自然电位测井

发布网友 发布时间：2022-04-24 02:16

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热心网友 时间：2023-10-21 10:50

自然电位测井是沿井身测量岩层或矿体在天然条件下产生的电场电位变化的一种测井方法。自然电位测井诞生于1931年，是世界上最早使用的测井方法之一，测量简便且实用意义很大，所以至今依然广泛应用。

在生产实践中人们发现，将一个测量电极放入裸眼井中并在井内移动，在没有人工供电的情况下，仍能测量到电场电位变化。这个电位是自然产生的，所以称为自然电位。

1.1.1 井中自然电位的产生

研究表明，井中自然电位包括扩散电位、扩散吸附电位、过滤电位和氧化还原电位等几种。钻井泥浆滤液和地层水的矿化度(或浓度)一般是不相同的，两种不同矿化度的溶液在井壁附近接触产生电化学过程，结果产生扩散电位和扩散吸附电位;当泥浆柱与地层之间存在压力差时，地层孔隙中产生过滤作用，从而产生过滤电位;金属矿含量高的地层具有氧化还原电位。

在石油井中，自然电位主要由扩散电位和扩散吸附电位组成。

1.1.1.1 扩散电位

首先做一个电化学实验，实验装置如图1.1.1所示。用一个渗透性隔膜将一个玻璃缸分隔成左右两部分，分别往玻璃缸两边注入浓度不同的NaCl溶液(浓度分别为C_w和C_m，且C_w>C_m)，然后在两种溶液中各插入一个电极，用导线将这两个电极和一个电压表串联起来，我们可以观察到电压表指针发生偏转。

玻璃缸左右两边溶液的浓度不同，那么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，这种现象称为扩散现象。对于NaCl溶液来说，由于Cl^－的迁移率大于Na⁺的迁移率，因此低浓度溶液中的Cl^－相对增多，形成负电荷的富集，高浓度溶液中的Na⁺相对增多，形成正电荷的富集。于是，在两种不同浓度的溶液间能够测量到电位差。虽然离子继续扩散，但是Cl^－受到高浓度溶液中的正电荷吸引和低浓度溶液中的负电荷排斥作用，其迁移率减慢;Na⁺则迁移率加快，因而使两侧的电荷富集速度减慢。当正、负离子的迁移率相同时，电动势不再增加，但离子的扩散作用还在进行，这种状态称为动态平衡。此时接触面处的电动势称为扩散电动势或扩散电位。

图1.1.1 扩散电位产生示意图

在砂泥岩剖面井中，纯砂岩井段泥浆滤液和地层水在井壁附近相接触，如果二者的浓度不同，就会产生离子扩散作用。假设泥浆滤液和地层水只含NaCl，应用电化学知识，可由Nernst方程求出井壁上产生的扩散电位:

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式中:E_d为扩散电位，mV;l₊、l_－分别为正、负离子迁移率，S/(m·N);R为摩尔气体常数，等于8.313J/(mol·K);T为热力学温度，K;F为法拉第常数，等于96500C/mol;C_w、C_mf分别为地层水和泥浆滤液的NaCl质量浓度，g/L。

在溶液浓度比较低的情况下，溶液的电阻率与其浓度成反比，因此，式(1.1.1)可改写为:

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式中:R_w、R_mf分别为地层水和泥浆滤液的电阻率，Ω·m。令:

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称K_d为扩散电位系数，mV。则式(1.1.2)可简写为:

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利用式(1.1.3)可以计算溶液的K_d值。当温度为18℃时，NaCl溶液的K_d值为－11.6mV。

通常情况下，地层水的含盐浓度大于泥浆滤液的含盐浓度，即C_w>C_mf，因此扩散结果是地层水中富集正电荷，泥浆中富集负电荷。

1.1.1.2 扩散吸附电位

如果用泥岩隔膜替换上述实验中的渗透性隔膜，而不改变其他条件，重新进行实验，会出现什么现象呢?通过观察，发现电压表指针朝相反方向偏转，表明浓度大的一侧富集了负电荷，而浓度小的一侧富集了正电荷(图1.1.2)。

图1.1.2 扩散吸附电位产生示意图

用泥岩隔膜将两种不同浓度的NaCl溶液分开，两种溶液在此接触面处产生离子扩散，扩散总是从浓度大的一方向浓度小的一方进行。由于黏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，黏土矿物颗粒表面吸附Cl^－，使其扩散受到牵制，只有Na⁺可以在地层水中自由移动，从而导致电位差的产生。这样就在泥岩隔膜处形成了扩散吸附电位。

在砂泥岩剖面井中，泥岩井段泥浆滤液和地层水在井壁附近相接触，产生的扩散吸附电位可以表示为:

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式中:称K_da为扩散吸附电位系数，它与岩层的泥质阳离子交换能力Q_v有关。在Q_v接近极限值的情况下，岩石孔隙中只有正离子参加扩散，可看作Cl^－的迁移率为零，因此由式(1.1.3)得到K_da:

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在溶液浓度比较低的情况下，式(1.1.5)可改写为:

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1.1.1.3 过滤电位

溶液通过毛细管时，毛细管壁吸附负离子，使溶液中正离子相对增多。正离子在压力差的作用下，随同溶液向压力低的一端移动，因此在毛细管两端富集不同符号的离子，压力低的一方带正电、压力高的一方带负电，于是产生电位差，如图1.1.3所示。

图1.1.3 过滤电位形成示意图

岩石颗粒与颗粒之间有很多孔隙，它们彼此连通，形成很细的孔道，相当于上述的毛细管。在钻井过程中，为了防止井喷，通常使泥浆柱压力略大于地层压力。在压力差的作用下，泥浆滤液向地层中渗入。由于岩石颗粒的选择吸附性，孔道壁上吸附泥浆滤液中的负离子，仅正离子随着泥浆滤液向地层中移动，这样在井壁附近聚集大量负离子，在地层内部富集大量正离子，从而产生电位差，这就是过滤电位。根据Helmholz理论，可以得出估算过滤电位的表达式:

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一般认为，在泥饼形成之前，当泥浆柱与地层之间压力差很大时，才能产生较大的过滤电位。由于油井泥浆柱与地层之间压力差不是很大，而且在测井时已形成泥饼，泥饼几乎是不渗透的，上述压力差降落在泥饼上，因此Eφ常忽略不计。

1.1.1.4 氧化还原电位

由于岩体的不均匀性，当它与泥浆接触而发生化学反应时，某一部分会因失去电子而呈正极性，另一部分则会因得到电子而显负极性，因此，二者之间便产生电位差，称为氧化还原电位。氧化还原电位仅产生于电子导电的固相矿体中，例如煤层和金属矿。沉积岩中基本没有氧化还原电位。

1.1.2 自然电位测井原理与曲线特征

1.1.2.1 自然电位测井原理

自然电位测井使用一对测量电极，用M、N表示，见图1.1.4。测井时，将测量电极N放在地面，电极M用电缆送至井下，沿井轴提升电极M测量自然电位随井深的变化，所记录的自然电位随井深的变化曲线叫自然电位测井曲线，通常用SP表示。

自然电位测井极少单独进行，而是与其他测井方法同时测量。例如，自然电位测井可以和电阻率测井同时测量。

1.1.2.2 井中自然电场分布与自然电位幅度的计算

以砂泥岩剖面井为例来说明井中自然电场分布特征。通常情况下，钻井过程中采用淡水泥浆钻进，泥浆滤液的浓度往往低于地层水的浓度。此时，在砂岩层段井内富集有负电荷，而在泥岩层段井内富集正电荷。由扩散电位和扩散吸附电位形成的自然电场分布如图1.1.5所示。

图1.1.4 自然电位测井原理图

图1.1.5 井中自然电场分布示意图

在砂岩和泥岩接触面附近，自然电位与E_d和E_da都有关系，其幅度可由图1.1.6(a)所示的等效电路求得。在此等效电路中，E_d和E_da是相互叠加的，这就是在相当厚的砂岩和泥岩接触面处的自然电位幅度基本上是产生自然电场的总电位E_总的原因，其值为:

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式中:K为自然电位系数，mV。通常把E_总称为静自然电位(SSP)，运算时写为U_SSP。此时E_d的幅度称为砂岩线，E_da的幅度称为泥岩线。

为了使用方便，实际自然电位测井曲线不设绝对零线，而是以大段泥岩对应的自然电位曲线作为其相对基线(即零线)。这样，巨厚的纯砂岩部分的自然电位幅度就是静自然电位值U_SSP。而实际上，在井中所寻找的砂岩储集层大部分是夹在泥岩层中的有限厚的砂岩，如图1.1.6(b)所示。此时，砂岩层处的自然电位异常幅度不等于SSP，用ΔU_SP表示。假设自然电流I所流经的泥浆、砂岩、泥岩各段等效电阻分别是r_m、r_sd、r_sh，由Kirchhoff定律得:

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所以，自然电流为:

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图1.1.6 计算U_SSP、ΔU_SP值的等效电路图

电阻r_m上的电位降，即ΔU_SP=Ir_m，从而得到:

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整理得:

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对于巨厚层，砂岩和泥岩层的截面积比井的截面积大得多，所以r_mr_sd，r_mr_sh，因此ΔU_SP≈U_SSP。而对于一般有限厚地层则ΔU_SP<U_SSP。

1.1.2.3 自然电位测井曲线特征

针对目的层为纯砂岩、上下围岩为泥岩的地层模型，计算得到一组自然电位理论曲线，如图1.1.7所示，它是一组曲线号码为 (地层厚度/井径)的ΔU_SP/U_SSP随深度变化的关系曲线。

理论曲线具有以下特点:曲线相对于地层中点对称;厚地层(h>4d，d为井径)的自然电位曲线幅度值近似等于静自然电位，且曲线的半幅点深度正对着地层界面深度，参见曲线号码 的曲线，与横坐标ΔU_SP/|U_SSP|=0.5的直线相交的两点(即半幅点)正好和对应地层的界面深度一致;随着地层厚度的变薄，对应界面的自然电位幅度值离开半幅点向曲线的峰值移动;地层中点取得曲线幅度的最大值，随着地层变薄极大值随之减小(ΔU_SP/|U_SSP|值接近零)，且曲线变得平缓。

实测曲线与理论曲线的特点基本相同，但由于测井时受井内环境及多方面因素的影响，实测曲线不如理论曲线规则。在早期的测井曲线图上，自然电位测井曲线没有绝对零点，而是以大段泥岩处的自然电位测井曲线作基线;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ΔU_SP的读数。自然电位幅度ΔU_SP的读数是基线到曲线异常极大值之间的宽度用横向比例尺换算出的毫伏数。现在采用计算机绘制测井曲线图，与其他常规测井曲线一样，自然电位测井曲线也具有左右刻度值，见图1.1.8。

图1.1.7 自然电位测井理论曲线

图1.1.8 自然电位测井曲线实例

在砂泥岩剖面井中，钻井一般用淡水泥浆(C_w>C_mf)，在砂岩渗透层井段自然电位测井曲线出现明显的负异常;在盐水泥浆井中(C_w<C_mf)，渗透层井段则会出现正异常。因此，自然电位测井曲线是识别渗透层的重要测井资料之一。

1.1.3 影响自然电位的因素

在砂泥岩剖面井中，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自然电位和自然电流的分布。总自然电位的大小取决于岩性、地层温度、地层水和泥浆中所含离子成分和泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。自然电流的分布则决定于流经路径中介质的电阻率及地层的厚度和井径的大小。这些因素对自然电位幅度及曲线形状均有影响。

1.1.3.1地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值的影响

地层水和泥浆滤液中含盐量的差异是造成自然电场中扩散电位E_d和扩散吸附电位E_da的基本原因。E_d和E_da的大小决定于地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值 。以泥岩作基线，当C_w>C_mf时，砂岩层段则出现自然电位负异常;当C_w<C_mf时，则砂岩层段出现自然电位的正异常;当C_w=C_mf时，没有自然电位异常出现。C_w与C_mf的差别愈大，曲线异常愈大。

1.1.3.2岩性的影响

在砂泥岩剖面井中，以大段泥岩处的自然电位测井曲线作基线，在自然电位曲线上出现异常变化的多为砂质岩层。当目的层为较厚的纯砂岩时，它与围岩之间的总自然电位达到最大值，即静自然电位，此时在自然电位曲线上出现最大的负异常幅度。当目的层含有泥质(其他条件不变)时，总自然电位降低，因而曲线异常的幅度也随之减小。此外，部分泥岩的阳离子交换能力减弱时，会产生基线偏移，渗透层的自然电位异常幅度也会相对降低。

1.1.3.3温度的影响

同样岩性的岩层，由于埋藏深度不同，其温度是不同的，而K_d、K_da都与热力学温度成正比例，这就导致埋藏深度不同的同样岩性岩层的自然电位测井曲线上异常幅度有差异。为了研究温度对自然电位的影响程度，需计算出地层温度为t(℃)时的K_d或K_da值。为计算方便，先计算出18℃时的K_da值，然后用下式可计算出任何地层温度t(℃)时的K_da值:

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1.1.3.4 地层水和泥浆滤液中所含盐的性质的影响

泥浆滤液和地层水中所含盐类不同，则溶液中所含离子不同，不同离子的离子价和迁移率均有差异，直接影响K_d或K_da值。

在纯砂岩井段中，地层水中所含盐类改变时，K_d也随之改变，见表1.1.1。因此，不同溶质的溶液，即使在其他条件都相同的情况下，所产生的E_d值也有差异。

表1.1.1 18℃时几种盐溶液的K_d值

1.1.3.5 地层电阻率的影响

当地层较厚并且各部分介质的电阻率相差不大时，式(1.1.12)中的r_sd、r_sh与r_m相比小得多，此时对于纯砂岩来说ΔU_SP≈U_SSP。当地层电阻率增高时，r_sd、r_sh与r_m比较，则不能忽略，因此ΔU_SP<U_SSP。地层电阻率越高，ΔU_SP越低。根据这个特点可以定性分辨油、水层。

1.1.3.6 地层厚度的影响

从图1.1.7所示的自然电位理论曲线上可以看出，自然电位幅度ΔU_SP随地层厚度的变薄而降低，而且曲线变得平缓。由于地层厚度变薄后，自然电流经过地层的截面变小，式(1.1.12)中的r_sd增加，使得ΔU_SP与SSP差别加大。

1.1.3.7井径扩大和泥浆侵入的影响

井径扩大使井的截面加大，式(1.1.12)中r_m相应减小，因此ΔU_SP降低。

在有泥浆侵入的渗透层井段所测的自然电位幅度ΔU_SP比同样的渗透层没有泥浆侵入时所测得的ΔU_SP要低。这是由于泥浆侵入使地层水和泥浆滤液的接触面向地层内部推移的缘故，相当于产生自然电场的场源与测量电极M之间的距离加大，而测量的自然电位下降。侵入越深，测得的ΔU_SP越低。

1.1.4 自然电位测井的应用

自然电位测井是一种最常用的测井方法，有着广泛的用途。

1.1.4.1 划分渗透性岩层

一般将大段泥岩层的自然电位测井曲线作为泥岩基线，偏离泥岩基线的井段都可以认为是渗透性岩层。渗透性很差的地层，常称为致密层，其自然电位测井曲线接近泥岩基线或者曲线的幅度异常很小。

识别出渗透层后，可用自然电位测井曲线的半幅点来确定渗透层界面，进而计算出渗透层厚度。半幅点是指泥岩基线算起1/2幅度所在位置。对于岩性均匀、界面清楚、厚度满足 的渗透层，利用半幅点划分岩层界面是可信的。如果储集层厚度较小，自然电位测井曲线异常较小，利用半幅点求出的厚度将大于实际厚度，一般要与其他纵向分辨率较高的测井曲线一起来划分地层。

1.1.4.2 地层对比和研究沉积相

自然电位测井曲线常常作为单层划相、井间对比、绘制沉积体等值图的手段之一，这是因为它具有以下特点，见图1.1.9。

1)单层曲线形态能反映粒度分布和沉积能量变化的速率。如柱形表示粒度稳定，砂岩与泥岩突变接触;钟形表示粒度由粗到细，是水进的结果，顶部渐变接触，底部突变接触，漏斗形表示粒度由细到粗，是水退的结果，底部渐变接触，顶部突变接触;曲线光滑或齿化程度是沉积能量稳定或变化频繁程度的表示。这些都同一定沉积环境形成的沉积物相联系，可作为单层划相的标志之一。

2)多层曲线形态反映一个沉积单位的纵向沉积序列，可作为划分沉积亚相的标志之一。

3)自然电位测井曲线形态较简单，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)自然电位测井曲线分层简单，便于计算砂泥岩厚度、一个沉积体的总厚度、沉积体内砂岩总厚度、沉积体的砂泥比等参数，按一个沉积体绘出等值图，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出盆地中心，泥岩最厚的地方指出沉积中心，砂岩最厚和砂泥比最高的地方指出物源方向，沉积体的平面分布则指出沉积环境。

图1.1.9 自然电位测井曲线形态特征

1.1.4.3 确定地层水电阻率

在评价油气储集层时，需要用到地层电阻率资料。利用自然电位测井曲线确定地层水电阻率是常用的方法之一。

选择厚度较大的饱含水的纯砂岩层，读出自然电位幅度ΔU_SP，校正成静自然电位U_SSP，并根据泥浆资料确定泥浆滤液电阻率R_mf。对于低浓度的地层水和泥浆滤液来说，利用式(1.1.8)可以求出地层水电阻率R_w。在浓度较高的情况下，溶液的浓度与电阻率不是简单的线性反比例关系，此时可以引入“等效电阻率”的概念，即不论溶液浓度如何变化，溶液的等效电阻率与浓度之间保持线性反比例关系。式(1.1.8)可以改写为:

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式中:R_mfe为泥浆滤液等效电阻率，Ω·m;R_we为地层水等效电阻率，Ω·m。

利用上式可以求出地层水等效电阻率，再根据溶液电阻率与等效电阻率的关系图版可以求出地层水电阻率。

1.1.4.4 估算泥质含量

自然电位测井曲线常被用来估算砂泥岩地层中的泥质含量，估算方法有以下几种。

方法一。利用经验公式估算，当砂泥岩地层中所含泥质呈层状分布形成砂泥质交互层，且泥质层与砂质层的电阻率相等或差别不大时，地层的泥质含量可用下式求得:

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式中:U_PSP为含泥质砂岩的自然电位测井曲线幅度，mV。

方法二。利用岩心分析资料和数理统计方法，找出自然电位与泥质含量之间的关系，建立泥质含量计算模型，然后利用这种模型来求取泥质含量。该方法适合于具有较多岩心分析资料的地区。

1.1.4.5 判断水淹层

在油田开发过程中，常采用注水的方法来提高油气采收率。如果一口井的某个油层见到了注入水，则该层就叫水淹层。油层水淹后，自然电位测井曲线往往发生基线偏移，出现台阶，见图1.1.10。因此，常常根据基线偏移来判断水淹层，并根据偏移量的大小来估算水淹程度。

图1.1.10 水淹层自然电位测井曲线示意图

热心网友 时间：2023-10-21 10:50

自然电位测井是沿井身测量岩层或矿体在天然条件下产生的电场电位变化的一种测井方法。自然电位测井诞生于1931年，是世界上最早使用的测井方法之一，测量简便且实用意义很大，所以至今依然广泛应用。

在生产实践中人们发现，将一个测量电极放入裸眼井中并在井内移动，在没有人工供电的情况下，仍能测量到电场电位变化。这个电位是自然产生的，所以称为自然电位。

1.1.1 井中自然电位的产生

研究表明，井中自然电位包括扩散电位、扩散吸附电位、过滤电位和氧化还原电位等几种。钻井泥浆滤液和地层水的矿化度(或浓度)一般是不相同的，两种不同矿化度的溶液在井壁附近接触产生电化学过程，结果产生扩散电位和扩散吸附电位;当泥浆柱与地层之间存在压力差时，地层孔隙中产生过滤作用，从而产生过滤电位;金属矿含量高的地层具有氧化还原电位。

在石油井中，自然电位主要由扩散电位和扩散吸附电位组成。

1.1.1.1 扩散电位

首先做一个电化学实验，实验装置如图1.1.1所示。用一个渗透性隔膜将一个玻璃缸分隔成左右两部分，分别往玻璃缸两边注入浓度不同的NaCl溶液(浓度分别为C_w和C_m，且C_w>C_m)，然后在两种溶液中各插入一个电极，用导线将这两个电极和一个电压表串联起来，我们可以观察到电压表指针发生偏转。

玻璃缸左右两边溶液的浓度不同，那么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，这种现象称为扩散现象。对于NaCl溶液来说，由于Cl^－的迁移率大于Na⁺的迁移率，因此低浓度溶液中的Cl^－相对增多，形成负电荷的富集，高浓度溶液中的Na⁺相对增多，形成正电荷的富集。于是，在两种不同浓度的溶液间能够测量到电位差。虽然离子继续扩散，但是Cl^－受到高浓度溶液中的正电荷吸引和低浓度溶液中的负电荷排斥作用，其迁移率减慢;Na⁺则迁移率加快，因而使两侧的电荷富集速度减慢。当正、负离子的迁移率相同时，电动势不再增加，但离子的扩散作用还在进行，这种状态称为动态平衡。此时接触面处的电动势称为扩散电动势或扩散电位。

图1.1.1 扩散电位产生示意图

在砂泥岩剖面井中，纯砂岩井段泥浆滤液和地层水在井壁附近相接触，如果二者的浓度不同，就会产生离子扩散作用。假设泥浆滤液和地层水只含NaCl，应用电化学知识，可由Nernst方程求出井壁上产生的扩散电位:

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式中:E_d为扩散电位，mV;l₊、l_－分别为正、负离子迁移率，S/(m·N);R为摩尔气体常数，等于8.313J/(mol·K);T为热力学温度，K;F为法拉第常数，等于96500C/mol;C_w、C_mf分别为地层水和泥浆滤液的NaCl质量浓度，g/L。

在溶液浓度比较低的情况下，溶液的电阻率与其浓度成反比，因此，式(1.1.1)可改写为:

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式中:R_w、R_mf分别为地层水和泥浆滤液的电阻率，Ω·m。令:

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称K_d为扩散电位系数，mV。则式(1.1.2)可简写为:

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利用式(1.1.3)可以计算溶液的K_d值。当温度为18℃时，NaCl溶液的K_d值为－11.6mV。

通常情况下，地层水的含盐浓度大于泥浆滤液的含盐浓度，即C_w>C_mf，因此扩散结果是地层水中富集正电荷，泥浆中富集负电荷。

1.1.1.2 扩散吸附电位

如果用泥岩隔膜替换上述实验中的渗透性隔膜，而不改变其他条件，重新进行实验，会出现什么现象呢?通过观察，发现电压表指针朝相反方向偏转，表明浓度大的一侧富集了负电荷，而浓度小的一侧富集了正电荷(图1.1.2)。

图1.1.2 扩散吸附电位产生示意图

用泥岩隔膜将两种不同浓度的NaCl溶液分开，两种溶液在此接触面处产生离子扩散，扩散总是从浓度大的一方向浓度小的一方进行。由于黏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，黏土矿物颗粒表面吸附Cl^－，使其扩散受到牵制，只有Na⁺可以在地层水中自由移动，从而导致电位差的产生。这样就在泥岩隔膜处形成了扩散吸附电位。

在砂泥岩剖面井中，泥岩井段泥浆滤液和地层水在井壁附近相接触，产生的扩散吸附电位可以表示为:

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式中:称K_da为扩散吸附电位系数，它与岩层的泥质阳离子交换能力Q_v有关。在Q_v接近极限值的情况下，岩石孔隙中只有正离子参加扩散，可看作Cl^－的迁移率为零，因此由式(1.1.3)得到K_da:

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在溶液浓度比较低的情况下，式(1.1.5)可改写为:

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1.1.1.3 过滤电位

溶液通过毛细管时，毛细管壁吸附负离子，使溶液中正离子相对增多。正离子在压力差的作用下，随同溶液向压力低的一端移动，因此在毛细管两端富集不同符号的离子，压力低的一方带正电、压力高的一方带负电，于是产生电位差，如图1.1.3所示。

图1.1.3 过滤电位形成示意图

岩石颗粒与颗粒之间有很多孔隙，它们彼此连通，形成很细的孔道，相当于上述的毛细管。在钻井过程中，为了防止井喷，通常使泥浆柱压力略大于地层压力。在压力差的作用下，泥浆滤液向地层中渗入。由于岩石颗粒的选择吸附性，孔道壁上吸附泥浆滤液中的负离子，仅正离子随着泥浆滤液向地层中移动，这样在井壁附近聚集大量负离子，在地层内部富集大量正离子，从而产生电位差，这就是过滤电位。根据Helmholz理论，可以得出估算过滤电位的表达式:

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一般认为，在泥饼形成之前，当泥浆柱与地层之间压力差很大时，才能产生较大的过滤电位。由于油井泥浆柱与地层之间压力差不是很大，而且在测井时已形成泥饼，泥饼几乎是不渗透的，上述压力差降落在泥饼上，因此Eφ常忽略不计。

1.1.1.4 氧化还原电位

由于岩体的不均匀性，当它与泥浆接触而发生化学反应时，某一部分会因失去电子而呈正极性，另一部分则会因得到电子而显负极性，因此，二者之间便产生电位差，称为氧化还原电位。氧化还原电位仅产生于电子导电的固相矿体中，例如煤层和金属矿。沉积岩中基本没有氧化还原电位。

1.1.2 自然电位测井原理与曲线特征

1.1.2.1 自然电位测井原理

自然电位测井使用一对测量电极，用M、N表示，见图1.1.4。测井时，将测量电极N放在地面，电极M用电缆送至井下，沿井轴提升电极M测量自然电位随井深的变化，所记录的自然电位随井深的变化曲线叫自然电位测井曲线，通常用SP表示。

自然电位测井极少单独进行，而是与其他测井方法同时测量。例如，自然电位测井可以和电阻率测井同时测量。

1.1.2.2 井中自然电场分布与自然电位幅度的计算

以砂泥岩剖面井为例来说明井中自然电场分布特征。通常情况下，钻井过程中采用淡水泥浆钻进，泥浆滤液的浓度往往低于地层水的浓度。此时，在砂岩层段井内富集有负电荷，而在泥岩层段井内富集正电荷。由扩散电位和扩散吸附电位形成的自然电场分布如图1.1.5所示。

图1.1.4 自然电位测井原理图

图1.1.5 井中自然电场分布示意图

在砂岩和泥岩接触面附近，自然电位与E_d和E_da都有关系，其幅度可由图1.1.6(a)所示的等效电路求得。在此等效电路中，E_d和E_da是相互叠加的，这就是在相当厚的砂岩和泥岩接触面处的自然电位幅度基本上是产生自然电场的总电位E_总的原因，其值为:

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式中:K为自然电位系数，mV。通常把E_总称为静自然电位(SSP)，运算时写为U_SSP。此时E_d的幅度称为砂岩线，E_da的幅度称为泥岩线。

为了使用方便，实际自然电位测井曲线不设绝对零线，而是以大段泥岩对应的自然电位曲线作为其相对基线(即零线)。这样，巨厚的纯砂岩部分的自然电位幅度就是静自然电位值U_SSP。而实际上，在井中所寻找的砂岩储集层大部分是夹在泥岩层中的有限厚的砂岩，如图1.1.6(b)所示。此时，砂岩层处的自然电位异常幅度不等于SSP，用ΔU_SP表示。假设自然电流I所流经的泥浆、砂岩、泥岩各段等效电阻分别是r_m、r_sd、r_sh，由Kirchhoff定律得:

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所以，自然电流为:

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图1.1.6 计算U_SSP、ΔU_SP值的等效电路图

电阻r_m上的电位降，即ΔU_SP=Ir_m，从而得到:

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整理得:

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对于巨厚层，砂岩和泥岩层的截面积比井的截面积大得多，所以r_mr_sd，r_mr_sh，因此ΔU_SP≈U_SSP。而对于一般有限厚地层则ΔU_SP<U_SSP。

1.1.2.3 自然电位测井曲线特征

针对目的层为纯砂岩、上下围岩为泥岩的地层模型，计算得到一组自然电位理论曲线，如图1.1.7所示，它是一组曲线号码为 (地层厚度/井径)的ΔU_SP/U_SSP随深度变化的关系曲线。

理论曲线具有以下特点:曲线相对于地层中点对称;厚地层(h>4d，d为井径)的自然电位曲线幅度值近似等于静自然电位，且曲线的半幅点深度正对着地层界面深度，参见曲线号码 的曲线，与横坐标ΔU_SP/|U_SSP|=0.5的直线相交的两点(即半幅点)正好和对应地层的界面深度一致;随着地层厚度的变薄，对应界面的自然电位幅度值离开半幅点向曲线的峰值移动;地层中点取得曲线幅度的最大值，随着地层变薄极大值随之减小(ΔU_SP/|U_SSP|值接近零)，且曲线变得平缓。

实测曲线与理论曲线的特点基本相同，但由于测井时受井内环境及多方面因素的影响，实测曲线不如理论曲线规则。在早期的测井曲线图上，自然电位测井曲线没有绝对零点，而是以大段泥岩处的自然电位测井曲线作基线;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ΔU_SP的读数。自然电位幅度ΔU_SP的读数是基线到曲线异常极大值之间的宽度用横向比例尺换算出的毫伏数。现在采用计算机绘制测井曲线图，与其他常规测井曲线一样，自然电位测井曲线也具有左右刻度值，见图1.1.8。

图1.1.7 自然电位测井理论曲线

图1.1.8 自然电位测井曲线实例

在砂泥岩剖面井中，钻井一般用淡水泥浆(C_w>C_mf)，在砂岩渗透层井段自然电位测井曲线出现明显的负异常;在盐水泥浆井中(C_w<C_mf)，渗透层井段则会出现正异常。因此，自然电位测井曲线是识别渗透层的重要测井资料之一。

1.1.3 影响自然电位的因素

在砂泥岩剖面井中，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自然电位和自然电流的分布。总自然电位的大小取决于岩性、地层温度、地层水和泥浆中所含离子成分和泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。自然电流的分布则决定于流经路径中介质的电阻率及地层的厚度和井径的大小。这些因素对自然电位幅度及曲线形状均有影响。

1.1.3.1地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值的影响

地层水和泥浆滤液中含盐量的差异是造成自然电场中扩散电位E_d和扩散吸附电位E_da的基本原因。E_d和E_da的大小决定于地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值 。以泥岩作基线，当C_w>C_mf时，砂岩层段则出现自然电位负异常;当C_w<C_mf时，则砂岩层段出现自然电位的正异常;当C_w=C_mf时，没有自然电位异常出现。C_w与C_mf的差别愈大，曲线异常愈大。

1.1.3.2岩性的影响

在砂泥岩剖面井中，以大段泥岩处的自然电位测井曲线作基线，在自然电位曲线上出现异常变化的多为砂质岩层。当目的层为较厚的纯砂岩时，它与围岩之间的总自然电位达到最大值，即静自然电位，此时在自然电位曲线上出现最大的负异常幅度。当目的层含有泥质(其他条件不变)时，总自然电位降低，因而曲线异常的幅度也随之减小。此外，部分泥岩的阳离子交换能力减弱时，会产生基线偏移，渗透层的自然电位异常幅度也会相对降低。

1.1.3.3温度的影响

同样岩性的岩层，由于埋藏深度不同，其温度是不同的，而K_d、K_da都与热力学温度成正比例，这就导致埋藏深度不同的同样岩性岩层的自然电位测井曲线上异常幅度有差异。为了研究温度对自然电位的影响程度，需计算出地层温度为t(℃)时的K_d或K_da值。为计算方便，先计算出18℃时的K_da值，然后用下式可计算出任何地层温度t(℃)时的K_da值:

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1.1.3.4 地层水和泥浆滤液中所含盐的性质的影响

泥浆滤液和地层水中所含盐类不同，则溶液中所含离子不同，不同离子的离子价和迁移率均有差异，直接影响K_d或K_da值。

在纯砂岩井段中，地层水中所含盐类改变时，K_d也随之改变，见表1.1.1。因此，不同溶质的溶液，即使在其他条件都相同的情况下，所产生的E_d值也有差异。

表1.1.1 18℃时几种盐溶液的K_d值

1.1.3.5 地层电阻率的影响

当地层较厚并且各部分介质的电阻率相差不大时，式(1.1.12)中的r_sd、r_sh与r_m相比小得多，此时对于纯砂岩来说ΔU_SP≈U_SSP。当地层电阻率增高时，r_sd、r_sh与r_m比较，则不能忽略，因此ΔU_SP<U_SSP。地层电阻率越高，ΔU_SP越低。根据这个特点可以定性分辨油、水层。

1.1.3.6 地层厚度的影响

从图1.1.7所示的自然电位理论曲线上可以看出，自然电位幅度ΔU_SP随地层厚度的变薄而降低，而且曲线变得平缓。由于地层厚度变薄后，自然电流经过地层的截面变小，式(1.1.12)中的r_sd增加，使得ΔU_SP与SSP差别加大。

1.1.3.7井径扩大和泥浆侵入的影响

井径扩大使井的截面加大，式(1.1.12)中r_m相应减小，因此ΔU_SP降低。

在有泥浆侵入的渗透层井段所测的自然电位幅度ΔU_SP比同样的渗透层没有泥浆侵入时所测得的ΔU_SP要低。这是由于泥浆侵入使地层水和泥浆滤液的接触面向地层内部推移的缘故，相当于产生自然电场的场源与测量电极M之间的距离加大，而测量的自然电位下降。侵入越深，测得的ΔU_SP越低。

1.1.4 自然电位测井的应用

自然电位测井是一种最常用的测井方法，有着广泛的用途。

1.1.4.1 划分渗透性岩层

一般将大段泥岩层的自然电位测井曲线作为泥岩基线，偏离泥岩基线的井段都可以认为是渗透性岩层。渗透性很差的地层，常称为致密层，其自然电位测井曲线接近泥岩基线或者曲线的幅度异常很小。

识别出渗透层后，可用自然电位测井曲线的半幅点来确定渗透层界面，进而计算出渗透层厚度。半幅点是指泥岩基线算起1/2幅度所在位置。对于岩性均匀、界面清楚、厚度满足 的渗透层，利用半幅点划分岩层界面是可信的。如果储集层厚度较小，自然电位测井曲线异常较小，利用半幅点求出的厚度将大于实际厚度，一般要与其他纵向分辨率较高的测井曲线一起来划分地层。

1.1.4.2 地层对比和研究沉积相

自然电位测井曲线常常作为单层划相、井间对比、绘制沉积体等值图的手段之一，这是因为它具有以下特点，见图1.1.9。

1)单层曲线形态能反映粒度分布和沉积能量变化的速率。如柱形表示粒度稳定，砂岩与泥岩突变接触;钟形表示粒度由粗到细，是水进的结果，顶部渐变接触，底部突变接触，漏斗形表示粒度由细到粗，是水退的结果，底部渐变接触，顶部突变接触;曲线光滑或齿化程度是沉积能量稳定或变化频繁程度的表示。这些都同一定沉积环境形成的沉积物相联系，可作为单层划相的标志之一。

2)多层曲线形态反映一个沉积单位的纵向沉积序列，可作为划分沉积亚相的标志之一。

3)自然电位测井曲线形态较简单，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)自然电位测井曲线分层简单，便于计算砂泥岩厚度、一个沉积体的总厚度、沉积体内砂岩总厚度、沉积体的砂泥比等参数，按一个沉积体绘出等值图，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出盆地中心，泥岩最厚的地方指出沉积中心，砂岩最厚和砂泥比最高的地方指出物源方向，沉积体的平面分布则指出沉积环境。

图1.1.9 自然电位测井曲线形态特征

1.1.4.3 确定地层水电阻率

在评价油气储集层时，需要用到地层电阻率资料。利用自然电位测井曲线确定地层水电阻率是常用的方法之一。

选择厚度较大的饱含水的纯砂岩层，读出自然电位幅度ΔU_SP，校正成静自然电位U_SSP，并根据泥浆资料确定泥浆滤液电阻率R_mf。对于低浓度的地层水和泥浆滤液来说，利用式(1.1.8)可以求出地层水电阻率R_w。在浓度较高的情况下，溶液的浓度与电阻率不是简单的线性反比例关系，此时可以引入“等效电阻率”的概念，即不论溶液浓度如何变化，溶液的等效电阻率与浓度之间保持线性反比例关系。式(1.1.8)可以改写为:

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式中:R_mfe为泥浆滤液等效电阻率，Ω·m;R_we为地层水等效电阻率，Ω·m。

利用上式可以求出地层水等效电阻率，再根据溶液电阻率与等效电阻率的关系图版可以求出地层水电阻率。

1.1.4.4 估算泥质含量

自然电位测井曲线常被用来估算砂泥岩地层中的泥质含量，估算方法有以下几种。

方法一。利用经验公式估算，当砂泥岩地层中所含泥质呈层状分布形成砂泥质交互层，且泥质层与砂质层的电阻率相等或差别不大时，地层的泥质含量可用下式求得:

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式中:U_PSP为含泥质砂岩的自然电位测井曲线幅度，mV。

方法二。利用岩心分析资料和数理统计方法，找出自然电位与泥质含量之间的关系，建立泥质含量计算模型，然后利用这种模型来求取泥质含量。该方法适合于具有较多岩心分析资料的地区。

1.1.4.5 判断水淹层

在油田开发过程中，常采用注水的方法来提高油气采收率。如果一口井的某个油层见到了注入水，则该层就叫水淹层。油层水淹后，自然电位测井曲线往往发生基线偏移，出现台阶，见图1.1.10。因此，常常根据基线偏移来判断水淹层，并根据偏移量的大小来估算水淹程度。

图1.1.10 水淹层自然电位测井曲线示意图

热心网友 时间：2023-10-21 10:50

自然电位测井是沿井身测量岩层或矿体在天然条件下产生的电场电位变化的一种测井方法。自然电位测井诞生于1931年，是世界上最早使用的测井方法之一，测量简便且实用意义很大，所以至今依然广泛应用。

在生产实践中人们发现，将一个测量电极放入裸眼井中并在井内移动，在没有人工供电的情况下，仍能测量到电场电位变化。这个电位是自然产生的，所以称为自然电位。

1.1.1 井中自然电位的产生

研究表明，井中自然电位包括扩散电位、扩散吸附电位、过滤电位和氧化还原电位等几种。钻井泥浆滤液和地层水的矿化度(或浓度)一般是不相同的，两种不同矿化度的溶液在井壁附近接触产生电化学过程，结果产生扩散电位和扩散吸附电位;当泥浆柱与地层之间存在压力差时，地层孔隙中产生过滤作用，从而产生过滤电位;金属矿含量高的地层具有氧化还原电位。

在石油井中，自然电位主要由扩散电位和扩散吸附电位组成。

1.1.1.1 扩散电位

首先做一个电化学实验，实验装置如图1.1.1所示。用一个渗透性隔膜将一个玻璃缸分隔成左右两部分，分别往玻璃缸两边注入浓度不同的NaCl溶液(浓度分别为C_w和C_m，且C_w>C_m)，然后在两种溶液中各插入一个电极，用导线将这两个电极和一个电压表串联起来，我们可以观察到电压表指针发生偏转。

玻璃缸左右两边溶液的浓度不同，那么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，这种现象称为扩散现象。对于NaCl溶液来说，由于Cl^－的迁移率大于Na⁺的迁移率，因此低浓度溶液中的Cl^－相对增多，形成负电荷的富集，高浓度溶液中的Na⁺相对增多，形成正电荷的富集。于是，在两种不同浓度的溶液间能够测量到电位差。虽然离子继续扩散，但是Cl^－受到高浓度溶液中的正电荷吸引和低浓度溶液中的负电荷排斥作用，其迁移率减慢;Na⁺则迁移率加快，因而使两侧的电荷富集速度减慢。当正、负离子的迁移率相同时，电动势不再增加，但离子的扩散作用还在进行，这种状态称为动态平衡。此时接触面处的电动势称为扩散电动势或扩散电位。

图1.1.1 扩散电位产生示意图

在砂泥岩剖面井中，纯砂岩井段泥浆滤液和地层水在井壁附近相接触，如果二者的浓度不同，就会产生离子扩散作用。假设泥浆滤液和地层水只含NaCl，应用电化学知识，可由Nernst方程求出井壁上产生的扩散电位:

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式中:E_d为扩散电位，mV;l₊、l_－分别为正、负离子迁移率，S/(m·N);R为摩尔气体常数，等于8.313J/(mol·K);T为热力学温度，K;F为法拉第常数，等于96500C/mol;C_w、C_mf分别为地层水和泥浆滤液的NaCl质量浓度，g/L。

在溶液浓度比较低的情况下，溶液的电阻率与其浓度成反比，因此，式(1.1.1)可改写为:

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式中:R_w、R_mf分别为地层水和泥浆滤液的电阻率，Ω·m。令:

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称K_d为扩散电位系数，mV。则式(1.1.2)可简写为:

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利用式(1.1.3)可以计算溶液的K_d值。当温度为18℃时，NaCl溶液的K_d值为－11.6mV。

通常情况下，地层水的含盐浓度大于泥浆滤液的含盐浓度，即C_w>C_mf，因此扩散结果是地层水中富集正电荷，泥浆中富集负电荷。

1.1.1.2 扩散吸附电位

如果用泥岩隔膜替换上述实验中的渗透性隔膜，而不改变其他条件，重新进行实验，会出现什么现象呢?通过观察，发现电压表指针朝相反方向偏转，表明浓度大的一侧富集了负电荷，而浓度小的一侧富集了正电荷(图1.1.2)。

图1.1.2 扩散吸附电位产生示意图

用泥岩隔膜将两种不同浓度的NaCl溶液分开，两种溶液在此接触面处产生离子扩散，扩散总是从浓度大的一方向浓度小的一方进行。由于黏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，黏土矿物颗粒表面吸附Cl^－，使其扩散受到牵制，只有Na⁺可以在地层水中自由移动，从而导致电位差的产生。这样就在泥岩隔膜处形成了扩散吸附电位。

在砂泥岩剖面井中，泥岩井段泥浆滤液和地层水在井壁附近相接触，产生的扩散吸附电位可以表示为:

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式中:称K_da为扩散吸附电位系数，它与岩层的泥质阳离子交换能力Q_v有关。在Q_v接近极限值的情况下，岩石孔隙中只有正离子参加扩散，可看作Cl^－的迁移率为零，因此由式(1.1.3)得到K_da:

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在溶液浓度比较低的情况下，式(1.1.5)可改写为:

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1.1.1.3 过滤电位

溶液通过毛细管时，毛细管壁吸附负离子，使溶液中正离子相对增多。正离子在压力差的作用下，随同溶液向压力低的一端移动，因此在毛细管两端富集不同符号的离子，压力低的一方带正电、压力高的一方带负电，于是产生电位差，如图1.1.3所示。

图1.1.3 过滤电位形成示意图

岩石颗粒与颗粒之间有很多孔隙，它们彼此连通，形成很细的孔道，相当于上述的毛细管。在钻井过程中，为了防止井喷，通常使泥浆柱压力略大于地层压力。在压力差的作用下，泥浆滤液向地层中渗入。由于岩石颗粒的选择吸附性，孔道壁上吸附泥浆滤液中的负离子，仅正离子随着泥浆滤液向地层中移动，这样在井壁附近聚集大量负离子，在地层内部富集大量正离子，从而产生电位差，这就是过滤电位。根据Helmholz理论，可以得出估算过滤电位的表达式:

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一般认为，在泥饼形成之前，当泥浆柱与地层之间压力差很大时，才能产生较大的过滤电位。由于油井泥浆柱与地层之间压力差不是很大，而且在测井时已形成泥饼，泥饼几乎是不渗透的，上述压力差降落在泥饼上，因此Eφ常忽略不计。

1.1.1.4 氧化还原电位

由于岩体的不均匀性，当它与泥浆接触而发生化学反应时，某一部分会因失去电子而呈正极性，另一部分则会因得到电子而显负极性，因此，二者之间便产生电位差，称为氧化还原电位。氧化还原电位仅产生于电子导电的固相矿体中，例如煤层和金属矿。沉积岩中基本没有氧化还原电位。

1.1.2 自然电位测井原理与曲线特征

1.1.2.1 自然电位测井原理

自然电位测井使用一对测量电极，用M、N表示，见图1.1.4。测井时，将测量电极N放在地面，电极M用电缆送至井下，沿井轴提升电极M测量自然电位随井深的变化，所记录的自然电位随井深的变化曲线叫自然电位测井曲线，通常用SP表示。

自然电位测井极少单独进行，而是与其他测井方法同时测量。例如，自然电位测井可以和电阻率测井同时测量。

1.1.2.2 井中自然电场分布与自然电位幅度的计算

以砂泥岩剖面井为例来说明井中自然电场分布特征。通常情况下，钻井过程中采用淡水泥浆钻进，泥浆滤液的浓度往往低于地层水的浓度。此时，在砂岩层段井内富集有负电荷，而在泥岩层段井内富集正电荷。由扩散电位和扩散吸附电位形成的自然电场分布如图1.1.5所示。

图1.1.4 自然电位测井原理图

图1.1.5 井中自然电场分布示意图

在砂岩和泥岩接触面附近，自然电位与E_d和E_da都有关系，其幅度可由图1.1.6(a)所示的等效电路求得。在此等效电路中，E_d和E_da是相互叠加的，这就是在相当厚的砂岩和泥岩接触面处的自然电位幅度基本上是产生自然电场的总电位E_总的原因，其值为:

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式中:K为自然电位系数，mV。通常把E_总称为静自然电位(SSP)，运算时写为U_SSP。此时E_d的幅度称为砂岩线，E_da的幅度称为泥岩线。

为了使用方便，实际自然电位测井曲线不设绝对零线，而是以大段泥岩对应的自然电位曲线作为其相对基线(即零线)。这样，巨厚的纯砂岩部分的自然电位幅度就是静自然电位值U_SSP。而实际上，在井中所寻找的砂岩储集层大部分是夹在泥岩层中的有限厚的砂岩，如图1.1.6(b)所示。此时，砂岩层处的自然电位异常幅度不等于SSP，用ΔU_SP表示。假设自然电流I所流经的泥浆、砂岩、泥岩各段等效电阻分别是r_m、r_sd、r_sh，由Kirchhoff定律得:

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所以，自然电流为:

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图1.1.6 计算U_SSP、ΔU_SP值的等效电路图

电阻r_m上的电位降，即ΔU_SP=Ir_m，从而得到:

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整理得:

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对于巨厚层，砂岩和泥岩层的截面积比井的截面积大得多，所以r_mr_sd，r_mr_sh，因此ΔU_SP≈U_SSP。而对于一般有限厚地层则ΔU_SP<U_SSP。

1.1.2.3 自然电位测井曲线特征

针对目的层为纯砂岩、上下围岩为泥岩的地层模型，计算得到一组自然电位理论曲线，如图1.1.7所示，它是一组曲线号码为 (地层厚度/井径)的ΔU_SP/U_SSP随深度变化的关系曲线。

理论曲线具有以下特点:曲线相对于地层中点对称;厚地层(h>4d，d为井径)的自然电位曲线幅度值近似等于静自然电位，且曲线的半幅点深度正对着地层界面深度，参见曲线号码 的曲线，与横坐标ΔU_SP/|U_SSP|=0.5的直线相交的两点(即半幅点)正好和对应地层的界面深度一致;随着地层厚度的变薄，对应界面的自然电位幅度值离开半幅点向曲线的峰值移动;地层中点取得曲线幅度的最大值，随着地层变薄极大值随之减小(ΔU_SP/|U_SSP|值接近零)，且曲线变得平缓。

实测曲线与理论曲线的特点基本相同，但由于测井时受井内环境及多方面因素的影响，实测曲线不如理论曲线规则。在早期的测井曲线图上，自然电位测井曲线没有绝对零点，而是以大段泥岩处的自然电位测井曲线作基线;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ΔU_SP的读数。自然电位幅度ΔU_SP的读数是基线到曲线异常极大值之间的宽度用横向比例尺换算出的毫伏数。现在采用计算机绘制测井曲线图，与其他常规测井曲线一样，自然电位测井曲线也具有左右刻度值，见图1.1.8。

图1.1.7 自然电位测井理论曲线

图1.1.8 自然电位测井曲线实例

在砂泥岩剖面井中，钻井一般用淡水泥浆(C_w>C_mf)，在砂岩渗透层井段自然电位测井曲线出现明显的负异常;在盐水泥浆井中(C_w<C_mf)，渗透层井段则会出现正异常。因此，自然电位测井曲线是识别渗透层的重要测井资料之一。

1.1.3 影响自然电位的因素

在砂泥岩剖面井中，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自然电位和自然电流的分布。总自然电位的大小取决于岩性、地层温度、地层水和泥浆中所含离子成分和泥浆滤液电阻率与地层水电阻率之比。自然电流的分布则决定于流经路径中介质的电阻率及地层的厚度和井径的大小。这些因素对自然电位幅度及曲线形状均有影响。

1.1.3.1地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值的影响

地层水和泥浆滤液中含盐量的差异是造成自然电场中扩散电位E_d和扩散吸附电位E_da的基本原因。E_d和E_da的大小决定于地层水和泥浆滤液中含盐浓度比值 。以泥岩作基线，当C_w>C_mf时，砂岩层段则出现自然电位负异常;当C_w<C_mf时，则砂岩层段出现自然电位的正异常;当C_w=C_mf时，没有自然电位异常出现。C_w与C_mf的差别愈大，曲线异常愈大。

1.1.3.2岩性的影响

在砂泥岩剖面井中，以大段泥岩处的自然电位测井曲线作基线，在自然电位曲线上出现异常变化的多为砂质岩层。当目的层为较厚的纯砂岩时，它与围岩之间的总自然电位达到最大值，即静自然电位，此时在自然电位曲线上出现最大的负异常幅度。当目的层含有泥质(其他条件不变)时，总自然电位降低，因而曲线异常的幅度也随之减小。此外，部分泥岩的阳离子交换能力减弱时，会产生基线偏移，渗透层的自然电位异常幅度也会相对降低。

1.1.3.3温度的影响

同样岩性的岩层，由于埋藏深度不同，其温度是不同的，而K_d、K_da都与热力学温度成正比例，这就导致埋藏深度不同的同样岩性岩层的自然电位测井曲线上异常幅度有差异。为了研究温度对自然电位的影响程度，需计算出地层温度为t(℃)时的K_d或K_da值。为计算方便，先计算出18℃时的K_da值，然后用下式可计算出任何地层温度t(℃)时的K_da值:

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1.1.3.4 地层水和泥浆滤液中所含盐的性质的影响

泥浆滤液和地层水中所含盐类不同，则溶液中所含离子不同，不同离子的离子价和迁移率均有差异，直接影响K_d或K_da值。

在纯砂岩井段中，地层水中所含盐类改变时，K_d也随之改变，见表1.1.1。因此，不同溶质的溶液，即使在其他条件都相同的情况下，所产生的E_d值也有差异。

表1.1.1 18℃时几种盐溶液的K_d值

1.1.3.5 地层电阻率的影响

当地层较厚并且各部分介质的电阻率相差不大时，式(1.1.12)中的r_sd、r_sh与r_m相比小得多，此时对于纯砂岩来说ΔU_SP≈U_SSP。当地层电阻率增高时，r_sd、r_sh与r_m比较，则不能忽略，因此ΔU_SP<U_SSP。地层电阻率越高，ΔU_SP越低。根据这个特点可以定性分辨油、水层。

1.1.3.6 地层厚度的影响

从图1.1.7所示的自然电位理论曲线上可以看出，自然电位幅度ΔU_SP随地层厚度的变薄而降低，而且曲线变得平缓。由于地层厚度变薄后，自然电流经过地层的截面变小，式(1.1.12)中的r_sd增加，使得ΔU_SP与SSP差别加大。

1.1.3.7井径扩大和泥浆侵入的影响

井径扩大使井的截面加大，式(1.1.12)中r_m相应减小，因此ΔU_SP降低。

在有泥浆侵入的渗透层井段所测的自然电位幅度ΔU_SP比同样的渗透层没有泥浆侵入时所测得的ΔU_SP要低。这是由于泥浆侵入使地层水和泥浆滤液的接触面向地层内部推移的缘故，相当于产生自然电场的场源与测量电极M之间的距离加大，而测量的自然电位下降。侵入越深，测得的ΔU_SP越低。

1.1.4 自然电位测井的应用

自然电位测井是一种最常用的测井方法，有着广泛的用途。

1.1.4.1 划分渗透性岩层

一般将大段泥岩层的自然电位测井曲线作为泥岩基线，偏离泥岩基线的井段都可以认为是渗透性岩层。渗透性很差的地层，常称为致密层，其自然电位测井曲线接近泥岩基线或者曲线的幅度异常很小。

识别出渗透层后，可用自然电位测井曲线的半幅点来确定渗透层界面，进而计算出渗透层厚度。半幅点是指泥岩基线算起1/2幅度所在位置。对于岩性均匀、界面清楚、厚度满足 的渗透层，利用半幅点划分岩层界面是可信的。如果储集层厚度较小，自然电位测井曲线异常较小，利用半幅点求出的厚度将大于实际厚度，一般要与其他纵向分辨率较高的测井曲线一起来划分地层。

1.1.4.2 地层对比和研究沉积相

自然电位测井曲线常常作为单层划相、井间对比、绘制沉积体等值图的手段之一，这是因为它具有以下特点，见图1.1.9。

1)单层曲线形态能反映粒度分布和沉积能量变化的速率。如柱形表示粒度稳定，砂岩与泥岩突变接触;钟形表示粒度由粗到细，是水进的结果，顶部渐变接触，底部突变接触，漏斗形表示粒度由细到粗，是水退的结果，底部渐变接触，顶部突变接触;曲线光滑或齿化程度是沉积能量稳定或变化频繁程度的表示。这些都同一定沉积环境形成的沉积物相联系，可作为单层划相的标志之一。

2)多层曲线形态反映一个沉积单位的纵向沉积序列，可作为划分沉积亚相的标志之一。

3)自然电位测井曲线形态较简单，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)自然电位测井曲线分层简单，便于计算砂泥岩厚度、一个沉积体的总厚度、沉积体内砂岩总厚度、沉积体的砂泥比等参数，按一个沉积体绘出等值图，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出盆地中心，泥岩最厚的地方指出沉积中心，砂岩最厚和砂泥比最高的地方指出物源方向，沉积体的平面分布则指出沉积环境。

图1.1.9 自然电位测井曲线形态特征

1.1.4.3 确定地层水电阻率

在评价油气储集层时，需要用到地层电阻率资料。利用自然电位测井曲线确定地层水电阻率是常用的方法之一。

选择厚度较大的饱含水的纯砂岩层，读出自然电位幅度ΔU_SP，校正成静自然电位U_SSP，并根据泥浆资料确定泥浆滤液电阻率R_mf。对于低浓度的地层水和泥浆滤液来说，利用式(1.1.8)可以求出地层水电阻率R_w。在浓度较高的情况下，溶液的浓度与电阻率不是简单的线性反比例关系，此时可以引入“等效电阻率”的概念，即不论溶液浓度如何变化，溶液的等效电阻率与浓度之间保持线性反比例关系。式(1.1.8)可以改写为:

地球物理测井教程

式中:R_mfe为泥浆滤液等效电阻率，Ω·m;R_we为地层水等效电阻率，Ω·m。

利用上式可以求出地层水等效电阻率，再根据溶液电阻率与等效电阻率的关系图版可以求出地层水电阻率。

1.1.4.4 估算泥质含量

自然电位测井曲线常被用来估算砂泥岩地层中的泥质含量，估算方法有以下几种。

方法一。利用经验公式估算，当砂泥岩地层中所含泥质呈层状分布形成砂泥质交互层，且泥质层与砂质层的电阻率相等或差别不大时，地层的泥质含量可用下式求得:

地球物理测井教程

式中:U_PSP为含泥质砂岩的自然电位测井曲线幅度，mV。

方法二。利用岩心分析资料和数理统计方法，找出自然电位与泥质含量之间的关系，建立泥质含量计算模型，然后利用这种模型来求取泥质含量。该方法适合于具有较多岩心分析资料的地区。

1.1.4.5 判断水淹层

在油田开发过程中，常采用注水的方法来提高油气采收率。如果一口井的某个油层见到了注入水，则该层就叫水淹层。油层水淹后，自然电位测井曲线往往发生基线偏移，出现台阶，见图1.1.10。因此，常常根据基线偏移来判断水淹层，并根据偏移量的大小来估算水淹程度。

图1.1.10 水淹层自然电位测井曲线示意图