5第三章-自然电位测井

地球物理测井课件主讲人：周俊杰河北工程大学勘查教研室第三章自然电位测井1.自然电场的产生2.自然电位测井及曲线特征3.影响因素4.自然电位曲线应用第三章自然电位测井

在井内及井的周围，由于岩矿石的自然电化学活动性，存在着一系列产生电动势的物理—化学过程，这种现象称为自然极化。研究说明，它是在钻开岩层时井壁附近产生的电化学活动而造成的电场，该场的分布决定于井孔剖面的岩层性质，把这个场叫自然电场。沿井轴测量记录自然电位变化曲线，用以区别岩性，这种测井方法叫自然电位测井。由于自然电位曲线在渗透层处有明显的异常显示，因此它是划分和研究储集层的重要方法之一。1.自然电场的产生

由于泥浆和地层水的矿化度不同，在钻开岩层后，在井壁附近两种不同矿化度的溶液接触产生电化学过程，结果产生电动势造成自然电场。在井中自然电场主要是由扩散电动势和扩散吸附电动势组成的。一、扩散电动势的产生用一个渗透性隔膜把玻璃缸分成两局部，其中分别装入浓度不同的NaCl溶液，溶液浓度分别为Cw和Cm且Cw>Cm，溶液中各放入一个电极，并以导线与表头连接。我们会观察到表头指针偏转，说明在接触面附近有电位差存在。这是因为两种不同浓度的NaCl溶液接触时，存在着使浓度到达平衡的自然趋势，即高浓度溶液中的离子受渗透压的作用要穿过渗透性隔膜迁移到低浓度溶液中去，这叫离子扩散。一、扩散电动势的产生一、扩散电动势的产生

从表中看出氯离子迁移率大于钠离子迁移率，因此，扩散使低浓度溶液中氯离子相对增多，形成负电荷富集，而高浓度一方钠离子相对增多形成正电荷富集。此时氯离子受接触面附近电荷富集带的负电荷的排斥其迁移速度减慢；相反钠离子的迁移速度加快，这就使电荷的富集速度减慢，当接触面附近的电荷富集带使正、负离子迁移速度相同时，电荷富集停止，但离子还在扩散，这叫动平衡。此时接触面附近的电动势保持一定值，这个电动势叫扩散电动势，记作Ed。

一、扩散电动势的产生式中R—克分子气体常数，等于8.313J/K；T—绝对温度，K；F—Farady常数．等于96500C/equiv；n+和n-—每个分子离解后形成的正离子数和负离子数；n和v—正离子和负离子的迁移率，单位是m2﹒s﹒equiv-1或s/〔m﹒N〕；Z+和Z-—正离子和负离子的离子价；Cw和Cm—两种溶液的浓度。一、扩散电动势的产生在砂泥岩剖面井中纯砂岩井段，井壁附近地层水和泥浆滤液接触，且二者矿化度〔即浓度〕不同而产生扩散电动势Ed式中Cw—地层水矿化度；Cmf—泥浆滤液矿化度。在矿化度比较低的情况下，溶液的电阻率与溶液的矿化度有线性关系，式中Rmf—泥浆滤液电阻率；Rw—地层水电阻率。一、扩散电动势的产生令Kd=Kd叫扩散电动势系数。在温度为18℃时，氯化钠溶液的Kd值为-11.6mV。其他温度的Kd值可用上式计算。二、扩散吸附电动势的产生

用泥岩隔膜将玻璃缸内的两种不同浓度的NaCl溶液分开，两种浓度溶液在此接触面处产生离子扩散，扩散方向总是从浓度大的Cw一方向浓度小的Cm一方。由于泥岩隔膜中的阳离子交换作用，使孔隙内溶液中的阳离子居多，扩散结果在浓度小的一方富集了大量的正电荷而带正电，浓度大的一方带负电。二、扩散吸附电动势的产生

这样就在泥岩隔膜处形成了扩散吸附电动势，记作Eda，其表达式为式中Kda为扩散吸附电动势系数。它与岩层的泥质阳离子交换能力Qv有关。在Qv接近极限值的情况下，岩石孔隙中只有正离子参加扩散，可看作氯离子迁移率为零的扩散这是扩散吸附电动势系数的上限Kdamax，在温度为18℃时，Kdamax=58.0mV，Kdamin=-11.6mV，一般情况下Kda介于两者之间。二、扩散吸附电动势的产生在砂泥岩剖面中的泥岩井段，井壁是矿化度不同的地层水和泥浆滤液接触面，在此产生扩散吸附电动势，当井壁附近地层水和泥浆滤液的矿化度都较低，且Cw>Cm,此外组成自然电场的还有过滤电动势，这种电动势是在压力差作用下，泥浆滤液向地层中渗入时产生的。只有在压力差很大时，产生的过滤电动势才是不可忽略的，但一般钻井时要求泥浆柱压力只能稍大于地层压力，因此一般井内过滤电动势的作用可忽略不计。二、扩散吸附电动势的产生

由于扩散和吸附作用，在砂岩井壁上出现扩散电动势，在泥岩井壁上出现了吸附电动势，这些电动势通过砂岩、泥岩和井液放电，从而在砂岩、泥岩和井液接触部位产生自然电流。在闭合自然电流回路上，扩散和吸附电动势是串联的。三、电极极化作用金属电极处于自身盐类的电解质中时，它的金属离子就可以离开电极进入溶液成为离子状态，电极带负电；溶液中的金属离子接近电极时，也可以沉淀到电极外表上，电极便带正电。当这两个过程到达动态平衡时，在固相〔金属电极〕与溶液〔液相〕的分界面上形成电位跃。这种作用称为电极极化作用，而金属电极相对溶液的电位〔即两相界面上的电位差〕称为金属电极的电极电位。一般井液中几乎不含矿体离子，所以在金属矿层处，矿体很快将自己的金属离子授给井液而本身带负电，结果在井壁形成电动势。在矿层与井液或矿层与围岩地层水接触的分界面上，由于氧化—复原作用，也形成电动势〔氧化—复原电动势〕进行自然电位测井时，将测量电极N放在地面，M电极用电缆送至井下，提升M电极沿井轴测量自然电位随井深的变化曲线，该曲线叫自然电位曲线〔常称之为SP曲线〕。实际测井时是与普通电阻率测井同时进行，其测量原理电路见图1-4。M电极是普通电阻率测井〔亦叫视电阻率测井〕和自然电位测井公用的测量电极。2.自然电位测井及曲线特征

视电阻率测井时由供电电极供电所形成的人工电场是低频脉动直流场，而自然电场是直流场，这样只要在视电阻率测量道上加一个隔直元件C，阻隔自然电位进入该道而不受干扰；同时在自然电位测量道上加一个隔交元件L，它只允许自然电场的直流电位信号通过，而阻断了研究视电阻率的脉动直流电场的信号干扰。使M电极同时接收到的两个场的电位信号别离互不干扰。单独进行自然电位测井是极少的。2.自然电位测井及曲线特征

由自然电场分布特征可以看出在砂岩和泥岩交界处自然电位有明显的变化，变化的幅度与Ed和Eda有关。在相当厚的纯砂岩和纯泥岩交界面附近的自然电位变化最大，它是产生自然电场的总电动势E总。E总=Ed—Eda=Klg2.自然电位测井及曲线特征

式中K为自然电位系数。通常把E总叫作静自然电位记作SSP。此时Ed的幅度称砂岩线，Eda的幅度叫泥岩线。实际测井中以泥岩线作自然电位测井曲线的基线〔即零线〕，在18℃时的纯砂岩层处的SSP=—69.6lgRmf/Rw，井中巨厚的纯砂岩层井段的自然电位幅度近似认为是SSP。静自然电位的变化范围在含淡水岩层的+50mV到含高矿化度盐水岩层的—200mV之间。2.自然电位测井及曲线特征

按照图1-5(b)中等效电路，假设自然电流I所流经的泥浆、砂岩、泥岩各段等效电阻分别为rm、rsd、rsh，根据Kirchhoff定律得：SSP=Irm＋Irsd＋Irsh

2.自然电位测井及曲线特征

自然电流I=在砂岩层为有限厚时，它的自然电位幅度△Usp

自然电位测井理论曲线，它是在上、下围岩相同，目的层岩性不变，六种厚度不同的地层模型中经理论计算得到的一族曲线。曲线特点：曲线对地层中点对称；厚地层〔h>4d〕的自然电位曲线幅度值近似等于静自然电位，且曲线的半幅点深度正对着地层的界面，随着厚度的变小对着界面的曲线幅度值离开半幅点向曲线峰值移动；地层中点取得曲线幅度的最大值，随地层的变薄极大值随之减小且曲线变得平缓。2.自然电位测井及曲线特征

实测曲线与理论曲线特点根本相同，由于测井时受多方面因素的影响实测曲线不如理论曲线规那么〔见图1-7)。使用自然电位测井曲线时应注意：它没有绝对零点，是以厚层泥岩井段的自然电位幅度作基线；曲线上方标有带极性符号的横向比例尺，它与曲线的相对位置，不影响自然电位幅度的读数。自然电位幅度△Usp的读数是基线到曲线极大值之间的宽度所代表的毫伏数。2.自然电位测井及曲线特征

在泥岩层中，SP曲线通常接近一条直线，即所谓泥岩基线。在渗透性地层，Sp偏离泥岩基线，当地层相当厚时，曲线将到达一个根本固定的偏移幅度，定义为砂岩线。偏移可以向左〔负的〕或者向右〔正的〕，主要取决于地层水矿化度大于泥浆滤液矿化度，那么曲线向左偏转，矿化度的关系相反，偏移那么向右偏。2.自然电位测井及曲线特征

在砂泥岩剖面中钻井，一般为淡水泥浆钻进〔Cw>Cmf)，故在砂岩渗透层井段自然电位曲线出现明显的负异常；在盐水泥浆井中〔Cw<Cmf)，那么渗透层井段出现正异常，这是识别渗透层的重要特征，因此自然电位测井曲线得到广泛的应用。2.自然电位测井及曲线特征

SP曲线上的任何一点的斜率和该店深度上井内泥浆中的SP的电流强度成正比。自然电位曲线的幅度和形状，首先取决于自然电动势的大小，其次和自然电流分布有关，而自然电流的分布受节制的电阻率和几何形状和体积大小等因素控制。E总的大小取决于岩性、地层温度、地层水和泥浆中所含离子成分及泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。而自然电流I的分布那么决定于流经路径中介质的电阻率及地层厚度和井径的大小。这些因素对自然电位幅度及曲线特点均有影响，但影响有主次之分。3.影响因素一、地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值的影响3.影响因素地层水和泥浆滤液中含盐量的差异是造成自然电场中扩散电动势Ed和扩散吸附电动势Eda的根本原因。Ed和Eda决定于Cw/Cmf值。以泥岩作基线，当Cw>Cmf时，在SP曲线上砂岩层段那么出现负异常，即离开基线向横向比例尺标有“一〞号方向偏移的曲线变化；当Cw<Cmf时，砂岩层段那么出现正异常，即从基线向横向比例尺标有“十〞号方向偏移的曲线变化；当Cw=Cmf时，没有造成自然电场的电动势产生。在一定的范围内，Cw和Cmf差异大，造成自然电场的电动势高，曲线变化明显。二、岩性的影响3.影响因素在砂泥岩剖面中，自然电位曲线以泥岩为基线，只有在砂质渗透性岩层处才出现自然电位曲线异常。目的层为较厚的纯砂岩时，它与围岩之间的E总到达最大即静自然电位，此时在自然电位曲线上出现最大的负异常幅度。在其他条件均不改变的情况下，假设目的层含有泥质时，E总会随目的层泥质含量的增加而下降，因而所测曲线的幅度也随之减小。此外在剖面上由于局部泥岩的阳离子交换能力减弱会产生基线偏移，渗透层的自然电位曲线异常幅度也会相对变低。二、岩性的影响3.影响因素

随着电阻率增大时，自然电位幅值减小；地层越薄时，自然电位幅值越小。二、岩性的影响3.影响因素岩层倾角的影响当倾角小于45度时，岩层的倾斜会使自然电位曲线的幅值减小，在岩层地界面上出现不大的“台阶〞，随着倾角的增大，曲线幅值越来越小，“台阶〞越来越明显。当倾角大于45度时，自然电位出现双峰值，正对岩层中心的自然电位值反而减小。二、岩性的影响3.影响因素实线表示实测的自然电位幅值；虚线表示把两层看作一层是对应的自然电位幅值。夹层越大，自然电位幅值越小；薄层越多，产生的幅值越低。三、温度的影响3.影响因素同样岩性的岩层，由于埋藏深度不同，产生的自然电位曲线幅度有差异。为了研究温度对自然电位的影响程度常需计算出地层温度t℃时的Kd和Kda值。为计算方便，先计算出18℃时的Kd和Kda值，然后用下式可计算出任何地层温度t℃时的Kda值。Kda=Kda∣t=18℃

式中Kda∣t=18℃为温度为18℃时的扩散吸附电动势系数；t为地层温度。Kd的温度换算公式与Kda的形式相同。异常幅度也会相对变低。四、地层水和泥浆滤液中含盐性质的影响3.影响因素地层水和泥浆滤液内所含盐类不同，那么溶液中所含离子不同，不同离子的离子价和迁移率均有差异，直接影响Kd和Kda值。在纯砂岩井段，溶液中所含化学成分改变时，扩散电动势系数Kd也随之改变，参见表1-2，因此不同溶质的溶液，即使在其他环境条件都相同的情况下，所产生的Ed值各异。五、地层电阻率的影响3.影响因素当井内各局部电阻率相差不大且地层很厚时，公式〔1-12)中的rsd和rsh均比rm小得多而可以忽略，此时△Usp≈SSP。当目的层电阻率很高时rsh与rm相比已不可无视，此时△Usp<SSP，地层的电阻率越高那么△Usp越低。根据这一特点可以用自然电位幅度的差异定性地分辨油水层。六、地层厚度的影响3.影响因素自然电位曲线的幅度△Usp随着地层厚度变薄而减小，且曲线变得平缓。这是由于随着地层的变薄，自然电流经过的地层的截面变小，使得公式〔1-12〕中的、增大而使△Usp降低。七、井径扩大和泥浆侵入的影响3.影响因素井径扩大使井的截面加大，式〔1-12〕中的井的等效电阻rm随之减小，致使△Usp减小。在有泥浆侵入的渗透层井段所测的△Usp比同样渗透层没有泥浆侵入〔或侵入极浅〕时所测的△Usp要低。这是由于泥浆侵入的结果使地层水和泥浆滤液的接触面向地层内部推移〔这相当于产生自然电场的场源与测量电极M之间的距离增大〕的缘故。侵入越深△Usp越低。一、划分渗透性岩层4.自然电位曲线应用在淡水泥浆的砂泥岩剖面井中，自然电位测井曲线以大段泥岩层局部的自然电位曲线为基线，此时出现负异常的井段都可认为是渗透性岩层，其中的纯砂岩井段出现最大的负异常；含泥质的砂岩负异常幅度变低，而且随泥质含量的增多而异常幅度下降。此外△USP还决定于砂岩渗透层孔隙中所含流体的性质，一般含水砂岩的自然电位幅度△USP比含油砂岩的自然电位幅度△U油SP要高。如图1-8中，同一砂岩层中上部含油下部含水时，自然电位曲线上说明了上述结论。二、划分岩性剖面4.自然电位曲线应用自然电位主要由地层的岩性〔粒度、分选性、泥质含量〕有关，可以用曲线来分析岩性的变化，划分钻孔的地质剖面。在自然电位曲线解释中，通常取厚层泥岩〔或粘土〕上的自然电位曲线为基线。在地层水矿化度大于井液矿化度的情况下，在碎屑岩地层上自然电位曲线显示出负异常，并且负异常的幅值按以下顺序递减：粗砂岩—中砂岩—细砂岩—粉砂岩—泥岩〔或粘土岩〕。利用自然电位曲线可以有效划分出各种碎屑岩地层及泥岩地层。二、划分岩性剖面4.自然电位曲线应用在识别出渗透层后，可用“半幅点〞法确定渗透层的界面位置。首先确定基线，找出基线与自然电位幅度极大值之间的二等分点P，过P点作平行于井轴的直线与曲线相交于a、b点，a、b点分别对应渗透层的顶、底界面深度位置，分别记作Ha和Hb。用两个界面的深度差可计算出渗透层厚度h=Hb-Ha，当渗透层厚度满足于h/d>4时，半幅点法是可信的，地层越厚精度越高。薄渗透层一般是以微电极系或短电极距的视电阻率曲线为主配合以自然电位曲线来划分渗透层界面。三、划分矿层4.自然电位曲线应用在金属矿、煤田等测井中，自然电位曲线可以用来配合其他测井曲线划分矿层，确定矿层深度，并了解矿层的结构。通常，在金属硫化物、石墨以及高碳化的煤层上，都能看见明显的自然电位异常。因此，用自然电位曲线来划分这些矿层，一般能取得较好的地质效果。三、划分矿层4.自然电位曲线应用图为辽宁某多金属矿区自然电位曲线。该矿体位于碳酸盐岩层中，围岩简单，但侵染发育，矿石成分以黄铁矿、方铅矿、闪锌矿为主，呈致密状及侵染状。矿层上，自然电位曲线显示出幅值达100—200MV的正异常。根据自然电位曲线，可以确定矿层的富集带的位置。同时，自然电位幅值的变化正反映了该层上下局部金属矿物含量的贫富变化。在某些情况，如在高阻围岩中的稀疏侵染状矿体，在低硫化煤层和褐煤层上，自然电位异常往往很小，甚至没有异常。四、确定砂岩的粒度中值4.自然电位曲线应用在石油、煤、石膏等沉积矿产的研究中，砂岩的粒度中值Md是一个重要的成因参数。知道了粒度中值，就可以更好的划分不同粒级的砂岩层。经验说明，在砂—泥剖面中，自然电位测井曲线的相对值△SP与砂岩的粒度中值Md之间存在指数相关关系，即Md=AA、K为经验系数△SP=〔SP-SPsh〕/〔SPsd-SPsh〕SPsh、SPsd分别为厚层纯泥岩和纯砂岩的自然电位幅值，sp为解释层的自然电位幅值。两边取对数lgMd=lgA+Klge﹒△SPLgMd=C0+C1﹒△SP这就是粒度中值的经验公式。在工作区，对样品进行一元线性回归分析，可以确定常数C0和C1的具体数值，用此公式，根据解释层的△SP值估计出该层的粒度中值。五、估计泥质含量4.自然电位曲线应用鉴于砂岩的自然电位异常幅值与其泥质含量之间有着较密切的相关关系，在测井解释中已经提出了根据砂岩的自然电位异常幅值来确定其泥质含量的多种方法。仅介绍较常用的一种方法。在其他条件不变的情况下，砂岩的自然电位异常幅值随其泥质含量的增大而减小。可以近似地将砂岩的自然电位异常幅值SP与其泥质含量〔体积含量〕Q之间的关系看作是线性关系，即SP=a+bQ对于纯砂岩，Q=0，故SPsd=a；对于纯泥岩，Q=1，故SPsh=a十b，或者，b=SPsh-a=SPsh-SPsd。由此得到SP=SPsd十〔SPsh-SPsd〕Q即Q=〔SP-SPsd〕/〔SPsh-SPsd〕SP是在厚层砂岩年层上测得的自然电位上异常幅值；SPsd和SPsh分别为厚层纯砂岩和纯泥岩上测得的自然电位异常幅值。五、估计泥质含量4.自然电位曲线应用Q=〔SP-SPsd〕/〔SPsh-SPsd〕SP是在厚层砂岩层上测得的自然电位上异常幅值；SPsd和SPsh分别为厚层纯砂岩和纯泥岩上测得的自然电位异常幅值。六、确定地层水电阻率Rw4.自然电位曲线应用在求地层水电阻率Rw时，要选择剖面中较厚的饱含水的纯洁砂岩层。读出该层的自然电位幅度△USp，并根据泥浆资料确定泥浆滤液电阻率Rmf，根据式〔1-9〕中关系可以求出Rw值。这对于低矿化度的地层水和泥浆滤液来说，所得到的Rw是正确的。但当上述溶液矿化度较高时，由于矿化度与溶液电阻率不是线性关系、如果仍用式〔1-9〕中关系求Rw那么会产生误差。为此引入“等效电阻率〞概念，即不管溶液矿化度范围，溶液的等效电阻率和溶液的矿化度总是保持线性关系，此时公式〔1-9〕可改写为SSP=Klg(1-15)式中Rmfe为泥浆滤液等效电阻率，Rwe为地层水等效电阻率。式〔1-15)适用于任何矿化度的溶液，但求出的结果是地层水等效电阻率Rwe，然后再用SP-2图版求出Rw。六、确定地层水电阻率Rw4.自然电位曲线应用1确定含水层的静自然电位值SSP如果所选含水层相当厚。无侵入，而且目的层与围岩和泥浆的电阻率相差不大时，可以直接读出该含水层的自然电位幅度值△Usp近似作为SSP使用。如果含水层不满足上述条件时，那么必须对该层的△Usp进行厚度、电阻率和侵入情况的校正得到SSP。这项工作使用的工具是SP-3图版〔图1-10)。六、确定地层水电阻率Rw4.自然电位曲线应用1确定含水层的静自然电位值SSPSP-3图版是由12块图版组合成的复合图版。其中左边一列是在无侵入条件下绘制的；右边三列均为有侵入，且侵入带直径di与井径d比值为5〔di/d=5〕的条件下绘制的。每块图版是在Rxo/Rt〔Rxo是冲洗带电阻率，Rt是原状地层电阻率〕、Rs/Rm〔Rs是围岩电阻率，Rm是泥浆电阻率〕取不同数值时，所作的△Usp/SSP与h/d的关系曲线族，曲线号码为Rt/Rm无侵入〕或Rxo/Rm(有侵入〕。使用图版时