自然电位及自然伽马.docx

自然电位测井方法原理
在早期的电阻率测井中发现：在供电电极不供电时，测量电极M在井内移动，仍可在井内测量到有关电位的变化。这个电位是自然产生的，故称为自然电位。使用图1所示电路，沿井提升M电极，地面仪器即可同时测出一条自然电位变化曲线。
自然电位曲线变化与岩性有密切关系，能以明显的异常显示出渗透性地层，这对于确定砂岩储集层具有重要意义。自然电位测井方法简单，实用价值高，是划分岩性和研究储集层性质的基本方法之一。
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
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：
Ed=Kdlgc1c2
式中Ed为扩散电位系数，mv；c1，c2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
Ed=Kdlgcwcmf 图3 井内自然电位分布示意图
或 Ed=KdlgRmfRw
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
Eda=Kdalgc1c2
式中Kda为扩散吸附电位系数。
在砂泥岩剖面的井内，在泥岩井壁附近，由于泥浆滤液浓度与地层水的浓度不同(Cw>Cmf)而产生的扩散吸附电动势为

Eda=KdalgRmfRw
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。
图 5 过滤电动势形成示意图

二、 自然电位测井曲线
在钻穿地层的过程中，地层与泥浆相接触，产生了扩散吸附作用，在泥浆与地层接触面上产生了自然电位。
1. 井内自然电场的分布
设砂岩、泥岩的地层水矿化度分别为C2，C1，泥浆滤液的矿化度为Cmf，且有Cl≥C2>Cmf。在砂岩和泥浆接触面上，由于扩散作用，产生的扩散电动势为
Ed=Kdlgc2cmf
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

Eda1=Kdalgc1cmf
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
Eda2=Kdalgc1c2
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Es即
Es=Ed+Eda1-Eda2
=klgc2cmf
式中 K=Kd+Kda，称为自然电位系数。可以写成：
Es=-klgRmfRw=SSP
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ΔUsp／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，ΔUsp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

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。
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、放射性涨落的影响。
在放射性源强度和测量条件不变的条件下，在相等的时间间隔内，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
砂岩（GR值低）泥岩（GR值）
II、碳酸盐剖面
白云岩、石灰岩（GR值低）泥岩（GR值）
III、膏岩剖面
岩盐、石膏（GR值低）泥岩（GR值）
②进行地层对比
GR曲线与地层中所含流体性质无关，其幅度主要决定于地层中的放射性物质，通常对于不同岩性其幅度较为稳定，另外，对比的标准层也易选取，通常选用厚度泥岩作标准层，进行油田范围或区域范围内的地层对比
③估算地层中泥质含量
首先用自然伽马相对幅度的变化计算出泥质含量指数IGR：

：目的层自然伽马幅度；、为纯泥岩、纯砂岩的自然伽马幅度。
通常IGR的变化范围为０～１，用下式将IGR转化成泥质含量Ｖsh:

:希尔奇指数，可根据实验室取芯分析资料确定。
二、自然伽马能谱测井
自然伽马测井只能测量地层中放射性元素的总含量，无法分辨地层中含有什么样的放射性元素，为此研制了自然伽马能谱测井，即测量不同放射性元素放射出不同能量的射线，从而确定地层中含有何种放射性元素。
根据实验室对铀、钍、钾放射的射线能量的测定，发现铀、钍、钾放射的射线谱都存在各自易鉴别的特征谱峰。自然伽马能谱测井的探测器与GR基本相同，所不同的是其增加了多道脉冲，能分别测量不同幅度的脉冲数，从而得出不同能量的射线能谱，用以测定不同的放射性元素。自然伽马能谱测井根据测出的射线特征峰值，经刻度可输出铀、钍、钾三条曲线及一条总的自然伽马曲线。
自然伽马能谱测井除了GR曲线的应用外，还可研究沉积环境，区分粘土矿物。