地球物理测井方法课件：1-2 自然电位测井

ΔP—泥浆柱与地层之间的压力差，atm
Aφ—过滤电动势系数，mV，渗透岩石0.77mV ε —泥浆滤液的介电常数 ζ —是与岩石的物理化学性质有关的参数
4.35 6.46 5.16 4.50 5.16 4.50 5.16 5.16 3.15 4.35
负离子
Cl－ Cl－ Cl－ Cl－ SO42－ SO42－ CO32－ HCO3－ HCO3－ OH －
迁移率l(m2.S/mol )
6.55 6.55 6.55 6.55 6.79 6.79 6.00 4.67 4.67 17.4
3. 双 水
粘土束缚水：
双电层外层那部分水，主要含阳离子。
远水：
双电层以外，离颗粒表面较远的那部分水，正负
离子大体平衡，是正常性质的地层水。
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二、储集层的自然电动势 1. 扩散电动势（含水纯岩石）Ed
Cw>Cmf,且NaCl分 子全部电离，岩性 纯，无双电层， 水是远水
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当溶液浓度较低时（R>0.1.m)，电阻率与 浓度成线性反比：
Cw Rmf
Cmf
Rw
Rmf —泥浆滤液电阻率 Rw—地层水电阻率
Ed
Kd
lg Cw Cmf
Kd
lg
Rmf Rw
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2. 扩散-吸附电动势（泥质岩石）
1）因为含泥质，所以在岩石颗粒表面有双电 层，岩石孔隙中有粘土水和远水;
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Ed表达式：
Ed
2.3 l l
l l
RT ZF
lg
Cw Cmf
Kd
2.3 l l
l l
RT ZF
l+—正离子迁移率, l-—负离子迁移率
R—气态常数，T—绝对温度
Z—离子价，F—Faraday常数
Kd —扩散电动势系数
Cmf—泥浆滤液浓度，Cw—地层水浓度
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溶液的扩散 电动势系数
(mV) －11.6 －0.4 －19.6 －22.5 －7.9 －11.7 －4.4 －12.3
46.6
34.7
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扩散电动势Ed表达式：
Ed
Kd
lg Cw Cmf
Kd—扩散电动势系数, 18℃时，对于NaCl溶液，Kd = -11.6mV
Cmf—泥浆滤液浓度，Cw—地层水浓度
（北京）
CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM
本科生课程 《地球物理测井方法》
第 1 章 电法测井
（Electrical Logging）
第1节 普通电阻率测井 第2节 自然电位测井 第3节 侧向测井 第4节 感应测井
第2節 自然電位測井
井内自然电场产生原因 自然电位测井及SP曲线 SP曲线的应用、标准测井
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ELECTRICAL DOUBLE LAYER OF CLAYS
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2. 阳离子交换
双电层内的阳离子或其水合离子相互交换位置，或与双 电层之外的阳离子及水合离子交换位置而移动，产生导 电现象，这种现象称为粘土的阳离子交换作用。 交换的难易程度：决定于岩石表面对阳离子的静电引力。
1) 在泥浆与地层间的压力差作用下，泥浆滤 液推动地层中流体移动；
2) 带动离子双电层中扩散层中的正离子向同 方向流动；
3) 在低压一侧富集正电荷，高压一侧富集 负电荷，形成过滤电动势；
4) 泥饼形成后便不再有过滤电动势。
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过滤电动势表达式:
E
A
Rmf
P
A 4
Rmf—泥浆滤液电阻率，Ω.m μ—泥浆滤液的粘度，Pa.s
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（3）岩石颗粒与水溶液接触的表面带有固定不动的负电荷， 粘土矿物中最显著；
原因：主要由于粘土晶体的置换作用和破键作用！
置换作用—Si-O四面体中Si4+被 Al3+离子置换，Al-O八 面体中Al3+被Mg2+、 Fe2+等离子置换；
破键作用—粘土结构单位层的四 周边缘发生化学键破 裂，产生多余负电荷。
半透膜
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扩散电动势（含水纯岩石）形成过程 1) 离子从浓度高的一方向浓度低的一方扩散;
2) Cl-的速度>Na+的速度,低浓度一侧的Cl-富 集，高浓度一侧Na+富集，在两种溶液交界 处产生电动势（电场）;
3)电场使Cl-迁移速度减慢，而Na+迁移速度加 快，使电荷富集速度减慢;
4) 正负离子迁移速度相同时,电动势不再增加,达 到动态平衡。此时的电动势称为扩散电动势。
2）在浓度差的作用下发生扩散（远水中的钠 离子、氯离子；扩散层中的钠离子）,钠离 子的数量比纯岩石情况下多；
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3）富集的电荷量比纯岩石少，产生电动势 变小；
4）当泥质含量达到一定程度，电动势反向;
5）泥质岩石中的这种电动势，称为扩散-吸 附电动势。
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3. 过滤电动势（压力差引起）
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常见离子迁移率及电解质溶液的Kd值（18℃时）
溶质化学 成分
NaCl KCl CaCl2 MgCl2 CaSO4 MgSO4 CaCO3 Ca(HCO3)2 H2CO3 NaOH
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正离子
Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Ca2+ Mg2+ Ca2+ Ca2+ H+ Na+
迁移率l+ (m2∙S/mol )
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
吸附层 扩散层 自由水
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（5）离子双电层
内层：岩石表面负电荷 外层：吸附的阳离子
(吸附层和扩散层)
（6）双电层是在岩石沉积、压实和成岩过程中形成的。 砂岩：双电层外层的厚度非常小，孔隙中含大量自由水；
泥岩：表面负电荷多，双电层外层的厚度很大，能够移动
的地层水在压实过程中排出去，水全是束缚水。
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（4）带负电的岩石表面要吸附阳离子以达到平衡： 直接吸引极性水分子→吸附水；吸引Na+的水合离子
一部分阳离子紧贴岩石表面，不能移动 → 吸附层
吸附层之外阳离子，可正常移动 → 扩散层
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+ + + + + + + + + +
++ +
++ +- + ++ -
++ +
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自然电位(直流）与电阻率（交流）同时测量
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Hale Waihona Puke Baidu
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§1 井内自然电场产生原因 一、岩石孔隙水中离子的分布
1. 离子双电层的形成
（1）岩石中的水分子是一种电荷不完全平衡的极性分子，对 外可显示为正、负两个极性；
H
H
O
（2）地层水中盐分子（主要是NaCl）充分离解，Na+和Cl-可 分别与极性水分子形成水合离子；