第四章 自然电位.doc
《第四章 自然电位.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第四章 自然电位.doc(18页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第四章 自然电位斯仑贝谢在1928年发现了这样的现象:井中电极与放在远处的地面参考电极之间有电位差,该电位差随地层变化,通常相对于泥岩的电平有几十到几百毫伏(图41)。研究过该现象的科学家有:道尔(1948和1950),威利(1949和1951),贡多尼(GO-ndouinndouin)等(1957,1962),贡多尼(Gon-douin)和斯卡拉(Scala)(1958),希尔(Hill)和安德森(Anderson)(1959)。下文简要说明他们的论述和结论。 对着一种地层的自然电位能够由有关离子运移的两个过程引起: 1)动电(电过滤或流动)电位(符号为EK)是在电解质穿过多孔的非金属介质时
2、产生的; 2)电化学电位(符号为Ec)是在两种不同矿化度的流体直接接触,或由半渗透膜(与泥岩相当)将它们隔开的条件下出现的。41 动电电位的起因动电电位是在钻井液柱和地层之间存在压差,钻井液滤液被迫流入地层时出现的。滤液通过以下地层流动,就产生动电电位:1)渗透层的泥饼;2)正在受到侵入的渗透性地层;3)泥岩层。希尔和安德森(1959)研究了通过泥饼的流动电势(图42),而在此几年以前(1951)威利提出了通过泥饼的如下的电势E的关系式:其中y值在0.57到0.900之间。通过泥岩存在的过滤电位已在实验室中由贡多尼和斯卡拉(1958),希尔和安德森(1959)得到了验证(图43)。安德森等发表
3、的现场资料也证实了泥岩动电电位的存在。贡多尼和斯卡拉给出了泥岩的电动势:其中的K2=-0.018(Rmf)1/3。流动电位的大小取决于几个因素:1) 过介质的压差p;2) 移动滤液的有效电阻率Rmf;3) 滤液的介电常数D14) 仄塔电位。5) 滤液粘度。 因为泥饼的渗透率很低(10-210-4毫达西),所以钻井液柱和地层之间的压差大部分都降落在泥饼处。通过地层的剩余压差是很小的。所以,渗透性地层中的全部动电电位通常实际上就是泥饼部分的动电电位。不过,在泥岩部分也要产生同极性的动电电位(在井筒一侧(高压区)为负,在地层一侧(低压区)为正)。因为在渗透层处测出的SP偏转是相对于泥岩基线的,所以动
4、电电位对SP信号的贡献就是泥饼的Ekmc和泥岩的Eksh之差。在大部分情况下,都不显著地出现剩余动电电位,因为1)在枯竭地层,流体压力小于原始压力,而泥岩中的压力仍然非常接近于原始值。所以两种电动电位就不再处于平衡状态了。 2)特殊钻井液。据报道,某些钻井液系统性地产生一些剩余流动电位(希尔和安德森,1959;贡多尼等,1962)。3)重钻井液。它们产生比通常见到的更大的压差(贡多尼等,1962;奥尔索斯,1967)。4)低渗透地层。当地层的渗透率很低时(k5毫达西),泥饼根本不会很快地形成,钻井液与岩石直接接触。所以,全部的压差都加到地层上。如果钻井液滤液为淡水,流体向地层内的移动(缓慢的移
5、动)能够造成几十毫伏的负SP。如果孔隙压力大于钻井液压力,相当于地层流体向外流出,则动电电位为正值。当固体(岩石成分)与溶液(孔隙流体)直接接触时,在交界面处就形成电位。这种电位的起因是:1) 从溶液中优先吸附特定的离子到固体表面。2) 固体表面分子的离子化;例如,泥岩中轻的正离子(Na+,K+,H+,)的趋势是进入溶液,把负电荷留在泥岩的片晶体上。3) 固体晶格本身可能有电荷。在泥岩中,由手Mg2+替代A13+,或者由于晶格的不完整(缺失一个原子)而形成负电荷。 最终形成的电极性取决于固体性质。对于砂岩和石灰岩,固体表面呈负极性;泥岩表面呈强的负极性。 在固体上的电荷被相邻溶液中聚集起来的相
6、等数量的反符号电荷所补偿。固体上的负电荷把正离子从溶液中吸引到它的表面上来(图44)。头几个分子层可以组成个“固定层”,从流体力学上讲为不可动层。在离开表面稍远一些的地方是“扩散层”,在其内也有多余的正离子,不过层内液体是可移动的。其后就是液体呈电中性的体积溶液了。 由交界面到液体的电位剖面示于图44,取呈中性的体积液体的电位为零。 “扩散层”内边缘的电位被称为仄塔电位。因为孔隙壁那里的离子密度较大,所以虽然该处的离子迁移率可能较小,但是其液体仍比孔隙内体积液体导电性强。孔隙导电性比根据体积液体导电率预测的有所增大的现象被定义为表面导电性。它被认为是相对独立于孔隙水导电率的。图45示出在圆柱孔
7、隙中流动电位是如何产生的。对孔隙施加的压差使流体流过孔隙。液体也流过扩散层,带走该层的多余正离子。这种电荷的移动使整个孔隙长度范围内产生电位。该电位引起通过孔隙返回的电流流动,以及通过孔隙中液体产生电位降。林奇(Lynch)在1962年提出了这样的关系式:(4-3)式中 前述的仄塔电位;D水的介电常数;p压差;Rw水的电阻率;水的粘度;图46给出一个在低渗透地层处出现的流动电势的实例。一般情况下,泥饼的动电电位被泥岩的动电电位所补偿。所以,流动电位可以被忽略掉,认为测出的自然电位仅与电化学电位有关。但是,为了计算电阻率,在解释自然电位偏转之前,必须辨认流动电位。现将辨认流动电位的几个特点简述如
8、下:SP数值异常地大,导致不正确的低RW值(与RWQ或已知的Rw值相比)。SP偏转常常随深度迅速变化,形成尖顶型曲线。低渗透性地层的泥饼厚度减小或者没有泥饼(参看井径测量)。钻井液很淡,地层水为淡水或微咸水。 地层相当纯,而泥质含量大大减小了流动电位(参看自然伽马或自然伽马能谱测井)。必须有一定的孔隙度(参看孔隙度测井密度、中子、声波)。 存在有大的压差(查看钻井液密度)。 在这些情况下,应使用其它方法估算Rw 42 电化学电位的起因电化学电位Ec是下述两种电位之和。421薄膜电位当两种不同离子浓度的电解质被泥岩分开就产生电 动势(图47和图49)。泥岩中的粘土是由原子Al、si、o等构成的品
9、格组成的。O-2一离子占居最外沿位置,在晶格上有负的净电荷。结果,可以通过泥岩,Na+离子就从溶液中被吸引过来,而Cr离子被排斥。这样以来,Na+离子在两种溶液中从浓度高处向浓度低处迁移。在泥岩两侧引起的离子不平衡形成电动势一薄膜电位Em:(4-4)式中 K3 = 2.3RT/F(4-5)(2.3是用于自然对数与以十为底对数的转换);R理想气体常数8.314J/(K.mol);T绝对温度(开尔文);F法拉弟常数(96489C/mol);aw地层水的离子活性;amf钻井液滤液的离子活性;K3在摄氏25度时为59.1毫伏。由于离子扩散的实际速率非常小(几毫安的电流),而电解质的体积非常大,因此对所
10、有的意向和目的来说,Em被认为是不随时间变化。 注意:在钻井液滤液和钻井液之间的泥饼上也有小的薄膜电位产生。这实际上是可以忽略的;22液体的结或扩散电位 422 液体的结或扩散电位 这是在侵入带中钻井液滤液与地层原生水接触处形成的电动势(图48和图49)。Na+和cl-离子具有不同的迁移率,因此在两种电解质之间离子扩散的速率是不相同的。因为Na+离子的尺寸和与水分子的亲合力较大,所以它的迁移能力较差。结果,在较淡溶液一方就聚集了cl-离子,而在较咸一方聚集了Na+离子。这种不平衡形成了电动势Ej,表示为:(4-6)在摄氏25度条件下,系数K4为11.6毫伏。它近似地表示为:(4-7)式中 v
11、Cl 的迁移率(6710-5cm2/sV); u Na的迁移率(45.610-5cm2/sV)。4.2.3 电化学电位(Ec)这是薄膜电位与液体的结电位之和:(4-8)式中 (T华氏度),泥岩处的Ec可以定义为零。43 离子活度、浓度和电阻率离子活度取决于阳离子的价数。地层水通常主要是钠、钙或镁盐的溶液。这种溶液的活度是:(4-9)图410中的图版可用于根据浓度确定活性。在图411,溶液电阻率被看作离子活性的函数。注意,在总矿化度小于80104百万分之一以下时,它与活性成反比,故:(4-10)在矿化度较高时(或更确切地说,在活性较高的情况下,如由二价离子形成的),关系就要:更复杂一些。我们利用
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第四章 自然电位 第四 自然 电位
链接地址:https://www.31doc.com/p-2748101.html