自然电位、自然伽马测井基本原理

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：
EE dd=KK dd lg cc1cc2
式中EE dd为扩散电位系数，mv；cc1，cc2为溶液盐类的浓度，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
EE dd=KK dd lg cc ww cc mmmm图3井内自然电位分布示意图
或EE dd=KK dd lg RR mmmm RR ww
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
EE dddd=KK dddd lg cc1cc2
式中KK dddd为扩散吸附电位系数。

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
EE dddd=KK dddd lg RR mmmm RR ww
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
EE dd=KK dd lg cc2cc mmmm
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
EE dddd1=KK dddd lg cc1cc mmmm
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
EE dddd2=KK dddd lg cc1cc2
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EE ss即
EE ss=EE dd+EE dddd1−EE dddd2
=klg cc2cc mmmm
式中 K=Kd+Kda，称为自然电位系数。

可以写成：
EE ss=−klg RR mmmm RR ww=SSSSSS
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<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。

自然伽马测井方法原理
一、自然伽马测井
把仪器放到井下，测量地层放射性强度的方法叫自然伽马测井(GR)。

这种方法已有很长的历史，GR与SP相配合能很好地划分岩性和确定渗透性地层，GR的另一优点是可在套管井中测量。

１、岩石的放射性
岩石的放射性，主要是由于含有铀(U)、钍(Th)、钾(K)等放射性元素，所以岩石的放射性强度决定放射性元素的含量。

一般条件下，岩石的放射性物质含量很少，按放射性的强弱沉积岩可分为以下几类：
(1)自然伽马放射性高：放射性软泥、红色粘土、海绿石砂岩、独居石等岩石。

(2)自然伽马放射性中：浅海相和陆上沉积的泥质岩石，如泥质砂岩，泥质石灰
岩，泥灰岩等。

(3)自然伽马放射性低：砂岩、石灰岩、石膏、岩盐、煤和沥青等
２、自然伽马测井测量原理
测量原理如图，测量装置由井下仪器和地面仪器组成。

下井仪器有探测器（闪烁计数管）、放大器和高压电源等几部分。

自然伽马射线由岩层穿过泥浆、仪器外壳进入探测器，探测器将γ射线转化为电脉冲信号，经放大器把电脉冲放大后由电缆送到地面仪器。

早期的自然伽马曲线采用计数率（脉冲/分钟）单位，曲线用r J表示，现今的自然伽马测井都采用标准刻度单位API，曲线用GR表示。

定义高放射性地层与低放射性地层读数之差为200API单位，作为标准刻度单位。

３、自然伽马测井曲线
把自然伽马测井仪下到井中，测量地层放射性强度随深度变化的曲线，称为自然伽马曲线(GR)。

(1)曲线特点。

根据理论计算自然伽马测井理论曲线如图。

其特点为：
a、曲线对称于地层中点，在地层中点处有极大值或极小值，反映该层放射性大小。

b、当地层厚度h小于三倍的钻头直径d0 (h<3d0)时，极大值随h↗而↗（极小值随h↗而↘）。

当h≥3d0时，极大值（或极小值）为一常数，与地层厚度无关，与岩石的自然放射性强度成正比。

c、h≥3d0时，由曲线的半幅点确定的底厚度等于地层的真实厚度，当h<3d0时，由半幅点确定的地层厚度大于地层的真实厚度，而且越薄，大得越多。

理论曲线是在测速为零、点状计数管的条件下计算得到的，但实际测井中，计数管不是点状的，测速也不为零，所以实测曲线和理论曲线是有些差异的，但基本形状仍然相似。

(2)自然伽马测井曲线的影响因素
a、层厚的影响。

地层变薄会使泥岩层的自然伽马测井曲线值下降，砂岩层的自然伽马测井曲线值上升，并且地层越薄，这种下降和上升就越多。

因此对h<3d0的地层，应用曲线时，应考虑层厚的影响。

b、井参数的影响。

井径的扩大意味着下套管井水泥环增厚和裸眼井泥浆层增厚。

若水泥环和泥浆不含放射性元素，则水泥环和泥浆层增厚会使GR值降低，
但由于泥浆有一些放射性，所以泥浆的影响很小。

套管的钢铁对γ射线的吸收能力很强，所以下了套管的井，GR 值会有所下降。

c 、放射性涨落的影响。

在放射性源强度和测量条件不变的条件下，在相等的时间间隔内，对放射性的强度进行重复多次测量，每次记录的数值是不相同的，而总是在某一数值附近上下变化，这种现象叫放射性涨落。

它和测量条件无关，是微观世界的一种客观现象，且有一定的规律性。

这种现象是由于放射性元素的各个原子核的衰变彼此是独立的，衰变的次序是偶然的等原因造成的。

由于放射性涨落的存在，使得GR 曲线不像电测井光滑。

放射性测井曲线上读数的变化，一是由地层性质变化引起的，另一方面是由放射性涨落引起的，要对放射性测井曲线进行正确地质解释，必须正确区分这两种原因造成的曲线变化。

d 、测速的影响。

测井时的仪器上提速度是对GR 曲线产生影响。

测速越大，GR 关于地层越不对称。

（一般是τ⋅V 的影响，τ为积分电路时间常数） （３）自然伽马测井曲线的应用
①划分岩性。

主要根据地层中泥质含量的变化引起GR 曲线幅度变化来区分不同的岩性。

Ｉ、砂、泥岩剖面
砂岩（GR 值低） → ↑
sh V 泥岩（GR 值） II 、碳酸盐剖面
白云岩、石灰岩（GR 值低） → ↑
sh V 泥岩（GR 值） III 、膏岩剖面
岩盐、石膏（GR 值低） → ↑
sh V 泥岩（GR 值） ②进行地层对比
GR 曲线与地层中所含流体性质无关，其幅度主要决定于地层中的放射性物质，通常对于不同岩性其幅度较为稳定，另外，对比的标准层也易选取，通常选用厚度泥岩作标准层，进行油田范围或区域范围内的地层对比
③估算地层中泥质含量
首先用自然伽马相对幅度的变化计算出泥质含量指数I GR ：
min
max min GR GR GR GR I GR −−=目的 GR ：
目的层自然伽马幅度；max GR 、min GR 为纯泥岩、纯砂岩的自然伽马幅度。

通常I GR 的变化范围为０～１，用下式将I GR 转化成泥质含量Ｖsh :
1212−−=⋅G I G sh GR V G :希尔奇指数，可根据实验室取芯分析资料确定。

二、自然伽马能谱测井
自然伽马测井只能测量地层中放射性元素的总含量，无法分辨地层中含有什么样的放射性元素，为此研制了自然伽马能谱测井，即测量不同放射性元素放射出不同能量的γ射线，从而确定地层中含有何种放射性元素。

根据实验室对铀、钍、钾放射的γ射线能量的测定，发现铀、钍、钾放射的γ射线谱都存在各自易鉴别的特征谱峰。

自然伽马能谱测井的探测器与GR基本相同，所不同的是其增加了多道脉冲，能分别测量不同幅度的脉冲数，从而得出不同能量的γ射线能谱，用以测定不同的放射性元素。

自然伽马能谱测井根据测出的γ射线特征峰值，经刻度可输出铀、钍、钾三条曲线及一条总的自然伽马曲线。

自然伽马能谱测井除了GR曲线的应用外，还可研究沉积环境，区分粘土矿物。