⾃然电位、⾃然伽马测井基本原理
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：
EE dd=KK dd lg cc1cc2
式中EE dd为扩散电位系数，mv；cc1，cc2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
汪涵 肝硬化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
EE dd=KK dd lg cc ww cc mmmm图3井内⾃然电位分布⽰意图
或EE dd=KK dd lg RR mmmm RR ww
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
EE dddd=KK dddd lg cc1cc2
式中KK dddd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
EE dddd=KK dddd lg RR mmmm RR ww
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
罗熙杰内部有⼤量正离⼦，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
EE dd=KK dd lg cc2cc mmmm
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
EE dddd1=KK dddd lg cc1mmmm
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
EE dddd2=KK dddd lg cc1cc2
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EE ss即
EE ss=EE dd+EE dddd1?EE dddd2
=klg cc2mmmm
式中 K=Kd+Kda，称为⾃然电位系数。可以写成：
EE ss=?klg RR mmmm ww=SSSSSS
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。
欢欢喜喜中国年在砂泥岩剖⾯中，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γ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r J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。
张靓颖海豚音歌曲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γ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τ?V 的影
响，τ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）→↑
sh V 泥岩（GR 值） II 、碳酸盐剖⾯
⽩云岩、⽯灰岩（GR 值低）→↑
sh V 泥岩（GR 值） III 、膏岩剖⾯
岩盐、⽯膏（GR 值低）→↑
sh V 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I GR ：
min
max min GR GR GR GR I GR ??=⽬的 GR ：
⽬的层⾃然伽马幅度；max GR 、min GR 为纯泥岩、纯砂岩的⾃然伽马幅度。通常I GR 的变化范围为０～１，⽤下式将I GR 转化成泥质含量Ｖsh :
1212??=?G I G sh GR V G ：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
男人帮姚笛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γ射线，从⽽确定地层中含有何种放射性元素。
张学友有什么歌好听根据实验室对铀、钍、钾放射的γ射线能量的测定，发现铀、钍、钾放射的γ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γ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γ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。
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