電化學測井理論研究及應用綜述

劉欣欣，韓寶富

（長江大學 地球科學學院， 湖北 武漢 430100）

?

電化學測井理論研究及應用綜述

劉欣欣，韓寶富

（長江大學 地球科學學院， 湖北 武漢 430100）

介紹了常用的電化學的研究方法，概括了電位掃描、控制電流/電勢、交流阻抗和等效電路等方法的適用條件及特點。針對油氣田測井的特點，簡述了地層流體類型確定、泥質類型確定、飽和度和滲透率計算的電化學測量理論，并且分析了電化學方法在測井中的應用，分析了電阻率測井、自然電位測井、掃描成像、綜合測井這幾類測井方法。電化學測井作為一種較為成熟的測量手段，廣泛應用在各種環境的資源勘探中，并且不斷得到改進發展。

電化學；測井；電阻率；激發極化；自然電位

隨著石油工業的不斷發展，測井技術日益提高。目前，我國的多數油田已經進入高含水階段，勘測成本增大、難度提高［1］。提高測井的準確程度，對油層進行綜合評價變得尤為重要。

電化學測井方法根據地層中各處巖石不同的電磁學性質進行勘測。主要利用導電性質、導磁性質等。電化學測井方法有著較長的發展歷史，經過幾十年的發展演變出種類眾多的電化學勘探方法，目前在勘探過程中使用廣泛、效果良好，根據不同的地質條件使用不同的方法［2］。

1　電化學研究方法

電化學研究方法根據自變量不同可分為控制電流方法和控制電勢方法。控制電流方法是在給定電流條件下測量電極電勢，電流為自變量、電極電勢是因變量。控制電勢方法是在給定電極電勢條件下測量電流。電極電勢為自變量、電流是因變量。兩種方法用于測定極化曲線，電流密度與電極電勢為單值函數關系時所得的結果完全相同；電流密度對應于多個電極電勢而具有多值函數關系時則所得結果大不相同，這時只有采用控制電勢方法才能得到完整的極化曲線。

1.1電位掃描

在平面研究電極上所施加的等腰三角形電波時，測量電流與時間的曲線，這種方法叫做三角電勢掃描法。其掃描的幅度可大可小，小幅度三角波電勢掃描實驗一般小于10 mV，主要用于測量電流—時間的關系曲線，來研究雙電層充電和電化學動力學參數。

而大幅度三角波電勢實驗，主要通過測量電勢一電流極化曲線研究電極動力學規律，也被稱作循環伏安法。循環伏安法不僅能快速觀測變化范圍內的電極過程，還能夠提供豐富的信息。以電流或電勢的峰值對掃描速度作圖，即可根據圖像區分出相應的反應過程和機理［3］。

1.2控制電勢

控制電勢的暫態研究方法是控制研究電極的電勢按指定規律變化，同時測量通過電極的電流隨時間的變化關系［4］。控制電位方式主要有電位階躍法和方波電位法。根據電勢的幅度大小小，控制電勢暫態方法又分為小幅度電勢方法（電勢幅度小于10 mV）和大幅度電勢方法。

在控制小幅度電勢的實驗中，電極電勢的變化幅度不超過10 mV，一般在5 mV以下，電極過程中許多關系簡化為線性關系。將一小幅度電勢突然加到研究電極上，測量電流-時間曲線，可得到微分方程：

式中，等效電路中溶液的電阻為R1，電化學反應電阻為Rr，微分電容為Cd。

1.3控制電流

控制電流暫態研究方法是控制通過研究電極的電流按指定規律變化，同時測量其電極電勢隨時間變化的關系。控制電流的方式主要有電流階躍法、方波電流法、雙脈沖電流法、斷電流法和電流換向階躍法，但最常用的還是電流階躍法和方波電流法［4］。按照控制電流時產生超電勢的大小，控制電流暫態的方法又分為小幅度電流方法（產生的超電勢小于10 mV）和大幅度電流方法。

其中電流階躍法是將小幅度電流突然加到研究電極上，測量測量電勢-時間曲線，可得到微分方程：

1.4交流阻抗與等效電路

交流阻抗方法是使電極電勢按照正弦波的規律進行變化，同時通過測量電極體系的阻抗值來研究整個電極過程。在此實驗中，為了使一些比較復雜的關系簡化為線性關系，一般采用比較小的電極電勢，一般控制在10 mV以下。此時，整個過程可以用等效電路進行描述。

測量這種等效電路的阻抗變化，得到其阻抗復數平面圖，可以求得雙電層電容、交換電流密度等動力學參數和研究電極過程動力學規律交流阻抗方法也叫作正弦波交流電方法，實驗時訊號頻率高、每半周延續時間短、在同一電極上交替出現陽極過程和陰極過程，因而與其他暫態方法一樣具有不嚴重破壞電極表面狀態的優點。交流阻抗方法的數學處理方便，其測量電極阻抗的新技術不斷涌現，目前已成為一種較重要的電化學研究方法。

采用小幅度交流電研究電極過程時，外加的正弦電壓和所引起的正弦電流，兩者的振幅成一定比例，兩者的相位也相差一定角度［5］。這時，電極過程可以簡化為由電阻和電容串并聯組成的等效電路來處理。

2　電化學測井原理

2.1地層中的導電離子

我國油氣田區域地層水的化學組成較為復雜，但主要的離子構成以K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-這幾種為主。在地層刨面上，隨著深度的增加，地層的礦化度增加，水型由Na2SO4、NaHCO3逐漸變為MgmCl2、CaCl2型。Cl-濃度升高，而Na+濃度降低。Mg2+的化學性質與Ca2+相似，在天然水中兩種離子的含量取決于石灰巖和白云巖的溶解。

以上的反應是可逆的。地層水中各種離子及化合物的總量，通常用總礦化度來表示，油層中的水一般為高礦化度水。

2.2地層流體的確定

地層流體是指地層孔隙中的油、氣和水。它對巖石的物理性質有著重要影響，因此可以通過測井響應研究巖石孔隙中的流體類型和含量。

石油和天然氣的導電性極差，孔隙流體的導電性主要體現在地層水的導電性上。通常用電阻率Rw來表示地層水的電阻率。它的準確程度直接影響了含油飽和度的計算精度。確定地層電阻率的方法很多，可以分為：①利用自然電位測井資料計算；②分析水樣的離子成分后換算；③直接測定地層水樣的電阻率換算；④根據相同層系的已知水層值計算。

當為不太濃的NaCl水型時，電阻率與化學活動性成反比，靜自然電位（SSP）與泥漿電阻率Rmf地層水電阻率Rw之間的關系為［6］：

式中K為溫度的函數。當NaCl溶液濃度比較高時，采取等效的泥漿濾液電阻率Rmfe和等效地層水電阻率Rwes，上式改寫為［7］：

2.3地層泥質的確定

泥質是顆粒直徑小于0.01 mm的碎屑物質。它由粘土礦物和雜質混合而成。雜質的主要成分是粉砂質，此外還可能有灰質、石膏等。

利用測井資料可以估計泥質的含量。幾乎所有的測井曲線都包含有泥質的信息，但是每一種方法都有一定的試用條件。在自然電位法中泥質對測井讀數的影響取決于泥質的含量和性質，以及壓實程度。 泥質沙石地層的自然電位幅度變化和泥質含量有以下關系：

式中△Vspsh△Vspsd是純泥巖的自然電位值；K1是系數。這三個參數可以按照統計的方法求出。通常可以用下面的簡單關系式根據自然電位估計泥質含量：

式中△Vpsp為假靜自然電位；△Vssp為靜自然電位值。

2.4飽和度的確定

地層的含油氣性定量的描述了巖層的利用性能。通常情況下，含油飽和度與含水飽和度是互補的關系。因此，只要確定了含水飽和度就可推導出含油飽和度。

電化學方法測量含水飽和度主要有電阻率測井、介電常數測井。當地層含有泥質時，由于泥質對于巖石的電阻率影響，使得含油飽和度和電阻率的關系變得非常復雜。含水泥質砂巖的電導率可以表示為：

Cw為地層水電阻率，Cex表示泥質引起的附加電阻率。隨著泥質數量、分布形式和成分不同，有多種模型。如雙水模型，三孔隙水模型等。

2.5滲透率的確定

滲透率是地層流體產出難易程度的直接指標。目前，其確定方法主要是根據滲透率與其他因素之間的統計規律［8］。滲透率的大小取決于地層中顆粒物的尺寸和孔徑，當其越小時，由于毛細作用，對水的束縛作用越大。

在油含量高的地層中，束縛在孔隙中的水含量決定了電阻率，可直接根據地層的電阻率推算油層的滲透率。

在水含量高的地層中，隨著含水飽和度 Sw逐步減小，地層的電阻率增加。地層中的電阻率是一個變化的過程，由自由水處的最小值 R0增加到高油地層電阻最大值Rt。在假設這個變化規律是線性的前提下，可以根據電阻率的變化量估算出滲透率的大小。如下式所示：；C為常數，一般約為20左右；△R為電阻率變化值；△D為對應△R的深度變化；R0為 100%含水地層的電阻率；ρw為地層水；ρh為烴的密度。

3　電化學測井應用

3.1電阻率測井

地層水中所含有的離子種類、濃度和環境溫度決定了電阻率的大小。通常，地層電阻率的測量方法有兩種，傳導電流法和感應法，分別使用直流電和交流電。深、淺電阻率測井主要反映地層電阻率的大小。隨著流體含量和黏土類型的不同，電阻率有不同差異。存在于巖石孔隙中的地層水是影響電阻率的主要因素。一般情況下，地層水電阻率 Rw與礦化度Cw、地層環境溫度T之間的關系如下［9］：

3.2激發極化測井

粘土礦物的表面常常固定著一些負電離子，這會吸引溶液中的正電離子，從而在粘土的表面形成了一層陽離子，這層吸附的陽離子由于較強的靜電作用不能自由移動，形成了吸附層。而其外的陽離子可以自由移動是擴散層。這樣就形成了平衡的雙電層結構（圖1）。

從這類事件的操作套路來看，這些大搞“培訓貸”的公司成功把握了求職大學生的心理。他們許以不菲薪酬和含糊的就業前景，讓大學生覺得參加培訓很值得，甚至產生“參加培訓等于錄用”的錯覺。在當下的求職形勢之下，許多大學生都有一個觀念——要想找個好工作，似乎難免要付出什么。在巨大的就業壓力下，學生難免就范。如果不是涉事企業資金鏈斷裂，這些大學生可能到今天都不會發現自己上當受騙。

圖1　粘土顆粒表面雙電子層Fig.1 Electric double layer of clay particles

激發極化效應是在整個體系上添加外加電場，使得介質中離子的平衡位置稍微偏移，改變外加電場，會產生滯后的電壓變化，記錄此變化則可對比推算出井下物質性質。

利用激發極化測井一般含有四個電極，其中兩個供電電極向待測巖層中釋放穩定的電流，兩個測量電極，測量收集到的電位信號。兩個信號之間會出現電位差ΔU（t），隨著時間的增加此電位差會逐漸飽和。當關閉供電電極后，電位差ΔU（t）會經歷衰減，并穩定在一個數值。

激發電位差，又稱為一次場，用ΔU1（t）表示；極化場電位差，又稱為二次場，用ΔU2（t）表示，利用ΔU2（t）的變化規律可以研究推導出巖層的特性。在兩者的共同作用下，ΔU（t）表示為：

為了使得觀測信號更為穩定，在測量的過程中使用占空比為1∶1的正負向脈沖電流，測量電位差。此時極化率與兩次正負向電位差之間的關系為：

3.3自然電位測井

當兩種不同濃度或離子的溶液相接觸時，會在其表面由于濃差等因素產生離子的擴散以及吸附行為，形成的電動勢為自然電位。

對于待測巖層等進行取樣，在實驗室條件下測量其自然極化數據，由此可以得到一系列的時間/自然電位值，并作圖得到自然電位曲線。利用此曲線可以推導出所在地層的滲透率等數據。

自然電位測井通常還與可與電阻率測井并行進行，采用雙電極，一端置于地面，一端隨測井儀向井下運動，測量自然電位的變化規律，繪制曲線。

3.4電化學方法掃描成像

微電阻率掃描成像測井技術（FMI），最早由斯倫貝謝公司開發研制［10］，測量原理是利用陣列電極結構，由極板中部陣列電極發射交變電流，由儀器上部的回路信號采集信息［11］。將采集到的信息繪圖。

陣列感應成像測井技術（AIT），其利用的是電磁感應原理。通過發射線圈上的交流電在巖層周圍產生變化的磁場，使周圍介質產生感應電流。感應電流的大小正比于磁場強度和介質的電導率。因此，通過感應電流的大小，可以推算出巖層的電導率。從而做出電導率圖像。

方位電阻率成像測井技術（ARI），最早由斯倫貝謝公司開發［10［12］。如下圖所示，方位電阻率成像儀的方位電極可安裝在常規的雙側向測井儀A2電極的中間，成陣列排布。

3.5組合測井

以上測井方法雖然原理和適用范圍不同，但是測量方法的思想是想通的，都是在待測巖層中施加一個穩定的電場，地層中的各種帶電離子在電場的作用下發生定向移動，并趨于穩定；當電場突然消失后離子擴散，直至恢復原始狀態。通過電極測量上述過程。

在測試過程中可以利用數字信號處理技術，將多種測試方法相結合，利用不同的測試電極測得不同的參數。還可以將電化學測井與光電譜化學、中子測井、伽馬測井、核磁測井等相結合，實現多角度組合測井（圖2）［13］。

4　結束語

電化學方法測井從誕生至今，已在全頻域的各個頻段建立了相應的電測井方法。包括普通電位、梯度測井、側向測井及其他電流聚焦測井等。近年來隨著測井技術的發展，各種新型的測井方法層出不窮，然而作為最早應用的測井技術之一的電法測井，因其廣泛的理論基礎和實測驗證，在測井過程中發揮著不可替代的作用。當前，利用多種測井方法相結合，構建出多種測井模型，大大提高了測井的準確度。

圖2　方位電阻率成像儀電極示意圖Fig.2 Azimuthal resistivity imager electrode schematic

［1］ 鄒存友，于立君，中國水驅砂巖油田含水與采出程度的量化關系［J］. 石油學報，2012（02）：288-292.

［2］ 高春陸，淺談建筑工程中的地質勘察技術［J］. 價值工程，2014 （10）：76-77.

［3］ 李冰，鄭長征，鐵胺絡合物在懸汞電極上的電化學行為研究［J］.西安工程大學學報，2008（06）：750-754.

［4］ 胡立新等，鍍銅研究中的電化學方法［J］. 電鍍與涂飾，2008（09）：9-12.

［5］ 袁國偉等，電化學阻抗譜在電沉積研究中的應用（一）［J］. 電鍍與涂飾，2008（01）：1-4.

［6］ 朱恩起，劉礫，等，高分辨率陣列感應測井在油水層評價中的應用［J］. 石油和化工設備，2009（08）：36-38.

［7］ 李虎，等，基于陣列感應與自然電位聯合反演地層水電阻率［J］. 地球物理學報，2013（02）：688-695.

［8］ 安小平等，不同方法獲取滲透率的對比分析［J］. 油氣井測試，2005 （05）：18-21+79-80.

［9］ 朱命和，應用電測井曲線計算地層水礦化度［J］. 物探與化探，2005 （01）：31-33.

［10］ 李清松，潘和平，等，電阻率成像測井進展［J］. 工程地球物理學報，2005（04）：304-310.

［11］ 吳鵬程，等，成像測井技術研究現狀及應用［J］. 天然氣勘探與開發，2007（02）：36-40，77.

［13］ 周瑞. 淺談地球物理測井方法［J］. 科學之友，2012（03）：148-149.

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

劉欣欣（1991-），女，河北廊坊人，在讀碩士研究生，研究方向：測井解釋。E-mail：lxxcjdx@126.com。

TE 357

A

1671-0460（2016）05-0995-04

2016-04-06