鹽類常 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 層被充滿泥漿的井孔穿過時，地層水與泥層被充滿泥漿的井孔穿過時，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)散電動砂巖與泥漿直接接觸處產(chǎn)生擴(kuò)散電動 勢，井孔一方為負(fù)，巖層一方為正；勢，井孔一方為負(fù)，巖層一方為正； 砂巖中地層水通過泥巖向井中擴(kuò)散，砂巖中地層水通過泥巖向井中擴(kuò)散， 產(chǎn)

10、生擴(kuò)散吸附電動勢，井孔一方為正，巖產(chǎn)生擴(kuò)散吸附電動勢，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 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3110 + + + + - - - + + + + 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 Eda da Ed Eda 泥巖泥巖 泥巖泥巖 砂巖砂巖 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3111 （2 2） 井內(nèi)總自然電位（井內(nèi)總自然電位（SSPSSP） 井內(nèi)自然電動勢形成之后，與周圍的導(dǎo)電介質(zhì)就構(gòu)成了電流流動的井內(nèi)自然電動勢形成之后，與周圍的導(dǎo)電介質(zhì)就構(gòu)成了電流流動的 閉合回路。在巖

11、層中心的上下有兩個這樣的閉合回路，均由擴(kuò)散電閉合回路。在巖層中心的上下有兩個這樣的閉合回路，均由擴(kuò)散電 動勢動勢E Ed d、擴(kuò)散吸附電動勢、擴(kuò)散吸附電動勢E Eda da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 rm m、 、r rt t和和r rs s組成。組成。 lglg()lg lglg dda www ddadda mfmfmf mf w mfw SSPEE CCC KKKK CCC R C KK CR 該回路的總電動勢（靜自然電動勢該回路的總電動勢（靜自然電動勢SSPSSP）為該兩電動勢的代數(shù)和：）為該兩電動勢的代數(shù)和： 【注意

12、：注意：K K為負(fù)值為負(fù)值(K(Kd dK Kda da) )，如 ，如1818時純砂巖處，時純砂巖處，K K69.6mV69.6mV。】 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3112 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3113 3.1 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 自然電位的測量自然電位的測量 3.3 3.3 自然電位測井影響因素自然電位測井影響因素 3.4 SP3.4 SP測井的主要應(yīng)用測井的主要應(yīng)用 第三章第三章 自然電位測井自然電位測井 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3114 3.2 3.2 自然電位的測量自然電位的測量 1. 1. 自然電位自然

13、電位SPSP的理論計算的理論計算 p自然電流：自然電流： p測量的自然電位異常幅度值測量的自然電位異常幅度值U Usp sp ：自然電流流過井內(nèi)泥漿柱電 ：自然電流流過井內(nèi)泥漿柱電 阻上的電位降阻上的電位降 ： mshsd SSP I rrr 1 spmm shsd mshsd m SSPSSP SPUI rr rr rrr r 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 rsh sh r rm m、 、r rsd sd r 4dh4d時，自時，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)貙雍穸褥o自然電位；

14、當(dāng)?shù)貙雍穸?h4dh4d時，自然電位異常時，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“半幅點半幅點”確確 定地層界面定地層界面 。 【半幅點即幅度之半，見圖示。半幅點即幅度之半，見圖示?！?中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3121 3. 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集層，其電阻率比它完全含水時含油氣飽和度比較高的儲集層，其電阻率比它完全含水時 r rsd sd 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。

15、 Rt/RmRt/Rm增大，曲線幅度減小。增大，曲線幅度減小。 p圍巖電阻率圍巖電阻率RsRs增大，則增大，則 r rsh sh 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。 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3122 4. 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 向地層方向移動了一個距向地層方向移動了一個距 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

16、常幅度值降低。隨著泥 漿侵入的增大，自然電位漿侵入的增大，自然電位 異常幅度減小。異常幅度減小。 【注：圖中注：圖中U Usp sp為無侵入時的幅度 為無侵入時的幅度】 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3123 5. 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顯示儲集層性質(zhì)的測井方自然電位是一種以泥巖為背景來顯示儲集層性質(zhì)的測井方 法法，SPSP大小不只與儲集層性質(zhì)有關(guān)，而且與相鄰泥巖的性大小不只與儲集層性質(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集層與泥巖交替出現(xiàn) 的巖性剖面，最常見的是砂泥巖剖面

17、。的巖性剖面，最常見的是砂泥巖剖面。 p這種測井方法不能用于巨厚的碳酸鹽巖剖面。因為這類剖這種測井方法不能用于巨厚的碳酸鹽巖剖面。因為這類剖 面沒有或很少有泥巖，裂縫較發(fā)育的儲集層以致密碳酸鹽面沒有或很少有泥巖，裂縫較發(fā)育的儲集層以致密碳酸鹽 巖為圍巖，許多儲層要通過遠(yuǎn)處的泥巖才能形成自然電流巖為圍巖，許多儲層要通過遠(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 來劃分和研究儲集層。來劃分和研究儲集層。 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3124 6. 6. 影響校正影響校正 右圖是自然電右圖是自然電 位校

18、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：本課程對圖注：本課程對圖 版不作要求版不作要求】 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3125 3.1 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 自然電位的測量自然電位的測量 3.3 3.3 自然電位測井影響因素自然電位測井影響因素 3.4 SP3.4 SP測井的主要應(yīng)用測井的主要應(yīng)用 第三章第三章 自然電位測井自然電位測井 中國石油大學(xué)（華東） 2021-7-3126 3.4 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（后面圖示）（后面圖示） (1) (1) 劃分儲集層：劃分儲集層： 厚層厚層“半幅點半幅點”指示指示 (2) (2) 判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) (