電化學(xué)測(cè)井理論研究及應(yīng)用綜述

劉欣欣，韓寶富

（長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

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電化學(xué)測(cè)井理論研究及應(yīng)用綜述

劉欣欣，韓寶富

（長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

介紹了常用的電化學(xué)的研究方法，概括了電位掃描、控制電流/電勢(shì)、交流阻抗和等效電路等方法的適用條件及特點(diǎn)。針對(duì)油氣田測(cè)井的特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了地層流體類型確定、泥質(zhì)類型確定、飽和度和滲透率計(jì)算的電化學(xué)測(cè)量理論，并且分析了電化學(xué)方法在測(cè)井中的應(yīng)用，分析了電阻率測(cè)井、自然電位測(cè)井、掃描成像、綜合測(cè)井這幾類測(cè)井方法。電化學(xué)測(cè)井作為一種較為成熟的測(cè)量手段，廣泛應(yīng)用在各種環(huán)境的資源勘探中，并且不斷得到改進(jìn)發(fā)展。

電化學(xué)；測(cè)井；電阻率；激發(fā)極化；自然電位

隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，測(cè)井技術(shù)日益提高。目前，我國的多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入高含水階段，勘測(cè)成本增大、難度提高［1］。提高測(cè)井的準(zhǔn)確程度，對(duì)油層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)變得尤為重要。

電化學(xué)測(cè)井方法根據(jù)地層中各處巖石不同的電磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行勘測(cè)。主要利用導(dǎo)電性質(zhì)、導(dǎo)磁性質(zhì)等。電化學(xué)測(cè)井方法有著較長的發(fā)展歷史，經(jīng)過幾十年的發(fā)展演變出種類眾多的電化學(xué)勘探方法，目前在勘探過程中使用廣泛、效果良好，根據(jù)不同的地質(zhì)條件使用不同的方法［2］。

1　電化學(xué)研究方法

電化學(xué)研究方法根據(jù)自變量不同可分為控制電流方法和控制電勢(shì)方法。控制電流方法是在給定電流條件下測(cè)量電極電勢(shì)，電流為自變量、電極電勢(shì)是因變量?？刂齐妱?shì)方法是在給定電極電勢(shì)條件下測(cè)量電流。電極電勢(shì)為自變量、電流是因變量。兩種方法用于測(cè)定極化曲線，電流密度與電極電勢(shì)為單值函數(shù)關(guān)系時(shí)所得的結(jié)果完全相同；電流密度對(duì)應(yīng)于多個(gè)電極電勢(shì)而具有多值函數(shù)關(guān)系時(shí)則所得結(jié)果大不相同，這時(shí)只有采用控制電勢(shì)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(shí)，測(cè)量電流與時(shí)間的曲線，這種方法叫做三角電勢(shì)掃描法。其掃描的幅度可大可小，小幅度三角波電勢(shì)掃描實(shí)驗(yàn)一般小于10 mV，主要用于測(cè)量電流—時(shí)間的關(guān)系曲線，來研究雙電層充電和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

而大幅度三角波電勢(shì)實(shí)驗(yàn)，主要通過測(cè)量電勢(shì)一電流極化曲線研究電極動(dòng)力學(xué)規(guī)律，也被稱作循環(huán)伏安法。循環(huán)伏安法不僅能快速觀測(cè)變化范圍內(nèi)的電極過程，還能夠提供豐富的信息。以電流或電勢(shì)的峰值對(duì)掃描速度作圖，即可根據(jù)圖像區(qū)分出相應(yīng)的反應(yīng)過程和機(jī)理［3］。

1.2控制電勢(shì)

控制電勢(shì)的暫態(tài)研究方法是控制研究電極的電勢(shì)按指定規(guī)律變化，同時(shí)測(cè)量通過電極的電流隨時(shí)間的變化關(guān)系［4］?？刂齐娢环绞街饕须娢浑A躍法和方波電位法。根據(jù)電勢(shì)的幅度大小小，控制電勢(shì)暫態(tài)方法又分為小幅度電勢(shì)方法（電勢(shì)幅度小于10 mV）和大幅度電勢(shì)方法。

在控制小幅度電勢(shì)的實(shí)驗(yàn)中，電極電勢(shì)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(guān)系簡(jiǎn)化為線性關(guān)系。將一小幅度電勢(shì)突然加到研究電極上，測(cè)量電流-時(shí)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(xué)反應(yīng)電阻為Rr，微分電容為Cd。

1.3控制電流

控制電流暫態(tài)研究方法是控制通過研究電極的電流按指定規(guī)律變化，同時(shí)測(cè)量其電極電勢(shì)隨時(shí)間變化的關(guān)系?？刂齐娏鞯姆绞街饕须娏麟A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(shí)產(chǎn)生超電勢(shì)的大小，控制電流暫態(tài)的方法又分為小幅度電流方法（產(chǎn)生的超電勢(shì)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(cè)量測(cè)量電勢(shì)-時(shí)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(shì)按照正弦波的規(guī)律進(jìn)行變化，同時(shí)通過測(cè)量電極體系的阻抗值來研究整個(gè)電極過程。在此實(shí)驗(yàn)中，為了使一些比較復(fù)雜的關(guān)系簡(jiǎn)化為線性關(guān)系，一般采用比較小的電極電勢(shì)，一般控制在10 mV以下。此時(shí)，整個(gè)過程可以用等效電路進(jìn)行描述。

測(cè)量這種等效電路的阻抗變化，得到其阻抗復(fù)數(shù)平面圖，可以求得雙電層電容、交換電流密度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)和研究電極過程動(dòng)力學(xué)規(guī)律交流阻抗方法也叫作正弦波交流電方法，實(shí)驗(yàn)時(shí)訊號(hào)頻率高、每半周延續(xù)時(shí)間短、在同一電極上交替出現(xiàn)陽極過程和陰極過程，因而與其他暫態(tài)方法一樣具有不嚴(yán)重破壞電極表面狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。交流阻抗方法的數(shù)學(xué)處理方便，其測(cè)量電極阻抗的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，目前已成為一種較重要的電化學(xué)研究方法。

采用小幅度交流電研究電極過程時(shí)，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(shí)，電極過程可以簡(jiǎn)化為由電阻和電容串并聯(lián)組成的等效電路來處理。

2　電化學(xué)測(cè)井原理

2.1地層中的導(dǎo)電離子

我國油氣田區(qū)域地層水的化學(xué)組成較為復(fù)雜，但主要的離子構(gòu)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?yōu)镸gmCl2、CaCl2型。Cl-濃度升高，而Na+濃度降低。Mg2+的化學(xué)性質(zhì)與Ca2+相似，在天然水中兩種離子的含量取決于石灰?guī)r和白云巖的溶解。

以上的反應(yīng)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(duì)巖石的物理性質(zhì)有著重要影響，因此可以通過測(cè)井響應(yīng)研究巖石孔隙中的流體類型和含量。

石油和天然氣的導(dǎo)電性極差，孔隙流體的導(dǎo)電性主要體現(xiàn)在地層水的導(dǎo)電性上。通常用電阻率Rw來表示地層水的電阻率。它的準(zhǔn)確程度直接影響了含油飽和度的計(jì)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(cè)井資料計(jì)算；②分析水樣的離子成分后換算；③直接測(cè)定地層水樣的電阻率換算；④根據(jù)相同層系的已知水層值計(jì)算。

當(dāng)為不太濃的NaCl水型時(shí)，電阻率與化學(xué)活動(dòng)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(guān)系為［6］：

式中K為溫度的函數(shù)。當(dāng)NaCl溶液濃度比較高時(shí)，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(zhì)的確定

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

利用測(cè)井資料可以估計(jì)泥質(zhì)的含量。幾乎所有的測(cè)井曲線都包含有泥質(zhì)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(zhì)對(duì)測(cè)井讀數(shù)的影響取決于泥質(zhì)的含量和性質(zhì)，以及壓實(shí)程度。 泥質(zhì)沙石地層的自然電位幅度變化和泥質(zhì)含量有以下關(guān)系：

式中△Vspsh△Vspsd是純泥巖的自然電位值；K1是系數(shù)。這三個(gè)參數(shù)可以按照統(tǒng)計(jì)的方法求出。通常可以用下面的簡(jiǎn)單關(guān)系式根據(jù)自然電位估計(jì)泥質(zhì)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(bǔ)的關(guān)系。因此，只要確定了含水飽和度就可推導(dǎo)出含油飽和度。

電化學(xué)方法測(cè)量含水飽和度主要有電阻率測(cè)井、介電常數(shù)測(cè)井。當(dāng)?shù)貙雍心噘|(zhì)時(shí)，由于泥質(zhì)對(duì)于巖石的電阻率影響，使得含油飽和度和電阻率的關(guān)系變得非常復(fù)雜。含水泥質(zhì)砂巖的電導(dǎo)率可以表示為：

Cw為地層水電阻率，Cex表示泥質(zhì)引起的附加電阻率。隨著泥質(zhì)數(shù)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(chǎn)出難易程度的直接指標(biāo)。目前，其確定方法主要是根據(jù)滲透率與其他因素之間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律［8］。滲透率的大小取決于地層中顆粒物的尺寸和孔徑，當(dāng)其越小時(shí)，由于毛細(xì)作用，對(duì)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(jù)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(gè)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(shè)這個(gè)變化規(guī)律是線性的前提下，可以根據(jù)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(shù)，一般約為20左右；△R為電阻率變化值；△D為對(duì)應(yīng)△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(xué)測(cè)井應(yīng)用

3.1電阻率測(cè)井

地層水中所含有的離子種類、濃度和環(huán)境溫度決定了電阻率的大小。通常，地層電阻率的測(cè)量方法有兩種，傳導(dǎo)電流法和感應(yīng)法，分別使用直流電和交流電。深、淺電阻率測(cè)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(huán)境溫度T之間的關(guān)系如下［9］：

3.2激發(fā)極化測(cè)井

粘土礦物的表面常常固定著一些負(fù)電離子，這會(huì)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(qiáng)的靜電作用不能自由移動(dòng)，形成了吸附層。而其外的陽離子可以自由移動(dòng)是擴(kuò)散層。這樣就形成了平衡的雙電層結(jié)構(gòu)（圖1）。

從這類事件的操作套路來看，這些大搞“培訓(xùn)貸”的公司成功把握了求職大學(xué)生的心理。他們?cè)S以不菲薪酬和含糊的就業(yè)前景，讓大學(xué)生覺得參加培訓(xùn)很值得，甚至產(chǎn)生“參加培訓(xùn)等于錄用”的錯(cuò)覺。在當(dāng)下的求職形勢(shì)之下，許多大學(xué)生都有一個(gè)觀念——要想找個(gè)好工作，似乎難免要付出什么。在巨大的就業(yè)壓力下，學(xué)生難免就范。如果不是涉事企業(yè)資金鏈斷裂，這些大學(xué)生可能到今天都不會(huì)發(fā)現(xiàn)自己上當(dāng)受騙。

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

激發(fā)極化效應(yīng)是在整個(gè)體系上添加外加電場(chǎng)，使得介質(zhì)中離子的平衡位置稍微偏移，改變外加電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生滯后的電壓變化，記錄此變化則可對(duì)比推算出井下物質(zhì)性質(zhì)。

利用激發(fā)極化測(cè)井一般含有四個(gè)電極，其中兩個(gè)供電電極向待測(cè)巖層中釋放穩(wěn)定的電流，兩個(gè)測(cè)量電極，測(cè)量收集到的電位信號(hào)。兩個(gè)信號(hào)之間會(huì)出現(xiàn)電位差ΔU（t），隨著時(shí)間的增加此電位差會(huì)逐漸飽和。當(dāng)關(guān)閉供電電極后，電位差ΔU（t）會(huì)經(jīng)歷衰減，并穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值。

激發(fā)電位差，又稱為一次場(chǎng)，用ΔU1（t）表示；極化場(chǎng)電位差，又稱為二次場(chǎng)，用ΔU2（t）表示，利用ΔU2（t）的變化規(guī)律可以研究推導(dǎo)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(cè)信號(hào)更為穩(wěn)定，在測(cè)量的過程中使用占空比為1∶1的正負(fù)向脈沖電流，測(cè)量電位差。此時(shí)極化率與兩次正負(fù)向電位差之間的關(guān)系為：

3.3自然電位測(cè)井

當(dāng)兩種不同濃度或離子的溶液相接觸時(shí)，會(huì)在其表面由于濃差等因素產(chǎn)生離子的擴(kuò)散以及吸附行為，形成的電動(dòng)勢(shì)為自然電位。

對(duì)于待測(cè)巖層等進(jìn)行取樣，在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量其自然極化數(shù)據(jù)，由此可以得到一系列的時(shí)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(dǎo)出所在地層的滲透率等數(shù)據(jù)。

自然電位測(cè)井通常還與可與電阻率測(cè)井并行進(jìn)行，采用雙電極，一端置于地面，一端隨測(cè)井儀向井下運(yùn)動(dòng)，測(cè)量自然電位的變化規(guī)律，繪制曲線。

3.4電化學(xué)方法掃描成像

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

陣列感應(yīng)成像測(cè)井技術(shù)（AIT），其利用的是電磁感應(yīng)原理。通過發(fā)射線圈上的交流電在巖層周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，使周圍介質(zhì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的大小正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度和介質(zhì)的電導(dǎo)率。因此，通過感應(yīng)電流的大小，可以推算出巖層的電導(dǎo)率。從而做出電導(dǎo)率圖像。

方位電阻率成像測(cè)井技術(shù)（ARI），最早由斯倫貝謝公司開發(fā)［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(guī)的雙側(cè)向測(cè)井儀A2電極的中間，成陣列排布。

3.5組合測(cè)井

以上測(cè)井方法雖然原理和適用范圍不同，但是測(cè)量方法的思想是想通的，都是在待測(cè)巖層中施加一個(gè)穩(wěn)定的電場(chǎng)，地層中的各種帶電離子在電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，并趨于穩(wěn)定；當(dāng)電場(chǎng)突然消失后離子擴(kuò)散，直至恢復(fù)原始狀態(tài)。通過電極測(cè)量上述過程。

在測(cè)試過程中可以利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，將多種測(cè)試方法相結(jié)合，利用不同的測(cè)試電極測(cè)得不同的參數(shù)。還可以將電化學(xué)測(cè)井與光電譜化學(xué)、中子測(cè)井、伽馬測(cè)井、核磁測(cè)井等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多角度組合測(cè)井（圖2）［13］。

4　結(jié)束語

電化學(xué)方法測(cè)井從誕生至今，已在全頻域的各個(gè)頻段建立了相應(yīng)的電測(cè)井方法。包括普通電位、梯度測(cè)井、側(cè)向測(cè)井及其他電流聚焦測(cè)井等。近年來隨著測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，各種新型的測(cè)井方法層出不窮，然而作為最早應(yīng)用的測(cè)井技術(shù)之一的電法測(cè)井，因其廣泛的理論基礎(chǔ)和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，在測(cè)井過程中發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)前，利用多種測(cè)井方法相結(jié)合，構(gòu)建出多種測(cè)井模型，大大提高了測(cè)井的準(zhǔn)確度。

圖2　方位電阻率成像儀電極示意圖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

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

TE 357

A

1671-0460（2016）05-0995-04

2016-04-06