一種自然電位測(cè)井的實(shí)驗(yàn)室模擬方法

齊興華+何琛珊

摘要：自然電位測(cè)井作為九種常規(guī)測(cè)井方式之一有著較為廣泛的應(yīng)用，但是由于井下環(huán)境很難在地上進(jìn)行復(fù)制，所以在學(xué)生教學(xué)中大部分采取模擬實(shí)驗(yàn)的方式來對(duì)自然電位測(cè)井的原理進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)的效果好壞與各個(gè)方面的控制因素息息相關(guān)，相差毫厘結(jié)果往往會(huì)謬以千里。文章對(duì)一種自然電位測(cè)井的實(shí)驗(yàn)室模擬方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：自然電位測(cè)井；實(shí)驗(yàn)室；模擬方法；常規(guī)測(cè)井方式；井下環(huán)境 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 自然電位測(cè)井的原理與實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的依據(jù)

自然電位測(cè)井作為一種常規(guī)測(cè)井手段，已成為常規(guī)測(cè)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(cè)井方法之一，其簡(jiǎn)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(cè)井中占有重要地位。

1.1 自然電位的產(chǎn)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(dǎo)電性；其二是被稱為擴(kuò)散吸附電位的電位，其形成原因?yàn)槿芤旱碾x子導(dǎo)電性。在石油測(cè)井中主要研究的是第二種，擴(kuò)散吸附電位。該電位多發(fā)生于頁巖、砂巖、碳酸鹽巖等沉積巖地層當(dāng)中，而這些地層往往是很好的油氣儲(chǔ)集層，故而實(shí)驗(yàn)?zāi)M的重心也就放在了由擴(kuò)散吸附電位而產(chǎn)生的自然電位上（《影響自然電位測(cè)井的因素及解決方法》）。

設(shè)Cmf為沖洗帶泥漿濾液當(dāng)中氯化鈉的質(zhì)量濃度，而原裝地層中的氯化鈉質(zhì)量濃度為Cw并且無論是泥漿濾液當(dāng)中還是底層水中分子都全部電離。當(dāng)?shù)貙訋r性很純時(shí)空隙中幾乎不會(huì)產(chǎn)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(gòu)成的滲透性隔膜。當(dāng)?shù)貙铀疂舛雀哂谀酀{濾液的濃度時(shí)，在滲透壓的作用下地層水當(dāng)中的離子會(huì)通過交界面向泥漿濾液當(dāng)中擴(kuò)散。由于在此擴(kuò)散作用當(dāng)中氯離子遷移速度比鈉離子遷移速度高很多，從而導(dǎo)致分界面的兩側(cè)正負(fù)電荷富集，并且隨著離子遷移使得接觸面上的電動(dòng)勢(shì)增大到正負(fù)離子的遷移速率趨于一致的時(shí)候，兩側(cè)的電動(dòng)勢(shì)不再增加，而是隨著離子遷移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡一同趨于平穩(wěn)，我們就將此時(shí)的電動(dòng)勢(shì)稱為擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)溶液中只含一種電解質(zhì)（以NaCl為例）時(shí)，可通過涅爾斯特（Nernst）方程來對(duì)擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)進(jìn)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(zhì)的巖性不那么純的地層。這時(shí)在巖石顆粒表面形成的離子雙電層將會(huì)對(duì)陽離子交換的量有一個(gè)顯著的貢獻(xiàn)。此時(shí)，巖石孔隙內(nèi)相當(dāng)于含有兩種水：一種是包括雙電層在內(nèi)的黏土水，黏土水當(dāng)中有著豐富的鈉離子和較少的氯離子，在擴(kuò)散層內(nèi)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(gè)基本平衡的情況之下。故而此時(shí)離子擴(kuò)散會(huì)分為兩個(gè)部分：其一是在地層水中如同純砂巖儲(chǔ)層內(nèi)所發(fā)生的離子擴(kuò)散一樣；其二是雙電層內(nèi)被吸附的陽離子發(fā)生的擴(kuò)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(dāng)中同樣的陽離子，這種現(xiàn)象最為明顯的是在純泥巖地層當(dāng)中，由于沒有孔隙內(nèi)的“遠(yuǎn)水”的存在使得自然電動(dòng)勢(shì)完全是由擴(kuò)散過去的陽離子產(chǎn)生的，我們說此時(shí)產(chǎn)生了擴(kuò)散-吸附電動(dòng)勢(shì)。由于此時(shí)巖石孔隙的作用與化學(xué)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(dòng)勢(shì)。

1.2 自然電位模擬的意義

自然電位測(cè)井有著悠久的歷史，作為常規(guī)九條測(cè)井曲線之一，自然電位測(cè)井曲線在巖性判別、地層對(duì)比、估算地層原生水電阻率、估算滲透性巖層厚度以及計(jì)算砂巖地層當(dāng)中的泥質(zhì)含量方面有著重要的應(yīng)用。直觀生動(dòng)地將自然電位產(chǎn)生的過程以及對(duì)其測(cè)量的原理展現(xiàn)在學(xué)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(cè)井將對(duì)學(xué)生理解自然電位測(cè)井的原理有著極大的好處。通過對(duì)上述自然電位產(chǎn)生的原因的論述，我們不難發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中最容易實(shí)現(xiàn)的，也是可以實(shí)現(xiàn)的最為準(zhǔn)確的就是擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)樗脑砜梢猿橄鬄槿鐖D1所示的一個(gè)簡(jiǎn)單的表述：

中間為一陽離子透過膜，可以模擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中泥巖的孔隙環(huán)境，即上文所述的只允許陽離子通過這一條件得以實(shí)現(xiàn)。被半透膜分隔的兩側(cè)則是分別模擬地層水與泥漿，通過電位計(jì)顯示兩側(cè)所產(chǎn)生的電位差即可視為在地下此種情況下產(chǎn)生的自然電位。其中，電位計(jì)的示數(shù)要依據(jù)Cw與Cm的大小關(guān)系而定，C較小的一側(cè)為負(fù)極，另一側(cè)為正極。

2 實(shí)驗(yàn)室模擬

由于測(cè)井方法都是在井眼中進(jìn)行，無法為學(xué)生提供一個(gè)形象直觀的認(rèn)識(shí)，這就使得通過對(duì)自然電位測(cè)井的原理加以歸納并進(jìn)行抽象之后的模擬實(shí)驗(yàn)是很有必要的。本文將對(duì)該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬的方法以及該方法的具體效果進(jìn)行一個(gè)分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)器具及流程

該實(shí)驗(yàn)需要的基本器材有可以拆分的有機(jī)玻璃半盒、UJ33D-2型電位計(jì)、膠墊、蓋板、半透膜、燒杯、純凈水、氯化鈉以及醫(yī)用注射器。這里面可拆分的有機(jī)玻璃半盒是器具中的關(guān)鍵。將半透膜固定于有機(jī)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(jìn)行交換。

具體步驟為：

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

2.1.2 連接并調(diào)節(jié)電位差計(jì)。（1）將連有金屬接頭的導(dǎo)線分別接到面板左側(cè)的接線柱上；（2）將兩個(gè)接線柱短接，若示數(shù)非為0則進(jìn)行調(diào)零處理；（3）將量程單位旋轉(zhuǎn)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(jì)接頭預(yù)留的孔洞當(dāng)中；（4）屏幕所顯示電動(dòng)勢(shì)，即為所測(cè)電動(dòng)勢(shì)值。

2.1.3 分別通過頂部蓋子上預(yù)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(cè)量加入鹽水之后的初始電動(dòng)勢(shì)值，待充分?jǐn)U散后，進(jìn)行測(cè)量。

2.1.5 根據(jù)下表改變半透膜兩邊半盒中的鹽水量，待充分?jǐn)U散后，再次測(cè)量。

此處我們模擬的是擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)樽匀唤绠?dāng)中泥巖的電動(dòng)勢(shì)類型為擴(kuò)散-吸附電動(dòng)勢(shì)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(chǔ)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(nèi)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(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖表所示：

根據(jù)上表并計(jì)算濃度比后可以將AB兩盒內(nèi)NaCl濃度比與兩側(cè)電位計(jì)做交會(huì)圖可得：

如圖2所示當(dāng)按照上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果所繪制的交會(huì)圖的點(diǎn)很好的符合對(duì)數(shù)關(guān)系，并且相關(guān)性極好。這與自然電位測(cè)井在提出的原理上的數(shù)學(xué)公式：

3 結(jié)語

通過上述實(shí)驗(yàn)對(duì)自然電位測(cè)井進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，并且通過具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法有著較為良好的實(shí)驗(yàn)效果。該模擬的意義在于將井下復(fù)雜的環(huán)境抽象化的同時(shí)直觀生動(dòng)地展現(xiàn)給學(xué)生。通過實(shí)驗(yàn)將自然電位測(cè)井所依托的理論原理細(xì)致的還原并讓學(xué)生們?cè)趧?dòng)手操作的過程中加深理解。通過等效轉(zhuǎn)化的思想將泥巖對(duì)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(chǎn)生原理得以真實(shí)再現(xiàn)，并且通過半定量的方式對(duì)擴(kuò)散吸附電位的表達(dá)式也進(jìn)行了一個(gè)還原，做到了理論與實(shí)際有機(jī)的結(jié)合，是一種行之有效的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬自然電位的方法。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）