CN1136636A - 激发极化和自然电位组合测井仪及解释方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够在石油地质勘探和开发中同时定量求解地层阳离子交换量Qv和动态地层水电阻率Rw的测井仪器和方法(测井系统)，它是由井下仪器(Ag-AgCl)电极系、地面自动控制测量仪，和与之配套的解释方法、模型、图版构成，用于矿化度小于3万ppm的油田和地区。

Description

激发极化和自然电位组合测井仪及解释方法

本发明涉及一种改进的激发极化和自然电位组合测井仪器及其解释方法。特别是一种能够在石油地质勘探和开发测井中同时定量求解地层阳离子交换量Qv和动态地层水电阻率Rw的仪器和方法。

在石油开发中，油层特别是泥质砂岩油层，经长时间注水开发后，油层的物理状况和各项参数都发生了变化，要求解水淹后的泥质砂岩油层的剩余油饱和度，其技术难题在于准确求解水淹后的地层水电阻率Rw和校正粘土对于地层电阻率的影响。

经国际联网中心工作站科技项目咨询及查新报告的证明：通过手工检索和机器检索，共获得14篇相关文献。其中文献[1]描述在淡水泥浆中自然电位测井的校正方法；[2]为泥质砂岩中的激发极化测井，介绍粘土平衡离子对激发极化的影响；[3]介绍激发极化的理论，解释激发极化的动态响应；[4]通过实例分析用自然电位计算矿化度时，高矿化度和温度异常的原因；[5]评价原状地层电阻率--自然电位交绘图的优点和局限性；[6]讨论自然电位和电阻率测井现场确定沉积岩有效阳离子交换量剖面，并将该方法用于地热储集层；[7]介绍包括自然电位测井法在内的多种方法，用于评价天然裂缝储集层；[8]是泥质砂岩储集层中含水饱和度与可动油气体积的预测方法，水饱和度；[9]是通过自然电位测井确定地层边界(苏联专利)；[10]利用时间推移测井，自然电位测井法确定注入蒸汽剖面(美国专利)；[11]用激发极化测井法确定泥质含量和含油饱和度(美国等多国专利)；[12]介绍一种自然电位测井方法(美国专利)。

由此可见，目前在国外，只有美国研制出一种实验性的激发极化测井仪器，从检索出来的14篇相关文献来看，还未发现有关同时定量求解阳离交换量，动态地层水电阻率和剩余油饱和度测井方法和仪器方面的文献。

本项发明的目的是要提供一种改进的激发极化和自然电位组合测井仪及解释方法，它能有效地定量求解地层阳离子交换量和动态地层水电阻率，从而能更准确地确定勘探井含油饱和度及水淹层剩余油饱和度。

本项发明是以如下方式完成的：首先由地面恒流源通过自动控制测量面板给井下供电电极供电，使地层产生极化场，然后断电，极化场随时间逐渐衰减。测量电极(Ag-AgCl电极)通过测量控制面板在预定时间将供电时的一次电位和断电后的极化电位(二次电位)瞬时信号送到测量放大面板，经放大后送至CPU单板机进行处理并分离滤波，输出电阻率、极化率、极化电位和自然电位测井曲线，再利用极化率和自然电位解释模型处理这些测井曲线，便可得到所需的地层水电阻率Rw和地层阳离子交换量Qv。本发明主要是由地面仪器、井下仪器和与之配套的解释方法和软件构成。

关键技术：

1.岩石激发极化和自然电位自动控制测量方式及指数规律采样和程序处理技术。

本套发明装置可在不破坏岩石原始结构的状态下测量其阳离子交换量，用来研究岩石极化率和自然电位与Qv和Rw之间的关系。

本发明装置包括如下几个部分：(1)岩芯室装置及压力系统；(2)泵循环系统；(3)自动控制测量面板；(4)386计算机及A/D、D/A卡和打印机；(5)控制测量处理软件；(6)装置自校刻度配件。

利用此套装置可不破碎岩芯，用较小的岩样，通过测量岩石的自然电位值(俗称薄膜电位)来确定阳离子交换量。

粘土矿物的影响表现在两个方面：粘土的几何形态可能会影响电流的传导特性，粘土矿物通过离子交换作用具有传导电流的能力。本装置测量得到的Qv值是能参与流动的那些粘土平衡离子，而不包括由于破碎样品而释放出的平衡离子，此值是用于Waxman-Smits方程中的最佳数值，用此装置和测量方法可提供样品各向异性和同类样品有代表性的Qv值。

本套装置在测量岩石的极化电位时，控制采样程序设计为按指数规律采样，因极化电位在刚断电瞬间衰减很快，其后逐渐缓慢。按指数规律采样，既反应了岩石的衰减特征，又节省内存，有利于数据分析处理。ΔU₂(t)的采样间隔时间为：

        t＝xⁿ     n为自然数  n≥9，               (1)

        1＜x≤1.2

不同岩样的极化率值[η(t)＝ΔU₂(t)/Up]及其衰减规律均不同，此系统可记录整条衰减曲线。因为记录一条衰减曲线要比观测曲线下的面积或频率效应的读数包含的信息多得多，可为岩性分析提供更有效的依据。此外，还能将这条曲线变换成频率曲线(作付里叶变换)，在频率域进行特征参数关系分析。

利用这套装置可研究岩石极化率和自然电位与Qv和Rw(＝1/Cw)之间的关系，这为理论模型的研究提供了基础实验条件。

2.激发极化和自然电位组合测井仪自动控制测量方式及信号分离技术。

首先给砂泥岩地层施加一恒定外电场，使之产生极化场，亦即产生偶电层形变和局部浓度变化，当外加电场断去后，由于离子的扩散作用，离子浓度梯度将逐渐消失，即二次场逐渐衰减，恢复到原来的状态，即自然电位SP状态。SP的产生是由于岩石两边溶液浓度不相等而形成的扩散--吸附电动势。

从电路上实现整个测量过程是：恒流源通过供电电极A、B向地层发射恒定电流I0，使地层产生极化场，供电时间T可由用户根据需要灵活设置。数据采集为瞬时采样方式，即“离散点采集法”。此时采样板A/D通过自动控制测量面板在预定的时间t1接通测量电极，采样一次电位Up，之后断电，A/D在预定时间t₂，t₃，t₄---采样正向视二次电位ΔU₂+(t)，它包括有极化电位U₂+(t)，也叠加有自然电位SP、即U₂+(t)＝U₂+(t)+SP，然后反向再供电、断电，测得反向视二次电位U₂-(t)，U₂-(t)＝U₂(t)-SP，A/D采样值经CPU现场实时处理后送至D/A输出得：

极化率：η(t)＝ΔU₂(t)/UP                               (2)

极化电位：ΔU₂(t)＝[ΔU₂+(t)+ΔU₂-(t)]/2              (3)

自然电位：SP＝[ΔU₂+(t)-ΔU₂-(t)]/2                    (4)

电阻率：ρ＝KpUp/I₀                              (5)

其中Kp为仪器系数，I₀为激发电流。

根据不同时间的极化率可直观看出衰减速度。由以上响应方程也可看出，一次下井同时测正、反向视二次电位，使用正、反向抵消法可消除SP偏移的影响，得到真正的极化电位，但极化电位不仅与岩性有关，还与外加电场的大小有关，由ΔU₂(t)/Up得到的极化率则基本与外加电场的大小无关，仅与岩性参数相关联，同理，使用此法还可获取得消除了极化电位影响的自然电位。

本发明装置测量的极化率等参数都是离散瞬时值，采样时间＜1ms，采样的密集程度可根据需要随意选择。对于以ms级衰减的极化电位来说，其充电法只能测量到人工电位的平均值，其范围影响因素太多而不能直接与Qv和Rw(Rw＝1/Cw)建立关系。本装置的高速瞬时采样方式保留了有用信号的高频成份，使测量值反应了地层的真实极化情况，且十分有利于定量计算。此外，本装置由于采取了自动控制延时采样方式，有效地避开了刚断电瞬间趋肤效应的影响。最终得到的极化率不仅消除了自然电位基线偏移和趋肤效应的影响，且与外加电场的大小无关(将电流密度控制在线性范围内)，从而极化率和自然电位都可直接与Qv和Rw建立关系，用两个响应方程求解两个未知量，可使Qv和Rw得到唯一的完解。

在测井过程中，正、反向一次电位和二次电位的采集都需要高速跟随采样，因这些有用信号不仅含有低频成份，也含有高频成份。但采样的频带范围宽也将造成有一些工业噪声干扰和大地电流等低频干扰成份在前级采样中不能有效滤除，本发明系统独特的“信号分离滤波法”有效地解决了高速采样与滤波之间的矛盾，在测井过程中，前级电路不断地供电，断电采样一次电位和二次电位，经单板机现场实时处理，不断地输出电阻率、自然电位、极化电位和不同时间的极化率，这些输出信号因地层是连续的因而变化相对缓慢，将它们分离用各自独立的低频滤波电路滤除干扰，这样便有效地滤除了工业噪声和大地电流的干扰。

3.井下Ag-AgCl可逆电极系的制作技术。

普通测井用的测量电极是铅电极，其表面氧化层极不稳定，很难达到平衡状态，铅电极在信号测量过程中，电极亦容易被极化，产生电极极化电位，给测量带来误差。

本发明的Ag-AgCl可逆电极系作为测量电极测井有效地避免了上述问题的发生。

Ag-AgCl电极属于第二类可逆电极，其反应式为：

                               (6)

根据Nermst公式的一般形式，Ag-AgCl电极的电位可表示为： $E=E_{\mathrm{AgCl}/A_K}^0-\frac{\mathrm{RT}}{F}\ln {\mathrm{\α}}_{C{l}^{-}}-------\left(7\right)$

式中E为电极电位，E⁰为标准电极电位，R为气体常数，F为Faraday常数，T为绝对温度，a表示离子活度。

由上式可见，Ag-AgCl电极的电位决定于Cl^-离子的活度，就是说这种电极对Cl^-离子为可逆的氯电极。当温度不变时，一旦电极在某一浓度的溶液中达到平衡状态，则其电极电位值始终保持其平衡电极电位，经长时间使用或放置不变。本成果发明的电极其电极电位的变化范围小于±1.0毫伏。

电极的平衡速度即电极反应速度或灵敏度的高低，是电极性能中的一项重要指标。电极反应速度的快慢也是电极极化程度的一个标志。反应速度越快，则电极越不易被极化。反之则说明电极易极化。本装置的Ag-AgCl可逆电极，因使其表面积大大增加，反应速度可达4.0V/ms。

如表(一)为Ag-AgCl可逆电极的一次平衡速度实验的记录。将一对制配优良的Ag-AgCl电极置于KCl溶液中，做平衡速度实验，从结果可看出，当去掉外加电场后第一毫秒时刻，电极电位已恢复到平衡电极电位(测量误差在±1.0mV之内)。表中V₀是二支Ag-AgCl可逆电极在平衡状态下的电极电位差值，V₁为外加电场时电极两端的电位差，V₂是去掉外加电场后测得的电极电位差值。

                        表(一)：平衡速度实验表DATA∷1993 9 26    C0∷01718(mol)E₁：Ag-AgCl   V₀＝0.200(mV)       V₁＝4000(mV)T(ms)          V₂(mV)    T(ms)      V₂(mV)     T(ms)       V₂(mV)

 1            .3          11         -.15       21          -.15

 2            .15         12         .45        22          -.15

 3            -.15        13         .6         23          .6

 4            -.15        14         .6         24          .3

 5            .45         15         .45        25          -.15

 6            .15         16         .6         26          -.15

 7            -.15        17         .3         27          .45

 8            .45         18         -.15       28          .3

 9            .45         19         .6         29          .3

 10           .6          20         .3         30          .6

这套Ag-AgCl电极系由于电极电位稳定、平衡速度快，耐温125℃，耐压80MPa，有效地防止了在测量系统中引入外来的极化作用，使测量信号不含有假的极化电位。

本发明所提供的激发极化和自然电位组合测井仪，可提供反应地层真实情况的电阻率、极化率、极化电位、自然电位和衰减率五条测井曲线，测井资料可用于定量解释，为Qv和Rw的定量求解提供了可靠的依据。

4.激发极化电场理论计算的方法及环境校正图版的程序处理技术。

激发极化测井供电电极在充电过程中发出的是稳定电流，在每一个电阻率等于常数的区域内部的任一点，电位函数u＝u(x，y，z)均满足拟调和方程 $\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂u}{{\∂}_x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂u}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂u}{\∂z}\right)=0----\left(8\right)$

其中：

在轴对称及柱坐标条件下，方程(8)可简化为 $\frac{\∂}{\∂r}\left(\frac{r}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂u}{\∂r}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{r}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂u}{\∂z}\right)=0-------\left(9\right)$ 在不同区域的交界面上，应满足交界面条件

u^-＝u⁺                          (10) $\frac{1}{\mathrm{\ρ}-}{\left(\frac{\∂u}{\∂n}\right)}_{-}=\frac{1}{\mathrm{\ρ}+}{\left(\frac{\∂u}{\∂n}\right)}_{+}-----\left(11\right)$ 参考电极所在的“无穷远”处满足第一类边界条件

u＝0                            (12)电极系绝缘表面及地层对称面满足第二类边界条件 $\frac{\∂u}{\∂n}=0-----\left(13\right)$ 在供电电极表面满足如下的等位面边界条件

U＝U_A                           (14) ${\∫}_{A/Z}\frac{r}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂u}{\∂n}d8=\frac{1}{4\mathrm{\π}}------\left(15\right)$ 而在测量电极表面则满足

U＝U_B                           (16) ${\∫}_M\frac{r}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂u}{\∂n}d8=0------\left(17\right)$

由变分原理知，若u＝u(r，z)是定解问题(9)～(17)方程的连续且适当光滑的解，则在函数集合X中u＝u(r，z)使泛函 $\mathrm{\φ}\left(u\right)=\frac{1}{2}\∫\∫\mathrm{\Ω}\frac{r}{\mathrm{\ρ}}[{\left(\frac{\∂u}{\∂r}\right)}^2+{\left(\frac{\∂u}{\∂z}\right)}^z]\mathrm{drdz}-I_A\·u|{\mathrm{\Γ}}_A---\left(18\right)$ 达最小值；反之，在函数集合X中使泛函(18)达最小值的函数u＝u(r，z)一定是定解问题(9)～(17)的解。

在上述变分原理的基础上进行离散化处理，就可以得到有限元素法的计算格式，再进行必要的等位面处理，则得到一个具有对称正定系数阵的线性代数方程组 $K\stackrel{\≈}{\mathrm{\σ}}=\stackrel{\≈}{P}--------\left(19\right)$

利用消元法或三角分解法可得到电位函数u(r，z)，并进而得到测量电极的电位Um。

由一系列的电阻率组合，计算出相应的Ra，ηa，则可作出视电阻率及视极化率的井眼、围岩等校正图版。

5.极化率和自然电位与Qv和Rw的理论模型及程序处理技术。

5.1自然电位解释模型

岩样实验测得的薄膜电位，在导电金属含量可忽略的情况下应由岩样内外溶液离子浓度形成的扩散电位Ec和偶电层形成的吸附电位Ez组成，即

              E＝Ec+Ez                           (20)

扩散电位和吸附电位的理论表达式为： $\mathrm{Ec}=\frac{\mathrm{RT}}{F}\frac{\mathrm{Va}-\mathrm{Vk}}{\mathrm{Va}+\mathrm{Vk}}\mathrm{Ln}\frac{(\mathrm{Va}+\mathrm{Vk})\sqrt{Q{v}_1^2+4C{o}^2}-(\mathrm{Va}-\mathrm{Vk})\mathrm{Qv}1}{(\mathrm{Va}+\mathrm{Vk})\sqrt{Q{v}_2^2}+4{\mathrm{Cm}}^2-(\mathrm{Va}-\mathrm{Vk})\mathrm{Qv}2}------\left(21\right)$

Ez＝Φo-Φm                                      (22) $\mathrm{\φo}=\frac{2\mathrm{RT}}{F}\mathrm{Ln}({\mathrm{Qv}}_1+\sqrt{Q{v}_1^2+1})------\left(23\right)$ ${\mathrm{Qv}}_1=\frac{\mathrm{Qv}}{\sqrt{\mathrm{Co}}}----{\mathrm{Qv}}_2=\frac{\mathrm{Qv}}{\sqrt{\mathrm{Cm}}}-------\left(25\right)$

式中Va和Vk分别为阴离子和阳离子的迁移速度，Co和Cm为岩样内、外的离子浓度，Qv为岩样测得的阳离子交换量，P和n为待定常数。

应用这套解释模型，井下自然电位的计算公式为SP＝Ec(Co，Cm，Qv)+Ez(Cm，Qv)-Ez(Co，Qv)

+Ez(Co，Qvsh)-Ez(Cm，Qvsh)                       (26)式中Ec(Co，Qv)为井下扩散电位，Ez(Cm，Qv)为地层井壁处吸附电位，Ez(Co，Qv)为地层内吸附电位，Ez(Co，Qvsh)为地层与围岩界面处吸附电位，Ez(Cm，Qvsh)为围岩井壁处吸附电位，Qvsh为泥岩(围岩)阳离子交换量，此外Cm为泥浆滤液离子浓度。将相应的电位表达式代入该式即可计算井下自然电位。

5.2极化率理论解释模型

地层极化后，改变了孔隙中的离子分布，形成离子的局部积累，破坏了偶电层原来的离子分布规律。随时间推移，逐渐恢复到原始离子分布状态。在这个过程中，地层中离子与自由水中离子进行扩散，形成所谓“浓差电位”，偶电层形成所谓“偶电层形变电位”在金属矿物极化可忽略的情况下，极化电位应由浓差电位Uc和偶电层形变电位Uz组成，即极化率为： $\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\ΔUz}}{\mathrm{Up}}=(\mathrm{Uc}+\mathrm{Uz})/\mathrm{Up}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{cc}}+{\mathrm{\η}}_z-----\left(27\right)$ 这两种电位的理论描述应遵循薄膜电位的扩散电位和吸附电位原理，不同之处只是离子浓度不同了。因此，它们的理论表达式应为：浓差电位极化率 $\mathrm{\ηcc}=\frac{\mathrm{RT}}{F}\frac{\mathrm{Va}-\mathrm{Vk}}{\mathrm{Va}+\mathrm{Vk}}\mathrm{Ln}\frac{(\mathrm{Va}+\mathrm{VK})\sqrt{Q{v}_2^2+4C^2}-(\mathrm{Va}-\mathrm{Vk}){\mathrm{Qv}}_2}{(\mathrm{Va}+\mathrm{VK})\sqrt{Q{v}_1^2+4{\mathrm{Co}}^2}-(\mathrm{Va}-\mathrm{Vk}){\mathrm{Qv}}_1}-----\left(28\right)$ 偶电层形变极化率

        ηz＝Ψo-Ψm                         (29) $\mathrm{\Ψo}=\frac{2\mathrm{RT}}{F}\mathrm{Ln}({\mathrm{Qv}}_3+\sqrt{{\mathrm{Qv}}_3^2+1})-----\left(30\right)$ ${\mathrm{Qv}}_2=\frac{\mathrm{Qv}}{\sqrt{C}}-----\left(32\right)$ $C=K1\frac{{\mathrm{Qv}}^m}{{\mathrm{Co}}^L{\mathrm{\φ}}^k}+\mathrm{Co}----\left(33\right)$ 式中C为地层极化后的离子浓度，K1、K、L和m均为待定系数。

5.3极化率统计解释模型

通过实验数据的统计处理，给出了激发极化电位响应关系式：

        η＝A+BC_w+CC_w                        (34)式中：

        η＝ΔU₂/Up                           (35) $A=a_0+a_1\frac{\mathrm{Qv}}{\mathrm{\φ}}+a_2{\left(\frac{\mathrm{Qv}}{\mathrm{\φ}}\right)}^2------\left(36\right)$ $B=a_3+a_4\frac{\mathrm{Qv}}{\mathrm{\φ}}+a_5{\left(\frac{\mathrm{Qv}}{\mathrm{\φ}}\right)}^2----\left(37\right)$ $C=a_6+a_7\frac{\mathrm{Qv}}{\mathrm{\φ}}+a_8{\left(\frac{\mathrm{Qv}}{\mathrm{\φ}}\right)}^2-----\left(38\right)$

a₀～a₈为回归系数。该式在三种不同饱和水离子浓度情况下的计算值ηc与测量值η的相关系数为0.94。

5.4测井资料处理

从上述自然电位和极化率解释模型可看出，这两个模型中有两个共同的未知变量：Co和Qv。联立解这两个模型就可求出这两个变量。但这两个模型中函数较为复杂，不能用解析法直接求解，只能采用数值求解。就是说，采用数值法计算机处理自然电位和极化率曲线即可逐点计算出Co和Qv了。离子浓度Co乘以地层水盐分子量即是地层水矿化度(毫克/升)。 $\mathrm{Rw}=10/\mathrm{\Λt}-------\left(39\right)$ $\mathrm{\Λt}=(\mathrm{\Λt}-\frac{B_1\sqrt{\mathrm{Co}}}{1+\mathrm{Ba}\sqrt{\mathrm{Co}}})(1-\frac{B_2\sqrt{\mathrm{Co}}}{1+\mathrm{Ba}\sqrt{\mathrm{Co}}}F(\mathrm{ka})\frac{\mathrm{Co}}{y}----\left(40\right)$ 式中

为任意温度下氯化钠溶液当量电导，

任意温度下无限稀释溶液的当量电导，F(Ka)＝1+0.14645BaCo+0.0143Ba¹Co，a＝4/y，B、B1、B2和y均为与温度和溶液浓度有关的系数，由实验数据确定。

6.井下仪器的机械设计技术

本发明机械结构之一是激发极化和自然电位组合测井仪，特别是具有通用打捞头、银--氯化银电极系及铅电极的井下测量装置。银--氯化银电极系的特点之一是具有填充聚四氟乙烯材料制作的薄壁过滤罩，该过滤罩可发生离子反应而溶液不会渗漏。该电极系的特点之二为过滤罩内溶液除银棒外不与任何其它金属材料相接触。过滤罩用填充聚四氟乙烯制作，其它另件用聚四氟乙烯或氟橡胶制作。该电极系的特点之三为在过滤罩下端联有液压平衡胶囊，使过滤罩内溶液具有与井液压力相平衡的压力。该电极系特点之四为溶液腔上端装有一根银棒，作为银--氯化银可逆电极，银棒用氟橡胶材料制作的锥形密封塞密封。

本发明机械结构之二是实验室岩石激发极化和自然电位测量装置，该装置主要由带大容量注液室的岩芯测量室、固定液槽、可调液槽、双泵、减速电机等组成。该实验室测量装置的特点之一是在岩芯测量室两端各有一个有较大容量的注液室，该注液室分别与固定液槽、可调液槽相联通。旋转可调液槽下方的手轮，可调节可调液槽液面的高低，即可调节所测岩样两端溶液的压差。该测量装置特点之二是在岩芯测量室两端的注液室中各装有一根银棒，作为银--氯化银可逆电极，银棒用氟橡胶材料制作的锥形密封塞密封。该测量装置特点之三是与溶液接触的岩芯测量室零件均用有机玻璃制作，储液槽也均用有机玻璃制作。该实验室测量装置特点之四是由一个减速电机带动双泵，从两个储液槽中，将浓度不同的两种溶液分别泵给岩芯测量室岩样的两端。溶液回液时，将三通阀打开，岩心测量室内的溶液靠势能自动流回装在底板上的储液槽中。

创新点：

1.岩石激发极化和自然电位自动测量仪

(1)可在不破坏岩石原始结构的状态下测量阳离子交换量。

(2)可用于研究岩石激发极化和自然电位与阳离子交换量及溶液电导率之间的关系。

2.激发极化和自然电位组合测井仪及解释方法

(1)组合测井仪整个测量过程自动控制，采用Ag-AgCl可逆电极作为测量电极，测量电路采用任意瞬时离散点采集法和信号分离滤波法，消除了电阻率、自然电位基线偏移和电动效应对极化率的影响，使测量资料完全可用于Qv和Rw定量解释。

(2)环境校正图版解决了测井资料受井眼和层厚的影响。

(3)极化率和自然电位与Qv和Rw的解释模型可用于定量求解地层阳离子交换量和地层水电阻率，为勘探井含水饱和度和水淹层剩余油饱和度的准确计算开拓了新的途径。

从自然电位和极化率解释模型可看出，这两个模型中有两个共同的未知变量：Co和Qv。联立求解这两个模型就可以求出这两个变量，离子浓度Co乘以地层水盐分子量即是地层水矿化度，之后便可求得地层水电阻率Rw。然后应用Φ、Rw、Qv和电阻率Rt等参数，采用Waxman-Smits解释模型就可以求出地层含水饱和度Sw和含油饱和度So及剩余油饱和度了。

激发极化和自然电位组合测量系统以如下连接方式组成：

井下电极系(供电电极→Ag-AgCl测量电极系)连接到加长电极(带供电回路电极)→再连接到测井电缆→连接到测井仪器车的电缆接线柱上，测井车的供电电极接线柱(接井下供电电缆芯线)连接到IP/SP自动控制测量面板的供电电流输出端，IP/SP自动控制测量面板的供电电流输入端与恒流源相连接。测井车的测量电极接线柱(接井下测量电缆芯线)及地面的测量电极引线与控制测量面板的测量输入端相连接。控制测量面板的多功能测量道输出端连接到A/D模数转换采样板的输入端，A/D板的输出端将信号传送给CPU单板机进行信号分离处理后，其一可直接传送给数控记录系统，其二也可输入到D/A数模转换板，D/A板将输出信号送到控制测量面板进行滤波处理后，再送到测井车的模拟信号记录系统。整个测井过程的供电、断电、采样延时的自动控制由CPU单板机和自动控制测量面板完成。数控记录系统或模拟信号记录系统记录的测井数据到工作站或一般的微型计算机上进行数据处理，利用极化率和自然电位解释模型处理IP/SP测井数据，就可定量求出地层的阳离子交换量和地层水电阻率。

以下将结合附图对发明作进一步的详细描述。

图1为地面自动控制测量面板方框图。

图2激发极化和自然电位组合测井仪整体构造图。

图3为Ag-AgCl可逆电极系结构图。

图4为整个测井仪构造图。

图5为实验室岩石激发极化和自然电位自动测量仪结构图。

图6为薄膜电位理论模型计算值SPc与实验室测量值SP的对比图，其相关分数为0.93，表明理论模型较好地描述了薄膜电位的响应关系。

图7为用测井自然电位理论模型计算的井下自然电位曲线图。从图中曲线变化可看出，自然电位不仅与地层水矿化度有关，阳离子交换量也是一重要影响因素。

图8是用极化率理论模型计算的极化率与岩样测试的极化率对比图，两者基本一致，其相关系数为0.92，表明这套模型表达了地层极化率的主要响应因素，可用于测井资料解释。

图9是实验室测量得到的在不同Qv和K值情况下，极化率η与Co的关系曲线图。

图10是实验室测量得到的在不同Co情况下，极化率η与Qv的关系曲线图。

图11为ηa井眼校正图版，该图版横坐标为Ra^cd/Rm，纵坐标为井眼校正系数ηa^cd/ηa，曲线模数为dh。在制作ηa井眼校正图版时，dh、η及R均取变值。

dh＝20、25、30cm

η＝0.01、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30

Rt/Rm＝5、10、25、50、100

图12为ηa围岩层厚校正图版

在计算ηa围岩层厚校正图版时我们取

dh＝25cm

H＝0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、10m

η＝0.01、0.05、0.1、0.2、0.3

由计算结果经图版简化，便得到图11。

该图版的横坐标为层厚H(m)，纵坐标为校正系数ηa^cdh/ηa^cd，曲线模数为Ra^cdh/Rs。

图13是一口井的处理成果图。图中给出的测井曲线有极化率(N1)、SP、GR、AC和Rt等五条曲线，Qv、Con(矿化度，毫克/升)和地层水电阻率Rw为N1和SP曲线处理的成果曲线，含水饱和度Sw则是应用AC、Rt曲线采用韦克斯曼--史密茨模型处理的。

参照图1，[1]为Ag-AgCl测量电极，[2]为使电路处于正向测量状态的控制电路，[3]为反向测量状态的控制电路，[4]为在测量时间接通测量电路的控制电路，[5]为在非测量时间将测量通道短路的控制电路，[6]为多道增益自动控制测量通道，[7]为前级有源滤波器，[8]为模/数转换数据采集面板，[9]为分频、反向和功放板，输出八道控制信号，[10]为数/模转换板，输出三道基本控制信号及五道分离处理测井信号，[11]为单板机，主要用于发出测井控制命令及现场实时处理测井信号，[12]为供电电极，[13]为正向供电控制电路，[14]为反向供电控制电路，[15]为恒流源面板，[16]为多道有源滤波器，将测井分离信号进行低通滤波处理，[17]为测井仪器记录系统。

参照图2，[18]，[19]和[21]～[23]均为供电电极，[20]为井下Ag-AgCl测量电极，[24]为地面Ag-AgCl测量电极，[25]为测井仪器和装备。

参照图3，银--氯化银电极系主要由过滤罩[46]、压力平衡胶囊[49]、电极密封塞[44]、银--氯化银可逆电极、电极体[42]等另件组成。导线经水密插头[38]引入电极体[42]，与银--氯化银电极银棒焊接，银棒穿过压垫[43]，密封塞[44]，进入过滤罩[46]，过滤罩[46]下端装平衡囊[49]，平衡囊[49]另一端接平衡囊堵头[50]，在堵头[50]上装有加液塞[51]，可从加液塞孔中给过滤罩内加溶液。加液塞用“O”型密封圈与堵头密封。过滤罩外园面上装有联接螺母[47]，当联接螺母的内螺纹与电极体[42]外螺纹联成一体时，联接螺母内孔台阶面推动过滤罩外园台阶面，使过滤罩上“O”型密封圈进入电极体[42]内孔，防止井液从过滤罩上端进入过滤罩内，使过滤罩与电极体联成一体，同时过滤罩上端内锥面挤压密塞[44]的锥面，该锥面具有60°锥角，使密封塞橡胶体内小孔收缩，将银棒挤紧，防止过滤罩内溶液从银棒处漏出，整个过滤罩内形成密闭空腔，充满饱和氯化钾溶液。电极体[42]装在电极体座[41]内孔中，电极体座前端有一块防转盘[40]，防转盘[40]内孔为大于半园的弓形，与电极体[42]不整园柱面台肩相配合，其缺口使防转盘与电极体不能相对转动，在防转盘[40]上装有防转销[55]，防转销[55]进入电极体座端面的销孔中，使防转盘与电极体座也不能相对转动，用螺母[39]将防转盘[50]与电极体[42]压紧，使电极体[42]与电极体座安装成。用螺钉将电极体座[41]及堵头[50]固定在外筒[34]上，将银--氯化银电极系整体固定在外筒[34]内孔中。

在过滤罩内装氯化钾饱和溶液，为避免金属材料离子与溶液发生作用，与氯化钾饱和溶液接触的所有另件均用非金属材料制作。过滤罩[45]用填充氯化钾的聚四氟乙烯制成。电极体、压垫、联接螺母、堵头、加液塞均用聚四氟乙烯制作，平衡胶囊、塞封塞、“O”型密封圈用氟橡胶制作。由于采用聚四氟乙烯作电极系主体材料，其材料强度不能承受井液80MPa压力，需采用压力平衡胶囊，由于平衡囊[49]的作用，使内外压差趋于零，聚四氟乙烯可以作银--氯化银电极系主体材料，由于银--氯化银电极系内溶液中的离子要与井液发生作用，因而要求过滤罩园筒壁厚尽可能薄，过滤罩做成两端壁厚、中间壁薄的园筒形状，薄壁外壁厚仅3毫米。

参照图4，通过打捞头可以实现本仪器单独测量，可以不用测井马笼头，直接与电缆联接，也可以与国产测井马笼头及其它组合仪配接，以满足国内油田各种测量联接方式，测井用电缆钢丝与仪器帽[26]挂接，电缆导线通过仪器帽[26]侧面的槽，进入仪器帽，与水密插头[28]联接，水密插头[28]用“O”形密封圈密封接头[29]上端的水密插头孔，外部有密封套[27]，套[27]内装硅脂，防止泥浆侵入水密插头。接头[29]下端内孔装有28芯下接插件，28芯下接插件与水密插头之间用导线联结。在上接头[33]头部装有28芯上接插件，当接箍[32]将接头[29]与上接头[33]联在一起时，定位销[30]保证28芯插件对接方位正确。“O”形密封圈[31]起密封作用，防止井液漏入上接头[33]。当本仪器要与国产测井马笼头或其它组合仪对接时，可将接头[29]取下，即可用接箍[32]将上接头[33]与国产测井马笼头或其它组合仪相联接。

铅电极环[53]装在外筒[34]上，从外筒[34]内孔引线槽中引入导线，到铅电极环处钻孔，将导线引到外筒外园面上的铅电极环，焊成一体。外筒采用聚酰亚铵制作。

参照图5，地面实验室装置主要由岩芯测量室[56]、固定液槽[57]、可调液槽[58]、泵[59]、储液槽[60]、箱体[61]、电动机[62]、三通阀[63]、香蕉插座[64]等组成。整套测量装置装在箱体[61]中，其中岩芯测量室[56]、固定液槽[57]、可调液槽[58]、三通阀[63]的旋钮、香蕉插头座[64]按装在箱体面板上，将减速电机[62]、泵[59]、储液槽[60]装在箱体内底板上。

启动电机，带动双缸双柱塞泵工作，从底板上的两个储液槽[60]中分别吸取溶液，分别泵岩芯测量室[56]两端的注液室，并通过注液室上端出口流到固定液槽和可调液槽中，固定液槽和可调液槽上端有管接头，分别用橡胶软管联接到底板储液槽[60]中，当固定液槽，可调液槽的液位达到上止点时，多余溶液自动从液槽上端管接头外流回底板储液槽[60]。在泵与岩芯测量室之间装有三通伐，关闭三通伐，可使岩芯测量室及液槽保持溶液高度。打开三通伐，其中一个位置可泵溶液到岩芯测量室，另一个位置使岩芯测量室内的溶液流回储液槽。

岩芯测量室与溶液接触的零件及液槽用有机玻璃制作。被测岩芯装在岩芯测量室中，两端用引流管挤紧，一端引流管不动，另一端引流管可用螺母调节，两件引流管的端部各有一个内部容量较大的注液室，注液室内装有银棒，作为银--氯化银可逆电极。银棒用氟橡胶材料制作的锥形密封塞密封。

参照图6，横坐标SP是通过实验室岩样实验测量得到的薄膜电位值，纵坐标SPc则是应用式(20)～(25)计算的薄膜电位值，实验值与计算值之间的对比相关系数为0.93。

参照图7，SP是利用式(20～(26)计算得到的在不同Qv情况下，SP与Cw的关系曲线。

由图可看出Qv对SP的影响是很大的，若用纯砂岩(Qv＝0)的公式解砂泥岩地层水矿化度误差是相当大的，地层水矿化度越低，Qv对地层电阻率的影响越大。由于我国绝大部分油田地层水矿化度均低于20000毫克/升，当Qv≥0.1时，其影响就不可忽略了。

参照图8，横坐标ηc是应用式(34)～(38)计算的极化率值，纵坐标η是实验室通过岩样实验所测得的极化率值，在三种不同饱和水离子浓度情况下，实验值与计算值之间的对比相关系数为0.94。此外，应用式(27)～(33)计算的极化率值与实验测量值之间的对比相关系数为0.92。

参照图9，η曲线为实验室通过岩样实验测量得到的在不同Qv和渗透率K值的情况下，极化率与Co的关系曲线，从图中曲线变化可以看出，在Co≥10000毫克/升以后，极化率随地层水矿化度的增加而减小，直至矿化度达到30000毫克/升以上，双电层基本被破坏，极化率就变得很小，且对地层水矿化度没有分辨能力了，因此，该方法只能用于地层水扩化度低于30000毫克/升的地区。

参照图10，η曲线为实验室通过岩样实验测量得到的在不同Co情况下，极化率与Qv的关系曲线图，由图可以看出，在Qv＜0.85meq/ml的情况下，极化率与Qv成正比，这是因为只有含一定量粘上才能产生激发极化现象，当Qv＞1.0meq/ml经后极化率与Qv成反比；当Qv＞2.5meq/ml以后，极化率就非常小了，到泥岩情况就接近于零，原因是选择带(薄膜)太多，非选择带几乎不存在了，因而形成激发极化现象的条件被破坏了。利用这一点，可以分区间处理，目的层的Qv值基本小于1meq/ml，干层的Qv值较低，泥岩层的Qv值极低。

参照图11，该图版，横坐标为Ra^cd/Rm，纵坐标为井眼校正系数ηa^cd/ηa，曲线模数为井径dh，dh值不同，其校正系数不同，井径越大，校正系数越高，地层电阻率Ra^cd与泥浆电阻率Rm的比值越大，井眼影响也愈大。

参照图12，该图版的横坐标为层厚H(m)，纵坐标为校正系数ηa^cdh/ηa^cd，曲线模数Ra^cdh/Rs。可以看出，在图版所选参数范围内，校正系数ηa^cdh/ηa^cd与ηa数值无关，而只与H及Ra^cdh/Rs的大小有关。在Ra^cdh/Rs不大的情况下，其围岩层厚影响校正系数也不大，说明ηa曲线也具有较高的纵向分辨率。

参照图13，图中N1为极化率测井曲线，SP为自然电位测井曲线，Con为解释模型处理的地层水矿化度曲线，Rw为处理的地层水电阻率曲线，Qv为解释模型处理的地层阳离子交换量曲线。由图3看出本项发明可逐点给出地层的阳离子交换量和地层水电阻率值，使水淹层剩余油饱和度的评估更趋准确。由于激发极化测井是建立在地层孔隙中离子运移基础上的，只有渗透性地层才能产生极化电位，极化率曲线才有不同程度的幅度变化，对于非渗透性地层，如泥岩层和干层，极化率为极低值和低值，这一特征也可有效地用来划分渗透层，薄泥岩夹层以及水淹层和干层。从测井曲线显示和解释结果可看出，本项发明可有效地划分水淹层位，水淹厚度和水淹级别，可用来更准确地评估探井的含油饱和度以及水淹层的剩余油饱和度。

参数表

So：剩余油饱和度

Sw：含水饱和度

Ct：泥质砂岩地层电导率

F°：纯砂层的地层因素

I°：纯砂层的电阻率指数

m°：纯砂层的胶结系数

n°：纯砂层的饱度度指数

Φ：地层孔隙度

Cw：地层水电导率

Qv：阳离子交换量

B：阳离子交换量的校正系数

SP：自然电位

η(t)：极化率

ΔU₂(t)：极化电位(二次场电位)

Vp：一次场电位

ΔU₂+(t)：正向二次场电位

ΔU₂-(t)：反向二次场电位

ρ：电阻率

Kp：仪器系数

Io：激发电流

t：时间

Rw：地层水电阻率

AgCl：氯化银

e：电荷

Ag：银

Cl^-：氯酸根

E：电极电位，薄膜电位

E°：标准电极电位

E°AgCl/Ag：Ag-AgCl可逆电极的标准电极电位

R：气体常数

F：Faraclay常数T：绝对温度α：离子活度Ec：扩散电位Ez：吸附电位Va：阳离子的迁移速度Vk：阳离子的迁移速度Co：岩样内的离子浓度Cm：岩样外的离子浓度P.N：为待定常数η：极化率Vc：浓差电位Vz：偶电层形变电位ηcc：浓差电位极化率ηz：偶电层形变电位极化率C：地层极化后的离子浓度K1、K、L和m场为待定常数Q₀～Q₈：为回归系数t：任意温度下氯化钠溶液当量电导t：任意温度下无限稀释溶液的当量电导B、B1、B2、Y均为与温度和溶液浓度有关的系数，由实验数据确定Ra：视电阻率ηa：视极化率Rt：目的层电阻率ηt：目的层极化率Rm：泥浆电阻率ηc：极化率解释模型计算值ηm：泥浆极化率dh：井眼直径Rs：围岩电阻率ηs：围岩极化率H：围岩厚度Rxo：冲洗带电阻率ηxo：冲洗带极化率dxo：冲洗宝贵深度(直径)Ra°：等效视电阻率u：电位函数Φ(u)：泛函

r：径向距离Vm：测量电极的电位Ra^cdh：径井眼校正后的视电阻率ηa^cdh：径井眼校正后的视极化率Ra^cd：测量的视电阻率ηa^cd：测量的视极化率N1：极化率曲线GR：自然伽马曲线Con：矿化度曲线

Claims (4)

1.一个由激发极化和自然电位自动控制测量仪，井下测量电极系，和与之配套的测井解释方法、模型、图版，所组成的组合测井仪及解释方法。其特征是：测井信号采用了任意瞬时离散采集和信号分离滤波，井下仪器电极系采用了Ag-AgCl结构。

2.根据权利要求1规定的组合测井仪及解释方法其特征是配套的基础实验图版和环境校正图版，极化率和自然电位解释模型、解释方法。

3.根据权利要求1和2规定的组合测井仪及解释方法其特征是研制了实验室测量装置溶液循环系统，二次电位指数规律采样系统。

4.根据权利要求1规定的组合测井仪及解释方法，其特征是Ag-AgCl电极系采用了过滤罩、压力平衡胶囊、电极密封塞、银-氯化银可逆电极、电极体顺序连接构成。

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