自然电位附自然伽马

自然电位测井方法原理

在早期的电阻率测井中发现：在供电电极不供电时，测量电

极M在井内移动，仍可在井内测量到有关电位的变化。这个电位

是自然产生的，故称为自然电位。使用图1所示电路，沿井提升

M电极，地面仪器即可同时测出一条自然电位变化曲线。

自然电位曲线变化与岩性有密切关系，能以明显的异常显示

出渗透性地层，这对于确定砂岩储集层具有重要意义。自然电位

测井方法简单，实用价值高，是划分岩性和研究储集层性质的基

本方法之一。

图 1 自然电位测井原理

一、井内自然电位产生的原因

井内自然电位产生的原因是复杂的，但对于油井，主要有以下两个原因：地层水的含盐量(矿化度)与泥浆的含盐量不同，地层压力和泥浆柱压力不同，在井壁附近产生了自然电动势，形成了自然电场。

1．扩散电动势(Ed)的产生

如图2所示，在一个玻璃容器中，用一个渗透性的半透膜将

其分隔开，两边分别装上浓度为Cl和C2(C1>C2)的NaCl溶液，

并且在两边分别放人一只电极，此时表头指针发生偏转。此现象

可解释为：两种不同浓度的NaCl溶液接触时，存在着使浓度达

到平衡的自然趋势，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，这一现象称为离子扩散。

在扩散过程中，由于Cl-的迁移率大于Na+的迁移率，扩散

结果使低浓度溶液中的Cl-相对增多，形成负电荷聚集，高浓度溶

图2扩散电动势产生示意图液中Na+相对增多，形成正电荷聚集。这就在两种不同浓度的溶

液间产生了电动势，所以可测到电位差。离子在继续扩散，高浓度溶液中的Cl-，由于受高浓度溶液中正电荷的吸引和低浓度溶液中负电荷的排斥，其迁移速度减慢；而高浓度溶液中的Na+，由于受高浓度溶液中正电荷的排斥和低浓度溶液中负电荷的吸引，其迁移速度加快，这使得电荷聚集速度减慢。当接触面附近的电荷聚集使正、负离子的迁移速度相等时，电荷聚集就停止了，但离子还在继续扩散，溶液达到了动平衡，此时电动势将保持一定值：这个电动势是由离子扩散作用产生的，故称为扩散电位(Ed)，也称扩散电动势，可用下式表示：

mv g/L。

与上述实验现象一样，井内自然电位的产生也是两种不同浓度

的溶液相接触的产物。在纯砂岩井段所测量的自然电位即是扩散电

动势造成的，这是由于浓度为Cw的地层水和浓度为Cmf的泥浆滤

液在井壁附近接触产生扩散现象的结果。通常，Cw>Cmf，所以一般

扩散结果是地层水内富集正电荷，泥浆滤液中富集负电荷，如图3

所示，有

图3 井内自然电位分布示意图

或

2．扩散吸附电动势(Eda)

如图4所示，将两种不同浓度(C1>C2)的NaCl溶液用

泥岩隔膜分开。实验结果表明：浓度大的一方富集了负电

荷，浓度小的一方富集了正电荷。其原因可以解释为：泥

岩的孔隙道极小，泥质颗粒对Cl-有选择性吸附作用，Cl-

都被束缚在泥质颗粒表面，不能自由移动，使得Cl-的迁

移速度为零，在扩散过程中，只有Na+可向低浓度一方移

动。因此，在泥岩井壁上只发生Na+的扩散，这时形成的

电动势称为扩散吸附电动势(Eda)。因为泥岩选择性地让

正离子通过，其作用有如化学中的半透膜，所以扩散吸附图4扩散吸附电动势示意图电位也称薄膜电位，其表达式为

在砂泥岩剖面的井内，在泥岩井壁附近，由于泥浆滤液浓度与地层水的浓度不同(Cw>Cmf)而产生的扩散吸附电动势为

3、过滤电动势（动电电动势）

在压力差的作用下，当溶液通过毛细血管时，由于毛细血管壁吸附溶液中负离子，使溶液正离子相对增多，并且同溶液一起向压力低的一端移动，因此在毛细管两端富集了不同符号的离子，压力低的一端带正电，压力高的一端带负电，从而产生了电位差，如图5所示：在岩层中有很多很细的连通孔隙，相当于上述的毛细管。当泥浆柱压力大于地层压力时，

由于岩层中的毛细管孔道壁和泥饼中的泥

质颗粒要吸附泥浆滤液中的负离子，而正

离子随着泥浆滤液向地层中移动，这

样在井壁附近聚集了大量负离子，在岩层

内部有大量正离子，这种电位称为过滤电

动势。

图 5 过滤电动势形成示意图

二、自然电位测井曲线

在钻穿地层的过程中，地层与泥浆相接触，产生了扩散吸附作用，在泥浆与地层接触面上产生了自然电位。

1.井内自然电场的分布

设砂岩、泥岩的地层水矿化度分别为C2，C1，泥浆滤液的矿化度为Cmf，且有Cl≥C2>Cmf。在砂岩和泥浆接触面上，由于扩散作用，产生的扩散电动势为

在泥岩和泥浆接触面上，由于扩散吸附作用，产生的扩散吸附电动势为

在砂岩和泥岩接触面上，由于扩散吸附作用，产生的扩散吸附电动势为

在井与砂岩、泥岩接触面上，自然电流回路中的总自然电动势

式中 K=Kd+Kda，称为自然电位系数。可以写成：

通常把E。写作S5P，称为静自然电位。实际测井时以泥岩作自然电位曲线的基线(即零线)，当Cw>Cmf时，砂岩的自然电位异常为负值，因此上式右端取负号。把井中巨厚的纯砂岩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．自然电位曲线特点

图6是一组含水纯砂岩的自然电位理论曲线，横坐标是自然电位与静自然电位之比ΔUsp／SSP，纵坐标为地层厚度h，曲线号码为层厚与井径之比h／d。当上、下围岩很厚且岩性相同时，从曲线上可以看到下列特点：曲线关于地层中点对称，地层中点处异常值最大；地层越厚，ΔUsp越接近SSP，地层厚度变小，△Usp下降，且曲线顶部变尖，底部变宽，△Usp≤SSP；当h>4d时，△Usp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。实测曲线与理论曲线特点基本相同，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则(图7)。使用自然电位曲线时应注意：自然电位曲线没有绝对零点，是以泥岩井段的自然电位曲线幅度作基线；自然电位曲线幅度△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。

在砂泥岩剖面中，以泥岩作为基线，Cw>Cmf时，砂岩层段出现自然电位负异常；Cw