自然电位测井

附电动势。
②地层压力与泥浆柱压力不同而引起的过滤电动势。
实践证明，在油气井中，这两种电动势以扩散电动势和
吸附电动势占绝对优势。
2、自然电位产生的原因
（1）扩散电位
当两种不同浓度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，形成的
电位叫扩散电位，在油井中，此种扩散有两种途径：
一是高浓度一方通过砂岩向低浓度泥浆中扩散;
二是通过泥岩向泥浆中扩散。其扩散电位大小
取决于①正负离子的迁移率(单价离子在强度为1伏 特/厘米的电场作用下的移动速度)；②温度、压力；
③两种溶液的浓度差；④浓度、离子类型及浓度差。
2、自然电位产生的原因
（1）扩散电位
对于石油钻井而言： 离子由砂岩向泥浆中直接扩散时，
3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析
（2）电位分布
由自然电场分布特征可知，在
砂岩和泥岩交界处自然电位有明显
变化，变化幅度与Ed和Eda有关。 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E总： E总=Ed-Eda
=Klg(Rmf/Rw)
=SSP 式中K为自然电位系数。
过泥饼或泥质岩石渗滤形成的。
通常，泥浆柱的压力大于地层压力，并在渗透 性岩层(如砂岩层)处，都不同程度的有泥饼存在。由 于组成泥饼的泥质颗粒表面有一层松散的阳离子扩
散层，在压力差的作用下，这些阳离子就会随着泥
浆滤液的渗入向压力低的地层内部移动。于是在地 层内部一方出现了过多的阳离子，使其带正电，而 在井内泥饼一方正离子相对减少，使其带负电，从 而产生了电动势。由此形成的电动势，叫做过滤电 动势。显然它的极性与扩散电动势相同，即井的一 方为负，岩层的一方为正。
3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析
（2）电位分布
3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析
（2）电位分布
SP测井时是与普通电阻率测井同时进行， 其测量原理电路见图。 M电极是普通电阻率测井和自然电位测井公 用的测量电极，视电阻率测井时，由供电电极 供电形成的人工电场是低频脉动直流场，而自 然电场是直流场，在视电阻率测量道上加一个 隔直元件C，阻隔自然电位进入该道，同时在自 然电位测量道上加一个隔交元件L，它只允许自 然电场的直流电位信号通过，从而阻断了研究 视电阻率的脉动直流电场的信号干扰。
进 (Cw>Cmf) ，在砂岩渗透层井段自然电位曲
线出现明显的负异常； 在盐水泥浆井中 (Cw<Cmf) ，渗透层井段 出现正异常，这是识别渗透层的重要特征。
4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 （2）影响因素
上述已经提及，在自然电位曲线上有异常出现的地方，该异常相对
于泥岩基线的最大偏转，称自然电位异常幅度。自然电位异常幅度的大 小与许多因素有关，可根据自然电流回路的等效电路对此进行分析。
2、自然电位产生的原因 （3）过滤电位
过滤电动势Ef的大小与泥饼两边的压力差ΔP和泥浆滤液的电阻率Rmf 成正比，而与泥浆滤液的粘度μ成反比，即
Ef K f
P Rmf

Kf –过滤电位系数，与溶液的成分有关； ΔP –压力差，单位为大气压； μ –
当压差悬殊，泥饼未形成以前，过滤电位有较大的显示。 通常Ef只有在压力差很大时，才不可忽略，但一般钻井时，要求泥 浆柱压力只能稍大于地层压力，因此在实际工作中，通常都认为过滤电 动势可忽略不计。
Irm Es ( Irsd Irsh )
在井内测得的自然电位降落仅仅是自然电动势的一部分 (该电动势的 另外两部分电位降落分别产生在砂岩层及其围岩之中 )，它的数值及曲线 特点主要决定于造成自然电场的总电动势Es及自然电流的分布。 Es的大小取决于岩性、地层温度、地层水和泥浆中所含离子成分以 及泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。 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厚度和井 径的大小。
自然电位测井(SP)
学习内容
1、方法特点 2、自然电位产生的原因 3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析 4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 5、自然电位测井曲线的应用
2、自然电位产生的原因
井内自然电位产生的原因是复杂的，对于油气井来说， 主要有以下两个原因： ①地层水和泥浆含盐浓度不同而引起的扩散电动势和吸
2、自然电位产生的原因
（1）扩散电位
2、自然电位产生的原因
（1）扩散电位
在井中，18℃时若地层水浓度Cw等于10倍的泥浆溶液矿化度 Cmf时,经理论推算：kd=-11.6mv，其中负号表示低浓度一方井中 的电位低；Cmf、Cw-泥浆滤液和地层水矿化度。 当溶液矿化度不高时，溶液浓度与电阻率成反比，即 Ed=Kdlg(Cw/Cmf)=Kdlg(Rmf/Rw) Rmf,Rw-
自然电位测井(SP)
学习内容
1、方法特点 2、自然电位产生的原因 3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析 4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 5、自然电位测井曲线的应用
4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 （1）曲线特征
① 异常幅度及其定量计算。
（砂岩有限厚） 自然电位幅度ΔUSP定义为：自然 电流I在流经泥浆等效电阻rm上的电位降，即 ΔUSP=Irm。 （巨厚砂岩） rm比rsd、rsh大得多，所以有 ΔUSP≈SSP Es=I(rs+rt+rm) Usp=I•rm
2、自然电位产生的原因 （2）吸附电位 （隔膜作用-砂岩通过泥岩与泥浆之间交换离子)
因为泥岩结构、化学成分等与砂岩不同，因此与泥浆之间形成的电位
差大，且符号与扩散电位相反，这是由于粘土矿物表面具有选择吸附负离
子的能力。因此当浓度不同的 NaCl溶液扩散时，粘土颗粒吸附 Cl- 离子， 而Na+离子可以自由移动，若Cw＞Cmf，泥浆带正电荷，储集层与泥岩界
自然电位测井(SP)
学习内容
1、方法特点 2、自然电位产生的原因 3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析 4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 5、自然电位测井曲线的应用
3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析
（1）总电动势
结合等效电路进行分 析
3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析 （1）总电动势
4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 （2）影响因素
①地层温度的影响
从扩散和吸附电动势的产生，我们可以看出，Kd和Ka与温度有关，因此
同样的岩层，由于埋藏深度不同，其温度不同，也就造成Kd和Ka值有差别。 通常绝对温度 T与 Kd和Ka成正比关系，这可从离子的活动性来解释。为
了研究温度对自然电位的影响程度，常需计算出地层温度条件下的Kd和Ka值。
为计算方便，先计算出18℃时的Kd和Ka值，然后用下式可计算出任何地层温 度t℃的的Kd值。
K d K d |t 180 C
273 t 291
式中Kd|t=18℃为温度为18℃时的扩散电动势系数；t为地层温度。Ka的温 度换算公式与Kd的形式相同。
4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 （2）影响因素
由于Cl-比Na+的迁移率大，因此在砂岩 高浓度一侧聚集多余的正电荷，而在泥
浆中聚集负电荷。离子量移动到一定程
度，形成动态平衡，此时电位叫扩散电 位，经实验证实，扩散电位Ed可由以下
公式求得（涅耳斯特方程，Nernst）
Ed=Kdlg(Cw/Cmf) Kd-扩散电位系数，与盐类的化学成 下面列举常见盐溶 液的迁移率和Kd值
②地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值的影响
Cw SSP K lg C mf
ΔUsp主要取决于自然电场的总电动势SSP。 显然，ΔUsp与SSP成正比，而SSP的大小取决于岩性和Cw／Cmf。 因此，在一定的范围内，Cw和Cmf差别大，造成自然电场的电动势 高，曲线变化明显。
4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 （2）影响因素
3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析
（2）电位分布
把 E总叫作静自然电位，记作
SSP。此时Ed的幅度称砂岩线，Eda的 幅度叫泥岩线。实际测井中以泥岩线
作自然电位测井曲线的基线(即零线)，
在180C时的纯砂岩层处的SSP： SSP=-69.6lg(Rm／Rw)。 井中巨厚的纯砂岩层井段的自然 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。
也ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ以这样理解，rm减小，使得rm在整个电流回路上的分压作用减
弱，也就是Irm变小，自然也就有ΔUsp的降低。 因此在盐水泥浆井中自然电位曲线变化不明显。
4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 （1）曲线特征
③ 使用SP曲线应注意的几个问题 A、自然电位测井曲线没有绝对零点 ，而是
以泥岩井段的自然电位幅度作基线，曲线上
方标有带极性符号的横向比例尺，它与曲线 的相对位置，不影响自然电位幅度的读数。
B 、自然电位幅度ΔUsp的读数是基线到曲
线极大值之间的宽度所代表的毫伏数。 C、在砂泥岩剖面井中，一般为淡水泥浆钻
位降落。因此井径对自然电位异常幅度有明显影响，其影响程度可通过
等效电路来分析。
U sp Irm E s rm Es rm rsd rsh 1 (rsd rsh ) / rm
井径扩大，使井眼的截面积增大，则泥浆柱的电阻rm减小，从而导
致ΔUsp降低。井内泥浆电阻率减小，同样使泥浆柱电阻rm减小，则导致 ΔUsp降低。
由砂岩，泥岩、泥浆所组成的导电回路中，电动势Ed和Eda是
串联的，因此，在该回路中扩散作用的总电动势 Es为该两电动势 的代数和
Es = Ed+Eda
= Kd•lg(Cw/Cmf)+ Kda•lg(Cw/Cmf) = Ks•lg(Cw/Cmf) Ks=Kd+Kda Ks---总的扩散、扩散吸附电动势系数; Es-
③地层水和泥浆滤液中含盐性质的影响 地层水和泥浆滤液内所含盐类不同，则溶液中所含离子不同，离子价 也不同。由于不同离子的离子价和迁移率均有差异，直接影响Kd和Ka的大 小，因而也就影响了Es的数值。 在纯砂岩井段，溶液中所含化学成分改变时，扩散电动势系数Kd也随
之改变，造成自然电场的电动势也随之改变，参见下表：
面处带负电荷，这时形成的电动势为扩散吸附电动势，这是由于既有扩散
作用又有吸附作用，因此称为扩散吸附电动势，用Eda表示,由下式求 Eda=Kdalg(Cw/Cmf) 若Cw=10Cmf, t=18℃ Kda=58mV。
2、自然电位产生的原因 （3）过滤电位
这种电动势是由于泥浆柱与地层之间存在压力差，泥浆滤液通
自然电位测井
Spontaneous potential logging
西安石油大学 地球科学与工程学院 赵军龙
自然电位测井(SP)
学习内容
1、方法特点 2、自然电位产生的原因 3、扩散作用在井内形成的总电动势及电位分析 4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 5、自然电位测井曲线的应用
自然电位测井(SP)
1、方法特点
钻井后由于井壁附近的电化学活动性造成的
电场叫自然电场。沿井轴测量记录自然电位变化 曲线，可以用于区别岩性和研究钻井剖面性质。
SP测井的基本方法为：
如图，在井内放一测量电极M，地面放一测 量电极N，将M电极沿井筒移动，即可测出一条井 内自然电位变化的曲线。
要对所测的SP曲线进行地质解释，首 先应该了解自然电位是怎样产生的，它与 地层的那些性质有关。
表 1-3-2 溶 液 Kd，mv NaCl -11.6 NaHCO3 +2.2 18℃时几种盐溶液的 Kd 值 CaCl2 -19.7 MgCl2 -22.5 NaSO4 +5 KCl -0.4
4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 （2）影响因素
④井的影响（包括井径和泥浆电阻率） 自然电位异常幅度实际是自然电流在其所经过的泥浆柱上的最大电
=Es-I(rs+rt)
=Es/(1+(rs+rt)/rm)
4、自然电位测井曲线的特征及影响因素 （1）曲线特征
② SP曲线特征 A 、曲线对地层中点对称，地层中点处
异常值最大；
B、厚地层（h＞4d）的自然电位曲线幅 度ΔUsp近似等于SSP，曲线的半幅值点深
度正对应着地层界面，因此可用半幅点法
确定地层界面； C 、随地层厚度的变小，自然电位曲线 幅度ΔUsp下降，，曲线顶部变尖，底部 变宽，ΔUsp小于SSP，而且界面位置离开 半幅值点向曲线峰值移动。