自然电位测井 基本原理、测量方法、曲线规律、曲线用途

一、自然电位测井（SP测井）

自然电位测井的测井对象是裸眼井，测量内容是井内自然产生的电位变化，目的是研究井剖面的地层性质。自然电位测井对于区分岩石性质，尤其是区分泥质和非泥质地层有突出的优点。

1、基本原理

井内有自然存在的电位变化。包括扩散电动势、扩散吸附电动势、过滤电动势、氧化还原电动势等，影响最大的主要是前两种。

1）扩散电动势（地层水与泥浆之间的直接扩散）

砂岩孔隙中的地层水与井内泥浆之间，相当于不同浓度的两种NaCl溶液直接接触。高浓度会向低浓度扩散。而Cl^－比Na^＋扩散的快，扩散最终达到平衡，两边形成稳定的扩散电动势。在砂岩层中，高浓度的地层为正，低浓度的泥浆为负。

扩散电动势大小与溶液浓度差、盐离子类型、温度有关。

扩散电动势E_d由下式决定：

                             

式中C_w、C_mf分别为地层水和泥浆滤液的浓度；K_d为扩散电动势系数，单位为毫伏，与离子类型和温度有关。由于在一定浓度范围内，溶液浓度与它的电阻率成反比，所以也可以写成下面的式子，其中R_mf、R_w分别为泥浆液和地层水的电阻率。

                              

2）扩散吸附电动势（地层水通过泥岩与泥浆之间的扩散）

在泥岩层中，虽然泥岩地层水比泥浆滤液浓度高会产生扩散，扩散过程中泥岩粘土颗粒可以吸附盐溶液中的Na⁺，高浓度吸附的多，低浓度吸附的少。导致高浓度泥岩水里Cl^-多与泥浆滤液。所以低浓度的泥浆一方为正电位，而在高浓度地层水的岩层一方为负电位。扩散吸附电动势E_da的大小可由下式决定：

              

式中C_w、C_mf分别为地层水和泥浆滤液的浓度； K_da为扩散吸附电动势系数，与溶液中正离子的离子价和迁移率以及溶液温度有关。扩散吸附电动势不仅极性与扩散电动势相反，而且数值也比扩散电动势大得多。

 若将浓度之比改换为电阻率之比，又可表示为：

                         

3）井内形成的总电动势及电位的分布

（1）井内总的自然电动势

总电动势（SSP）为两中电动势的代数和。即

                                   

2、测量方法

在进行普通电阻率测井的同时，利用下图原理线路，当电极在井内连续移动时，即可测得井内自然电位沿井剖面的变化曲线，即自然电位曲线。

由于固定在地面上的N1极的电位是一个恒定值，因此，当M电极在井内移动时，所测得的M、N之间的电位差的变化，即自然电位曲线，就反映了井内某种电位值沿井身的变化情况。自然电位测井测的是相对电位值。

3、曲线特征

图4-1-6是一条实测的自然电位曲线，由于泥岩（或页岩层）岩性稳定，在一个井段内邻近的泥岩自然电位测井曲线显示为一条电位不变的直线，将它作为自然电位的基线，这就是所谓的泥岩基线。在渗透性砂岩地层处，自然电位曲线偏离泥岩基线。在足够厚度的地层中，曲线达到固定的偏移程度，后者定为砂岩线。自然电位曲线的异常幅度就是地层中点的自然电位与基线的差值。

自然电位曲线具有如下特点：

a、当岩层均匀且上下围岩的岩石性质相同时岩层中心上下井内的自然电位分布是对称的。

b、在地层顶底界面处自然电位降落也最急剧，当地层较厚（大于四倍井径）时，可用曲线“半幅点”确定地层界面；

c、而越接近岩层中心的井段上电位降落也趋于缓和。

d、测量的自然电位幅度，为自然电流在井内产生的电位降，它永远小于自然电流回路总的电动势；

e、渗透性砂岩的自然电位，对泥岩基线而言，可向左（“负”）或向右（“正”）偏转，它主要取决于地层水和泥浆滤液的相对矿化度。

4、测井质量控制

为保证测井曲线质量，需要进行原始资料质量控制。在进行自然电位测井时，一般需要注意以下几个方面。

（1）大段泥岩处，测量100米井段，曲线基线偏移应小于10mV；

（2）最大测速一般在33米／分钟（国产、CLS3700仪器）;

（3）曲线补偿应在泥岩段进行，并清晰的标注在测井图上；

（4）在砂泥岩剖面地层，自然电位极性的“正”、“负”变化与泥浆滤液电阻率Rmf和地层水电阻率Rw的关系应当一致；

（5）在砂泥岩剖面地层，渗透层自然电位异常变化幅度和钻井液滤液电阻率Rmf与地层水电阻率Rw差值的大小有关，差值愈大，异常幅度也就愈大，反之愈小；

（6）曲线干扰幅度应小于2mV；

（7）自然电位曲线与自然伽马、微电极曲线应具有较好的对应性；

（8）重复曲线形状一致。

5、曲线用途

自然电位测井适用于砂泥岩剖面和淡水泥浆的裸眼井，是这种井眼最常用的测井方法之一，有广泛的用途。

（1）划分储集层

自然电位曲线上一切偏离泥岩基线的明显异常是孔隙性和渗透性较好的储集层的标志。SP曲线只能划分储集层和非储集层，进一步的岩性解释要凭地区经验和与其他测井曲线综合解释。

（2）确定储集层界面

通常用SP异常幅度的半幅点（泥岩基线算起1/2幅度处）确定储集层界面。