地球物理测井：自然电位测井法

1、自然电位测井法自然电场（SP)产生原因自然电场形成在井中由于泥浆和地层水的含盐量不同，地层压力和泥浆柱压力不同，在井壁附近产生电化学过程，结果产生自然电动势，造成自然电场自然电动势扩散电动势（Ed）过滤电动势（E）扩散吸附电动势（Eda）扩散现象受渗透压力作用，高浓度低浓度动平衡时，电动势保持一定值扩散电动势Ed氯离子迁移率钠离子迁移率低浓度氯离子富集高浓度钠离子富集扩散电动势Ed接触面正负离子迁移速度相同时电荷富集停止离子还在继续扩散动平衡CwCm渗透性隔板实验扩散电动势（Ed）的产生各种溶液离子迁移率与扩散电动势Ed不同溶液的扩散电动势是不同的Ed的表达式其中：u：离子迁移率 z：离子价

2、v：每个分子离解后形成的离子数 R：克分子气体常数 T：绝对温度 F：法拉第常数Ed的表达式在一定条件下（CCmf扩散吸附电动势（Eda）的产生现象将渗透性隔板换成泥岩浓度大的一方富集负电荷，浓度小的一方富集正电荷泥岩的特殊性质造成泥岩颗粒由含硅或铝的晶体组成。由于晶格中的硅或铝离子被低价（钠）离子所取代，泥岩颗粒表面带负电。为达到平衡，必须吸附正离子平衡离子指针与前面实验方向相反实验CwCm平衡离子的多少用Qv表示Qv称为泥质的阳离子交换能力每单位孔隙空间中平衡离子的克当量数。单位meq.cm-3或eq.liter-1。阳离子交换的结果：泥岩（粘土）表面吸附阳（正）离子。所以泥质（粘土）的表

3、面存在偶电层，里层为负，外层为正，这样当负离子穿过时就会被吸附，而只有正离子通过。CwCm扩散、吸附的结果使浓度低的一方带正电，而使浓度高的一方带负电该过程产生的电动势叫扩散吸附电动势Eda，也叫薄膜电势（因为泥岩选择性地让正离子通过）。正离子扩散负离子吸附在井内纯泥岩井段所测量的自然电位即是扩散吸附电动势造成的。泥岩砂岩泥岩CwCmf扩散吸附电动势Eda表达式 Kda扩散吸附电动势系数 对于NaCL,在18C时，Kdamax58mV 在一般情况下Kda在11.6mV(纯砂岩，v0）到58mV（纯泥岩，v）之间变化。 Eda由高到低依次为：泥质页岩粘土含泥砂岩石灰岩砂岩无烟煤泥灰岩铝土矿石英砂

4、白云岩高岭土在相同条件下，不同岩石的扩散吸附电动势差别很大 井下自然电位(SP)产生泥岩砂岩泥岩等效电路图 在井内砂岩和泥岩接触面附近的自然电位等效电路中，Ed与Eda是相互叠加的静自然电位在相当厚的砂岩和泥岩接触面处的自然电位幅度基本上是产生自然电场的总电动势SSP，也称静自然电位SSP=EdEda 在18C时，极限情况下，K=69.6mV实测曲线通常以泥岩为基线，巨厚纯砂岩的自然电位幅度就是静自然电位。SSP变化范围：50mV(淡水岩层)200mV(高矿化度盐水层）等效电路图 砂岩（夹在泥岩中）厚度有限时，自然电位等效电路Rsh泥岩等效电阻Rsd砂岩等效电阻Rm井筒内泥浆等效电阻根据Kir

5、choff定律：砂岩厚度有限时，自然电位异常幅度Usp并不等于SSP厚层砂岩和泥岩的截面积比井大的多，所以有RmRsd、 RmRsh，UspSSP；薄层Usp比SSP小的多自然电位的幅度 井内有相邻两邻层，阳离子交换能力分别为Qv1、Qv2，两层Rw相等，两层产生的扩散吸附电动势分别为Eda1、Eda2，则静自然电位为：通常，Rmf/Rw1Eda1为负值Eda2为正值如果Qv1=0，Qv2，则得到纯砂岩和纯泥岩交界处的静自然电位，即静自然电位的最大值SSPmax。温度为18C时：SSPmin=0如果Qv1Qv2通常认为：井内自然电场主要是由扩散吸附作用造成的过滤电动势过滤电动势E钻井过程中，泥

6、浆柱压力一般大于地层压力。在压力差作用下，泥浆滤液渗入地层。在岩石孔隙中的滤液带有相当多的正离子向压力低的地层一方移动聚集，而压力大的一端聚集较多的负离子，产生电位差即过滤电动势。泥浆滤液粘度P泥浆柱与地层间压差A过滤电动势系数E主要取决于压差P，一般情况下可忽略不计影响自然电位的因素不同井眼和地层条件对所测的自然电位幅度影响很大。因此，在应用其资料时，必须考虑其影响因素，否则将影响解释精度。 自然电位的幅度、特点主要取决于自然电场的静自然电位SSP和自然电流I的分布。SSP的大小主要取决于岩性、温度、地层水和泥浆中所含离子成分、泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。自然电流I的分布主要取决于介质

7、的电阻率、地层厚度、井径大小。地层水和泥浆中含盐浓度比值（Cw/Cmf)的影响扩散电动势扩散吸附电动势以泥岩为基线 当CwCmf时，砂岩段出现自然电位负异常 当CwCmf时，砂岩段出现自然电位正异常 当CwCmf时，不产生自然电场电动势，自然电位没有异常岩性的影响以泥岩为基线，砂质岩层自然电位常出现异常变化。 当目的层为纯砂岩时，它与围岩交界处SSP达到最大值SSPmax。当温度在18C时：目的层含泥质时，SSP降低，自然电位异常幅度减小。剖面上泥岩性质变化（Qv变化）时，自然电位基线会偏移。温度的影响绝对温度Qv时：显然，Ed、Eda都和绝对温度T成正比。四、泥浆和地层水化学成分的影响 Ed

8、和Eda由离子的扩散吸附形成，故当泥浆和地层水中的化学成分不同时，其所含离子不同，导致溶液中离子数的差异，不同离子的离子价和迁移率又不同，这就直接影响扩散吸附电动势系数，最终使得Ed和Eda变化。 18C时几种盐溶液的Kd值溶质NaClNaHCO3CaCl2MgCl2Na2SO4KClKd(Mv)-11.62.2-19.7-22.55-0.4五、地层电阻率的影响地层较厚时，由于岩层的截面积比井的截面积大得多，所以，砂岩和泥岩对自然电流的电阻Rsd、Rsh比泥浆柱的电阻Rm小得多。此时，对于纯砂岩来讲， UspSSP。当地层电阻率增高时， Rsd、Rsh与Rm比较不能忽略，则Usp4时，自然电位

9、的半幅点对应地层界面。厚地层可用半幅点确定地层界面地层变薄时，对应地层界面的自然电位值向曲线顶部移动。此时不能用半幅点确定地层界面ab段泥岩基线c点半幅点d点地层中部自然电位曲线特征 一、判断渗透层 砂泥岩剖面中泥质含量增加，负异常幅度变低。渗透层（砂岩）越纯，负异常越大；Rw砂岩厚度三、估算泥质含量泥质一般把泥质砂岩中的细粉砂和湿粘土的混合物叫做泥质分散泥质泥质分散在砂岩颗粒间孔隙的表面层状泥质泥质在砂岩中呈条带状结构泥质泥质颗粒代替了某些砂岩颗粒的位置估算泥质含量方法泥质的含量及其存在状态对砂岩产生的扩散吸附电动势有直接影响可以泥岩自然电位曲线估算泥质含量。直接法间接法把某地区各种含泥质的

10、砂岩经取样测定，直接建立自然电位幅度Usp(和相对自然电位Tsp）与泥质含Vsh的相关关系直接法SPmax本地区标准层（一般纯砂岩）的自然电位幅度P11经验公式间接法PSP泥质砂岩假静自然电位SSP厚的纯水砂岩层的静自然电位现场应用：以泥岩的SPsh为基线，分别读出(含泥）砂岩的自然电位SP和厚的纯水砂岩层的自然电位SPsd，则有：计算机常用公式该公式对水层适用，油气层和薄层计算的Vsh偏高四、确定地层水电阻率意义Rw是计算储层含油气饱和度的必要参数Rw确定方法直接法：试水间接法：测井(电法测井、SP测井)理论依据Rmfe等效泥浆滤液电阻率Rwe等效地层水电阻率选择厚度较大、饱含水的纯砂岩层，将其Usp校正SSP求纯水砂岩地层水电阻率Rw方法1、确定