自然电位测井曲线在豫东平原区划分咸、淡水界面中的应用

河南省资源环境调查一院 河南 郑州 450000

0 引言

豫东地区位于黄河冲积平原上，是个轻度老盐碱地区，豫东地区上部地层中赋存着多层矿化度高低不等的盐碱水(咸水)，在这些地区生活的人们经常忍受着生活用水是盐碱水的困扰。历经几代各行业地质及水文地质人员的辛勤努力，发现在这些地区的深部赋存着符合人们饮用水标准的淡水资源。而如何判断哪层含水层是咸水，哪层含水层是淡水，这就需要准确判断上部咸水含水层与下部淡水含水层之间的分界位置，也就是划分咸、淡水分界面。通过多年的实践经验，利用咸、淡水在自然电位测井曲线上的反映特征，结合视电阻率曲线综合分析的方法，可以准确判断出咸、淡水含水层分界位置，合理确定止水深度，取水位置，为成井后水井水质矿化度达到饮用水标准奠定了基础，现对这种方法从以下几个方面进行介绍。

一、自然电位成因

自然电位是一种非人工产生的直流电位差，其产生的原因比较复杂。在实际测井中，它主要与地层的岩性、含水性、泥浆性质以及钻孔(井)中的物理化学条件有关。主要成因有：离子的扩散作用、离子的扩散-吸附作用、离子的过滤作用，离子的氧化-还原作用以及电极极化作用等。

在水文地质自然电位测井中，观测的自然电位主要是由离子扩散-吸附作用形成的电位差，因为含水层砂岩层具有孔隙性，渗透性良好，地层水和泥浆存在浓度差，正、负离子的迁移速率不同(Cl-离子迁移速率大，Na+离子迁移速率小)，在钻孔(井)壁就由于离子扩散作用形成电位差，即扩散电位。另外泥质颗粒又有选择性吸附负离子的特性，致使原来移动速率较大的Cl-负离子被泥质颗粒吸附，当达到动态平衡后，在井壁就产生这种由吸附作用形成的吸附电位。

二、自然电位及电阻率测井装置

自然电位测井装置比较简单，利用两个电极，分别为M，N电极，一个电极N接地面，另一个电极M下到钻孔(井)中，自上而下，或者自下而上移动钻孔(井)中电极M，观测井中电极M与地面电极N之间的电位差，即获得各深度自然电位值。便可绘制沿深度变化的自然电位测井曲线。现在数字测井采用组合探管，电阻率和自然电位两个参数一起测量，采用的测量装置比单一的自然电位测量多了一对供电电极，测量装置采用一个供电电极在地面，另一个供电电极下到钻孔(井)中，两个测量电极在井中，下到井中的三个电极组成电极组，按照成对电极与不成对电极的距离不同，把电极系分为电位电极系和梯度电极系两大类。不成对电极到靠近它的那个成对电极之间的距离，小于成对电极间距离的电极系称为电位电极系；大于成对电极间距离的电极系称为梯度电极系；测井时一般A、B为供电电极，M、N为测量电极，将B电极放置地面，A、M、N电极随测井电缆在井中，A电极在底部，M、N电极在A的上部。电位电极系的记录点是AM两电极的中点，梯度电极系记录点成对电极MN的中心点。测井时，测量电极M、N之间的电位差，并按照下面的视电阻率公式：，K称为电极系系数，K=4π×AM×AN/MN，它只与电极系的尺寸、类型有关普通电阻率测井按此式得到的电阻率曲线称为视电阻率曲线，这类测井方法也称视电阻率测井。

三、自然电位测井曲线特征及影响自然电位幅值高低的因素

1.自然电位及视电阻率测井曲线绘制方法。以自然电位作为横坐标，深度作为纵坐标绘制的自然电位随深度变化的曲线即自然电位曲线。纵坐标以米为单位，横坐标以毫伏为单位，向右的方向为正方向。实际测井中，自然电位幅值一般比较小，一般在几十毫伏之间变化，在绘制曲线时一般以10或20毫伏为一单位，深度根据井深按一定比例绘制。同样，以视电阻值为横坐标，深度作为纵坐标可以绘制出视电阻率测井曲线。

2.自然电位曲线特征。自然电位测井中，因自然电位形成过程中的扩散-吸附作用的影响，形成的电位差有正、负异常之分。自然电位测井曲线幅值高低及正负异常与泥浆矿化度和地层水矿化度关系密切，钻井过程中由于所用泥浆矿化度不同，自然电位测井曲线幅值及正负异常反映不同。自然电位没有绝对的零点，通常均质、巨厚的泥岩或者粘土具有稳定的自然电位值，常以此井段对应的自然电位幅度作为自然电位曲线的基线，自然电位异常指相对泥岩基线而言。自然电位测井曲线正负异常主要与地层水的矿化度Cw、泥浆的矿化度Cm有关。自然电位正负异常主要有以下几种表现：当地层水的矿化度Cw大于泥浆的矿化度Cm，含水层段的自然电位显示出负异常；若地层水的矿化度Cw小于泥浆的矿化度Cm时，则含水层段的自然电位显示为正异常。

在实际测井中地下各含水层的矿化度也各有差异，自然电位测井曲线表现也各不相同，可以归结为以下四种类型。假设泥浆矿化度为Cm，上部含水层为咸水，其矿化度为Cw1，下部含水层为淡水，其矿化度 为Cw2，自然电位测井曲线特征表现如下(见图1)：

(1)当Cm＞Cw1＞Cw2时，含水层自然电位曲线全部表现为正异常，但咸水层段的异常幅值小于淡水层段的异常幅值(如图1，a)；

(2)当Cm＜Cw2＜Cw1时，含水层自然电位曲线全部表现为负异常，但在咸水层段的异常幅值大于淡水层段的异常幅值(如图1，b)；

(3)当Cw2＜Cm＜Cw1时，含水层自然电位曲线表现为咸水层为表现负异常，淡水层段表现为曲线正异常(如图1，c)；

(4)当Cm与Cw1或Cw2接近时，砂层在曲线上不显示异常，在没有砂层时，尽管Cm与Cw1或Cw2相差很多也不显示异常(如图1，d)。

图1 自然电位异常符号与地层水矿化度关系图

3.自然电位曲线幅值高低影响因素。影响自然电位曲线幅值的因素比较多，主要有以下几种影响因素：Ⅱ

(1)泥浆矿化度与地层水矿化度的比值：地层水和泥浆矿化度差异越大，自然电位曲线幅值越高，反之，越低；

(2)含水层泥质含量：含水层泥质含量越低，自然电位幅值越高；

(3)地层厚度：自然电位幅度随地层厚度的变薄而降低，且曲线变得平缓。

(4)地层温度：自然电位与绝对温度成正比；温度越高，自然电位幅值越高；

(5)井径：钻孔井径越大，自然电位值越小。

四、自然电位测井曲线的在豫东平原区的应用

自然电位在水文地质测井中，主要应用于：区分岩性，井间地层对比、划分渗透性地层；求地层水矿化度；确定地层水电阻率、确定岩层的泥质含量、确定水淹层分析沉积环境，区分咸水层和淡水层，划分咸、淡水界面效果比较好。下面以豫东平原区单县一水井实际测井曲线资料(图3)为例说明划分咸淡水界面的具体方法。

1.豫东平原区地质背景。豫东平原是黄淮海平原的一部分，是在区域构造沉降带发展过程中形成的，是在燕山运动以后，特别是喜马拉雅运动以后形成的，豫东地区受南北向以及北东-南西向构造运动的影响，形成东西向及北西南东向的断裂构造和褶皱构造，受东西向及北西南东向断裂构造及褶皱构造的控制，形成开封坳陷、周口坳陷、太康隆起等，并影响了新近系及第四系地层的沉积。在地质演变过程中，湖泊的生成和演变与河流有关，在河流的外流区形成淡水湖，在河流的内流区形成咸水湖，个别咸水湖还与海侵有关，海水倒灌，形成咸水。豫东平原区地下地下水咸、淡水分布范围、埋藏深度位置与其古地理及古地质环境有关。

2.含水层组特征。豫东地区第四系巨厚的松散沉积物构成了多个复杂的含水系统，根据沉积物类型、水文地质条件等可以将该区含水层划分为2个综合淡水含水层组和1个咸水含水层组。简述如下：

(1)潜水-微承压淡水含水层组。该含水层组为第四系上部的含水层组，含水层岩性主要为卵、砾石，中粗砂、中细砂，粉细砂层。为单一或多层状互层结构，属潜水-微承压水，一般没有稳定的隔水层，与下伏承压含水层水力联系较好，含水层厚度一般10-50m，局部大于50m。该含水层由于受工业及人为活动影响，污染比较严重，基本不能饮用。

(2)深层承压淡水含水层组。在豫东平原的中部及东部，潜水-微承压含水层的下部多赋存有一咸水含水层组，如兰考、商丘、淮阳、鹿邑、虞城以及山东的单县等地。在咸水层组的下部有多层承压淡水含水层组，淡水含水层组岩性主要由粉细砂、细砂、砂砾石组成。区域分布规律是由西向东，由南向北逐渐由浅变深，如淮阳该含水层埋深约在240m，商丘该含水层埋深350m，该含水层组水质较好，符合饮用水标准，为该地区主要生活用水取水层段。

(3)咸水含水层组。在黄淮平原的中北部，黄河泛滥冲击平原，浅层淡水含水层于深部承压淡水含水层之间存在着厚度不等的咸水含水层组，该含水层组赋存规律是大都赋存与中、上更新统沉积地层中，大致分布于兰考、通许、鄢陵至西华以东，商水至郸城以北，夏邑至鹿邑以西大部分地区，厚度南薄北厚，厚度几十米至300m不等。

3.地层地球物理特征。豫东地区地层岩性主要有粘土、砂质粘土，粉细砂、中粗砂及砂砾石等，以粘土及砂质粘土为主。岩层视电阻率高低受含水层矿化度高低的影响，淡水含水层段中同粒度级别的岩层视电阻率相比咸水含水层段要高，咸水含水层段地层视电阻率值较低。在实际测井中同一钻孔上下由于受采用的钻探泥浆矿化度的影响，地层视电祖率会向一定方向趋势的变化，整孔地层视电阻率值变低。该区地层视电祖率值一般如下：粘土为4～5.5Ω.m，砂质粘土为7～8Ω.m，粉砂为8～9Ω.m，细砂为9～12Ω.m，中砂为12～16Ω.m。

4.地层划分及咸淡水界面的确定

(1)地层的划分。在地层划分时，首先纵观测井曲线，找出测井曲线中厚度比较大，视电阻率最低层段，如图3中288-301.5m及344-361m段等视电阻率值在4～5Ω.m之间，确定为粘土层段，地层分界点为视电阻率曲线的拐点位置。再根据视电阻率曲线阻值从低到高依次划分出砂质粘土层段，视电阻率值在7～8Ω.m之间，如92.5～121.5m及144.5～181.5m层段等；粉砂层段，视电阻率值在8～9Ω.m之间，如202.0～207.0m、361.0～365.5m等层段；细砂层段，视电阻率值在9～12Ω.m之间，如127.5～144.5m、224～232.5m层段等；中砂层段，视电阻率值在12～16Ω.m之间，如262.0-288.0m、301.5～311.5m、383.0～395.0m等层段等。

(2)咸淡水界面的确定。一般水井钻探泥浆多采用的地层粘土自造浆，所用水为上部浅层水，成孔后，由于各含水层对泥浆的混合作用，相对各含水层矿化度呈一个中值，泥浆的矿化度往往比咸水含水层矿化度低，比淡水含水层矿化度高，在实际工作中，在划分时首先找到厚层粘土层，如207.5～224.0m、288.0～301.5m、344.0～361.0m等段，所对应的自然点位值做基准值，并以此段对应的自然电位值为相对零点；连接相邻粘土层所对应的自然电位曲线为基线如图3所示，需要注意的是自然电位基线不一定是一条直线，随着深度变化及泥浆浓度变化，基线不一定是一条垂直线，有可能偏斜，是一条斜线，在划分咸淡水界面时需要特别注意。自然电位向右方向的异常为正异常，向左方向的异常为负异常。如图127.5-144.5m段，岩性为细砂层，自然电位幅值呈现负异常，说明该段地层水矿化度大于泥浆矿化度，地层水应属咸水；262.0-288.0m段，自然电位幅值呈现正异常，说明该段地层水矿化度小于泥浆矿化度，地层水应属淡水，在整个钻孔中根据自然电位测井曲线，找出自然电位从负异常到正异常变化的交叉点位置，即咸淡水含水层分界位置，例如本例中，在202.0-207.5m层段含水层自然电位曲线几乎与基线一直，说明该段地层水矿化度与泥浆矿化度相当，在该层段以上含水层段自然电位往往表现为负异常，在其下自然电位曲线表现为正异常，从本例测井曲线上看，在224.0m以下的含水层自然电位均为正异常反应，因此可以确定咸、淡水分界位置基本上就在224.0m以上，结合之上一个含水层202.0-207.5m段含水层自然电位接近基准值，含水层应该还是咸水，可以确定该孔咸淡水含水层分界位置应该在224.0m。从本例钻孔测井自然电位曲线总体可以看出，在224.0m以上的含水层，如10-27.5m的粉砂层，127.5～144.5m的细砂层，202.0～207.5m的粉砂层，其矿化度均高于泥浆的矿化度，综合判断应为咸水含水层，而224.0m以下的含水层，224.0～232.5m的粉砂层，243.0～253.0m的细砂层及其下262.0～288.0m、301.5～311.5m、383.0～395.0m等段的细砂、中砂层均为淡水含水层。

五、结语

通过对自然电位的成因分析、自然电位测井方法的介绍，阐述了豫东平原区的地质背景及含水岩组的赋存规律变化趋势及分布范围，结合自然电位测井实例，介绍了划分咸淡水界面的方法。利用此方法在豫东平原区的商丘、虞城、周口淮阳、山东单县、江苏丰县等地的水井测井中，能准确的确定出咸淡水界面位置，合理的提供止水深度，位置，达到了良好的效果，为成井奠定了良好的基础，得到了当地水利部门及施工单位一致认可。