声电效应对自然电位测井曲线的影响

王 莹 杨 帆 马文中

（大庆油田测井公司 黑龙江 大庆）

0 引言

自然电位测井是最早实现的测井项目之一，直到现在，自然电位测井曲线在油气勘探中仍然起着重要的作用。自然电位由以下几个部分组成：扩散电位、吸附电位和流动电势。以上三种电位中，扩散电位和吸附电位都与浓度差有关，有时称这两种电位之和为电化学电位或扩散吸附电位。流动电势与界面两端的压差有关。吸附电位和流动电势都与地层的双电层结构有关。1994年美国麻省理工学院连续发表了关于声电转换的实验报告和论文。2000年胡恒山与王克协进行了声电效应测井数值模拟[1、2]。声波可能引起井中自然电位幅度增大，静电场也可能影响电声转换[3]。关于声电转换的理论和实验研究一直是油气勘探的关注焦点。在测井过程中发现当声波、侧向、自然电位并测时，自然电位曲线有分辨率升高的现象。实践表明，自然电位测井曲线分辨率升高是由于声波激发和侧向发射共同作用的结果。

1 基础理论

自然电位原理[4]：井内自然电位产生的原因是复杂的。自然电位主要是由以下几个部分组成：扩散电位、吸附电位和流动电势。扩散电位是由于地层水含盐浓度与钻井液含盐浓度不同引起离子的扩散作用而形成的。吸附电位则是岩石颗粒对离子的吸附作用形成，扩散电位和吸附电位都与浓度差有关，有时称这两种电位之和为电化学电位或扩散吸附电位。地层压力与钻井液压力不同时，在地层孔隙中产生的过滤作用形成流动电势。而通常在分析自然电位测井曲线时忽略流动电势，油井的自然电位主要由扩散吸附作用产生。流动电势强度与压差有关。扩散吸附电位和流动电势都是与地层的双电层结构有关的现象。

声电效应的基础是双电层理论，双电层结构微观示意图如图1所示。在紧靠矿物表面的区域，离子不仅受到静电力作用，还受到表面的化学吸附作用，这一区域称为吸附层或Helmholtz层，这一层的离子被紧紧地束缚于固体表面。Helmholtz面之外是扩散层。在扩散区内，离子受静电力作用，同时，由于存在浓度梯度，离子由浓度高向浓度低的地方扩散，离子动态平衡。通常把扩散区和直至固相表面的电荷分布区域称为双电层。理论分析表明，声波能够影响地层中的双电层，从而影响到沙泥岩交界处的扩散电动势以及扩散吸附电动势的大小，进而影响到自然电位曲线的幅度。

图1 双电层结构微观示意图

自然电位与声-电转换之间的相互影响，以及声场对自然电位的影响，都是值得研究的声电现象。

2 声波自然电位实验

声波自然电位实验样机的研制想法起源于乌克兰地球物理研究所和西乌克兰地球物理试验大队的一篇文献中的上井数据图[5]，如图2所示。数据结果表明：在超声波作用下观测的自然电位曲线幅度增大，分辨率增加。早期大庆测井公司在与物探公司合作时也曾发现过自然电位幅度增大，分辨率增加的现象。所以我们试制了声波自然电位样机。实验样机是我们根据现有的仪器改造而成，用普通的自然电位测量装置连接声波仪器经过改造后可以在声波激发的情况下测量自然电位曲线。我们试验的结果如图3所示。

图2 乌格尔气田自然电位曲线对比图

图3 自然电位样机测量曲线对比图

结果表明，在声波激发测量得到的自然电位和普通方法测量的自然电位曲线没有明显的差异，这可能是由于声源能量较低造成的，也可能是频率较高的原因（乌克兰的试验声源为超声探头）。在声电转换过程中能量的转换效率是很低的。在实验室中考虑测量介质的孔隙度、渗透率以及系统的非线性，粗略估计得到的声-电信号最大有效幅度大概是声-声信号的千分之一。而我们在野外作业情况考虑到外界因素影响，实际能够测得的声-电信号要低于实验室中的估测值。也就是得到的声波对自然电位的影响值大概在纳伏至微伏量级，这要比自然电位的测量值毫伏量级要低很多。所以野外实验没有得到预期的结果。

在某次测井作业时发现在声波、侧向、自然电位并测时自然电位曲线有明显的分辨率升高的现象，如图4所示。图5是单独测量自然电位曲线和声波、侧向、自然电位并测电位曲线的对比图。

图4 自然电位分辨率增高曲线

图5 两种方法测得的自然电位曲线对比

哈里伯顿的LOGIQ系列仪器，侧向和自然电位曲线一直是并测的。但在测井过程中并没有出现有自然电位曲线分辨率增加的现象。由此证明单一的侧向和自然电位并测不会使自然电位曲线分辨率增加。而在声波自然电位样机测井过程中同样也没有发现测井曲线明显的变化。说明普通的声波和自然电位并测情况也不会发生自然电位分辨率增高的现象。所以说在声波、侧向、自然电位并测时自然电位曲线有明显的分辨率升高的现象是声波和侧向两种仪器共同作用的结果。根据侧向测井原理，测量地层的电阻率要向地层中发射交流电流。这样使得地层中原有的束缚电荷得到活化，同时在声波作用下，使得震电效应影响相对明显，得到自然电位分辨率增加的结果。

同时，用自然电位、声波和侧向仪器并测的方法测量自然电位，在大庆地区几个区块的多口井的数据中均有自然电位曲线分辨率增加的现象。证明这一结果并非偶然的现象。综上所述，得到的自然电位分辨率增加的现象是声波仪器和侧向仪器共同作用的结果。

3 结论

（1）声波、侧向、自然电位并测的情况下产生了分辨率升高的自然电位曲线。这个自然电位曲线与传统方法测量的自然电位曲线测量方式不同，甚至不能称为自然电位曲线。这一现象需要从机理上进行分析，给出理论根据。这对于传统的测量自然电位方法是一个测井方法上的革新。

（2）研究其产生机制与地层的双电层结构的关系。通过声波、侧向对自然电位产生的微扰的测量，得到微扰前后的自然电位曲线差异，这个差异信息可能与地层孔隙结构信息有关，能够提供一种新的求取地层的渗透率的方法。

（3）用声波、侧向、自然电位并测的方式得到的新的自然电位曲线在大庆地区几个区块的多口井都有测量，其测量结果要比正常的自然电位曲线分辨率高，有很好的稳定性。具有明显的优势。

（4）测量两种自然电位曲线，或许可以用来评价地层的孔隙度、渗透率等地层参数。这对于完善的评价地层结构有着重要的意义。

（5）对于整个仪器结构还有着很大的改进空间，增加侧向的工作功率、交流信号的频率；声波探头的声功率、频率的改变；声波探头、侧向的主发射电极A0距离自然电位测量环的远近等，以上或许均是可以尝试改进的方式。

自然电位属于常规测井项目中的一项，每一口井都要测量自然电位曲线。此种测井方式在薄层划分、厚层细分、渗透层位置的判断、地层渗透率和孔隙度的计算等方面均有着重要的意义，如果对于常规测井所获得的曲线上有所突破，其意义也是不可忽略的。

[1]胡恒山，王克协.井孔周围轴对称声电耦合波：（Ⅰ）理论[J].测井技术，1999，23（6）

[2]胡恒山，王克协.井孔周围轴对称声电耦合波：（Ⅱ）声电效应测井数值模拟[J].测井技术，2000，24（1）

[3]胡恒山，李长文，王克协，等.声电效应测井模型实验研究[J].测井技术.2001，25（2）

[4]丁次乾.矿场地球物理[M].北京：中国石油大学出版社，2008

[5]裘慰庭.震电效应在油气勘探中的应用前景[J].石油仪器，1996，10（2）