一種自然電位測井的實驗室模擬方法

齊興華+何琛珊

摘要：自然電位測井作為九種常規測井方式之一有著較為廣泛的應用，但是由于井下環境很難在地上進行復制，所以在學生教學中大部分采取模擬實驗的方式來對自然電位測井的原理進行模擬。實驗的效果好壞與各個方面的控制因素息息相關，相差毫厘結果往往會謬以千里。文章對一種自然電位測井的實驗室模擬方法進行了探討。

關鍵詞：自然電位測井；實驗室；模擬方法；常規測井方式；井下環境 文獻標識碼：A

中圖分類號：P631 文章編號：1009-2374（2017）06-0004-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.002

1 自然電位測井的原理與實驗室實現的依據

自然電位測井作為一種常規測井手段，已成為常規測井曲線之中不可或缺的一條曲線，該方法可以有效地反映裸眼井沿井軸方向自然電位值的高低變化。作為最早使用的測井方法之一，其簡潔、高效、成本低廉使得其在砂泥巖剖面淡水泥漿的裸眼井測井中占有重要地位。

1.1 自然電位的產生

大體上，自然電位的成因有兩類：其一是被稱為氧化還原電位的電位，其形成原因是礦體具有電子導電性；其二是被稱為擴散吸附電位的電位，其形成原因為溶液的離子導電性。在石油測井中主要研究的是第二種，擴散吸附電位。該電位多發生于頁巖、砂巖、碳酸鹽巖等沉積巖地層當中，而這些地層往往是很好的油氣儲集層，故而實驗模擬的重心也就放在了由擴散吸附電位而產生的自然電位上（《影響自然電位測井的因素及解決方法》）。

設Cmf為沖洗帶泥漿濾液當中氯化鈉的質量濃度，而原裝地層中的氯化鈉質量濃度為Cw并且無論是泥漿濾液當中還是底層水中分子都全部電離。當地層巖性很純時空隙中幾乎不會產生離子雙電層。在這種情況下，兩溶液的交界面即可視為通過由孔隙構成的滲透性隔膜。當地層水濃度高于泥漿濾液的濃度時，在滲透壓的作用下地層水當中的離子會通過交界面向泥漿濾液當中擴散。由于在此擴散作用當中氯離子遷移速度比鈉離子遷移速度高很多，從而導致分界面的兩側正負電荷富集，并且隨著離子遷移使得接觸面上的電動勢增大到正負離子的遷移速率趨于一致的時候，兩側的電動勢不再增加，而是隨著離子遷移達到動態平衡一同趨于平穩，我們就將此時的電動勢稱為擴散電動勢。當溶液中只含一種電解質（以NaCl為例）時，可通過涅爾斯特（Nernst）方程來對擴散電動勢進行表示：

但是自然界中的地層大部分都并非為純砂巖，而是含有一定量泥質的巖性不那么純的地層。這時在巖石顆粒表面形成的離子雙電層將會對陽離子交換的量有一個顯著的貢獻。此時，巖石孔隙內相當于含有兩種水：一種是包括雙電層在內的黏土水，黏土水當中有著豐富的鈉離子和較少的氯離子，在擴散層內鈉離子可以保持正常的遷移率；另一種則是地層水，陰離子與陽離子濃度處于一個基本平衡的情況之下。故而此時離子擴散會分為兩個部分：其一是在地層水中如同純砂巖儲層內所發生的離子擴散一樣；其二是雙電層內被吸附的陽離子發生的擴散。二者共同作用從而使得陽離子的遷移率高于正常溶液當中同樣的陽離子，這種現象最為明顯的是在純泥巖地層當中，由于沒有孔隙內的“遠水”的存在使得自然電動勢完全是由擴散過去的陽離子產生的，我們說此時產生了擴散-吸附電動勢。由于此時巖石孔隙的作用與化學中的陽離子透過膜這種半透膜很相似，故而又稱為薄膜電動勢。

1.2 自然電位模擬的意義

自然電位測井有著悠久的歷史，作為常規九條測井曲線之一，自然電位測井曲線在巖性判別、地層對比、估算地層原生水電阻率、估算滲透性巖層厚度以及計算砂巖地層當中的泥質含量方面有著重要的應用。直觀生動地將自然電位產生的過程以及對其測量的原理展現在學生面前而非只是通過課本上枯燥的文字去了解自然電位測井將對學生理解自然電位測井的原理有著極大的好處。通過對上述自然電位產生的原因的論述，我們不難發現實驗室中最容易實現的，也是可以實現的最為準確的就是擴散吸附電動勢。因為它的原理可以抽象為如圖1所示的一個簡單的表述：

中間為一陽離子透過膜，可以模擬現實當中泥巖的孔隙環境，即上文所述的只允許陽離子通過這一條件得以實現。被半透膜分隔的兩側則是分別模擬地層水與泥漿，通過電位計顯示兩側所產生的電位差即可視為在地下此種情況下產生的自然電位。其中，電位計的示數要依據Cw與Cm的大小關系而定，C較小的一側為負極，另一側為正極。

2 實驗室模擬

由于測井方法都是在井眼中進行，無法為學生提供一個形象直觀的認識，這就使得通過對自然電位測井的原理加以歸納并進行抽象之后的模擬實驗是很有必要的。本文將對該實驗室內模擬的方法以及該方法的具體效果進行一個分析。

2.1 實驗器具及流程

該實驗需要的基本器材有可以拆分的有機玻璃半盒、UJ33D-2型電位計、膠墊、蓋板、半透膜、燒杯、純凈水、氯化鈉以及醫用注射器。這里面可拆分的有機玻璃半盒是器具中的關鍵。將半透膜固定于有機玻璃半盒的中間并加以固定，從而保證兩邊的水無法自由流通并且離子只能通過半透膜在兩邊的液體之間進行交換。

具體步驟為：

2.1.1 將半透膜安裝于兩個有機玻璃半盒間作為隔層，并用膠墊密封，在兩個半盒中注入等量的水，并將蓋子加上。

2.1.2 連接并調節電位差計。（1）將連有金屬接頭的導線分別接到面板左側的接線柱上；（2）將兩個接線柱短接，若示數非為0則進行調零處理；（3）將量程單位旋轉至2V量程，并將接頭分別放入A盒與B盒上方蓋子都為電位計接頭預留的孔洞當中；（4）屏幕所顯示電動勢，即為所測電動勢值。

2.1.3 分別通過頂部蓋子上預留的孔洞在半透膜兩邊的半盒中使用注射器注入等量的鹽水。

2.1.4 測量加入鹽水之后的初始電動勢值，待充分擴散后，進行測量。

2.1.5 根據下表改變半透膜兩邊半盒中的鹽水量，待充分擴散后，再次測量。

此處我們模擬的是擴散吸附電動勢，因為自然界當中泥巖的電動勢類型為擴散-吸附電動勢的居多。此處半透膜即為地層中的泥巖，而半盒被半透膜分隔的兩邊則為被分離開的儲集層中的地層水或是泥漿濾液與泥巖層分隔的泥巖孔隙內的水，并且為了保證不受溫度與鹽水濃度的影響，所選用的均為飽和鹽水并在室溫（25℃）下進行試驗。

2.2 實驗結果

實驗結果如下圖表所示：

根據上表并計算濃度比后可以將AB兩盒內NaCl濃度比與兩側電位計做交會圖可得：

如圖2所示當按照上述實驗結果所繪制的交會圖的點很好的符合對數關系，并且相關性極好。這與自然電位測井在提出的原理上的數學公式：

3 結語

通過上述實驗對自然電位測井進行了模擬實驗，并且通過具體的實驗驗證該方法有著較為良好的實驗效果。該模擬的意義在于將井下復雜的環境抽象化的同時直觀生動地展現給學生。通過實驗將自然電位測井所依托的理論原理細致的還原并讓學生們在動手操作的過程中加深理解。通過等效轉化的思想將泥巖對陽離子的透過作用等效為陽離子透過膜這一半透膜，從而使得泥巖中自然電位產生原理得以真實再現，并且通過半定量的方式對擴散吸附電位的表達式也進行了一個還原，做到了理論與實際有機的結合，是一種行之有效的實驗室內模擬自然電位的方法。

（責任編輯：黃銀芳）