电化学测井理论研究及应用综述

刘欣欣，韩宝富

（长江大学 地球科学学院， 湖北 武汉 430100）



电化学测井理论研究及应用综述

刘欣欣，韩宝富

（长江大学 地球科学学院， 湖北 武汉 430100）

介绍了常用的电化学的研究方法，概括了电位扫描、控制电流/电势、交流阻抗和等效电路等方法的适用条件及特点。针对油气田测井的特点，简述了地层流体类型确定、泥质类型确定、饱和度和渗透率计算的电化学测量理论，并且分析了电化学方法在测井中的应用，分析了电阻率测井、自然电位测井、扫描成像、综合测井这几类测井方法。电化学测井作为一种较为成熟的测量手段，广泛应用在各种环境的资源勘探中，并且不断得到改进发展。

电化学；测井；电阻率；激发极化；自然电位

随着石油工业的不断发展，测井技术日益提高。目前，我国的多数油田已经进入高含水阶段，勘测成本增大、难度提高［1］。提高测井的准确程度，对油层进行综合评价变得尤为重要。

电化学测井方法根据地层中各处岩石不同的电磁学性质进行勘测。主要利用导电性质、导磁性质等。电化学测井方法有着较长的发展历史，经过几十年的发展演变出种类众多的电化学勘探方法，目前在勘探过程中使用广泛、效果良好，根据不同的地质条件使用不同的方法［2］。

1　电化学研究方法

电化学研究方法根据自变量不同可分为控制电流方法和控制电势方法。控制电流方法是在给定电流条件下测量电极电势，电流为自变量、电极电势是因变量。控制电势方法是在给定电极电势条件下测量电流。电极电势为自变量、电流是因变量。两种方法用于测定极化曲线，电流密度与电极电势为单值函数关系时所得的结果完全相同；电流密度对应于多个电极电势而具有多值函数关系时则所得结果大不相同，这时只有采用控制电势方法才能得到完整的极化曲线。

1.1电位扫描

在平面研究电极上所施加的等腰三角形电波时，测量电流与时间的曲线，这种方法叫做三角电势扫描法。其扫描的幅度可大可小，小幅度三角波电势扫描实验一般小于10 mV，主要用于测量电流—时间的关系曲线，来研究双电层充电和电化学动力学参数。

而大幅度三角波电势实验，主要通过测量电势一电流极化曲线研究电极动力学规律，也被称作循环伏安法。循环伏安法不仅能快速观测变化范围内的电极过程，还能够提供丰富的信息。以电流或电势的峰值对扫描速度作图，即可根据图像区分出相应的反应过程和机理［3］。

1.2控制电势

控制电势的暂态研究方法是控制研究电极的电势按指定规律变化，同时测量通过电极的电流随时间的变化关系［4］。控制电位方式主要有电位阶跃法和方波电位法。根据电势的幅度大小小，控制电势暂态方法又分为小幅度电势方法（电势幅度小于10 mV）和大幅度电势方法。

在控制小幅度电势的实验中，电极电势的变化幅度不超过10 mV，一般在5 mV以下，电极过程中许多关系简化为线性关系。将一小幅度电势突然加到研究电极上，测量电流-时间曲线，可得到微分方程：

式中，等效电路中溶液的电阻为R1，电化学反应电阻为Rr，微分电容为Cd。

1.3控制电流

控制电流暂态研究方法是控制通过研究电极的电流按指定规律变化，同时测量其电极电势随时间变化的关系。控制电流的方式主要有电流阶跃法、方波电流法、双脉冲电流法、断电流法和电流换向阶跃法，但最常用的还是电流阶跃法和方波电流法［4］。按照控制电流时产生超电势的大小，控制电流暂态的方法又分为小幅度电流方法（产生的超电势小于10 mV）和大幅度电流方法。

其中电流阶跃法是将小幅度电流突然加到研究电极上，测量测量电势-时间曲线，可得到微分方程：

1.4交流阻抗与等效电路

交流阻抗方法是使电极电势按照正弦波的规律进行变化，同时通过测量电极体系的阻抗值来研究整个电极过程。在此实验中，为了使一些比较复杂的关系简化为线性关系，一般采用比较小的电极电势，一般控制在10 mV以下。此时，整个过程可以用等效电路进行描述。

测量这种等效电路的阻抗变化，得到其阻抗复数平面图，可以求得双电层电容、交换电流密度等动力学参数和研究电极过程动力学规律交流阻抗方法也叫作正弦波交流电方法，实验时讯号频率高、每半周延续时间短、在同一电极上交替出现阳极过程和阴极过程，因而与其他暂态方法一样具有不严重破坏电极表面状态的优点。交流阻抗方法的数学处理方便，其测量电极阻抗的新技术不断涌现，目前已成为一种较重要的电化学研究方法。

采用小幅度交流电研究电极过程时，外加的正弦电压和所引起的正弦电流，两者的振幅成一定比例，两者的相位也相差一定角度［5］。这时，电极过程可以简化为由电阻和电容串并联组成的等效电路来处理。

2　电化学测井原理

2.1地层中的导电离子

我国油气田区域地层水的化学组成较为复杂，但主要的离子构成以K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-这几种为主。在地层刨面上，随着深度的增加，地层的矿化度增加，水型由Na2SO4、NaHCO3逐渐变为MgmCl2、CaCl2型。Cl-浓度升高，而Na+浓度降低。Mg2+的化学性质与Ca2+相似，在天然水中两种离子的含量取决于石灰岩和白云岩的溶解。

以上的反应是可逆的。地层水中各种离子及化合物的总量，通常用总矿化度来表示，油层中的水一般为高矿化度水。

2.2地层流体的确定

地层流体是指地层孔隙中的油、气和水。它对岩石的物理性质有着重要影响，因此可以通过测井响应研究岩石孔隙中的流体类型和含量。

石油和天然气的导电性极差，孔隙流体的导电性主要体现在地层水的导电性上。通常用电阻率Rw来表示地层水的电阻率。它的准确程度直接影响了含油饱和度的计算精度。确定地层电阻率的方法很多，可以分为：①利用自然电位测井资料计算；②分析水样的离子成分后换算；③直接测定地层水样的电阻率换算；④根据相同层系的已知水层值计算。

当为不太浓的NaCl水型时，电阻率与化学活动性成反比，静自然电位（SSP）与泥浆电阻率Rmf地层水电阻率Rw之间的关系为［6］：

式中K为温度的函数。当NaCl溶液浓度比较高时，采取等效的泥浆滤液电阻率Rmfe和等效地层水电阻率Rwes，上式改写为［7］：

2.3地层泥质的确定

泥质是颗粒直径小于0.01 mm的碎屑物质。它由粘土矿物和杂质混合而成。杂质的主要成分是粉砂质，此外还可能有灰质、石膏等。

利用测井资料可以估计泥质的含量。几乎所有的测井曲线都包含有泥质的信息，但是每一种方法都有一定的试用条件。在自然电位法中泥质对测井读数的影响取决于泥质的含量和性质，以及压实程度。 泥质沙石地层的自然电位幅度变化和泥质含量有以下关系：

式中△Vspsh△Vspsd是纯泥岩的自然电位值；K1是系数。这三个参数可以按照统计的方法求出。通常可以用下面的简单关系式根据自然电位估计泥质含量：

式中△Vpsp为假静自然电位；△Vssp为静自然电位值。

2.4饱和度的确定

地层的含油气性定量的描述了岩层的利用性能。通常情况下，含油饱和度与含水饱和度是互补的关系。因此，只要确定了含水饱和度就可推导出含油饱和度。

电化学方法测量含水饱和度主要有电阻率测井、介电常数测井。当地层含有泥质时，由于泥质对于岩石的电阻率影响，使得含油饱和度和电阻率的关系变得非常复杂。含水泥质砂岩的电导率可以表示为：

Cw为地层水电阻率，Cex表示泥质引起的附加电阻率。随着泥质数量、分布形式和成分不同，有多种模型。如双水模型，三孔隙水模型等。

2.5渗透率的确定

渗透率是地层流体产出难易程度的直接指标。目前，其确定方法主要是根据渗透率与其他因素之间的统计规律［8］。渗透率的大小取决于地层中颗粒物的尺寸和孔径，当其越小时，由于毛细作用，对水的束缚作用越大。

在油含量高的地层中，束缚在孔隙中的水含量决定了电阻率，可直接根据地层的电阻率推算油层的渗透率。

在水含量高的地层中，随着含水饱和度 Sw逐步减小，地层的电阻率增加。地层中的电阻率是一个变化的过程，由自由水处的最小值 R0增加到高油地层电阻最大值Rt。在假设这个变化规律是线性的前提下，可以根据电阻率的变化量估算出渗透率的大小。如下式所示：；C为常数，一般约为20左右；△R为电阻率变化值；△D为对应△R的深度变化；R0为 100%含水地层的电阻率；ρw为地层水；ρh为烃的密度。

3　电化学测井应用

3.1电阻率测井

地层水中所含有的离子种类、浓度和环境温度决定了电阻率的大小。通常，地层电阻率的测量方法有两种，传导电流法和感应法，分别使用直流电和交流电。深、浅电阻率测井主要反映地层电阻率的大小。随着流体含量和黏土类型的不同，电阻率有不同差异。存在于岩石孔隙中的地层水是影响电阻率的主要因素。一般情况下，地层水电阻率 Rw与矿化度Cw、地层环境温度T之间的关系如下［9］：

3.2激发极化测井

粘土矿物的表面常常固定着一些负电离子，这会吸引溶液中的正电离子，从而在粘土的表面形成了一层阳离子，这层吸附的阳离子由于较强的静电作用不能自由移动，形成了吸附层。而其外的阳离子可以自由移动是扩散层。这样就形成了平衡的双电层结构（图1）。

从这类事件的操作套路来看，这些大搞“培训贷”的公司成功把握了求职大学生的心理。他们许以不菲薪酬和含糊的就业前景，让大学生觉得参加培训很值得，甚至产生“参加培训等于录用”的错觉。在当下的求职形势之下，许多大学生都有一个观念——要想找个好工作，似乎难免要付出什么。在巨大的就业压力下，学生难免就范。如果不是涉事企业资金链断裂，这些大学生可能到今天都不会发现自己上当受骗。

图1　粘土颗粒表面双电子层Fig.1 Electric double layer of clay particles

激发极化效应是在整个体系上添加外加电场，使得介质中离子的平衡位置稍微偏移，改变外加电场，会产生滞后的电压变化，记录此变化则可对比推算出井下物质性质。

利用激发极化测井一般含有四个电极，其中两个供电电极向待测岩层中释放稳定的电流，两个测量电极，测量收集到的电位信号。两个信号之间会出现电位差ΔU（t），随着时间的增加此电位差会逐渐饱和。当关闭供电电极后，电位差ΔU（t）会经历衰减，并稳定在一个数值。

激发电位差，又称为一次场，用ΔU1（t）表示；极化场电位差，又称为二次场，用ΔU2（t）表示，利用ΔU2（t）的变化规律可以研究推导出岩层的特性。在两者的共同作用下，ΔU（t）表示为：

为了使得观测信号更为稳定，在测量的过程中使用占空比为1∶1的正负向脉冲电流，测量电位差。此时极化率与两次正负向电位差之间的关系为：

3.3自然电位测井

当两种不同浓度或离子的溶液相接触时，会在其表面由于浓差等因素产生离子的扩散以及吸附行为，形成的电动势为自然电位。

对于待测岩层等进行取样，在实验室条件下测量其自然极化数据，由此可以得到一系列的时间/自然电位值，并作图得到自然电位曲线。利用此曲线可以推导出所在地层的渗透率等数据。

自然电位测井通常还与可与电阻率测井并行进行，采用双电极，一端置于地面，一端随测井仪向井下运动，测量自然电位的变化规律，绘制曲线。

3.4电化学方法扫描成像

微电阻率扫描成像测井技术（FMI），最早由斯伦贝谢公司开发研制［10］，测量原理是利用阵列电极结构，由极板中部阵列电极发射交变电流，由仪器上部的回路信号采集信息［11］。将采集到的信息绘图。

阵列感应成像测井技术（AIT），其利用的是电磁感应原理。通过发射线圈上的交流电在岩层周围产生变化的磁场，使周围介质产生感应电流。感应电流的大小正比于磁场强度和介质的电导率。因此，通过感应电流的大小，可以推算出岩层的电导率。从而做出电导率图像。

方位电阻率成像测井技术（ARI），最早由斯伦贝谢公司开发［10［12］。如下图所示，方位电阻率成像仪的方位电极可安装在常规的双侧向测井仪A2电极的中间，成阵列排布。

3.5组合测井

以上测井方法虽然原理和适用范围不同，但是测量方法的思想是想通的，都是在待测岩层中施加一个稳定的电场，地层中的各种带电离子在电场的作用下发生定向移动，并趋于稳定；当电场突然消失后离子扩散，直至恢复原始状态。通过电极测量上述过程。

在测试过程中可以利用数字信号处理技术，将多种测试方法相结合，利用不同的测试电极测得不同的参数。还可以将电化学测井与光电谱化学、中子测井、伽马测井、核磁测井等相结合，实现多角度组合测井（图2）［13］。

4　结束语

电化学方法测井从诞生至今，已在全频域的各个频段建立了相应的电测井方法。包括普通电位、梯度测井、侧向测井及其他电流聚焦测井等。近年来随着测井技术的发展，各种新型的测井方法层出不穷，然而作为最早应用的测井技术之一的电法测井，因其广泛的理论基础和实测验证，在测井过程中发挥着不可替代的作用。当前，利用多种测井方法相结合，构建出多种测井模型，大大提高了测井的准确度。

图2　方位电阻率成像仪电极示意图Fig.2 Azimuthal resistivity imager electrode schematic

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Research and Application of Electrochemical Logging Theory

LIU Xin-xin, HAN Bao-fu
（Yangtze University， Hubei Wuhan 430100，China）

Common electrochemical research methods were introduced. Application conditions and characteristics of the potential sweep method， control current/potential method， AC impedance method and equivalent circuit method were summarized. Based on oil and gas well logging features， the theory of electrochemical measurement for formation fluid type determination， clay type determination， saturation and permeability calculation was introduced. And application of electrochemical methods in logging was analyzed. Several logging methods were discussed， such as the resistivity logging， spontaneous potential logging， scanning and imaging， integrated logging.

electrochemistry； logging； resistivity； induced polarization； spontaneous potential

刘欣欣（1991-），女，河北廊坊人，在读硕士研究生，研究方向：测井解释。E-mail：lxxcjdx@126.com。

TE 357

A

1671-0460（2016）05-0995-04

2016-04-06