3第二章普通电阻率测井

地球物理测井课件河北工程大学主讲人：周俊杰第二章普通电阻率测井2.1岩石的电学性质2.2普通电阻率测井原理2.3视电阻率曲线特点及影响因素2.4视电阻率曲线的应用2.5微电极系测井2.6三电极侧向测井第二章普通电阻率测井通常通过测量被钻孔穿过的岩层的电阻率值，根据岩石导电能力的差异，在钻孔中研究岩层性质和区分它们的方法，称为电阻率法测井。为了解决勘探中不断出现的新问题，电阻率法测井也发生了很大变化，出现了许多不同形式的电阻率法测井例如，侧向测井、微电极测井和感应测井等。这些方法的物理基础都是岩石的电阻率，但在具体方法上、应用范围上都存在一定的差别。第二章普通电阻率测井电阻率法测井的主要任务是根据电阻率曲线划分岩层的厚度、定量确定岩层的电阻率。在油井中，研究岩层的导电能力具有特殊意义，因为石油是一种电阻率极高的物质，而在天然状态下的水却是一种电阻率较低的物质。因此，在相同岩性的储集层中，含油岩层将比含水岩层的电阻率高。直到目前为止，岩层电阻率的高低仍然是判断岩层含油水性质的重要标志。2.1岩石的电学性质岩石作为一种多孔（孔隙中含流体）混合介质，表征其电学性质的参数为电阻率ρ、电导率σ、介电常数ε和磁导率μ。石油测井涉及电阻率、电导率和介电常数。对于金属矿测井还涉及岩石和介质的磁导率。一、地层岩石导电的一般概念岩石的导电性用电阻率量度，单位是欧姆·米，记作Ω·m。岩石导电性亦可用电导率量度，电阻率的倒数是电导率，用σ表示，单位是西门子／米，记作S/m。实际使用时，常用毫西门子／米。二、油气储层岩石的导电性由表1-1可见：不同的岩石有不同的电阻率。同种岩石的电阻率不是单一值，而是分布在一定范围内。岩石由两部分组成，其一是固体部分，包括组成矿物、胶结物及各种杂质，测井中称为骨架；其二是流体部分，包括水、油、气等，流体的多少取决于岩石的孔隙度。岩石的物理性质由其骨架、孔隙流体的物理性质及其相对含量决定。火成岩、沉积岩的骨架都是造岩矿物，仅在个别情况下富集导电性良好的金属矿物。所以，岩石骨架电阻率很高，一般都看作不导电。二、油气储层岩石的导电性地层岩石都有一定的孔隙，特别是某些沉积岩，其孔隙较发育，因此才能成为油气储集层。火成岩、变质岩的孔隙度比较低。近年来也发现有孔隙发育的火成岩，如孔隙度达25.2％的煌斑岩、裂缝发育的花岗岩，它们都可能成为油气储集层岩石孔隙中充填的地层水都溶有若干种盐类，于是地层水中含有大量的离子，其导电性较好，使得地层岩石的电性也得以改善。一、地层岩石导电的一般概念影响岩石的导电性的因素：盐的种类（不同盐类离解的离子数和离子价不同）；温度和压力（影响离子的运动速度）；孔隙度（孔隙度大，地层水多，离子数目也多）；孔道弯曲度（孔道越弯曲，离子运动的阻力越大，离子走的路程越长）；含油气情况（油气排走一部分甚至全部地层水，使孔隙中离子数目减少，而油气又基本不导电）。测井解释时，常常把上述大量的影响因素归纳为岩性（包括矿物成分和岩石结构）、孔隙度、含油气性以及地层水电阻率响应。二、油气储层岩石的导电性砂岩的电阻率高于砂层，变化范围也大，从几个欧姆·米到上千欧姆·米。与砂岩的分选程度、胶结物及胶结程度有关。分选差、胶结好的致密砂岩的电阻率高；分选好、胶结弱者电阻率低。泥质胶结砂岩的电阻率低于硅质、钙质胶结的砂岩。砂岩是碎屑岩类中可成为油层的主要岩性，含油砂岩的电阻率高于不含油的同种砂岩。二、油气储层岩石的导电性粉砂岩的组成颗粒较细，分选好，孔道均匀，离子运动的阻力较小。粉砂岩的电阻率比较低。砾岩的颗粒较粗，分选很差，多数胶结良好，孔隙度很低。砾岩的电阻率较高，高者可大于1kΩ·m，也有孔隙发育的例子，这时的导电性与砂岩相差无几。二、油气储层岩石的导电性2．粘土岩一般说来，粘土岩的电阻率低于碎屑岩。这是因为这种岩石颗粒细、分选好、总孔隙发育，离子在孔道中运动受的阻力很小。通常，泥岩的电阻率是最低的，为5一60Ω·m。页岩的电阻率比泥岩要高一些。泥岩二、油气储层岩石的导电性3.碳酸盐岩石灰岩、白云岩的颗粒极细，孔隙度极小，一般小于7%，几乎不含水。致密石灰岩、白云岩的电阻率高达（5～6)×103Ω·m。含泥质时，电阻率明显降低，如泥灰岩的电阻率近于砂岩电阻率。白云岩二、油气储层岩石的导电性4．石膏和岩盐孔隙度极低，如石膏仅1％。因而，电阻率都很高。同样，当它们含泥质时，电阻率下降。石膏三、地层岩石的介电常数地层岩石也是一种电介质。在电场的作用下，地层岩石中的新、老偶极子都会重新定向排列而极化。岩石极化能力用介电常数ε表示。真空的介电常数8.85×10-12F/m，用ε0表示。岩石的相对介电常数εr为εr＝ε/ε0下表列出了若干种矿物和岩石的相对介电常数，从表中可以看出岩石的相对介电常数为4～8，即岩石骨架的介电常数变化不大；但岩石孔隙中水和油的介电常数相差甚大。岩石含水时，其介电常数明显高于该岩石含油时的介电常数。孔隙度不同的含水岩石中，孔隙度大的岩石，介电常数也大（左图)。这就表明，影响地层介电常数的主要因素是孔隙中的水、孔隙度及水的相对含量（右图）。例如岩石含泥质时，介电常数明显增加。2.2普通电阻率测井原理在井孔中欲测量周围岩层的电阻率，必须给介质通入电流造成人工电场，这个场的分布特点决定于周围介质的电阻率。因此，只要测量出各种介质中的电场分布特点就可确定介质的电阻率，所以电阻率测井实质上是研究各种介质中的电场分布。测井研究的是稳定电流场，描述这种场的物理量是电场强度E、电位U和电流密度j，它们之间遵守微分形式的欧姆定律E＝Rj(2-7)及微分形式的基尔霍夫定律divj＝0(2-8)公式(2-7)和（2-8)说明在电阻率为R的介质中电场强度和电流密度成正比，且方向一致，稳定电流场是有源无旋场，除电源点外的任何一点上电流密度不能增加和减少。2.2普通电阻率测井原理电阻率测井线路中，包括造成电场的供电电路和测量电场的测量电路两部分，电源A、B电极向地面供电，电场的空间分布受岩层电阻率分布控制。研究岩石电阻率的电阻率测井，首先必须研究在一定供电电流情况下电场的分布问题，然后再根据电场和电阻率的关系确定出岩石电阻率和划分不同电阻率地层，图中M、N是测量电极，当岩层电阻率变化时，由供电电极A和B在M和N处造成的电场也必然变化。反过来，也可以根据电场推断岩石电阻率的变化。一、均匀介质中的电阻率测井在电阻率为R均匀各向同性的介质中，放入一个点电源，发出电流I，其电场分布特点如图2-6所示。在均匀介质中点电源场中任意一点的电流密度值可用下式计算(2-9)式中：r为电源点A到任意测量点的距离。均匀介质中点电源场内任意点上电场强度E的表达式(2-10)因此，该场内任意点的电位UU=式中C为积分常数。其值根据电场的无穷远边界条件确定，C=0。24rIj24rIRECrRI142.2普通电阻率测井原理一、均匀介质中的电阻率测井因此，介质电阻率可用下式计算：（2-12）这样，只要测量出人工电场中任意点的电位值就可以根据式（2-12)得到该点处介质的电阻率。这是电阻率测井的理论依据rUrR42.2普通电阻率测井原理一、均匀介质中的电阻率测井人们设计了一套能够在钻孔中实施供电和测量的装置—电极系，放入井孔中配合地面仪器设备进行井孔剖面地层电阻率测量，其测量原理图见图2-7。一、均匀介质中的电阻率测井假设钻孔打在均匀无穷分布的地层中，其电阻率为Rt，忽略井的影响。将电极系放入井底，通过连接在供电电路中的供电电极A、B向地层中供电，其电流强度为I(测井过程中保持不变）造成电场，在图2-7(a）中测量电路测量的，其电阻率表达式为IUAMRMt4IUMNANAMRMNt4一、均匀介质中的电阻率测井式中的K值在采取不同类型电极系时计算公式不同。当电极系确定后，K值是常数。沿井提升电极系测量时，测出一条△U随井深的变化曲线，经横向比例刻度后，此曲线即成为岩层电阻率随井深的变化曲线，即普通电阻率测井曲线。在前边假设的均匀介质中，沿井身所测的电阻率曲线是幅度为Rt的一条直线。IUKRt二、非均匀介质中的电阻率测井在井孔剖面上经常出露的是有限厚的各种电阻率不同的岩层，在渗透层被钻开以后，其径向电阻率也相应发生变化，介质呈现全非均匀特征。渗透层附近介质电阻率分布见图2-8。二、非均匀介质中的电阻率测井纵向非均匀：渗透层厚度为h，上下围岩的电阻率Rs与渗透层电阻率Rt不同；横向非均匀：井中充满泥浆，电阻率为Rm，在井壁上附着有泥饼，其电阻率为Rmc，井壁附近是冲洗带，其电阻率为Rxo，然后是过渡带和原状地层，各带的电阻率不相同。二、非均匀介质中的电阻率测井泥浆侵入分两种类型：侵入带（冲洗带和过滤带）电阻率Ri小于原状地层电限率Rt叫低浸，Ri大于Rt叫高侵。低侵是油层的基本特征，高侵是水层的鉴本特征在这种全非均匀介质中，进行电阻率测量时，电极系周围各部分介质的电阻率对测量结果都有贡献，显然测出的不是岩层的真电阻率。我们将这种在综合条件影响下测量的岩层电阻率叫视电阻率，记作Ra。所以通常把普通电阻率测井叫视电阻率测井视电阻率表达式IUKRa二、非均匀介质中的电阻率测井视电阻率测井使用的设备和测量原理均与均匀介质中电阻率测井完全相同。只要电极系及测量条件选择合适，所测的视电阻率曲线可以直接划分井孔岩性剖面。在计算油层地质参数时，则需要将岩层的视电阻率经过井眼、围岩、侵入影响校正求出真电阻率后再进行计算。视电阻率曲线特征和视电阻率和真电阻率之间的关系，一方面和电极系的尺寸、类型有关，另一方面受介质电阻率、厚度、井径等因素影响。三、电极系电极系是由供电电极A、B和测量电极M、N按一定相对位置、距离固定在一个绝缘体上组成的下井装置。一般电极系内包括三个电极，另一电极放在地面。下井的三个电极中，接在地面仪器同一电路中的两个电极如A、B(或M、N）叫成对电极，而另一个与地面电极N（或B）接在同一电路中的电极叫不成对电极（或叫单电极）。按成对电极和单极之间的距离和相对位置不同可组成不同类型电极系。三、电极系电位电极系：单电极到相邻成对电极之间的距离远小于成对电极之间的距离的电极系叫电位电极系。这类电极系的电极距L=。的中点O称电位电极系的深度记录点。如果成对电极之间的距离无穷大时，此时电位电极系只由A、M组成，叫理想电位电极系，所测视电阻率Ra与M电极测量的电位值成正比，所以这类电极系叫电位电极系。AMAM三、电极系梯度电极系：单电极到相邻的成对电极之间的距离远大于成对电极之间的距离的电极系叫梯度电极系。这类电极系的深度记录点O在成对电极MN（或AB）的中点。单电极A(或M）到O点的距离是梯度电极系的电极距L=（或L=)，L是说明电极系长短的参数，以米为单位。当电极系中（或）为无穷小时，叫理想梯度电极系。AOMOMNAB三、电极系梯度电极系按照成对电极和单电极的相对位置不同分正装和倒装梯度电极系：正装梯度电极系的成对电极在单电极的下方。这类电极系所测视电阻率曲线以极大值显示出高阻层的底界面，故正装梯度电极系又叫底部梯度电极系；倒装梯度电极系的成对电极在单电极的上方。这类电极系所测视电阻率曲线以极大值显示出高阻层的顶界面，故倒装梯度电极系又叫顶部梯度电极系三、电极系在视电阻率曲线上方都标有所用电极系的书写符号。电极系的书写方式是按照电极在井内自上而下的顺序从左到右的写出电极符号，并在电极文字符号之间以米为单位标出相邻两电极之间的实际距离（以m为单位）。例如：M2.25A0.5B表示双极供电正装梯度电极系，L==2.5m。N0.2M0.9A表示一个顶部梯度电极系，其电极距L=1.0m。B2.5A0.1M表示一个电位电极系，其电极距L=0.1m。MO三、电极系在金属矿、煤田、水文等测井工作中，常用电极距=0.5～2.0m的梯度电极系或者用电极距=0.1～0.5m的电位电极系。AOAM三、电极系2电极系互换原理在一个电极系中，保持电极之间的相对位置不变，只把电极的功能改变（即原供电电极改为测量电极；原测量电极改为供电电极），测量条件不变时，用