致密砂巖裂縫自然電位響應(yīng)機理及實驗分析

劉志遠，南澤宇，劉 卉，李召成，申本科

（1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.成都北方石油勘探開發(fā)有限公司，四川成都 610051；3.中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580）

鉆井過程中，由于泥漿和地層水的含鹽量不同，地層壓力和泥漿柱壓力不同，在井壁附近發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生自然電位電勢差[1]，自然電位測井通過測量井下地層與地面之間的電位差反映自然電位，常在滲透層段常表現(xiàn)為明顯的異常。致密砂巖中的裂縫層段具有高滲性，自然電位表現(xiàn)明顯的負異常特征。鄧惠[2]在對四川盆地西部侏羅紀中統(tǒng)紅色致密碎屑巖次生裂縫性氣藏研究中，采用自然電位指示裂縫、判別產(chǎn)氣層位；徐康[3]采用自然電位對充填裂隙滲透破壞過程進行監(jiān)測；胡開顏等[4]基于動電機制，認為孔隙介質(zhì)中的流體流動可產(chǎn)生自然電位，通過自然電位觀測反演地下水動力過程；姜達貴[5]采用自然電位對海拉爾油田變質(zhì)巖潛山油藏裂縫性儲層評價，認為自然電位受泥漿與地層水礦化度、地層壓力、儲集空間、儲集層中的流體等多種因素影響。然而裂縫究竟如何影響自然電位響應(yīng)，仍不清楚。為了進一步探索自然電位裂縫響應(yīng)規(guī)律，研究自然電位裂縫響應(yīng)機理，本文從自然電位裂縫響應(yīng)實驗出發(fā)，總結(jié)不同礦化度、地層壓力條件下的含裂縫巖心自然電位響應(yīng)規(guī)律，基于自然電位響應(yīng)基本原理，推導(dǎo)建立裂縫自然電位響應(yīng)模型，為明確裂縫自然電位測井響應(yīng)原理提供了依據(jù)與研究思路。

1 自然電位裂縫響應(yīng)實驗

為了研究裂縫自然電位響應(yīng)特征，本文開展了兩組實驗，分別模擬不同礦化度以及地層壓力對裂縫自然電位響應(yīng)的影響?；舅悸肥菍Ρ绕叫腥拥牧芽p與無裂縫的一組巖石樣品，測試不同泥漿礦化度與壓力條件下裂縫自然電位的響應(yīng)差異。測試內(nèi)容主要包括巖樣裂縫開度、物性參數(shù)的測量、4 種泥漿礦化度以及3 種壓力條件下自然電位的測量三部分。

1.1 巖石取樣與CT 裂縫開度測量

巖石樣品主要采自于鄂爾多斯盆地南部（鄂南）汭水河與普陀河延長組致密砂巖露頭，選取發(fā)育單條天然裂縫的巖石，采用平行取樣方式，鉆取橫穿巖心的天然裂縫巖樣與鄰近的未發(fā)育裂縫樣品，經(jīng)過切割，打磨，清洗，烘干等一系列處理，最終得到裂縫居中且形狀較為規(guī)整的10 組22 塊巖心（見圖1）。

圖1 實驗部分樣品組巖心照片

通過CT 掃描對裂縫樣品裂縫開度進行評價（見圖2、表1），發(fā)現(xiàn)只有5 塊樣品發(fā)育單條縫且裂縫相對居中，考慮到實驗數(shù)據(jù)可對比性，主要依據(jù)這5 組樣品開展研究。

圖2 致密砂巖裂縫CT 截面照片

表1 CT 評價巖石樣品平均裂縫張開度

1.2 巖樣物性參數(shù)的測量

孔滲測量采用SCMS-C3 型全自動孔滲測量系統(tǒng)，采用氮氣作為介質(zhì)進行測量，測試時圍壓采用5 MPa，氣壓2 MPa，孔滲測量前在烘箱對巖心烘干8 h，盡量保持干燥狀態(tài)。測量結(jié)果（見表2），可以看出，同組樣品孔隙度基本相似，發(fā)育裂縫樣品滲透率更大。

表2 巖石樣品物性分析測量統(tǒng)計

1.3 自然電位測量

自然電位采用五巖心聯(lián)測系統(tǒng)[6]，該裝置是一個物理模擬實驗系統(tǒng)，應(yīng)用五巖心聯(lián)測閉合實驗裝置模擬地層條件下的泥漿侵入，測量泥漿侵入油水層時油水層巖心電化學(xué)電位的變化。該實驗裝置包括泥漿循環(huán)模塊、多功能濾失巖心夾持器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、濾失濾液計量系統(tǒng)，裝置簡圖（見圖3）。利用五巖心并聯(lián)模擬組成復(fù)雜地層，所有巖心夾持器前端貫通，形成模擬井筒，井筒內(nèi)模擬泥漿循環(huán)流動，通過五巖心聯(lián)測閉合實驗裝置進行巖心電化學(xué)電位的實驗測試。

圖3 五巖心聯(lián)測系統(tǒng)裝置原理簡圖

本文采用該裝置開展了兩組測試，一組采用巖石樣品兩端不施加壓差，巖石樣品充注地層水礦化度為50 000 mg/L，通過不斷調(diào)整泥漿礦化度，測量發(fā)育裂縫與不發(fā)育裂縫樣品自然電位，5 組巖心不同泥漿礦化度SP 測量結(jié)果（見表3），由表3 可以看出隨著泥漿礦化度與巖石樣品充注地層水礦化度差異的增大，所有巖石樣品SP 幅值在增大，而且裂縫樣品電動勢變化幅值明顯大于同組非裂縫樣品。另一組采用固定巖石樣品地層水礦化度50 000 mg/L，泥漿礦化度10 000 mg/L，通過不斷調(diào)整巖心柱兩端壓差，測量發(fā)育裂縫與不發(fā)育裂縫樣品自然電位，5 組巖心不同泥漿柱壓差SP 測量結(jié)果（見表4），由表4 可以看出隨著壓差的增大，自然電位幅值明顯增大，裂縫樣品電動勢變化幅值明顯大于同組非裂縫樣品。

表3 巖石樣品變泥漿礦化度自然電位測量

表4 巖石樣品變泥漿壓差自然電位測量

2 自然電位裂縫響應(yīng)分析

為了深入研究上述裂縫自然電位響應(yīng)特征，本文結(jié)合自然電位響應(yīng)原理，對上述實驗開展分析，推導(dǎo)建立裂縫自然電位響應(yīng)模型，最終搞清了自然電位響應(yīng)機理。

前人研究表明，自然電位產(chǎn)生的原因主要有三個部分，即擴散電動勢、擴散吸附電動勢以及動電電動勢[1]。擴散電動勢是由于離子遷移率不同造成不同濃度溶液間產(chǎn)生的電動勢；擴散吸附電動勢是由于溶液中巖石礦物表面離子發(fā)生置換而帶電，吸附相反極性平衡離子，受這些平衡離子影響，濃度不同的溶液間形成電勢差；而動電電動勢是由于在壓力差作用下，溶液中的平衡離子發(fā)生移動聚集產(chǎn)生的電勢差。據(jù)此分析認為，裂縫段自然電位響應(yīng)主要包括兩部分：一部分，巖石表面電荷吸附能力與接觸面積有關(guān)，裂縫發(fā)育段，在基質(zhì)孔隙形成的擴散吸附電動勢基礎(chǔ)上，裂縫增大了泥漿與致密砂巖接觸面積，造成吸附影響明顯增大，產(chǎn)生了裂縫附加擴散吸附電動勢，而另一部分是由于裂縫段滲透性明顯增強，井筒內(nèi)液體與地層壓力差影響因素被放大，平衡離子發(fā)生移動，形成裂縫附加動電電動勢響應(yīng)，它與裂縫擴散吸附電動勢共同影響，使得自然電位在裂縫段表現(xiàn)出明顯異常特征。

2.1 裂縫附加擴散吸附電動勢

為驗證裂縫附加擴散吸附電動勢的影響，本文利用巖石樣品變泥漿礦化度自然電位測量結(jié)果，采用同一組內(nèi)對照無裂縫樣品與裂縫樣品自然電位差來消除了擴散電動勢與基質(zhì)擴散吸附電動勢影響，反映裂縫引起的附加擴散吸附電動勢。通過該自然電位差與泥漿礦化度交會（見圖4），可以看出，隨著泥漿礦化度與巖石樣品礦化度差異逐漸增大，自然電位差呈指數(shù)增大，表明裂縫附加擴散吸附電動勢主要與泥漿-地層水礦化度差異程度相關(guān)。為減小單個樣品測量誤差影響，本文將相同泥漿礦化度樣品的電位差求和平均，與泥漿-地層水電阻率對數(shù)比值進行交會（見圖5），可以看出兩者具有非常好的線性相關(guān)性。

圖4 致密砂巖裂縫樣品自然電位差與泥漿礦化度關(guān)系

圖5 樣品裂縫附加擴散吸附電動勢（平均）與泥漿-地層水電阻率比值呈對數(shù)關(guān)系

據(jù)此建立裂縫附加擴散吸附電動勢評價模型，如式（1）。

式中：Efda-致密砂巖裂縫吸附電動勢，mV；Rw-地層水電阻率，Ω·m；Rm-泥漿電阻率，Ω·m。

由于不論天然形成的高角縫還是低角縫，其裂縫縱向延伸較大，認為裂縫形態(tài)對附加擴散吸附電動勢影響不大，同時對于多條裂縫發(fā)育層段，由于過井眼的各裂縫產(chǎn)生的擴散吸附電動勢處于并聯(lián)關(guān)系，因此擴散吸附電動勢大小也與裂縫發(fā)育密度關(guān)系不大。

2.2 裂縫附加動電電動勢

為了研究裂縫附加動電電動勢響應(yīng)規(guī)律，本文通過達西定律與歐姆定律相結(jié)合，推導(dǎo)自然電位裂縫動電電動勢評價裂縫模型，采用巖石樣品變泥漿壓差自然電位測量實驗響應(yīng)進行驗證。首先建立裂縫體體積模型（見圖6）。

圖6 裂縫體模型

體積法確定裂縫內(nèi)的電荷體密度：

式中：q-裂縫體內(nèi)電荷體密度，mC/cm3；h-裂縫縫高，cm；L-裂縫內(nèi)泥漿侵入深度，cm；d-裂縫張開度，cm；σ-巖石面電荷密度，mC/cm2。

由于帶著平衡離子的泥漿向地層中滲入形成電流，其電流強度為：

式中：Q-裂縫體內(nèi)泥漿流量，cm3/s；I-電流強度，mA。

而對于裂縫體來說，泥漿流量Q 可以采用達西定律進行計算，研究中式（2）與裂縫體達西模型代入式（3），得到式（4）。

式中：k-裂縫滲透率，mD；ΔP-泥漿與地層壓力差，MPa；μ-泥漿黏度，10-3Pa·s。

對于裂縫體，認為近井地帶內(nèi)部充滿泥漿，因此有歐姆定律可以得到裂縫動電電動勢：

式中：Efφ-裂縫動電電動勢，mV；Rm-泥漿電阻率，Ω·m。

由式（5）可以看出，裂縫動電電動勢與裂縫滲透率、井筒地層壓差、泥漿電阻率成正比，而與裂縫開度、泥漿黏度成反比。

對比不同壓差與泥漿電阻率條件下，同組裂縫-非裂縫自然電位幅度差與裂縫滲透率-裂縫開度比值的關(guān)系（見圖7），壓差越大，自然電位幅度差也越大，而滲透率-裂縫開度比值越大，自然電位幅度差也越大，驗證了裂縫動電電動勢響應(yīng)公式。

圖7 兩種壓力差條件下裂縫樣品自然電位幅度差與滲透率-裂縫開度比值交會圖

結(jié)合式（1）與式（5），得到裂縫附加自然電位響應(yīng)方程：

式中：Ef-致密砂巖裂縫附加電動勢，mV；Efda-致密砂巖裂縫附加吸附電動勢，mV；Efφ-裂縫附加動電電動勢，mV；A-系數(shù)，鄂南致密砂巖暫取12.97；Rm-泥漿電阻率，Ω·m；Rw-地層水電阻率，Ω·m；k-裂縫泥漿滲透率，mD；ΔP-泥漿與地層壓力差，MPa；μ-泥漿黏度，10-3Pa·s；d-裂縫張開度，cm；σ-巖石面電荷密度，mC/cm2，鄂南致密砂巖暫取5.57；C-系數(shù)，鄂南致密砂巖暫取5.16。

3 結(jié)論

本文基于自然電位響應(yīng)基本原理，采用公式理論推導(dǎo)與模擬實驗驗證相結(jié)合的方式，對裂縫自然電位測井響應(yīng)機理進行了分析，得出以下幾點認識：

（1）裂縫段自然電位響應(yīng)主要由裂縫附加擴散吸附電動勢與附加動電電動勢兩部分構(gòu)成。裂縫附加擴散吸附電動勢主要是由裂縫增大了泥漿與致密砂巖接觸面積，造成平衡離子擴散吸附影響增大產(chǎn)生；而裂縫附加動電電動勢是由裂縫造成滲透性明顯增強，井筒內(nèi)液體與地層壓力差影響因素被放大，平衡離子發(fā)生移動產(chǎn)生。

（2）裂縫附加擴散吸附電動勢與致密砂巖離子吸附能力成正比，與泥漿-地層水電阻率比值成正比。

（3）裂縫動電電動勢與裂縫滲透率、井筒地層壓差、泥漿電阻率成正比，而與裂縫開度、泥漿黏度成反比。