自然電位測井曲線在豫東平原區劃分咸、淡水界面中的應用

河南省資源環境調查一院 河南 鄭州 450000

0 引言

豫東地區位于黃河沖積平原上，是個輕度老鹽堿地區，豫東地區上部地層中賦存著多層礦化度高低不等的鹽堿水(咸水)，在這些地區生活的人們經常忍受著生活用水是鹽堿水的困擾。歷經幾代各行業地質及水文地質人員的辛勤努力，發現在這些地區的深部賦存著符合人們飲用水標準的淡水資源。而如何判斷哪層含水層是咸水，哪層含水層是淡水，這就需要準確判斷上部咸水含水層與下部淡水含水層之間的分界位置，也就是劃分咸、淡水分界面。通過多年的實踐經驗，利用咸、淡水在自然電位測井曲線上的反映特征，結合視電阻率曲線綜合分析的方法，可以準確判斷出咸、淡水含水層分界位置，合理確定止水深度，取水位置，為成井后水井水質礦化度達到飲用水標準奠定了基礎，現對這種方法從以下幾個方面進行介紹。

一、自然電位成因

自然電位是一種非人工產生的直流電位差，其產生的原因比較復雜。在實際測井中，它主要與地層的巖性、含水性、泥漿性質以及鉆孔(井)中的物理化學條件有關。主要成因有：離子的擴散作用、離子的擴散-吸附作用、離子的過濾作用，離子的氧化-還原作用以及電極極化作用等。

在水文地質自然電位測井中，觀測的自然電位主要是由離子擴散-吸附作用形成的電位差，因為含水層砂巖層具有孔隙性，滲透性良好，地層水和泥漿存在濃度差，正、負離子的遷移速率不同(Cl-離子遷移速率大，Na+離子遷移速率小)，在鉆孔(井)壁就由于離子擴散作用形成電位差，即擴散電位。另外泥質顆粒又有選擇性吸附負離子的特性，致使原來移動速率較大的Cl-負離子被泥質顆粒吸附，當達到動態平衡后，在井壁就產生這種由吸附作用形成的吸附電位。

二、自然電位及電阻率測井裝置

自然電位測井裝置比較簡單，利用兩個電極，分別為M，N電極，一個電極N接地面，另一個電極M下到鉆孔(井)中，自上而下，或者自下而上移動鉆孔(井)中電極M，觀測井中電極M與地面電極N之間的電位差，即獲得各深度自然電位值。便可繪制沿深度變化的自然電位測井曲線。現在數字測井采用組合探管，電阻率和自然電位兩個參數一起測量，采用的測量裝置比單一的自然電位測量多了一對供電電極，測量裝置采用一個供電電極在地面，另一個供電電極下到鉆孔(井)中，兩個測量電極在井中，下到井中的三個電極組成電極組，按照成對電極與不成對電極的距離不同，把電極系分為電位電極系和梯度電極系兩大類。不成對電極到靠近它的那個成對電極之間的距離，小于成對電極間距離的電極系稱為電位電極系；大于成對電極間距離的電極系稱為梯度電極系；測井時一般A、B為供電電極，M、N為測量電極，將B電極放置地面，A、M、N電極隨測井電纜在井中，A電極在底部，M、N電極在A的上部。電位電極系的記錄點是AM兩電極的中點，梯度電極系記錄點成對電極MN的中心點。測井時，測量電極M、N之間的電位差，并按照下面的視電阻率公式：，K稱為電極系系數，K=4π×AM×AN/MN，它只與電極系的尺寸、類型有關普通電阻率測井按此式得到的電阻率曲線稱為視電阻率曲線，這類測井方法也稱視電阻率測井。

三、自然電位測井曲線特征及影響自然電位幅值高低的因素

1.自然電位及視電阻率測井曲線繪制方法。以自然電位作為橫坐標，深度作為縱坐標繪制的自然電位隨深度變化的曲線即自然電位曲線。縱坐標以米為單位，橫坐標以毫伏為單位，向右的方向為正方向。實際測井中，自然電位幅值一般比較小，一般在幾十毫伏之間變化，在繪制曲線時一般以10或20毫伏為一單位，深度根據井深按一定比例繪制。同樣，以視電阻值為橫坐標，深度作為縱坐標可以繪制出視電阻率測井曲線。

2.自然電位曲線特征。自然電位測井中，因自然電位形成過程中的擴散-吸附作用的影響，形成的電位差有正、負異常之分。自然電位測井曲線幅值高低及正負異常與泥漿礦化度和地層水礦化度關系密切，鉆井過程中由于所用泥漿礦化度不同，自然電位測井曲線幅值及正負異常反映不同。自然電位沒有絕對的零點，通常均質、巨厚的泥巖或者粘土具有穩定的自然電位值，常以此井段對應的自然電位幅度作為自然電位曲線的基線，自然電位異常指相對泥巖基線而言。自然電位測井曲線正負異常主要與地層水的礦化度Cw、泥漿的礦化度Cm有關。自然電位正負異常主要有以下幾種表現：當地層水的礦化度Cw大于泥漿的礦化度Cm，含水層段的自然電位顯示出負異常；若地層水的礦化度Cw小于泥漿的礦化度Cm時，則含水層段的自然電位顯示為正異常。

在實際測井中地下各含水層的礦化度也各有差異，自然電位測井曲線表現也各不相同，可以歸結為以下四種類型。假設泥漿礦化度為Cm，上部含水層為咸水，其礦化度為Cw1，下部含水層為淡水，其礦化度 為Cw2，自然電位測井曲線特征表現如下(見圖1)：

(1)當Cm＞Cw1＞Cw2時，含水層自然電位曲線全部表現為正異常，但咸水層段的異常幅值小于淡水層段的異常幅值(如圖1，a)；

(2)當Cm＜Cw2＜Cw1時，含水層自然電位曲線全部表現為負異常，但在咸水層段的異常幅值大于淡水層段的異常幅值(如圖1，b)；

(3)當Cw2＜Cm＜Cw1時，含水層自然電位曲線表現為咸水層為表現負異常，淡水層段表現為曲線正異常(如圖1，c)；

(4)當Cm與Cw1或Cw2接近時，砂層在曲線上不顯示異常，在沒有砂層時，盡管Cm與Cw1或Cw2相差很多也不顯示異常(如圖1，d)。

圖1 自然電位異常符號與地層水礦化度關系圖

3.自然電位曲線幅值高低影響因素。影響自然電位曲線幅值的因素比較多，主要有以下幾種影響因素：Ⅱ

(1)泥漿礦化度與地層水礦化度的比值：地層水和泥漿礦化度差異越大，自然電位曲線幅值越高，反之，越低；

(2)含水層泥質含量：含水層泥質含量越低，自然電位幅值越高；

(3)地層厚度：自然電位幅度隨地層厚度的變薄而降低，且曲線變得平緩。

(4)地層溫度：自然電位與絕對溫度成正比；溫度越高，自然電位幅值越高；

(5)井徑：鉆孔井徑越大，自然電位值越小。

四、自然電位測井曲線的在豫東平原區的應用

自然電位在水文地質測井中，主要應用于：區分巖性，井間地層對比、劃分滲透性地層；求地層水礦化度；確定地層水電阻率、確定巖層的泥質含量、確定水淹層分析沉積環境，區分咸水層和淡水層，劃分咸、淡水界面效果比較好。下面以豫東平原區單縣一水井實際測井曲線資料(圖3)為例說明劃分咸淡水界面的具體方法。

1.豫東平原區地質背景。豫東平原是黃淮海平原的一部分，是在區域構造沉降帶發展過程中形成的，是在燕山運動以后，特別是喜馬拉雅運動以后形成的，豫東地區受南北向以及北東-南西向構造運動的影響，形成東西向及北西南東向的斷裂構造和褶皺構造，受東西向及北西南東向斷裂構造及褶皺構造的控制，形成開封坳陷、周口坳陷、太康隆起等，并影響了新近系及第四系地層的沉積。在地質演變過程中，湖泊的生成和演變與河流有關，在河流的外流區形成淡水湖，在河流的內流區形成咸水湖，個別咸水湖還與海侵有關，海水倒灌，形成咸水。豫東平原區地下地下水咸、淡水分布范圍、埋藏深度位置與其古地理及古地質環境有關。

2.含水層組特征。豫東地區第四系巨厚的松散沉積物構成了多個復雜的含水系統，根據沉積物類型、水文地質條件等可以將該區含水層劃分為2個綜合淡水含水層組和1個咸水含水層組。簡述如下：

(1)潛水-微承壓淡水含水層組。該含水層組為第四系上部的含水層組，含水層巖性主要為卵、礫石，中粗砂、中細砂，粉細砂層。為單一或多層狀互層結構，屬潛水-微承壓水，一般沒有穩定的隔水層，與下伏承壓含水層水力聯系較好，含水層厚度一般10-50m，局部大于50m。該含水層由于受工業及人為活動影響，污染比較嚴重，基本不能飲用。

(2)深層承壓淡水含水層組。在豫東平原的中部及東部，潛水-微承壓含水層的下部多賦存有一咸水含水層組，如蘭考、商丘、淮陽、鹿邑、虞城以及山東的單縣等地。在咸水層組的下部有多層承壓淡水含水層組，淡水含水層組巖性主要由粉細砂、細砂、砂礫石組成。區域分布規律是由西向東，由南向北逐漸由淺變深，如淮陽該含水層埋深約在240m，商丘該含水層埋深350m，該含水層組水質較好，符合飲用水標準，為該地區主要生活用水取水層段。

(3)咸水含水層組。在黃淮平原的中北部，黃河泛濫沖擊平原，淺層淡水含水層于深部承壓淡水含水層之間存在著厚度不等的咸水含水層組，該含水層組賦存規律是大都賦存與中、上更新統沉積地層中，大致分布于蘭考、通許、鄢陵至西華以東，商水至鄲城以北，夏邑至鹿邑以西大部分地區，厚度南薄北厚，厚度幾十米至300m不等。

3.地層地球物理特征。豫東地區地層巖性主要有粘土、砂質粘土，粉細砂、中粗砂及砂礫石等，以粘土及砂質粘土為主。巖層視電阻率高低受含水層礦化度高低的影響，淡水含水層段中同粒度級別的巖層視電阻率相比咸水含水層段要高，咸水含水層段地層視電阻率值較低。在實際測井中同一鉆孔上下由于受采用的鉆探泥漿礦化度的影響，地層視電祖率會向一定方向趨勢的變化，整孔地層視電阻率值變低。該區地層視電祖率值一般如下：粘土為4～5.5Ω.m，砂質粘土為7～8Ω.m，粉砂為8～9Ω.m，細砂為9～12Ω.m，中砂為12～16Ω.m。

4.地層劃分及咸淡水界面的確定

(1)地層的劃分。在地層劃分時，首先縱觀測井曲線，找出測井曲線中厚度比較大，視電阻率最低層段，如圖3中288-301.5m及344-361m段等視電阻率值在4～5Ω.m之間，確定為粘土層段，地層分界點為視電阻率曲線的拐點位置。再根據視電阻率曲線阻值從低到高依次劃分出砂質粘土層段，視電阻率值在7～8Ω.m之間，如92.5～121.5m及144.5～181.5m層段等；粉砂層段，視電阻率值在8～9Ω.m之間，如202.0～207.0m、361.0～365.5m等層段；細砂層段，視電阻率值在9～12Ω.m之間，如127.5～144.5m、224～232.5m層段等；中砂層段，視電阻率值在12～16Ω.m之間，如262.0-288.0m、301.5～311.5m、383.0～395.0m等層段等。

(2)咸淡水界面的確定。一般水井鉆探泥漿多采用的地層粘土自造漿，所用水為上部淺層水，成孔后，由于各含水層對泥漿的混合作用，相對各含水層礦化度呈一個中值，泥漿的礦化度往往比咸水含水層礦化度低，比淡水含水層礦化度高，在實際工作中，在劃分時首先找到厚層粘土層，如207.5～224.0m、288.0～301.5m、344.0～361.0m等段，所對應的自然點位值做基準值，并以此段對應的自然電位值為相對零點；連接相鄰粘土層所對應的自然電位曲線為基線如圖3所示，需要注意的是自然電位基線不一定是一條直線，隨著深度變化及泥漿濃度變化，基線不一定是一條垂直線，有可能偏斜，是一條斜線，在劃分咸淡水界面時需要特別注意。自然電位向右方向的異常為正異常，向左方向的異常為負異常。如圖127.5-144.5m段，巖性為細砂層，自然電位幅值呈現負異常，說明該段地層水礦化度大于泥漿礦化度，地層水應屬咸水；262.0-288.0m段，自然電位幅值呈現正異常，說明該段地層水礦化度小于泥漿礦化度，地層水應屬淡水，在整個鉆孔中根據自然電位測井曲線，找出自然電位從負異常到正異常變化的交叉點位置，即咸淡水含水層分界位置，例如本例中，在202.0-207.5m層段含水層自然電位曲線幾乎與基線一直，說明該段地層水礦化度與泥漿礦化度相當，在該層段以上含水層段自然電位往往表現為負異常，在其下自然電位曲線表現為正異常，從本例測井曲線上看，在224.0m以下的含水層自然電位均為正異常反應，因此可以確定咸、淡水分界位置基本上就在224.0m以上，結合之上一個含水層202.0-207.5m段含水層自然電位接近基準值，含水層應該還是咸水，可以確定該孔咸淡水含水層分界位置應該在224.0m。從本例鉆孔測井自然電位曲線總體可以看出，在224.0m以上的含水層，如10-27.5m的粉砂層，127.5～144.5m的細砂層，202.0～207.5m的粉砂層，其礦化度均高于泥漿的礦化度，綜合判斷應為咸水含水層，而224.0m以下的含水層，224.0～232.5m的粉砂層，243.0～253.0m的細砂層及其下262.0～288.0m、301.5～311.5m、383.0～395.0m等段的細砂、中砂層均為淡水含水層。

五、結語

通過對自然電位的成因分析、自然電位測井方法的介紹，闡述了豫東平原區的地質背景及含水巖組的賦存規律變化趨勢及分布范圍，結合自然電位測井實例，介紹了劃分咸淡水界面的方法。利用此方法在豫東平原區的商丘、虞城、周口淮陽、山東單縣、江蘇豐縣等地的水井測井中，能準確的確定出咸淡水界面位置，合理的提供止水深度，位置，達到了良好的效果，為成井奠定了良好的基礎，得到了當地水利部門及施工單位一致認可。