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一、岩石孔隙水中离子的分布
1.离子双电层的形成
（1）岩石中的水分子是一种电荷不完全平衡的极性分子，对 外可显示为正、负两个极性；
H
H
O
（2）地层水中盐分子（主要是NaCl）充分离解，Na+和Cl-可 分别与极性水分子形成水合离子；
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（3）岩石颗粒与水溶液接触的表面带有固定不动的负电荷， 粘土矿物中最显著；
（北京）
CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM
研究生课程
油气地球物理测井工程
— 电法测井(1)
地球物理与信息工程学院测井系 2012
Gao J & Fu JW
第1章 电法测井
（Electrical Logging）
第1节 自然电位测井（Spontaneous Potential Log） 第2节 普通电阻率测井（Conventional Electric Logs） 第3节 侧向测井（Laterolog） 第4节 感应测井（Induction Log） 第5节 微电阻率及井壁电成像测井
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2. 扩散吸附电动势Eda的产生
产生原因：钻井液和地层水矿化度不同 产生阳离子交换 产生电动势 自然电场
产生过程：溶液浓度不同 带电离子扩散 （泥岩）阳离子交换 孔隙内溶液中阳离子增多 浓度小方富集正电荷，浓度大方富集负电荷 产生电动势（扩散吸附）
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纯泥岩的电动势Eda
一部分阳离子紧贴岩石表面，不能移动 → 吸附层
吸附层之外阳离子，可正常移动 → 扩散层
----------
+ + + + + + + + + +
++ +
++ +- + ++ -
++ +
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
吸附层 扩散层 自由水
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（5）离子双电层
内层：岩石表面负电荷 外层：吸附的阳离子
原因：主要由于粘土晶体的置换作用和破键作用！
置换作用—Si-O四面体中Si4+被Al3+离 子置换，Al-O八面体中 Al3+被Mg2+、Fe2+等离子 置换；
破键作用—是粘土结构单位层的四周 边缘发生化学键破裂，产 生不平衡的负电荷。
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（4）带负电的岩石表面要吸附阳离子以达到平衡： 直接吸引极性水分子→吸附水；吸引Na+的水合离子
交换的难易程度：决定于岩石表面对阳离子的静电 引力。
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阳离子交换容量(Cation-Exchange Capacity)
表示阳离子交换的能力，有两种方法：
（1）阳离子交换能力 (CEC)
单位是mmol/100g，即每100g干样品交换的钠离子毫摩
尔数；CEC常用于实验分析。
（2）阳离子交换容量 (QV)
自然电动势：扩散电动势、扩散吸附电动势、过滤电动势
1. 扩散电动势Ed的产生
产生原因：钻井液和地层水矿化度不同
产生电化学过程
产生电动势 自然电场 产生过程：溶液浓度不同 带电离子扩散
带电离子的迁移率不同(Cl-迁移率>Na+迁移率） 两边富集正、负带电离子（延缓离子迁移速度） 产生电动势（直到正负离子达到动态平衡为止）
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
Rmf

P
A 4
Rmf——钻井液滤液电阻率，Ω.m； μ——钻井液滤液的粘度，Pa.s；
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
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SSP SUMMARY
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四、自然电位测井影响因素
（1） Cw/Cmf影响
井中总电动势：
E总

Ed

Eda

K
lg
Cw Cmf
K lg Rmf Rw
SSP
表现： 1)当Cw>Cmf：负异常
rm
对于巨厚地层，砂岩和泥岩层的截面
积比井的截面积大得多，所以rm比rsd 和rsh大得多。ΔUsp=SSP；而对于一 般有限厚地层ΔUsp小于SSP值。
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自然电位测井曲线特征
曲线特点(本身) 1）曲线以地层中点对称； 2 ）h>4d时 ， SP=SSP ，半幅点
对应地层界面； 3）随h ，地层界面界线向峰值
U SP
1
SSP 1 rsd rsh
rm
据此，可用自然电位幅度 的差异定性分辨油水层。
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（6） 厚度影响 当 h>4d 时，SP=SSP
移动，地层中点取得SP最大值； 4）随h ，SP幅度减小，且曲线
变平缓。
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自然电位测井理论曲线
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测量环境 1）当Cw>Cmf：负异常（淡水钻井液） 2）当Cw<Cmf：正异常（咸水钻井液） 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、
（Microresistivity Logs and Wellbore Resistivity Imaging）
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第1节 自然电位测井
(Spontaneous Potential Log)
一、岩石孔隙水中离子的分布 二、自然电动势的产生机理 三、自然电位测井及曲线特征 四、自然电位测井影响因素 五、自然电位测井曲线应用
毫克当量/cm3
单位：mmol/cm3，表示岩石每单位总孔隙体积交换钠
离子的毫摩尔数； QV常用于测井解释。
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3. 双 水 粘土束缚水：
双电层外层那部分水，主要含阳离子。
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、自然电动势的产生机理
负异常 正异常 无异常 异常幅度↗
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（2） 岩性影响
砂泥岩剖面
泥岩（纯泥岩）——基线
纯砂岩——SSP(h>4d)
当储层Vsh
自然电位幅度降低，<SSP
（3） 温度影响
温度与离子运动、离子扩散速率有关。同样条件的岩层
由于埋藏深度不同，其温度不同，因此Kd和Kda值有差别。
Ed

2.3 R T F
NaCl KCl CaCl2 MgCl2 CaSO4 MgSO4 CaCO3 Ca(HCO3)2 H2CO3 NaOH
正离子
Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Ca2+ Mg2+ Ca2+ Ca2+ H+ Na+
迁移率l+ (m2∙S/mol )
4.35 6.46 5.16 4.50 5.16 4.50 5.16 5.16 3.15 4.35
Eda

K da
lg
Rmf Rw
扩散吸附电动势系数：Kda——与阳离子交换能力有关 若储层中泥质的阳离子交换量较高，则会导致低电阻率油层。
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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形成双电层，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；
砂岩中Na+、Cl- 通过泥岩向井内扩散;
Cw>Cm
泥岩孔隙中阳离子浓度高，它将排斥Na+;
使Na+扩散到钻井液中，而Cl- 被吸附；
在钻井液中形成Na+富集，泥岩中Cl-富集，达到平 衡时，电动势为Eda。
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扩散吸附电动势：
Eda

K da
lg
Cw Cm
溶液矿化度转化为溶液电阻率后：
ΔP—钻井液柱与地层之间的压力差，atm；
Aφ—过滤电动势系数，mV，渗透岩石为0.77mV； ε —是钻井液滤液的介电常数； ζ —是与岩石的物理化学性质有关的参数。
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三、自然电位测井及曲线特征
井中自然电场分布示意图
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Cw>Cmf
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井眼中的总电动势
由自然电场分布特征可以看出在砂岩和泥岩交界处自 然电位有明显的变化，变化的幅度与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，它产生自然电场的总电动势E总:
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1一侧扩散； ② Cl-的迁移率>Na+的迁移率, 使得钻井液滤液(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。