地球物理测井第一章 第四节 自然电位测井

自然电位现象： （1）自然电位与岩性有关； （2）自然电位与泥浆及地层水矿化度有关；
SP曲线
前言
■ 三、 自然电位测井的特点
自然电位测井具有测量方法简单、实用价值高等
特点，是划分岩性、研究储集层性质、求取泥质
含量参数以及其它地质应用的基本方法之一。
■ 四、矿化度的概念
定义（矿化度）：溶液的盐浓度，早期用 ppm表示，意为part per million，即百万分之一，
Ea

Ka
lg
Cw Cmf
=Ka
lg
Rmf Rw
其中，Ek产生的前提条件是ΔP≠0 。通常情况下，ΔP很小，所以Ek
很小(可忽略)，所以油井中的自然电位主要是由扩散作用和吸附作
用所产生的。
注意：扩散电位和吸附电位产生的重要条件是：Cw≠Cmf。
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第一节 自然电场产生的原因
三、油井中的自然电场 －总电动势
动电学电动势Ek（Electrokinetic component of the SP）主要是 过滤电动势。
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第一节 自然电场产生的原因
一、电化学电动势
■ 1. 吸附电动势又称泥岩薄膜电位 （Membrane Potential）
产生的条件： 1.泥浆和地层水矿化度不同；
2.井壁地层有渗透性；
1928年，斯伦贝谢发现，井中电极与 放在远处的参考电极之间有电位差， 且该电位差随地层而变化。 当地层中没有外加电流时，通过仪器 测量井眼内自然电场中电位随井深变 化的测井方法。
只能用于导电泥浆的井中。
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前言
■ 二、自然电场的特点
自然电场的分布和岩性有密切的关系，特 别是在砂/泥岩剖面中能够以明显的曲线 异常变化来显示渗透性地层。因此，研究 井眼内自然电场中的电位变化即可反映井 眼穿过地层的特征。
扩散电动势形成示意图11Βιβλιοθήκη 第一节 自然电场产生的原因
一、电化学电动势
■ 2. 扩散电动势又称流体接触电动势 （Diffusion Potential）
在渗透性砂岩中，若地层水矿 化度大于泥浆滤液矿化度，则 地层中的钠离子Na＋与氯离子 Cl－将向泥浆滤液中扩散。
低浓度 低浓度
高浓度
氯离子Cl－迁移速度比钠离子 Na＋快，浓度大的一边正离子多。
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第四节 SP曲线的应用
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第四节 SP曲线的应用
一、判断渗透性岩层
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第四节 SP曲线的应用
二、估算渗透性砂岩厚度
层界面 层界面
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第四节 SP曲线的应用
二、估算渗透性砂岩厚度
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第四节 SP曲线的应用
三、确定地层水电阻率Rw
对于纯的含水砂岩地层，在地层水和泥浆滤液矿化度不太高的情况 下 ，其溶液的电阻率与活度呈反比关系，即： SSP K lg Rmf Rw Rmf-泥浆滤液电阻率； Rw-地层水电阻率。
常值最大； • 2）地层越厚，SP越接近于SSP，地层厚度
变小，SP下降，且曲线顶部变尖，底部变宽， SP<<SSP; • 3）当h>4d时，SP的半幅点对应地层的界面， 因此较厚地层可用半幅点法确定地层界面， 地层变薄时，不能用半幅点法分层。
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第三节 影响SP曲线的因素
在石油钻井的砂泥岩剖面中，自然电位的幅度和特点主要决定于造成自 然电场的静自然电位SSP，并且受自然电流 I 分布的影响。SSP的大小取 决于岩性、地层温度、地层水和钻井液中所含离子成分和钻井液滤液电 阻率与地层水电阻率之比；而自然电场中自然电流 I 的分布则决定于流 经路径中介质的电阻率及地层的厚度和井径的大小。这些因素对自然电 位幅度SP及曲线形状均有影响，但影响的主次存在差异。
储层
相当于1kg溶液中有若干mg盐（mg/kg）。目前 按法定计量单位为mg/L。
自然电位测井
钻井时，为了安全并且能获取全面的测井资料，一般使泥浆柱压力稍大
于地层压力，并且很多情况下使用淡水泥浆（泥浆的矿化度Cm<地层水
的矿化度Cw）。
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前言
■ 五、 离子迁移率
（温度18℃时几种离子迁移率） Na＋：4.35m2/mol； Cl－： 6.55m2/mol.
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第一节 自然电场产生的原因
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 油井中的自然电场一般是由地层和泥浆间发生的电化学作用和动电学作 用产生的，所产生的电动势分别称为电化学电动势和动电学电动势。
电化学电动势Ec（Electrochemical component of the SP）包括 扩散电动势，吸附电动势和氧化还原电动势；
过程：根据SP求出SSP，根据温度求出K，已知钻井液滤液电阻率Rmf， 便可求出Rw。
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第四节 SP曲线的应用
四、估算泥质含量
泥质含量及其存在状态与砂岩井段产生的扩散吸附电动势有直接关系， 因而用自然电位曲线可以计算泥质含量。目前用的方法是建立在大量的 实验工作基础上的，常用方法是图版法和计算法：
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第一节 自然电场产生的原因
Ek

Kl
p RL

Kl Kl
一般可忽略
第一节 自然电场产生的原因
三、油井中的自然电场 －总电动势
在油井中由于动电学作用和电化学作用产生了三种电位（电动势）：
过滤电动势：
Ek

Kl
p RL

扩散电动势：
Ed

Kd
lg
Cw Cmf
=Kd
lg
Rmf Rw
吸附电动势：
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第二节 自然电位测井曲线SP
二、关于SP曲线的几个相关概念
■ 1. 自然电位的基线： P45
纯砂岩层自然电位——SSP 静自然电位
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Cw>Cmf
第二节 自然电位测井曲线SP
三、SP曲线特征
根据砂岩地层模型，上、下围岩（泥岩）足够厚。对不同厚度的砂岩目 的层进行理论计算，得到一系列自然电位理论曲线。 特点： • 1）曲线关于地层中点对称，地层中点处异
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课后作业
1、名词解释
自然电位、扩散电位、吸附电位、泥岩基线、半幅点
2、简答题
（1）自然电位产生的主要原因？ （2）扩散电位和吸附电位的产生原理是什么？ （3）在沙泥岩剖面，用自然电位曲线如何判断地层渗透性？ （4）自然电位曲线的应用有哪些？
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扩散电动势与吸附电动势之和，可表示为：
Eda

Ed

Ea

(Kd

Ka ) lg
Cw Cmf

K da
lg
Rmf Rw
书P43
Kda——扩散吸附电动势系数； 对NaCl而言，Kda=70.7mV
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第二节 自然电位测井曲线SP
一、自然电位测井
进行自然电位测井时，将电极N放在地面，电极M用电缆送至井下， 沿井轴提升电极M测量自然电位随井深的变化，所记录的自然电位 随井深变化的曲线叫自然电位测井曲线（常称之为SP曲线）。
也有人称之为薄膜电位，因为泥岩好像
一个离子选择薄膜，只让正离子通过。
当溶液矿化度低或中等时，可表示为：
Ea

Ka
lg
Cw Cmf

Ka
lg
Rmf Rw
低浓度
高浓度
泥岩
低浓度
高浓度
Ka
Ka
Ka
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第一节 自然电场产生的原因
一、电化学电动势
■ 1. 吸附电动势又称泥岩薄膜电位 （Membrane Potential）
高浓度
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第一节 自然电场产生的原因
一、电化学电动势
■ 2. 扩散电动势又称流体接触电动势 （Diffusion Potential） 在动态平衡的情况下，接触面就有稳定的扩散
电动势。当溶液矿化度低或中等时，可表示为：
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第一节 自然电场产生的原因
一、电化学电动势
■ 3. 氧化还原电动势 当金属与溶液接触时，金属会得到或者失去电子而带电，从而
1．温度的影响
2. 岩性的影响

34．. 地电层解水质和成钻分井的液影响滤波中含盐浓度比值（CUwsp／CSmSfP）(1的影r1t响rsh )
5. 地层厚度的影响
rm
6. 地层电阻率的影响 7．井径扩大和钻井液侵入的影响
自然电流通过钻井液 电阻上的电位降
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第三节 影响SP曲线的因素
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第一节 自然电场产生的原因
一、电化学电动势
■ 2. 扩散电动势又称流体接触电动势 （Diffusion Potential）
两种浓度不同的溶液，被半透膜隔开，离 子在渗透压作用下，高浓度溶液的离子将 穿过半透膜向较低浓度的溶液中移动，这 种现象叫扩散。
半渗透薄膜
扩散电动势形成条件：
1.泥浆和地层水矿化度不同； 2.地层有渗透性； 3.离子迁移率不同。
3.地层颗粒对不同极性离子有不同吸附性
泥岩隔膜
泥岩的性质： 从电位的形成来看，负离子不能移动，
好像岩石具有选择吸附性，于是把这种 电位叫做吸附电位，用Ea表示。
泥质半渗透隔板吸附电位形成实验
离子交换作用
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第一节 自然电场产生的原因
一、电化学电动势
■ 1. 吸附电动势又称泥岩薄膜电位 （Membrane Potential）
扬工院钻井专业教学课件
《地球物理测井》
第一章
第四节 自然电位测井
Spontaneous Potential Logging (S P)