利用自然电位曲线划分咸淡水界面

马安丽

(安徽省煤田地质局水文勘探队，安徽 宿州 234000)

早期的测井是将电极系放到井下，在供电电极供给电流时，地面用电位计观察测量电极间电位差的变化。然而，在供电电极停止供电后，当提升电极跨过地层界面时，仍然观察到电位计指针的变化。于是发现了自然电位测井。自然电位测井设备简单，测量速度快，生产效率高，在确定地下水埋藏、分布、估计渗透层以及区分咸淡水界面等方面应用很广泛。

1 基本原理

把一个电极埋设在地面，另一个电极放入井下，用导线将它们与电位计连接起来，便会发现两个电极之间存在一个电位差，使检流计指针发生偏转。这个天然存在的电位差主要由两部分组成:

1.1 电极极化电位差

电极极化电位产生在电极与其介质的接触面上。它不是在地层中天然存在的一种电位，而是因为电极与水或含水的土壤接触而产生的。在自然电位法测井中，这部分电位差是一种干扰因素。

1.2 自然电位差

自然电位差是在地下天然存在的与电极无关的电位差。形成自然电位差的原因很多，如因溶液浓度的不同而产生的扩散电位，因井液与地下水压力的不同而产生的渗透电位，因地层中的电化学活动较强的物质的氧化、还原而产生的氧化还原电位等。在上述成因中，主要的及意义最大的是扩散电位。

当溶解在井液和地层水中的盐的浓度(即矿化度)不同时，离子就会从浓度大的一方向浓度小的一方扩散。各种离子的迁移率是不同的，非金属离子的迁移率快，金属离子的迁移率慢。以氯化钠为例，钠离子是金属离子，带正电，氯离子是非金属离子，带负电。氯离子的移动速度比钠离子快，扩散的结果就会出现在浓度大的一方正离子过剩而带正电，浓度小的一方负离子过剩而带负电。

1.3 自然电位曲线性质

1.3.1 曲线形态与矿化度的关系

以自然电位为横坐标，测量深度为纵坐标，将观测结果点绘到方格纸上。纵坐标的比例尺应与视电阻率测井曲线一致。横坐标比例尺可选用每厘米代表10 mV或20 mV，坐标向右的方向为正的方向。

假设上层为咸水，其矿化度为C1，下层为淡水，其矿化度为C2，井液矿化度为C0，自然电位曲线有以下四种类型:

(1)当C0＞C1＞C2时，砂层在曲线上表现全部为正异常，但在咸水层中的异常幅值小于淡水层中的异常幅值 (见图1曲线1);

(2)当C0＜C2＜C1时，砂层在曲线上表现全部为负异常，但在咸水层中的异常幅值大于淡水层中的异常幅值 (见图1曲线2);

(3)当C2＜C0＜C1时，咸水砂层在曲线上表现

为负异常，淡水砂层在曲线上表现为正异常(见图1曲线3);

图1 自然电位曲线

(4)当C0与C1或C2接近时，砂层在曲线上不显示异常，在没有砂层时，尽管C0与C1或C2相差很多也不显示异常(见图1曲线4)。

1.3.2 曲线异常幅值与咸淡水界面的关系

咸淡水界面是根据自然电位异常幅值的一半来确定的，曲线半幅点的深度就是咸淡水的界面的深度。

2 实际应用

笔者对W5孔应用自然电位法、梯度电极系和二极法三种方法分别进行测井，其工作任务是:划分咸淡水界面深度，进一步验证自然电位法划分咸淡水界面的准确性。

2.1 测井流程

为使极化电位较稳定，先进行梯度法测量，后进行二极法测量，自然电位法可以与二极法同时测量。

2.2 资料解释

图2 W5孔的二极法、梯度法、自然电位法测井曲线

图二为W5孔的三条测井曲线。从三条测井曲线分析可知:在深度62 m以上，二极法曲线起伏较小，最大的视电阻率ρs特征值不大于15Ω.m;梯度曲线较平直，视电阻率ρs特征值为7Ω.m左右;自然电位曲线为负异常，都说明62 m以上为咸水层，并且地下水矿化度大于井液矿化度。62 m以下，二极法曲线最大的视电阻率ρs特征值接近20Ω.m;梯度曲线最大的视电阻率ρs特征值为35Ω.m;自然电位曲线为正异常，说明62 m以下为淡水层，并且地下水矿化度小于井液矿化度。在淡水层中有三层砂层，三条曲线均有明显的显示。通过相互验证，三条曲线所确定的咸淡水界面深度基本一致，进一步说明了自然电位电法划分咸淡水界面的准确性和可靠性。

3 影响因素

自然电位测井的影响因素较多，如工业杂散电流的影响、绞车滑环接触电阻的影响、仪器面板插座接触不良的影响等，都会使曲线的中线偏斜或弯曲，甚至会使曲线没有规律，找不出中线，给分析造成困难。

4 结语

利用自然电位曲线有效地划分了咸淡水界面，确定了淡水体的埋深，合理指导钻孔的布置及成井，取得了明显的地质效果。