一种自然电位测井的实验室模拟方法

齐兴华+何琛珊

摘要：自然电位测井作为九种常规测井方式之一有着较为广泛的应用，但是由于井下环境很难在地上进行复制，所以在学生教学中大部分采取模拟实验的方式来对自然电位测井的原理进行模拟。实验的效果好坏与各个方面的控制因素息息相关，相差毫厘结果往往会谬以千里。文章对一种自然电位测井的实验室模拟方法进行了探讨。

关键词：自然电位测井；实验室；模拟方法；常规测井方式；井下环境 文献标识码：A

中图分类号：P631 文章编号：1009-2374（2017）06-0004-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.002

1 自然电位测井的原理与实验室实现的依据

自然电位测井作为一种常规测井手段，已成为常规测井曲线之中不可或缺的一条曲线，该方法可以有效地反映裸眼井沿井轴方向自然电位值的高低变化。作为最早使用的测井方法之一，其简洁、高效、成本低廉使得其在砂泥岩剖面淡水泥浆的裸眼井测井中占有重要地位。

1.1 自然电位的产生

大体上，自然电位的成因有两类：其一是被称为氧化还原电位的电位，其形成原因是矿体具有电子导电性；其二是被称为扩散吸附电位的电位，其形成原因为溶液的离子导电性。在石油测井中主要研究的是第二种，扩散吸附电位。该电位多发生于页岩、砂岩、碳酸盐岩等沉积岩地层当中，而这些地层往往是很好的油气储集层，故而实验模拟的重心也就放在了由扩散吸附电位而产生的自然电位上（《影响自然电位测井的因素及解决方法》）。

设Cmf为冲洗带泥浆滤液当中氯化钠的质量浓度，而原装地层中的氯化钠质量浓度为Cw并且无论是泥浆滤液当中还是底层水中分子都全部电离。当地层岩性很纯时空隙中几乎不会产生离子双电层。在这种情况下，两溶液的交界面即可视为通过由孔隙构成的渗透性隔膜。当地层水浓度高于泥浆滤液的浓度时，在渗透压的作用下地层水当中的离子会通过交界面向泥浆滤液当中扩散。由于在此扩散作用当中氯离子迁移速度比钠离子迁移速度高很多，从而导致分界面的两侧正负电荷富集，并且随着离子遷移使得接触面上的电动势增大到正负离子的迁移速率趋于一致的时候，两侧的电动势不再增加，而是随着离子迁移达到动态平衡一同趋于平稳，我们就将此时的电动势称为扩散电动势。当溶液中只含一种电解质（以NaCl为例）时，可通过涅尔斯特（Nernst）方程来对扩散电动势进行表示：

但是自然界中的地层大部分都并非为纯砂岩，而是含有一定量泥质的岩性不那么纯的地层。这时在岩石颗粒表面形成的离子双电层将会对阳离子交换的量有一个显著的贡献。此时，岩石孔隙内相当于含有两种水：一种是包括双电层在内的黏土水，黏土水当中有着丰富的钠离子和较少的氯离子，在扩散层内钠离子可以保持正常的迁移率；另一种则是地层水，阴离子与阳离子浓度处于一个基本平衡的情况之下。故而此时离子扩散会分为两个部分：其一是在地层水中如同纯砂岩储层内所发生的离子扩散一样；其二是双电层内被吸附的阳离子发生的扩散。二者共同作用从而使得阳离子的迁移率高于正常溶液当中同样的阳离子，这种现象最为明显的是在纯泥岩地层当中，由于没有孔隙内的“远水”的存在使得自然电动势完全是由扩散过去的阳离子产生的，我们说此时产生了扩散-吸附电动势。由于此时岩石孔隙的作用与化学中的阳离子透过膜这种半透膜很相似，故而又称为薄膜电动势。

1.2 自然电位模拟的意义

自然电位测井有着悠久的历史，作为常规九条测井曲线之一，自然电位测井曲线在岩性判别、地层对比、估算地层原生水电阻率、估算渗透性岩层厚度以及计算砂岩地层当中的泥质含量方面有着重要的应用。直观生动地将自然电位产生的过程以及对其测量的原理展现在学生面前而非只是通过课本上枯燥的文字去了解自然电位测井将对学生理解自然电位测井的原理有着极大的好处。通过对上述自然电位产生的原因的论述，我们不难发现实验室中最容易实现的，也是可以实现的最为准确的就是扩散吸附电动势。因为它的原理可以抽象为如图1所示的一个简单的表述：

中间为一阳离子透过膜，可以模拟现实当中泥岩的孔隙环境，即上文所述的只允许阳离子通过这一条件得以实现。被半透膜分隔的两侧则是分别模拟地层水与泥浆，通过电位计显示两侧所产生的电位差即可视为在地下此种情况下产生的自然电位。其中，电位计的示数要依据Cw与Cm的大小关系而定，C较小的一侧为负极，另一侧为正极。

2 实验室模拟

由于测井方法都是在井眼中进行，无法为学生提供一个形象直观的认识，这就使得通过对自然电位测井的原理加以归纳并进行抽象之后的模拟实验是很有必要的。本文将对该实验室内模拟的方法以及该方法的具体效果进行一个分析。

2.1 实验器具及流程

该实验需要的基本器材有可以拆分的有机玻璃半盒、UJ33D-2型电位计、胶垫、盖板、半透膜、烧杯、纯净水、氯化钠以及医用注射器。这里面可拆分的有机玻璃半盒是器具中的关键。将半透膜固定于有机玻璃半盒的中间并加以固定，从而保证两边的水无法自由流通并且离子只能通过半透膜在两边的液体之间进行交换。

具体步骤为：

2.1.1 将半透膜安装于两个有机玻璃半盒间作为隔层，并用胶垫密封，在两个半盒中注入等量的水，并将盖子加上。

2.1.2 连接并调节电位差计。（1）将连有金属接头的导线分别接到面板左侧的接线柱上；（2）将两个接线柱短接，若示数非为0则进行调零处理；（3）将量程单位旋转至2V量程，并将接头分别放入A盒与B盒上方盖子都为电位计接头预留的孔洞当中；（4）屏幕所显示电动势，即为所测电动势值。

2.1.3 分别通过顶部盖子上预留的孔洞在半透膜两边的半盒中使用注射器注入等量的盐水。

2.1.4 测量加入盐水之后的初始电动势值，待充分扩散后，进行测量。

2.1.5 根据下表改变半透膜两边半盒中的盐水量，待充分扩散后，再次测量。

此处我们模拟的是扩散吸附电动势，因为自然界当中泥岩的电动势类型为扩散-吸附电动势的居多。此处半透膜即为地层中的泥岩，而半盒被半透膜分隔的两边则为被分离开的储集层中的地层水或是泥浆滤液与泥岩层分隔的泥岩孔隙内的水，并且为了保证不受温度与盐水浓度的影响，所选用的均为饱和盐水并在室温（25℃）下进行试验。

2.2 实验结果

实验结果如下图表所示：

根据上表并计算浓度比后可以将AB两盒内NaCl浓度比与两侧电位计做交会图可得：

如图2所示当按照上述实验结果所绘制的交会图的点很好的符合对数关系，并且相关性极好。这与自然电位测井在提出的原理上的数学公式：

3 结语

通过上述实验对自然电位测井进行了模拟实验，并且通过具体的实验验证该方法有着较为良好的实验效果。该模拟的意义在于将井下复杂的环境抽象化的同时直观生动地展现给学生。通过实验将自然电位测井所依托的理论原理细致的还原并让学生们在动手操作的过程中加深理解。通过等效转化的思想将泥岩对阳离子的透过作用等效为阳离子透过膜这一半透膜，从而使得泥岩中自然电位产生原理得以真实再现，并且通过半定量的方式对扩散吸附电位的表达式也进行了一个还原，做到了理论与实际有机的结合，是一种行之有效的实验室内模拟自然电位的方法。

（责任编辑：黄银芳）