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如圖所示甲乙是電化學實驗裝置
發布時間：2024-12-12 09:16:41❶ 自然電位測井
自然電位測井是沿井身測量岩層或礦體在天然條件下產生的電場電位變化的一種測井方法。自然電位測井誕生於1931年，是世界上最早使用的測井方法之一，測量簡便且實用意義很大，所以至今依然廣泛應用。
在生產實踐中人們發現，將一個測量電極放入裸眼井中並在井內移動，在沒有人工供電的情況下，仍能測量到電場電位變化。這個電位是自然產生的，所以稱為自然電位。
1.1.1 井中自然電位的產生
研究表明，井中自然電位包括擴散電位、擴散吸附電位、過濾電位和氧化還原電位等幾種。鑽井泥漿濾液和地層水的礦化度(或濃度)一般是不相同的，兩種不同礦化度的溶液在井壁附近接觸產生電化學過程，結果產生擴散電位和擴散吸附電位;當泥漿柱與地層之間存在壓力差時，地層孔隙中產生過濾作用，從而產生過濾電位;金屬礦含量高的地層具有氧化還原電位。
在石油井中，自然電位主要由擴散電位和擴散吸附電位組成。
1.1.1.1 擴散電位
首先做一個電化學實驗，實驗裝置如圖1.1.1所示。用一個滲透性隔膜將一個玻璃缸分隔成左右兩部分，分別往玻璃缸兩邊注入濃度不同的NaCl溶液(濃度分別為Cw和Cm，且Cw>Cm)，然後在兩種溶液中各插入一個電極，用導線將這兩個電極和一個電壓表串聯起來，我們可以觀察到電壓表指針發生偏轉。
玻璃缸左右兩邊溶液的濃度不同，那麼高濃度溶液中的離子受滲透壓的作用要穿過滲透性隔膜遷移到低濃度溶液中去，這種現象稱為擴散現象。對於NaCl溶液來說，由於Cl－的遷移率大於Na+的遷移率，因此低濃度溶液中的Cl－相對增多，形成負電荷的富集，高濃度溶液中的Na+相對增多，形成正電荷的富集。於是，在兩種不同濃度的溶液間能夠測量到電位差。雖然離子繼續擴散，但是Cl－受到高濃度溶液中的正電荷吸引和低濃度溶液中的負電荷排斥作用，其遷移率減慢;Na+則遷移率加快，因而使兩側的電荷富集速度減慢。當正、負離子的遷移率相同時，電動勢不再增加，但離子的擴散作用還在進行，這種狀態稱為動態平衡。此時接觸面處的電動勢稱為擴散電動勢或擴散電位。
圖1.1.1 擴散電位產生示意圖
在砂泥岩剖面井中，純砂岩井段泥漿濾液和地層水在井壁附近相接觸，如果二者的濃度不同，就會產生離子擴散作用。假設泥漿濾液和地層水只含NaCl，應用電化學知識，可由Nernst方程求出井壁上產生的擴散電位:
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式中:Ed為擴散電位，mV;l+、l－分別為正、負離子遷移率，S/(m·N);R為摩爾氣體常數，等於8.313J/(mol·K);T為熱力學溫度，K;F為法拉第常數，等於96500C/mol;Cw、Cmf分別為地層水和泥漿濾液的NaCl質量濃度，g/L。
在溶液濃度比較低的情況下，溶液的電阻率與其濃度成反比，因此，式(1.1.1)可改寫為:
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式中:Rw、Rmf分別為地層水和泥漿濾液的電阻率，Ω·m。令:
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稱Kd為擴散電位系數，mV。則式(1.1.2)可簡寫為:
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利用式(1.1.3)可以計算溶液的Kd值。當溫度為18℃時，NaCl溶液的Kd值為－11.6mV。
通常情況下，地層水的含鹽濃度大於泥漿濾液的含鹽濃度，即Cw>Cmf，因此擴散結果是地層水中富集正電荷，泥漿中富集負電荷。
1.1.1.2 擴散吸附電位
如果用泥岩隔膜替換上述實驗中的滲透性隔膜，而不改變其他條件，重新進行實驗，會出現什麼現象呢?通過觀察，發現電壓表指針朝相反方向偏轉，表明濃度大的一側富集了負電荷，而濃度小的一側富集了正電荷(圖1.1.2)。
圖1.1.2 擴散吸附電位產生示意圖
用泥岩隔膜將兩種不同濃度的NaCl溶液分開，兩種溶液在此接觸面處產生離子擴散，擴散總是從濃度大的一方向濃度小的一方進行。由於黏土礦物表面具有選擇吸附負離子的能力，因此當濃度不同的NaCl溶液擴散時，黏土礦物顆粒表面吸附Cl－，使其擴散受到牽制，只有Na+可以在地層水中自由移動，從而導致電位差的產生。這樣就在泥岩隔膜處形成了擴散吸附電位。
在砂泥岩剖面井中，泥岩井段泥漿濾液和地層水在井壁附近相接觸，產生的擴散吸附電位可以表示為:
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式中:稱Kda為擴散吸附電位系數，它與岩層的泥質陽離子交換能力Qv有關。在Qv接近極限值的情況下，岩石孔隙中只有正離子參加擴散，可看作Cl－的遷移率為零，因此由式(1.1.3)得到Kda:
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在溶液濃度比較低的情況下，式(1.1.5)可改寫為:
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1.1.1.3 過濾電位
溶液通過毛細管時，毛細管壁吸附負離子，使溶液中正離子相對增多。正離子在壓力差的作用下，隨同溶液向壓力低的一端移動，因此在毛細管兩端富集不同符號的離子，壓力低的一方帶正電、壓力高的一方帶負電，於是產生電位差，如圖1.1.3所示。
圖1.1.3 過濾電位形成示意圖
岩石顆粒與顆粒之間有很多孔隙，它們彼此連通，形成很細的孔道，相當於上述的毛細管。在鑽井過程中，為了防止井噴，通常使泥漿柱壓力略大於地層壓力。在壓力差的作用下，泥漿濾液向地層中滲入。由於岩石顆粒的選擇吸附性，孔道壁上吸附泥漿濾液中的負離子，僅正離子隨著泥漿濾液向地層中移動，這樣在井壁附近聚集大量負離子，在地層內部富集大量正離子，從而產生電位差，這就是過濾電位。根據Helmholz理論，可以得出估算過濾電位的表達式:
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式中:Rmf為泥漿濾液電阻率，Ω·m;μ為泥漿濾液的黏度，10－3Pa·s;Δp為泥漿柱與地層之間的壓力差，101325Pa;Aφ為過濾電位系數，mV。Aφ與溶液的成分、濃度有關。一般認為，在泥餅形成之前，當泥漿柱與地層之間壓力差很大時，才能產生較大的過濾電位。由於油井泥漿柱與地層之間壓力差不是很大，而且在測井時已形成泥餅，泥餅幾乎是不滲透的，上述壓力差降落在泥餅上，因此Eφ常忽略不計。
1.1.1.4 氧化還原電位
由於岩體的不均勻性，當它與泥漿接觸而發生化學反應時，某一部分會因失去電子而呈正極性，另一部分則會因得到電子而顯負極性，因此，二者之間便產生電位差，稱為氧化還原電位。氧化還原電位僅產生於電子導電的固相礦體中，例如煤層和金屬礦。沉積岩中基本沒有氧化還原電位。
1.1.2 自然電位測井原理與曲線特徵
1.1.2.1 自然電位測井原理
自然電位測井使用一對測量電極，用M、N表示，見圖1.1.4。測井時，將測量電極N放在地面，電極M用電纜送至井下，沿井軸提升電極M測量自然電位隨井深的變化，所記錄的自然電位隨井深的變化曲線叫自然電位測井曲線，通常用SP表示。
自然電位測井極少單獨進行，而是與其他測井方法同時測量。例如，自然電位測井可以和電阻率測井同時測量。
1.1.2.2 井中自然電場分布與自然電位幅度的計算
以砂泥岩剖面井為例來說明井中自然電場分布特徵。通常情況下，鑽井過程中採用淡水泥漿鑽進，泥漿濾液的濃度往往低於地層水的濃度。此時，在砂岩層段井內富集有負電荷，而在泥岩層段井內富集正電荷。由擴散電位和擴散吸附電位形成的自然電場分布如圖1.1.5所示。
圖1.1.4 自然電位測井原理圖
圖1.1.5 井中自然電場分布示意圖
在砂岩和泥岩接觸面附近，自然電位與Ed和Eda都有關系，其幅度可由圖1.1.6(a)所示的等效電路求得。在此等效電路中，Ed和Eda是相互疊加的，這就是在相當厚的砂岩和泥岩接觸面處的自然電位幅度基本上是產生自然電場的總電位E總的原因，其值為:
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式中:K為自然電位系數，mV。通常把E總稱為靜自然電位(SSP)，運算時寫為USSP。此時Ed的幅度稱為砂岩線，Eda的幅度稱為泥岩線。
為了使用方便，實際自然電位測井曲線不設絕對零線，而是以大段泥岩對應的自然電位曲線作為其相對基線(即零線)。這樣，巨厚的純砂岩部分的自然電位幅度就是靜自然電位值USSP。而實際上，在井中所尋找的砂岩儲集層大部分是夾在泥岩層中的有限厚的砂岩，如圖1.1.6(b)所示。此時，砂岩層處的自然電位異常幅度不等於SSP，用ΔUSP表示。假設自然電流I所流經的泥漿、砂岩、泥岩各段等效電阻分別是rm、rsd、rsh，由Kirchhoff定律得:
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所以，自然電流為:
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對於厚度有限的砂岩井段，其自然電位幅度ΔUSP定義為自然電流I在流經泥漿等效圖1.1.6 計算USSP、ΔUSP值的等效電路圖
電阻rm上的電位降，即ΔUSP=Irm，從而得到:
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整理得:
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對於巨厚層，砂岩和泥岩層的截面積比井的截面積大得多，所以rmrsd，rmrsh，因此ΔUSP≈USSP。而對於一般有限厚地層則ΔUSP<USSP。
1.1.2.3 自然電位測井曲線特徵
針對目的層為純砂岩、上下圍岩為泥岩的地層模型，計算得到一組自然電位理論曲線，如圖1.1.7所示，它是一組曲線號碼為 (地層厚度/井徑)的ΔUSP/USSP隨深度變化的關系曲線。
理論曲線具有以下特點:曲線相對於地層中點對稱;厚地層(h>4d，d為井徑)的自然電位曲線幅度值近似等於靜自然電位，且曲線的半幅點深度正對著地層界面深度，參見曲線號碼 的曲線，與橫坐標ΔUSP/|USSP|=0.5的直線相交的兩點(即半幅點)正好和對應地層的界面深度一致;隨著地層厚度的變薄，對應界面的自然電位幅度值離開半幅點向曲線的峰值移動;地層中點取得曲線幅度的最大值，隨著地層變薄極大值隨之減小(ΔUSP/|USSP|值接近零)，且曲線變得平緩。
實測曲線與理論曲線的特點基本相同，但由於測井時受井內環境及多方面因素的影響，實測曲線不如理論曲線規則。在早期的測井曲線圖上，自然電位測井曲線沒有絕對零點，而是以大段泥岩處的自然電位測井曲線作基線;曲線上方標有帶極性符號(+，－)的橫向比例尺，它與曲線的相對位置不影響自然電位幅度ΔUSP的讀數。自然電位幅度ΔUSP的讀數是基線到曲線異常極大值之間的寬度用橫向比例尺換算出的毫伏數。現在採用計算機繪制測井曲線圖，與其他常規測井曲線一樣，自然電位測井曲線也具有左右刻度值，見圖1.1.8。
圖1.1.7 自然電位測井理論曲線
圖1.1.8 自然電位測井曲線實例
在砂泥岩剖面井中，鑽井一般用淡水泥漿(Cw>Cmf)，在砂岩滲透層井段自然電位測井曲線出現明顯的負異常;在鹽水泥漿井中(Cw<Cmf)，滲透層井段則會出現正異常。因此，自然電位測井曲線是識別滲透層的重要測井資料之一。
1.1.3 影響自然電位的因素
在砂泥岩剖面井中，自然電位曲線的幅度及特點主要決定於造成自然電場的總自然電位和自然電流的分布。總自然電位的大小取決於岩性、地層溫度、地層水和泥漿中所含離子成分和泥漿濾液電阻率與地層水電阻率之比。自然電流的分布則決定於流經路徑中介質的電阻率及地層的厚度和井徑的大小。這些因素對自然電位幅度及曲線形狀均有影響。
1.1.3.1地層水和泥漿濾液中含鹽濃度比值的影響
地層水和泥漿濾液中含鹽量的差異是造成自然電場中擴散電位Ed和擴散吸附電位Eda的基本原因。Ed和Eda的大小決定於地層水和泥漿濾液中含鹽濃度比值 。以泥岩作基線，當Cw>Cmf時，砂岩層段則出現自然電位負異常;當Cw<Cmf時，則砂岩層段出現自然電位的正異常;當Cw=Cmf時，沒有自然電位異常出現。Cw與Cmf的差別愈大，曲線異常愈大。
1.1.3.2岩性的影響
在砂泥岩剖面井中，以大段泥岩處的自然電位測井曲線作基線，在自然電位曲線上出現異常變化的多為砂質岩層。當目的層為較厚的純砂岩時，它與圍岩之間的總自然電位達到最大值，即靜自然電位，此時在自然電位曲線上出現最大的負異常幅度。當目的層含有泥質(其他條件不變)時，總自然電位降低，因而曲線異常的幅度也隨之減小。此外，部分泥岩的陽離子交換能力減弱時，會產生基線偏移，滲透層的自然電位異常幅度也會相對降低。
1.1.3.3溫度的影響
同樣岩性的岩層，由於埋藏深度不同，其溫度是不同的，而Kd、Kda都與熱力學溫度成正比例，這就導致埋藏深度不同的同樣岩性岩層的自然電位測井曲線上異常幅度有差異。為了研究溫度對自然電位的影響程度，需計算出地層溫度為t(℃)時的Kd或Kda值。為計算方便，先計算出18℃時的Kda值，然後用下式可計算出任何地層溫度t(℃)時的Kda值:
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式中:Kda|t=18為18℃時的擴散吸附電動勢系數，mV;t為地層溫度，℃。Kd的溫度換算公式與Kda的形式完全相同。1.1.3.4 地層水和泥漿濾液中所含鹽的性質的影響
泥漿濾液和地層水中所含鹽類不同，則溶液中所含離子不同，不同離子的離子價和遷移率均有差異，直接影響Kd或Kda值。
在純砂岩井段中，地層水中所含鹽類改變時，Kd也隨之改變，見表1.1.1。因此，不同溶質的溶液，即使在其他條件都相同的情況下，所產生的Ed值也有差異。
表1.1.1 18℃時幾種鹽溶液的Kd值
1.1.3.5 地層電阻率的影響
當地層較厚並且各部分介質的電阻率相差不大時，式(1.1.12)中的rsd、rsh與rm相比小得多，此時對於純砂岩來說ΔUSP≈USSP。當地層電阻率增高時，rsd、rsh與rm比較，則不能忽略，因此ΔUSP<USSP。地層電阻率越高，ΔUSP越低。根據這個特點可以定性分辨油、水層。
1.1.3.6 地層厚度的影響
從圖1.1.7所示的自然電位理論曲線上可以看出，自然電位幅度ΔUSP隨地層厚度的變薄而降低，而且曲線變得平緩。由於地層厚度變薄後，自然電流經過地層的截面變小，式(1.1.12)中的rsd增加，使得ΔUSP與SSP差別加大。
1.1.3.7井徑擴大和泥漿侵入的影響
井徑擴大使井的截面加大，式(1.1.12)中rm相應減小，因此ΔUSP降低。
在有泥漿侵入的滲透層井段所測的自然電位幅度ΔUSP比同樣的滲透層沒有泥漿侵入時所測得的ΔUSP要低。這是由於泥漿侵入使地層水和泥漿濾液的接觸面向地層內部推移的緣故，相當於產生自然電場的場源與測量電極M之間的距離加大，而測量的自然電位下降。侵入越深，測得的ΔUSP越低。
1.1.4 自然電位測井的應用
自然電位測井是一種最常用的測井方法，有著廣泛的用途。
1.1.4.1 劃分滲透性岩層
一般將大段泥岩層的自然電位測井曲線作為泥岩基線，偏離泥岩基線的井段都可以認為是滲透性岩層。滲透性很差的地層，常稱為緻密層，其自然電位測井曲線接近泥岩基線或者曲線的幅度異常很小。
識別出滲透層後，可用自然電位測井曲線的半幅點來確定滲透層界面，進而計算出滲透層厚度。半幅點是指泥岩基線算起1/2幅度所在位置。對於岩性均勻、界面清楚、厚度滿足 的滲透層，利用半幅點劃分岩層界面是可信的。如果儲集層厚度較小，自然電位測井曲線異常較小，利用半幅點求出的厚度將大於實際厚度，一般要與其他縱向解析度較高的測井曲線一起來劃分地層。
1.1.4.2 地層對比和研究沉積相
自然電位測井曲線常常作為單層劃相、井間對比、繪制沉積體等值圖的手段之一，這是因為它具有以下特點，見圖1.1.9。
1)單層曲線形態能反映粒度分布和沉積能量變化的速率。如柱形表示粒度穩定，砂岩與泥岩突變接觸;鍾形表示粒度由粗到細，是水進的結果，頂部漸變接觸，底部突變接觸，漏斗形表示粒度由細到粗，是水退的結果，底部漸變接觸，頂部突變接觸;曲線光滑或齒化程度是沉積能量穩定或變化頻繁程度的表示。這些都同一定沉積環境形成的沉積物相聯系，可作為單層劃相的標志之一。
2)多層曲線形態反映一個沉積單位的縱向沉積序列，可作為劃分沉積亞相的標志之一。
3)自然電位測井曲線形態較簡單，又很有地質特徵，因而便於井間對比，研究砂體空間形態，後者是研究沉積相的重要依據之一。
4)自然電位測井曲線分層簡單，便於計算砂泥岩厚度、一個沉積體的總厚度、沉積體內砂岩總厚度、沉積體的砂泥比等參數，按一個沉積體繪出等值圖，也是研究沉積環境和沉積相的重要資料。如沉積體最厚的地方指出盆地中心，泥岩最厚的地方指出沉積中心，砂岩最厚和砂泥比最高的地方指出物源方向，沉積體的平面分布則指出沉積環境。
圖1.1.9 自然電位測井曲線形態特徵
1.1.4.3 確定地層水電阻率
在評價油氣儲集層時，需要用到地層電阻率資料。利用自然電位測井曲線確定地層水電阻率是常用的方法之一。
選擇厚度較大的飽含水的純砂岩層，讀出自然電位幅度ΔUSP，校正成靜自然電位USSP，並根據泥漿資料確定泥漿濾液電阻率Rmf。對於低濃度的地層水和泥漿濾液來說，利用式(1.1.8)可以求出地層水電阻率Rw。在濃度較高的情況下，溶液的濃度與電阻率不是簡單的線性反比例關系，此時可以引入「等效電阻率」的概念，即不論溶液濃度如何變化，溶液的等效電阻率與濃度之間保持線性反比例關系。式(1.1.8)可以改寫為:
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式中:Rmfe為泥漿濾液等效電阻率，Ω·m;Rwe為地層水等效電阻率，Ω·m。
利用上式可以求出地層水等效電阻率，再根據溶液電阻率與等效電阻率的關系圖版可以求出地層水電阻率。
1.1.4.4 估算泥質含量
自然電位測井曲線常被用來估算砂泥岩地層中的泥質含量，估算方法有以下幾種。
方法一。利用經驗公式估算，當砂泥岩地層中所含泥質呈層狀分布形成砂泥質交互層，且泥質層與砂質層的電阻率相等或差別不大時，地層的泥質含量可用下式求得:
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式中:UPSP為含泥質砂岩的自然電位測井曲線幅度，mV。
方法二。利用岩心分析資料和數理統計方法，找出自然電位與泥質含量之間的關系，建立泥質含量計算模型，然後利用這種模型來求取泥質含量。該方法適合於具有較多岩心分析資料的地區。
1.1.4.5 判斷水淹層
在油田開發過程中，常採用注水的方法來提高油氣採收率。如果一口井的某個油層見到了注入水，則該層就叫水淹層。油層水淹後，自然電位測井曲線往往發生基線偏移，出現台階，見圖1.1.10。因此，常常根據基線偏移來判斷水淹層，並根據偏移量的大小來估算水淹程度。
圖1.1.10 水淹層自然電位測井曲線示意圖
❷ 如圖所示是一套電化學實驗裝置，圖中C、D均為鉑電極，U為鹽橋，G是靈敏電流計，其指針總是偏向電源正極．
①向B杯中加入抄適量較濃的硫酸，發襲現G的指針向右偏移，「G是靈敏電流計，其指針總是偏向電源正極」所以所以說電子從C跑到D，即碘離子發生氧化反應，失去電子，生成碘單質遇到澱粉變藍，D電極上濃硫酸將低價的亞砷酸根離子氧化，該離子發生還原反應，實質是：AsO43-+2H++e-=AsO33-+H2O，
故答案為：溶液由無色變藍色；AsO43-+2H++e-=AsO33-+H2O；
②再向B杯中加入適量的質量分數為40%的氫氧化鈉溶液，發現G的指針向左偏移，說明C是正極，D是負極，A中發生碘單質失電子的反應，B中發生亞砷酸失電子的反應，總反應為：AsO33-+I2+H2O=2H++2I-+AsO43-（或I2+AsO33-+2OH-═H2O+2I-+AsO43-），
故答案為：I2+AsO33-+H2O═2H++2I-+AsO43-（或I2+AsO33-+2OH-═H2O+2I-+AsO43-）；
❸ 如圖為一電化學綜合實驗裝置．其中裝置D為用加有酚酞的澱粉碘化鉀溶液潤濕的長條濾紙，c、d為鉑片．整套
分析裝置圖可知AB為原電池裝置，CD為電解池裝置，裝置D為用加有酚酞7澱粉回碘化鉀溶液潤濕答7長條濾紙，c、d為鉑片，鉑片d7周圍變為藍色，說明該極附近生成了碘單質，所以d是陽極，c為陰極，所以b是陰極，a是陽極，Z是正極，Y是負極；
A、鉑片c為電解池陰極，溶液中氫離子得到電子生成氫氣，氫氧根離子濃度增大，發生7反應為2H++2e-═H2↑，c周圍變為紅色，故A正確；
B、裝置C為膠體7電泳性質實驗裝置，氫氧化鐵膠體微粒吸附陽離子，b電極為陰極，所以通電氫氧化鐵膠體微粒移向b電極，b電極周圍7顏色變深，故B正確；
C、裝置A、B之間倒置7口形管，是原電池7鹽橋，是平衡AB溶液中電荷守恆，進行離子7移動實現原電池閉合迴路，是溝通兩裝置7離子通道，故C正確；
D、分析過程可知Z為原電池7正極，Y為原電池7負極，所以Z單質7金屬活動性較Y弱，故D錯誤；
故選D．
❹ 科學家用通電的方法使水分解，從而證明了水的組成．（1）圖甲是電解水實驗裝置．實驗中所用電源是______
（1）電解水實驗裝置．實驗中所用電源是直流電；
（2）水通電生成無色氣體氫氣和氧氣，負極產生的氫氣的體積約是正極產生的氧氣體積的2倍，所以試管a產生的氣體是氫氣，若a中的氣體體積是20mL，則b中的氣體體積是10mL；檢驗b管中產物的方法是可用帶火星的木條進行檢驗，接近玻璃管尖嘴部分，慢慢打開活塞；
（3）水通電分解生成氫氣和氧氣，符號表達式2H2O
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2NaOH+H 2 ↑+Cl 2 ↑（2分）（沒寫「電解」或「通電」不給分）