（北京）
本科生课程 《地球物理测井方法》
第3章 自然电位测井
( Spontaneous Potential Logging )
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自然电位测井
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自然电位(直流）与电阻率（交流）同时测量
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§1 井内自然电场生原因
一、岩石孔隙水中离子的分布
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1. 离子双电层
（1）地层水中盐分子（如NaCl）充分离解， 与极性水分子形成水合离子； （2）岩石颗粒与水接触的表面带有固定不动 的负电荷，粘土矿物中最显著； （3）带负电的岩石表面吸引极性水分子与Na 的水合离子，形成离子双电层。（内层： 岩石表面负电荷；外层：吸附的阳离子）
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2. Eda表达式
在Ed表达式中，令l-=0
Cw RT Cw Eda 2.3 lg K da lg ZF Cmf Cmf
K da
RT 2 .3 ZF
当温度为18℃时，对于 NaCl溶液， Kda=59.1mv
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§2 自然电位测井及SP曲线
一、自然电位曲线的形成 1.在砂层形成 Ed ， 泥岩层形成Eda；
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三、影响储层自然电位异常的因素
等效电流：
E E I r r r
d da m t
sh
储层的usp=Irm Ed-Eda与储层的usp符号一致：
当Cw>Cmf时,Ed<0,Eda>0;Ed-Eda<0, 为负异常；反之为正异常
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1. 静自然电位（SSP）
Cw SSP Ed Eda K d K da lg Cmf Cw/Cmf 的影响：
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3. 双水
粘土束缚水：
双电层外层那部分水，阳离子多于阴离子 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
半透膜
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扩散电动势（含水纯岩石）形成过程
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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 正离子 Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Ca2+ Mg2+ Ca2+ 迁移率l+ [m2∙S/mol ] 4.35 6.46 5.16 4.50 5.16 4.50 5.16 负离子 Cl－ Cl－ Cl－ Cl－ SO42－ SO42－ CO32－ 迁移率l[m2.S/mol ] 6.55 6.55 6.55 6.55 6.79 6.79 6.00 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
2.泥岩，砂岩，泥浆 都是导电介质；
3.在砂层与泥岩交界 处形成自然电流； 4.井内不同岩层处电 位的变化构成全井自 然电位曲线。
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一、自然电位曲线的形成
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泥岩
+ + + + + + +
砂岩
Ed
+ + + + + + + -
Eda
- 25mv +
自然电位
泥岩
-
+ + + + + + +
Eda
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5. 储层泥质含量的影响 Vsh ----〉usp 6. 侵入带直径的影响 d i ---〉自然电流回路的路径 ---〉I ----〉usp 7. 岩性剖面 碳酸盐岩剖面,自然电位异常不能用来区分储层
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四. SP曲线的特点
1. 对称于地层中点 2. h/d>4,曲线的半 幅点对应地层界面 3. 代表值：地层中 部极值
Rmf

P
A 4
Rmf——泥浆滤液电阻率，Ω.m μ——泥浆滤液的粘度，Pa.s 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 —是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
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三、纯泥岩的电动势Eda
1.形成
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 半透膜 衡时，电动势为Eda
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-
+ +
- + + + -
+++++
-------
+ + -
Cw>C注>Cmf
+ +
-- + +
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交界面I处的总电动势： - +
EI Ed
+ - + Eda + kd + - + + -+ - + -
CW CW lg kda lg Cmf Cmf
C注 Cw Cw ------- + 注 注界 EII Ed Ed Ed + -Kd lg Kd lg Kd lg Cmf C注 Cmf + + + - - + EII Kd (lg Cw lg Cmf -- lg Cw lg C注 lg C注 lg Cmf )＝0 -- + + + +
T(K)—溶液的绝对温度 Rmfe—等效泥浆滤液电阻率 Rwe —等效地层水电阻率
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1. 确定SSP 在一个解释井段内，选一个标准水层，读取 其SP作为SSP 标准水层：岩性纯，厚度大，100%含水 如没有标准水层，取最接近的层读SP，用 图版校正为SSP
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2. 计算自然电位系数K
K 70.7273 T / 298
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3. 过滤电动势（压力差产生的）
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
6. 确定标准温度下的地层水电阻率RwN
RweN 0.12 m : RwN 0.58 100.69 RweN 0.24 RweN 0.12 m : RwN 77RweN 5 / 146 337RweN
7. 确定地层温度下的地层水电阻率Rw
82.2 RwN Rw 1.8T 39
5
ELECTRICAL DOUBLE LAYER OF CLAYS
6
7
（4）吸附阳离子 吸附层：紧贴岩石表面，不能移动 扩散层：吸附层之外阳离子，可正常移动 （5）双电层是在岩石沉积、成岩过程中形成的 砂岩：双电层外层的厚度非常小
泥岩：表面负电荷多，双电层外层的厚度 很大
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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（等电量交换），交换的难易 程度取决于岩石表面对阳离子的静电引力。 平衡离子：被吸附的正离子
1.8T1 39 R2 / R1 1.8T2 39
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8. 确定地层水矿化度Cw
X [3.562 lg( RwN 0.0123)]/ 0.995
Cw 10
X
Cw——地层水NaCl的矿化度，ppm。
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四、判断水淹层(油层）
油层孔隙中有注入水存在,则该层叫水淹层
基线偏移
Rmf Cw Ed Kd lg Kd lg Cmf 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;
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的程度，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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二、储层的自然电位异常 实测自然电位曲线 没有绝对零点 有带极性的横向比例尺
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1.泥岩基线: 相邻的泥岩自然电位构成的直线段 2.储层的异常:偏离基线的变化 负异常:偏离基线向低电位一方 正异常:偏离基线向高电位一方 异常幅度：偏离泥岩基线的 最大幅度，负异常为负值， 正异常为正值
Km
（3）确定标准温度下的等效泥浆滤液电阻率RmfeN
RmfN 0.1 m : RmfeN 0.85RmfN RmfN 0.1 m : RmfeN (146RmfN 5) /(337RmfN 77)
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5. 确定标准温度下的等效地层水电阻率RweN
RweN RmfeN / Rmfe / Rwe
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交界面Ⅱ处的总电动势： >C注>Cmf +++++ + - Cw + +++++ ------Cw>C注>Cmf + -
Cw Cmf
Cw Cmf
负异常 正异常 无异常 异常幅度↗
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Cw Cmf
︱Cw - Cmf ︳↗
2. 储层厚度
E E I r r r