自然电位1-1
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。
第4讲自然电位测井
电 法 测 井 的 一 种 。 也 叫 SP Log （ 源 自 Spontaneous Potential Log）
测量井下岩层的电阻率，一 般须人为供电。
进行电阻率测井时，目的层 测量结束、在断电情况下， 发现记录仪仍然显示，井下 有电位的变化。
根据自然电位曲线研究井内地质剖面的方法－ 自然电位测井（SP，单位：mV）。
Ed KdlgC Cm wfKdlgR Rm wf
Kd——扩散电动势系数 对于NaCl溶液，在18°C时，Kd＝-11.6mV
扩散吸附电动势
实
将渗透性隔板换成泥岩 验
浓度大的一方富集负电 荷，浓度小的一方富集正 电荷
Cw
Cm
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
扩散吸附电动势Eda表达式
EdaKdalgC Cm wfKdalgR Rm wf
Kda——扩散吸附电动势系数 对于NaCL, 在18°C时，Kdamax＝58mV 在一般情况下Kda在－11.6mV(纯砂岩，Qv＝ 0）到58mV（纯泥岩，Qv→∞）之间变化。
过滤电动势E
钻井过程中，泥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。
E主要取决于压差ΔP，通常忽略不计。
3. 自然电位测井
自然电位测井时，测量 电极N放在地面，M电极 用电缆放至井下，提升M 电极沿井轴测量自然电位 随井深变化曲线。
自然电位测井通常与电 阻率测井同时进行。
自然电位
自然电位测井中国石油新闻中心[ 2007-04-24 15:43 ]早期的测井是将电极系放到井下，在供电电极供给电流时，地面用电位计观察测量电极间电位差的变化。
然而，在供电电极停止供电后，当提升电极跨过地层界面时，仍然观察到电位计指针的变化。
于是，发现了自然电位测井。
生活中，当我们信步在绿草花丛中，会闻到阵阵花香；当我们穿行于茶市酒楼间，会飘来茶香酒香，这都是气体分子在空气中的扩散。
同样，液体中也会发生扩散，把墨水滴入水中，颜色范围就会逐渐扩大，即使同一种液体，由于浓度不同也会发生高浓度向低浓度的扩散。
从化学实验中知道，当浓度不同的氯化钠盐水用渗透性膜隔开时，会发生扩散，即高浓度盐水的离子穿过渗透膜移向低浓度。
然而，钠离子和氯离子的迁移率是不同的，氯离子的迁移率大于钠离子。
于是，在渗透膜的低浓度一侧负离子增多，呈现负电荷；而高浓度一侧正离子增多，呈现正电荷。
此时，若把连接电位计的两个电极分别放到高浓度和低浓度溶液中，则可观察到电位计指针的变化，这种由于扩散作用产生的自然电位称扩散电动势。
油气井中，砂岩地层孔隙中通常饱含盐水，其氯化钠浓度常常高于井内钻井液的盐浓度，因此，在正对砂岩地层处，井壁钻井液一侧呈现负电荷，而砂岩地层呈现正电荷。
由于离子扩散而引起自然电位只是产生自然电位的一种原因，由于吸附、压差、氧化还原等原因也会引起自然电位。
在石油勘探中，主要是扩散、吸附产生的自然电位。
在上述诸多原因的作用下，井内自然电位的分布如图所示。
泥岩层的自然电位为“正”，砂岩层的自然电位为“负”。
如果以泥岩的自然电位为基线，则砂岩的自然电位向负偏，且砂岩的渗透性愈好，其自然电位相对泥岩愈“负”。
由于油、气、水都是贮藏在孔隙性好、渗透性好的砂岩中，因此用自然电位测井曲线找出渗透性地层，然后再配合其他测井曲线分辨油、气、水层。
视电阻率apparent resistivity 是电阻率法用来反映岩石和矿石导电性变化的参数。
5-自然电位
四、自然电位测井在油气层识别中的应用
6、自然电位正异常时识别低阻油层 、
地层水矿化度降低引起的扩散电位方向与吸附电位方向相 反。因此，自然电位正异常幅度高低成为定性识别油层，剔 除高阻水层的最有效手段之一。
四、自然电位测井在油气层识别中的应用
7、钻井液电阻率设计 、 自然电位正异常幅度高低成为定性识别油层，剔除高阻水 层的最有效手段之一。为满足上述条件，钻井液设计应尽量 遵循下列原则： （1）通过适当提高钻井液矿化度，使大部分储层形成自然 电位正异常。 （2）钻井液矿化度提高对储层电阻率影响最小。
自然电位测井再分析
田永敏
自然电位测井再分析
一、油气层、水层矿化度差异 油气层、 二、自然电位测井含义 三、自然电位测井影响因素分析 四、自然电位测井在油气层识别中的应用
一、油气层、水层矿化度差异 油气层、
1、油气层地层矿化度高于水层矿化度 、
准噶尔盆地陆梁地区
一、油气层、水层矿化度差异 油气层、
三、自然电位测井影响因素分析
4、自然电位异常钻井液性质 、
（1）当Rmf>Rw时，自然电位为负异常；（2）当 Rmf<Rw时，自然电位为正异常；（3） Rmf与Rw差别 越大，自然电位异常幅度越大。
三、自然电位测井影响因素分析
4、自然电位异常与侵入深度 、
侵入越深，自然电位幅度越低，因为侵入越深，侵 入带内的混合液矿化度与井眼内的钻井液滤液矿化度 越接近。
8、实例分析之四 、
冀东油田M2-8井测井解释成果图分析之五 、
中原油田文123-19井测井解释成果图
四、自然电位测井在油气层识别中的应用
8、实例分析之五 、
中原油田文123-19井测井解释成果图
自然电位原理1综述
通过砂岩至井壁直接扩散
扩散：扩散有两条路径
通过围岩向泥浆扩散
1 纯砂岩的扩散电动势
u v RT Cw Ed 2.3 lg u v F Cmf
F：法拉第常数
R：摩尔气体常数
自然电位测井
SELF-POTENTIAL LOG
自然电位: 自然电场产生的电位.
测量装置很简单,一个M电极,一个N电极在地面, VN为定值,M随井深而变化,VMN也如此。
SP +
一
自然电位的成因
由于泥浆和地层水的矿化度不同，在钻开岩层后，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，在石油井中的自然
E
A
Rm f
P
一 总的电化学电动势 据自然电位的成因可得井内自然电场的分布： 纯砂岩的扩散电动势Ed 纯泥岩的扩散吸附电动势Eda
自 然 电 流
根据KIRCHHOFF 定律得： E总 = Ed + Eda （代数和）
静自然电位：纯砂岩与纯泥岩交界面处的总电化学电动势用SSP来
表示。
Rmf SSP K lg Rw
二 划分渗透层及层界面 如果是砂泥岩剖面:
Cw / Cmf > 1
△Vsp有负异常 Cw / Cmf < 1 △Vsp有正异常 Cw / Cmf = 1 △Vsp无异常
渗透层 渗透层 渗透层
无论是正、负、无异常都是指的△Vsp的幅度，层界面在半 幅点，碳酸岩盐的渗透层常夹在厚层致密灰岩之间，离泥岩 较远，在Cw / Cmf > 1 下仍有负异常，但I 要经过大段的致密 灰岩串后才能形成回路。因此层界面不清，幅度小。通常情 况下不用SP来分层。 膏盐地层不含地层水且很致密，不能产生Es。
自然电位及自然伽马
������������ = ������������ lg
������2 ������������������
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 ������������������ 1 = ������������������ lg ������1 ������������������
������ 1
������������ = ������������ lg 或 ������������ = ������������ lg
������������������ ������������
������������ ������ ������������
图 3 井内自然电位分布示意图
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 ������1 ������������������ 2 = ������������������ lg ������2 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������������ 即 ������������ = ������������ + ������������������ 1 −������������������ 2 ������2 = klg ������������������ 式中 K=Kd+Kda，称为自然电位系数。可以写成： ������������������ ������������ = −klg = ������������������ ������������ 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Δ Usp／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，Δ Usp 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<Cmf 时，砂岩层段出现自然电位正异常；Cw=Cmf 时，没有造成自然电场的电动势产生，则没有 自然电位异常出现。Cw 和 Cmf 差别越大，造成的自然电场的电动势越大。
自然电位判断
实例一：油层： 图1中1、2号小层均是油层：微电极曲线幅度差均匀,说明渗透性变异 不大，地层中点是自然电位曲线的最大值，以中点为轴线对称分布， 而感应曲线呈明显的低电导(高电阻)，底部无下滑。4米电阻率曲呈现 高阻特征。
应用自然测井电位 判断油水层
23118
主要用途：储层
分层地层对比；划
分水淹层；相对
34
地判断油水层。
自然电位曲线应用
划分渗透层（砂泥岩剖面）
•Rw<Rmf，以泥岩为基线，渗 透层出现负异常，岩性越纯， 负异常幅度越大 •含泥质砂岩层，负异常幅度 较低，随泥质含量增多，异常 幅度下降； •含水砂岩的异常幅度比含油 砂岩的要高。 •用“半幅点”法确定渗透层 的上、下界面位置。（地层厚 度越厚，精度越高）
图6 高水淹层测井图
图7显示该层微电极曲线幅度差偏高，并且呈锯齿状，说明灰质影响；而感 应曲线幅度差较高，但明显下滑，分析底部水淹严重，与微电极曲线对比，顶 部高值主要受灰质影响；4米电阻率较高，但分析主要由于灰质影响，该层水 淹程度较高。
微电极
4米电阻
感应电导
自然电位
图7 高水淹层测井图
实例六：中水淹层： 图8显示微电极曲线幅度差均匀,说明岩性变化部明显；由于底部水淹，自然电位 曲线底部幅度差较顶部大；而感应曲线呈明显的低电导，但底部明显下滑，4米 电阻率较弱水淹层低
22n22井测井曲线
生物灰岩：微电极分开，有正差异，自然电位
自然电位
（3）SP曲线形态简单，又很有地 质特征，因而便于井间对比，研究砂体 空间形态。后者是研究沉积相的重要依 据之一。
（4）SP曲线分层简单，便于计算 砂泥岩厚度、一个沉积体总厚度、沉积 体内砂岩总厚度、沉积体的砂泥岩比等 参数，按一个沉积体画出，也是研究沉 积环境和沉积相的重要资料。如沉积体 最厚的地方指示盆地中心，泥岩最厚的 地方指出沉降中心，砂岩厚度和砂地比 最高的地方指出物源方向。沉积体的平 面分布则则指出沉积环境。
.
4.确定标准温度下的地层水电阻率Rwn
(1)确定标准温度下泥浆电阻率:RmN=71.4Rm18℃/82.2 (2)确定标准温度下泥浆滤液电阻率:RmfN=Km(RmN)1.07
Km是常数,与泥浆比重有关
(3)确定RmfeN
当RmfN>0.1Ω.M时,RmfeN=0.85RmfN
当RmfN≤0.1Ω.M时,RmfeN=(146RmfN-5)/(337Rmfn+77)
自然电位测井
.
1
自然电位测井
自然电位测井是在裸眼井中测量井轴上自 然产生的电位变化，以研究井剖面地层性 质的一种测井方法。它是世界上最早使用 的测井方法之一，是一种最简便而实用意 义很大的测井方法，至今仍然是砂泥岩剖 面淡水泥浆裸眼井必测的项目之一。只要 在井内电缆底端装一个不极化电极M，在 地面泥浆池内放入另一个电极N，将它们 与地面记录仪相连，当匀速上提M电极时 ，记录的电位差变化便是井轴上自然产生 的自然变化。自然电位曲线，各个泥岩层 的曲线大体上在右边形成一条直线，称为 泥岩基线，而各个砂岩储集层则以泥岩基 线为背景形成大小不同的曲线异常，称为 自然电位异常。明显的自然电位异常是砂 岩储集层最明显的特征。
自然电位的概念
自然电位的概念自然电位（Resting membrane potential）是细胞膜在静息状态下的电位差，通常指神经元或肌肉细胞的电位。
它是细胞内外离子浓度和通透性的结果，是神经元和肌肉细胞的重要生理指标。
神经元和肌肉细胞的自然电位是维持其正常功能的重要基础，对于神经传导、兴奋传递和肌肉收缩等生理过程起着至关重要的作用。
在细胞膜的生物电学性质中，自然电位是一个极为重要的参数。
自然电位的产生与细胞膜上的离子通道、静息离子内外浓度差异以及细胞膜的电容性质等密切相关。
这些因素共同导致了细胞膜内外的电位差，维持了细胞在静息状态下的电位稳定性。
自然电位的维持是靠离子泵和离子通道的共同作用。
在细胞膜上，存在着多种离子泵和离子通道，它们对细胞内的离子浓度和电位稳定起着关键作用。
其中，Na+/K+泵、Ca2+泵等离子泵通过主动转运维持了细胞膜内外的Na+、K+、Ca2+等离子浓度差异，而离子通道如Na+通道、K+通道、Cl-通道等则可以让离子在膜上自由扩散，从而调节细胞内外的电位。
在静息状态下，细胞内外离子浓度差异导致了自然电位的形成。
在神经元和肌肉细胞中，自然电位的值通常为-70mV左右。
这是由于在细胞膜上Na+/K+泵的作用下，细胞内外Na+、K+离子浓度产生了梯度，在添加上细胞质中还有蛋白质负电荷和其他阴离子的存在，导致在细胞膜上形成了负电位，细胞膜内外离子浓度不同也使得不同离子的渗透性也不同，K+离子内外渗透能力高，进一步增强了细胞膜上的负电位。
细胞静息状态的自然电位是细胞正常生理功能的基础。
首先，它是神经元和肌肉细胞的兴奋传导的基础。
在神经元兴奋传导的过程中，细胞外的刺激能够改变细胞膜上的离子通道的状态，导致离子通道的开放和关闭，从而改变了细胞膜的电位。
而对于神经元来说，只有当细胞膜上的电位达到一定的阈值时，才能够引发动作电位的产生，从而实现神经信号的传导。
而这一系列的兴奋传导，正是依赖于细胞膜上的自然电位的稳定性。
地球物理讲义第二章 自然电位1
如：
Rwe=0.016 T=95o
Rw=0.2
2、 (1)根椐厚度和Ri/Rm确定SSP校正系数
(2)根椐校正系数确定SSP
SP
3、确定Rmf
根据Rm和泥 浆比重确定
Rmf
4、高阻岩石自然电位曲线
高阻岩层迫使电流 在井内流动，使得 自然电位曲线从砂 岩往泥岩过渡时， 灰岩处是斜线 注：SP=I* rm
Ed=KdLg(Ct/Cm)=Kd=-11.6mv 值得注意的是: Ed取决于Kd和Ct/Cm二种条件缺一不可,
例如KCl,由于UkUcl (K和Cl的迁移速度几乎相等),即使Ct/Cm再 大,Kd很小,反个来如果U≠V，但Ct/Cm1,则Kd也为0。
二 、吸附作用以及吸附电动势 1、吸附作用 泥质颗粒选择性地吸附溶液中的负离子,不让它通过泥质 薄膜，只让正离子通过泥质薄膜,这种作用称为吸附作用。
第二章自然电位测井
Spontaneous Potential Logging
引入:自然电位现象和自然电位测井 在早期的电阻率测井过程中,常常发现供电电极不 供电时,仍然可在井内测量到电位的变化。 这个电位是自然存在的。使用图所示的电路,提 升M电极测量,可得到一条电位变化曲线, 这种测量 称为自然电位测井。 自然电位曲线的变化与岩性有密切关系，特别 是能用明显的异常显示出渗透层,这是非常有意义的. 基线: 在实测曲线上,泥岩井段的自然电位曲线比 较平直,解释中就以泥岩井段的自然电位曲线值作为 基线。 正负异常:解释中就以泥岩井段的自然电位曲线值作 为基线(相对零线),来计算渗透层的自然电位异常幅值 (mv),大于基线的异常为正异常，小于基线的异常为 负异常。
Vsh=
SPsh－SPsd 式中,SPsd,SPsh 分别为纯砂岩,纯泥岩的自然电位值;SP为待研 究地层上实测的自然电位值;Vsh为泥质含量。
第1章-1 自然电位测井
GaoJ-1-1
17
扩散吸附电动势产生示意图
导线
— — — —
+ + + + Cm + Nacl溶液 电极
泥岩隔板
Cw
—
Cw>Cm
GaoJ-1-1 18
Gao J & Fu JW
9
《油气地球物理测井工程》
纯泥岩的电动势Eda
砂岩中Na+、Cl- 通过泥岩向井内扩散; 泥岩孔隙中阳离子浓度高，它将排斥Na+; 使其扩散到泥浆中，而Cl- 被吸附， 在泥浆中形成Na+富集，泥岩中Cl-富集，达到平 衡时，电动势为Eda
6
《油气地球物理测井工程》
Ed形成过程：
① 离子从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散； ② Cl-的迁移率>Na+的迁移率, 使得泥浆滤液(低浓度)一 侧的Cl-富集，地层水(高浓度)一侧Na+富集，形成正负 电荷的富集，在两种溶液交界处产生电动势； ③ 电动势使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到正、负离子迁移速度相同时， 电荷富集停止，溶液 达到动态平衡，电动势保持为一定值，此时的电动势称 为扩散电动势。
自然电位测井理论曲线
30
Gao J & Fu JW
15
《油气地球物理测井工程》
测量环境 1）当Cw>Cmf：负异常（淡水泥浆） 2）当Cw<Cmf：正异常（咸水泥浆） 3）当Cw=Cmf：无异常
基线及刻度 1）砂泥岩剖面： 泥岩为基线，基线幅度与泥岩纯度、 地层水矿化度等有关。 2）自然电位刻度是相对刻度，没有绝 对零点
— — —
+ —
第一章 自然电位
6、自然电位曲线没有绝对零点，一般把泥岩 作为基线使用相对值。
7、在砂泥岩剖面中，一般淡水泥浆钻进，渗 透砂岩层井段自然电位负异常，盐水泥浆钻进， 渗透层出现正异常。
第三节 自然电位影响因素
在砂泥岩剖面中， 自然电位曲线的幅度及 特点主要决定于造成自 然电场的总电动势E总及 自然电流的分布
SP=I×rm =SSP·rm/(rm+rt+rs)
电阻率越高，SP越低， 这一特点可以用自然电位 幅度的差异性分辨油水层。
6、地层厚度的影响
SP=I×rm =（rm/(rm+rt+rs)）SSP
随着地层的变薄，自然电位流经地层的截面积 变小，rt增大，SP变小。
薄地层的SP值不能真实低反映地层的SSP。
高14－3
1-1 1-2 E1f2-2
3 1 2-1
3-1 E1f2-3
4
5
6 7-2
高7－3
高7－13
高11－6
2-2 3-1
3-2 4
7-1 1-1 1-2
6、判断沉积相
GR
SP
超 短 RMM RMN
RT
短期
期旋
旋回
回
GR
SP
超短 短期 期 旋RMMRMN RT 旋回 回
1800
河道间
第二节 自然电位测井及曲线特征
2、自然电位以及与静自然电位的关系
自然电流:扩散电动势和扩散吸附电 动势要通过泥浆,地层,泥岩放电,产生 电流,该电流称为自然电流
根据欧姆定律:
静自然电位：SSP=I(rs+rt+rm)
第二章 自然电位
S98
0 -250 GR SP 150 -200 14 2 2 RS RD 200 200 140 45 2 AC CNL DEN 40 -15 3
4 CAL
5310 5320 5330 5340 5350 5360 5370 5380 5390
油气层 差油气层 油水同层
含油水层 水层 干层
S102
自然电位测井原理
第二节自然电位测井曲线定性分析 一、自然电位与静自然电位
1、静自然电位 SSP=Eda 相当于自然电流回路中 没有电流时，扩散吸附电动势之 和SSP＝Eda=－(Ed+Ea)=－70.7mv 2、自然电位与静自然电位的关系 自然电流：扩散吸附电动势要通 过泥浆、地层、泥岩放电，产生 电流，该电流称为自然电流。 根据欧姆定律： SSP=Eda=I(rs+rt+rm) I=Eda/(rs+rt+rm)
二 、吸附作用以及吸附电动势 1、吸附作用 设置一个容器，两种不同浓度(Ct>Cm)的溶液通过泥质薄膜 隔开，泥质颗粒选择性地吸附溶液中的负离子，不让它通过泥质 薄膜，只让正离子通过泥质薄膜，这种作用称为吸附作用。
2、吸附电动势:
经理论计算:
RT Ea 2.3 lg( Ct Cm ) F K a lg( Ct Cm )
第二章 自然电位测井 Spontaneous Potential Logging
N
引入:自然电位现象和自 然电位测井 在早期的电阻率测井过程 中，常常发现供电电极不供 电时，仍然可在井内测量到 电位的变化。
这个电位是自然存在的吗？ 自然电位测井示意图
M
第一节 井内自然电位形成的原因 一、 扩散作用以及扩散电动势
SP
自然电位
自然电位测井自然电位测井是在裸眼井中测量井轴上自然产生的电位变化，以研究井剖面地层性质的一种测井方法。
它是世界上最早使用的测井方法之一，是一种最简便而实用意义很大的测井方法，至今仍然是砂泥岩剖面淡水泥浆裸眼井必测的项目之一。
对于区分岩石性质，尤其是在区分泥质和非泥质地层方面，更有其突出的优点。
第一节自然电场的产生井内有自然存在的电位变化，说明井内有自然电流流动，井内必然有自然产生的电动势。
实践研究表明，能够引起井内自然电流，进而产生一定电位值的自然电动势有多种，包括扩散电动势、扩散吸附电动势、过滤电动势、氧化还原电动势等。
在沉积岩地区的油气钻井中，主要遇到的是前三种，而且常常以前两种占绝对优势。
一、扩散电动势（地层水与泥浆之间的直接扩散）砂岩孔隙中的地层水与井内泥浆之间，相当于不同浓度的两种NaCl溶液呈直接接触。
溶液中的Cl－和Na＋将从高浓度的岩层一方朝着井内直接扩散（图1－1a）。
由于两种离子的移动速度（在电化学中称迁移率）不同，Cl－的移动速度比Na＋大，于是扩散之后，在低浓度的泥浆一方将出现过多的移动速度快的Cl－，带负电；而在高浓度的岩层一方，则将出现移动速度慢的Na+离子，带正电。
正负离子在不同浓度的溶液两方相对集中的结果，便产生了电位差——地层一方的电位高于泥浆一方的电位。
但是，随着扩散过程的继续进行，所形成的电场反过来会影响离子进一步的扩散。
也就是使原来移动速度快的Cl－离子减慢，而使移动速度慢的Na+加快。
当溶液两方电荷积累到一定程度，使不同符号的离子以相等的速度继续扩散，达到所谓动态平衡时，电荷的积累便停止。
于是在不同浓度的两种溶液之间形成一固定的电动势。
这种由于溶液直接接触，并通过离子的自由扩散所形成的电动势，称为扩散电动势，如图1-1b中砂岩与泥浆接触处的情况。
图1－1 井中砂、泥岩接触情况下离子扩散及形成的电荷分布（C w ＞C mf ）可以看出，扩散电动势的极性是，低浓度溶液一方为负，高浓度溶液一方为正。
第一章自然电位
五个方面) 四、地质应用(五个方面 地质应用 五个方面 • 判断岩性，区分渗透层；
• • • • 确定地层水电阻率 Rw； 估算泥质含量 Vsh； 判断水淹； 研究沉积环境
五个方面) 四、地质应用(五个方面 地质应用 五个方面
• 1.曲线特征及影响因素 • 1.1 异常幅度及其定量计算。
• 异常幅度、自然电位泥岩基线概念 异常幅度、
• Es=I(rs+rt+rm) • Usp=I•rm • •
=Es=Es-I(rs+rt) =Es/(I+(rs+rt)/rm)
Usp=SSP
• 含水纯砂岩处
1.2影响因素 • 4项：①总电动势，泥浆与地层水相对矿化度；
根据图版查 Rmfe/Rwe • 5.换算Rwe • 6.查图版确定Rw 查图版确定Rw
五个方面) 四、地质应用(五个方面 地质应用 五个方面 • 判断岩性，区分渗透
层 •
泥岩：基线附近；
• 砂岩：异常幅值和正负反映 岩石渗透性好坏和泥浆的性 能； • 纯水砂岩：Usp=SSP 含油 后Usp幅值下降，因为电阻 率增大 • 碳酸岩：储集层与非储集层 岩性相同，自然电位曲线区 分不开。其幅值大小只反映 泥质含量的高低。 • 岩盐、膏岩：无渗透性，因 而自然电位无异常显示；
• （2）经验公式法 • SHP1=(SP-SBL+SSP)/SSP
• • • • SP-自然电位读值 SBL-自然电位基线值 SHP=(2c SHP1-1)/(2c-1) C-系数，对于老地层，其值为2，新地层为3
五个方面) 四、地质应用(五个方面 地质应用 五个方面 • 判断岩性，区分渗透层；
第四章-自然电位
第四章 自然电位斯仑贝谢在1928年发现了这样的现象：井中电极与放在远处的地面参考电极之间有电位差，该电位差随地层变化，通常相对于泥岩的电平有几十到几百毫伏(图4—1)。
研究过该现象的科学家有：道尔(1948和1950)，威利(1949和1951)，贡多尼(GO-ndouinndouin)等(1957，1962)，贡多尼(Gon-douin)和斯卡拉(Scala)(1958)，希尔(Hill)和安德森(Anderson)(1959)。
下文简要说明他们的论述和结论。
对着一种地层的自然电位能够由有关离子运移的两个过程引起：1)动电(电过滤或流动)电位(符号为{EK)是在电解质穿过多孔的非金属介质时产生的；2)电化学电位(符号为Ec ．)是在两种不同矿化度的流体直接接触，或由半渗透膜(与泥岩相当)将它们隔开的条件下出现的。
4．1． 动电电位的起因 动电电位是在钻井液柱和地层之间存在压差，钻井液滤液被迫流入地层时出现的。
滤液通过以下地层流动，就产生动电电位：1．)渗透层的泥饼；2)正在受到侵入的渗透性地层；3)泥岩层。
希尔和安德森(1959)研究了通过泥饼的流动电势(图4—2)，而在此几年以前(1951)威利提出了通过泥饼的如下的电势E 的关系式：()][1mV p K E ykm c ∆=其中y 值在0.57到0.900之间。
通过泥岩存在的过滤电位已在实验室中由贡多尼和斯卡拉(1958)，希尔和安德森(1959)得到了验证(图4—3．)。
安德森等发表的现场资料也证实了泥岩动电电位的存在。
贡多尼和斯卡拉给出了泥岩的电动势：()][1mV p K E yksh ∆=其中的K 2=-0.018(R mf )1/3。
流动电位的大小取决于几个因素： 1） 过介质的压差△p ；2） 移动滤液的有效电阻率R mf ； 3） 滤液的介电常数D 1 4） 仄塔电位ξ。
5）滤液粘度μ。
因为泥饼的渗透率很低(10-2～10-4毫达西)，所以钻井液柱和地层之间的压差大部分都降落在泥饼处。
第1章-自然电位测井
v
井中电极M与地面电极N之间的电位差
图1-1 自然电位 测井原理
M
3
1.1 井内自然电位产生原因
由于泥浆和地层水的矿化度不同，在钻开岩层后，井壁附近两 种不同矿化度的溶液接触产生电化学过程，结果产生电动势形 成自然电场。在石油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。 几个基本概念 泥浆：钻井时，在井内流动的一种介质。 泥浆滤液：在一定压差下，进入到井壁地层孔隙内的泥浆 地层水：地层孔隙内的水 溶液的矿化度：溶液含盐的浓度。溶质重量与溶液重量之比。 离子扩散：两种不同浓度的盐溶液接触时，在渗透压的作用 下高浓度溶液中的离子，穿过渗透性隔膜迁移到低浓度溶液 中的现象。 自然电场：在钻开岩层时井壁附近产生的电化学活动而造成 4 的电场，它取决于井孔剖面的岩层性质
Ef K
p R mf
f
△p—压力差（atm）；Rmf—过滤溶液电阻率； μ—过滤溶液粘度（10－3Pa·s）； Kf－过滤电位系数，与溶液的成分、浓度有关
油井中的过滤电位常常被忽略不计：
1、钻井液柱压力略高于地层压力； 2、测井时泥饼已经形成；
10
1.2 自然电位测井及曲线特征
1.2.1 井内自然电场的分布
曲线号码 : h / d
6种厚度不同的地层模型 自然电位测井理论曲线图
18
2、实测自然电位曲线的特征
1).比例尺：SP曲线的图头标有的线性比例尺。可 用于计算非泥岩与泥岩基线间的自然电位 差，单位：mV，左为低电位，右为高电位 2).泥岩基线：均匀、较厚的泥岩地层对应的变化 不大、稳定的自然电位曲线连线，是平行于 深度轴的直线（但也有倾斜或偏移）。 3).自然电位幅度：自然电流在井中的电位降落 4).自然电位异常幅度：在SP曲线上有异常出现的 地方，它是相对于泥岩基线的最大偏转。。 5).异常：指相对于泥岩基线而言，渗透性地层的 SP曲线的位置。 负异常：井内淡水泥浆（Cw＞Cmf）或地层水矿 化度大于钻井液滤液矿化度时，渗透性地层 的SP曲线位于泥岩基线的左侧； 正异常：Cw＜Cmf时，渗透性地层的SP曲线位 于泥岩基线的右侧；
1-1、岩石的导电特性解析
Archie公式可用于绝大多数常见储集层
岩石的导电特性
在目前常用的测井解释关系式中，只有Archie公式最具有 综合性质，它是连接孔隙度测井和电阻率测井的桥梁，因而成 为测井资料综合定量解释最基本的关系式。实际应用时，一般：
①先用孔隙度测井资料计算地层孔隙度φ，用Archie公式计算
地层因素F； ②根据地层真电阻率Rt和地层水电阻率Rw，由Archie公式计算 地层含水饱和度Sw或含油气饱和度Sh。
通常情况下沉积岩 中不含导电的矿物， 大都靠孔隙中的盐 类离子导电
岩石的导电特性
2、粘土中的离子导电机理 孔隙岩石中含有粘土矿物时，孔隙中离子导电情况
变得更加复杂。
由
粘土（呈片状颗粒，比表面积大） （多层铝氧八面体
由于 替换 导致
或硅氧四面体）而成
Mg+2
Al+3
粘土表面
为了保持电中性
出现了过剩的负电荷 吸附附在粘土表面的 阳离子 形成偶电层。
例题： 已知：一岩层的孔隙度为10%，RW=0.2欧姆米,电阻率 为80欧姆米,求该岩层的含水饱和度及含油饱和度,并
判断该岩层的流体性质。（a=b=1, m=n=2）
岩石的导电特性
六、 Archie公式及其应用 F＝R0/Rw＝a/φ m I=Rt/Ro=Rt/FR0=b/Swn=b/(1-So)n
岩石的导电特性
地层水电阻率Rw的确定方法： 1、用水分析资料确定Rw——用本井或邻井相同层位 的水分析资料确定地层水电阻率是目前确定Rw最有 效的方法。 2、用自然电位计算——适用于地层水中主要含NaCl。
3、利用Archie公式以及相应的交会图确定Rw。
4、由地区统计规律确定Rw。
岩石的导电特性
自然电位与腐蚀电位
自然电位与腐蚀电位
自然电位与腐蚀电位
自然电位是金属埋入土壤后，在无外部电流影响时的接地电位。
自然电位随着金属结构的材质、表面状况和土质状况、含水量等因素不同而异，一般有涂层的钢材的自然电位在一0.4~ -0. 7V( CSE)之间，在雨季土壤湿润时，自然电位会偏负，一般取平均值-0.55 V。
每种金属浸在一定的介质中都有其特定的电位，一般被称为该金属的阴极保护工程的腐蚀电位（自然电位）。
腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。
腐蚀电位愈负愈容易失去电子，我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。
阳极区由于失去电子（如铁原子失去电子而变成铁离子溶人土壤）受到腐蚀而阴极区得到电子受到保护。
在同一电解质中，不同的金属具有不同的腐蚀电位。
如轮船船体是钢，推进器是青铜制成的，铜的电位比钢高，所以电子从船体流向青铜推进器，船体受到腐蚀，青铜器得到保护。
钢管的本体金属和焊缝金属由于成分不一样，两者的腐蚀电位差有时可达0. 275V。
埋入地下后，电位低的部位遭受腐蚀。
新旧储罐连接后，由于新储罐腐蚀电位低，旧储罐电位高，电子从新储罐流向旧储罐，新储罐首先腐蚀。
同一种金属接触不同的电解质溶液（如土壤），或电解质的浓度、温度、气体压力、流速等条件不同，也会造成金属表面各点电位的不同。
自然电位与保护效果
保护电位达到了保护标准规定的-0.85 V，保护效果好。
产生原因
由于离子扩散而引起自然电位只是产生自然电位的一种原因，由于吸附、压差、氧化还原等原因也会引起自然电位。
在石油勘探中，主要是扩散、吸附产生的自然电位。
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2015-1-5
地球物理与石油资源学院
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第1章 自然电位测井
1、扩散—吸附电位：
纯砂岩 纯泥岩 -11.6 mV/18 0C 59.1 mV /18 0C
2、过滤电位（一般可忽略）：
泥浆柱与地层之间存在压差时，
液体发生过滤作用产生的。 与压差、滤液电阻率成正比 。 渗透层 平均值约为 0.77 mV
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第1章 自然电位测井
Байду номын сангаас
一般自然电流I要经过泥浆 砂 岩 泥岩,(如图)这样
SSP I .rm I .rd I .rsh
当砂岩层为有限厚时它的自 然电位为自然电流I在流经泥 浆等效电阻上的电位降,即自 然电位曲线SP:
rm SP I .rm SSP . rm rsd rsh
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The SP is most useful when the mud is fresher than the formation water, a good contrast exists between mud filtrate and formation water resistivities, and formation resistivity is low to moderate. In these cases, it indicates permeable beds by large negative deflections, permits easy sand-shale discrimination, is useful for correlations, and under favorable conditions, can be used for the estimation of formation water resistivity. The curve still remains useful in some saline muds. If the formation water is less saline than the mud filtrate, the SP deflection will be positive. However, when the mud column becomes so conductive it will not support a demonstrable IR drop, the SP curve becomes featureless.
（1-5）
图1-6 等效电路
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第1章 自然电位测井
二 SP曲线特点
1 曲线对称地层中点; 2 厚地层SP=SSP曲线半幅度 点正对地层界面; 3 厚度减小SP减小,地层中 间取得幅度最大值. 实际曲线与理论曲线类似, 但没有理论曲线规则且没有” 绝对零点” 在砂泥岩剖面井中一般地层 水浓度较高,因此在砂岩层段 出现”负异常”
图1-5 自然电位和电阻率测量原理图
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第1章 自然电位测井
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,记为E：
Cwf E Ed Eda K log( ) SSP Cm f
（1-4）
通常把E称为静自然电位,记为SSP,Ed的幅度为 砂岩线,Eda的幅度为泥岩线. 实际测井中以泥岩线作为自然电位测井曲线的 基线(零线)—泥岩基线.偏离泥岩基线为异常幅 度
电法测井
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电法测井 理论课时32，实验课时4，总课时36 具体学时分配如下： 第一章 自然电位测井 第二章 普通电阻率测井 第四章 感应侧井 6学时 10学时 4学时
第三章 侧向（聚焦）测井 10学时 第五章 电测井新方法简介 2学时
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In impermeable shales, the SP tends to follow a fairly constant shale base line. In permeable formations, the deflection depends on the contrast between the ion content of the formation water and that of the following: drilling mud filtrate, the clay content, the bed thickness and resistivity, hole size, invasion, and bed boundary effects, etc. In thick, permeable, clean, nonshale formations, the SP value approaches the fairly constant static SP value which will change if the formation water salinity changes. In dirty reservoir rocks, the SP will not reach the same value, and a pseudo-static SP value will be recorded.
电法测井(electric log)
利用电场、磁场的原理设计的测井仪器，获取地层电阻率
分类：天然电场和人工电场 供电方式：直流电（低频）和交变电流 （高频） •自然电位测井
•普通电阻率测井
•侧向（聚焦）测井 •感应侧井
新方法
阵列侧向 过套管电阻率 阵列感应
3
•介电（电磁波传播）测井
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第1章 自然电位测井
自然电位测井
•原理：测量井中自然电场
N
v
井中电极M与地面电极N 之间的电位差
M
图1-1 自然电位测井示意图
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第1章 自然电位测井
1.1
自然电位形成原因
由于泥浆与地层水的矿化度不同, 在钻开岩层后,在井壁附近两种不同 矿化度的溶液发生电化学反应,产生 电动势,形成自然电场. 主要有扩散电动势和扩散吸附电 动势.
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图1-7 自然电位测井理论曲线
图1-8 半幅点法示意图
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第1章 自然电位测井
砂泥岩剖面：
泥岩处
砂岩处
SP曲线平直（基线）
负异常（Rmf > Rw )
负异常幅度 与粘土含量成反
比，Rmf / Rw 成正比
图1-9 砂泥岩剖面自然电位曲线
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Rm f Ed Kd log( ) Rwf
（1-2）
Kd:与温度和溶液成分有关的常数
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第1章 自然电位测井
二 扩散吸附电动势
泥岩薄膜
若把渗透性薄膜变成泥岩薄膜, 结果如何? 同样离子将要扩散,但泥岩对 负离子有吸附作用,可以吸附一部 分氯离子,扩散的结果使浓度小的 一方富集大量的钠离子而带正电, 浓度大的一方富集大量的氯离子 而带负电,这样在泥岩薄膜形成扩 散吸附电动势记为Eda
图1-4 井内自然电场分布示意图
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第1章 自然电位测井
1.2 自然电位测井曲线及其特点
一 自然电位曲线 在自然电位测井时一般把测 量电极N放在地面上,电极M 用电缆放在井下,提升N电极, 沿井轴测量自然电位(M电位) 随深度变化的曲线叫自然电 位曲线(SP). 由自然电场分布特征可以看 到,在砂岩和泥岩交界处,自 然电位曲线有明显变化
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第1章 自然电位测井
一
扩散电动势
一般地层水为NaCL溶液,当不同浓
度的溶液在一起时存在使浓度达到平衡 的自然趋势,即高浓度溶液中的离子要 向低浓度溶液一方迁移,这种过程叫离 子扩散. 在扩散过程中,各种离子的迁移速度不 同,如氯离子迁移速度大于钠离子(后者 多带水分子),这样在低浓度溶液一方富 集氯离子(负电荷)高浓度溶液富集钠离 子(正电荷),形成一个静电场,电场的形 成反过来影响离子的迁移速度,最后达
第1章 自然电位测井
高阻致密层处 曲线倾斜
图1-10 高阻致密层自然电位曲线形状示意图
碳酸盐岩地层
孔隙和裂缝发育段、致密段与邻近 泥岩比较，有不同程度的小幅度负异常。 图1-11 碳酸盐岩剖面自然电位曲线
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第1章 自然电位测井
三
影响自然电位的因素（p11-12)
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第1章 自然电位测井
(spontaneous potential,simple sp log)
沿井轴测量记录自然电位变化曲线,用以区别 岩性和划分渗透层的测井方法叫自然电位测井 1.1 1.2 自然电位形成原因 自然电位测井曲线及其特点
1.3
自然电位曲线的应用
渗透性薄膜
到一个动态平衡,如此在接触面附近的
电动势保持一定值,这个电动势叫扩散 图1-2 扩散电动势产生示意图
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电动势记为Ed
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第1章 自然电位测井
扩散电动势Ed大小与温度和浓度差有关
Cwf Ed Kd log( ) Cm f
也可写为: （1-1）