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第三章自然电位测井（Spontanneous Potential Logging )自然电位测井自然电位与电阻率同时测量§1井内的自然电动势一、岩石孔隙水中离子的分布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）（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、压实和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，能够移动的地层水在压实过程中排出去，水全是束缚水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：被吸附的正离子阳离子交换容量Qv：每单位孔隙体积中平衡离子的毫克当量数(mmol/cm3)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。
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，水是远水扩散电动势（含水纯岩石）形成过程1）离子从浓度高的一方向浓度低的一方扩散;2) Cl-的速度>Na+的速度,低浓度一侧的Cl-富集，高浓度一侧Na+富集，在两种溶液交界出产生电动势;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) 正负离子迁移速度相同时,电动势不再增加,达到动态平衡。
此时的电动势称为扩散电动势Ed 表达式：mfwd C C ZF RT l l l l E lg3.2⋅+−=−+−+l +——正离子迁移率, l -——负离子迁移率R —气态常数，T —绝对温度Z ——离子价，F ——法拉第常数C mf ——泥浆滤液浓度，C W ——地层水浓度ZFRTl l l l K d ⋅+−=−+−+3.2K d ——扩散电动势系数－4.46.00CO 32－5.16Ca 2+CaCO 3－11.76.79SO 42－4.50Mg 2+MgSO 4－7.96.79SO 42－5.16Ca 2+CaSO 4－22.56.55Cl －4.50Mg 2+MgCl 2－19.66.55Cl －5.16Ca 2+CaCl 2－0.46.55Cl －6.46K +KCl －11.66.55Cl －4.35Na +NaCl 溶液的扩散电动势系数（mV ）迁移率l -[m 2.S/mol ]负离子迁移率l +[m 2·S/mol ]正离子溶质化学成分常见离子迁移率及电解质溶液的K d 值（18℃时）当溶液浓度较低时（R>0.1Ω•m),电阻率与其浓度成线性反比，上式可以写成：wmf d d R R K E lg=ZFl l RTl l K d −+−++−=3.2K d ——扩散电动势系数,18℃时，对于NaCl 溶液，K d= -11.6mv R mf —泥浆滤液电阻率R W —地层水电阻率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;3）使富集的电荷量比纯岩石减少，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，即是扩散-吸附电动势。
3.过滤电动势1) 在泥浆与地层间的压力差下,泥浆中的离子向地层中扩散;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.mf R E A Pϕϕµ=∆过滤电动势表达式:R mf ——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 ；A φ—过滤电动势系数，mV ，渗透岩石0.77mV 4A ϕεζπ=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三、纯泥岩的电动势EdaØ砂岩中Na +、Cl-通过泥岩向井内扩散;Ø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，Ø在泥浆中形成Na +富集,泥岩中Cl -富集，达到平衡时，电动势为Eda1、形成2. Eda 表达式在Ed 表达式中，令l -=0mfw da mf w da C C K C C ZF RT E lg lg 3.2==wmfda R R K lg =ZFRt K da 3.2=当温度为18℃时，对于NaCl 溶液，K da =59.1mv§2 SP曲线形态分析一、自然电位曲线的形成1.在砂层形成Ed ，泥岩层形成Eda；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。
一、自然电位曲线的形成二、储层的自然电位异常实测自然电位曲线l没有绝对零点l有带极性的横向比例尺1.泥岩基线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,正异常为正值相邻的泥岩自然电位曲线构成的直线段三、影响储层自然电位异常的因素等效电流：sht m dad r r r E E I ++−=储层的∆u sp =Ir mE d -E da 与储层的∆u sp 符号一致：当Cw>Cmf 时,Ed<0,Eda>0;E d -E da <0,为负异常；反之为正异常1.静自然电位（SSP ）Cw/Cmf 的影响：mf w C C =()mfwda d da d C C K K E E SSP lg −=−≡mfw C C >mf w C C <负异常正异常无异常︱Cw -Cmf ︳↗异常幅度↗2.储层厚度h<4m ，h ↓---〉r t ↑----〉I ↓----〉∆u sp ↓3.储层含油性和电阻率4.泥浆电阻率和井径Rt ↑-----〉r t ↑-----〉∆u sp ↓盐水泥浆（Rm<0.1Ω•m),∆u sp 很小，不能用；扩径：r m ↓-----〉∆u sp ↓sh t m dad r r r E E I ++−=储层的∆u sp =Ir m5.储层泥质含量的影响↑---〉Qv↑----〉∆u sp↓Vsh6.侵入带直径的影响d ↑---〉自然电流回路的路径↑---〉I ↓----〉∆u sp↓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四.SP曲线的特点1.曲线对地层中点对称2.h/d>4,曲线的半幅点对应地层界面§3SP曲线的应用适用于砂泥岩剖面、淡水泥浆的裸眼井一、定性解释1.划分储层特征：有异常界面：半幅点2.判断岩性：砂泥岩剖面偏离基线:含砂基线:泥岩二、估算泥质含量SSPSP SSP SP SSP V sh −=−=1Vsh ——地层的泥质含量SP —解释层的自然电位异常SSP —解释井段的静自然电位三、确定地层水电阻率Rw()298/)(7.70:K T K K K da d =−−=令273)()(0+=C T K T T(K)----溶液的绝对温度R mfe ----等效泥浆滤液电阻率R we ----等效地层水电阻率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SSP2.计算自然电位系数K()298/2737.70T K +=100/0D G T T ⋅+=T ----标准水层深度处的地层温度,°C T 0----地表恒温层平均温度,°CG ----地温梯度,深度每增加100m 的温度增量,°C/100mD----水层中部的深度,m(从测井曲线读取)3.计算比值KSSP we mfe R R /10−=4.确定标准温度下的等效泥浆滤液电阻率RmfeN我国标准温度为18o C,美国为24o C,现采用24o C（1）确定标准温度(24o C )下的泥浆电阻率RmN18'71.4/82.2N m C Rm R =398.1398.12112++=T T R R（2）确定标准温度下的泥浆滤液电阻率RmfN ()07.1mN m mfN R K R =斯仑贝谢公司有实验关系Km---系数,由泥浆比重确定,泥浆比重由测井图头读出(3)确定标准温度下的等效泥浆滤液电阻率RmfeN )77337/()5146(:1.085.0:1.0+−=⋅Ω≤=⋅Ω>mfN mfN mfeN mfN mfNmfeN mfN R R R m R R R m R()we mfe mfeN weN R R R R //=()()()weN weN wN weN R wN weN R R R m R R m R weN 337146/577:12.01058.0:12.024.069.0−+=⋅Ω≤+−=⋅Ω>−5 .确定标准温度下的等效地层水电阻率RweN6.确定标准温度下的地层水电阻率RwN7.确定地层温度下的地层水电阻率Rw398.12.82+=T R R wN w 398.1398.12112++=T T R R8.确定地层水矿化度C[3.562lg(0.0123)]/0.995N X Rw =−−xC 10=四、判断水淹层储集层孔隙中有注入水存在则该储集层叫水淹层基线偏移交界面I处的总电动势：交界面Ⅱ处的总电动势：。
