自然电位及自然伽马

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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 ������������������ 1 = ������������������ lg ������1 ������������������
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������������ = ������������ lg 或 ������������ = ������������ lg
������������������ ������������
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图 3 井内自然电位分布示意图
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 ������1 ������������������ 2 = ������������������ lg ������2 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������������ 即 ������������ = ������������ + ������������������ 1 −������������������ 2 ������2 = klg ������������������ 式中 K=Kd+Kda，称为自然电位系数。可以写成： ������������������ ������������ = −klg = ������������������ ������������ 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Δ Usp／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，Δ Usp 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。
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
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。
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 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 V 的影响， 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
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 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 J r 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。
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： ������������ = ������������ lg ������ 2 式中������������ 为扩散电位系数，mv；������1，������2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
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 ������������������ = ������������������ lg ������1