Методы потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС)

Методы потенциалов самопроизвольной поляризации горных пород основаны на изучении естественных электрических полей в скважинах. Естественные поля возни- кают в результате электрической активности диффузионно-адсорбционного, окисли- тельно-восстановительного, фильтрационного и электродного характера.

Диффузионно-адсорбционная ЭДС. Пластовые и скважинные воды являются электролитами, поскольку в них присутствуют ионы растворенных солей. В подав- ляющем большинстве случаев — это ионы натрия и хлора. Ионы диффундируют в раз- личных направлениях, однако результирующий поток диффузии направлен в сторону раствора меньшей концентрации, каким обычно является вода, составляющая основу промывочной жидкости. Анионы — ионы хлора — движутся быстрее, чем катионы— ионы натрия. Поэтому в скважине против содержащего пластовую воду коллектора ио- нов хлора оказывается больше, чем ионов натрия. Возникший объемный отрицатель- ный заряд обусловливает наличие ЭДС, которую из-за происхождения называют диф- фузионной. Ее величина ЕД может быть оценена по формуле

ЕД = - 11,6 lg CВ / CФ

где СВ , СФ — концентрации NaCI в пластовой воде и фильтрате промывочной жидкости соответст- венно.

Рис.7.1 Схематический разрез капилляра.

1 — диффузный слой;

+s2 A

÷×lg СВ =k

lg СВ ,

(7.1)

s ДА С ПС

где s — сечение капилляра; s1, s2 —сечения канала и диффузного слоя соответст- венно; kД — коэффициент диффузионной активности; АДА — диффузионно- адсорбционная активность породы; kПС — коэффициент аномалии ПС или электрохи- мическая активность. Для раствора NaCI kД = - 11,6; АДА = 58. При уменьшении диа- метра капилляра толщина диффузного слоя изменяется мало, диаметр же электроней- трального канала уменьшается и в пористых непроницаемых породах, какими являются глины, стремится к нулю. Соответственно отношение s1 / s также стремится к нулю, a s2 / s → 1. Поэтому в чистых глинах

ЕДА max

=AДА

lg CВ

СФ

=58lg CВ

СФ

В хороших коллекторах (например, чистых крупнозернистых песчаниках) s1/s →l, a s2 / s → 0. В связи с этим

ЕДА min

=-11,6lg CВ

СФ

Значения kПС и, соответственно, аномалии ПС характеризуют литологию пород и их проницаемость. Например, изменение kПС от -11,6 до 58 соответствует переходу от чистых, хорошо проницаемых песчаников к песчаникам глинистым, далее — к песча- нистым глинам и, наконец, к чистым непроницаемым глинам.

Методы ПС, основанные на диффузионно-адсорбционной активности, можно применять в нефтегазовых, гидрогеологических и инженерно-геологических скважинах для выделения коллекторов, оценки их глинистости и связанной с этим проницаемости,

для выделения глин и глинистых разностей, образующих непроницаемые и плохо про-

ницаемые пласты, для корреляции разрезов по хорошо выдержанным толщам.

Кроме того, поскольку значение ЕДА пропорционально lg СВ / СФ, зная концен- трацию солей в фильтрате промывочной жидкости СФ, можно оценить их концентра- цию в пластовой жидкости СВ. Снижение СВ в нефтегазовых пластах, а также в интер- валах прорыва пресных нагнетаемых вод приводит к снижению амплитуды ПС, что также является диагностическим признаком.

Фильтрационные потенциалы. При течении жидкости через горные породы возникают потенциалы фильтрации, происхождение которых также связано с наличи- ем двойного электрического слоя и, в частности, его подвижной диффузной части. По- скольку ионы диффузного слоя подвижны, протекающая через капилляр жидкость ув- лекает часть ионов диффузного слоя, в результате чего сам капилляр заряжается поло- жительно. В той его части, где за счет смещения диффузного слоя отрицательный за- ряд оказался нескомпенсированным, возникает отрицательный потенциал. При тече- нии жидкости в пласт в скважине возникает отрицательный потенциал, при течении из пласта — положительный. Методы ПС, основанные на фильтрационной активности, применяют, главным образом, в гидрогеологических скважинах с целью выделения участков притока или поглощения жидкости.

Электродные потенциалы. Катионы пород, обладающих электронной проводи- мостью (сульфидные руды, графит, антрацит), взаимодействуя с полярными молеку- лами воды, переходят в раствор. Поверхность пород заряжается при этом отрицатель- но, а раствор — положительно. Возникающую разность потенциалов называют элек- тродной. В разрезах угольных и рудных скважин величина и структура естественного электрического поля в значительной степени обусловлена потенциалами электродного происхождения.

Реализация методов ПС при скважинных наблюдениях. При измерении потен- циалов ПС диффузионно-адсорбционной и фильтрационной активности применяют, как правило, схему, приведенную на рис. 7.2, а. Разность потенциалов, возникающую между электродами,

ΔUПС = UM - UN

где UM и UN — потенциалы электродов М и N соответственно. Так как электрод N неподвижен, его потенциал не изменяется. Поэтому ΔUПС = UM — const, т.е. ΔUПС от- личается на постоянную величину от потенциала UM . Скомпенсировав постоянную ве-

Рис. 7.2. Схема проведения измерений потен- циалов (а) и градиентов потенциала (б) методом ПС. КП — компенсатор поляризации

Рис. 7.3 Диаграммы метода ПС до компен- сации постоянной составляющей (а) и после ее компенсации (б).

1 — статическая диаграмма;

2 — фактическая диаграмма; 3 — линия глин

личину, можно существенно детализировать диаграмму ПС (рис.7.3). Для компенсации постоянной величины служит электрический компенсатор КП (см. рис. 7.2, а). При де- тальном изучении разрезов скважин, а также в случае сильных помех регистрируют диаграммы градиента ПС (рис. 7.2, б). Следует отметить, что они значительно менее наглядны и более сложны для интерпретации.

Для реализации метода, основанного на элек- тродной активности (метод электродных потенциа- лов—МЭП), служит установка, содержащая ка- сающийся стенки скважины штрих-электрод М и раздвоенный электрод N (рис.7.4). При касании электродом М породы, обладающей большим элек- тродным потенциалом, разность потенциалов ΔUMN возрастает.

На регистрации электродных потенциалов ос- нован также метод гальванических пар (МГП). Ус- тановка МГП подобна применяемой в методе МЭП, хотя цинковый штрих-электрод М служит для на- несения тонкого слоя металла на поверхность руд- ного тела. Разность электродных потенциалов ме- талла электрода и породы обусловливает возникно- вение гальванического элемента. Чем тверже руд- ное тело, тем значительнее след истирающегося электрода и, соответственно, больше значение электрического потенциала, а также продолжи-

тельнее действие образовавшейся гальванической пары. Например, потенциал, возникающий при

взаимодействии цинкового электрода с пиритом,

достигает в первый момент сотен милливольт.

Вид диаграмм ПС. Диаграммы методов ПС характеризуют изменения соответст- вующих потенциалов — диффузионно-адсорбционных, фильтрационных, электродных в зависимости от глубины скважины. Наибольшее распространение получили методы, основанные на диффузионно-адсорбционной активности. Их диаграммы приведены на рис. 7.3. Видно, что в качестве нуля на них условно выбирают положение, соответст- вующее максимальному положительному отклонению,— линию глин. Отсчет берут справа налево. Следовательно, амплитуда ПС в чистых глинах равна нулю.

Диаграммы изменения ЭДС называют статическими. Протекание токов между участками с различными потенциалами приводит к тому, что фактические диаграммы отличаются от статических так же, как разность потенциалов на электродах источника электрического тока отличается от его ЭДС. Все факторы, способствующие увеличе- нию тока (повышение минерализации промывочной жидкости, увеличение диаметра скважины, а также снижение мощности исследуемого пласта), приводят к увеличению расхождения между фактическими и статическими диаграммами. При чрезмерно соле- ных промывочных жидкостях или пластах очень малой мощности (в 2 раза и более меньших диаметра скважины) расхождение может оказаться столь большим, что метод становится неэффективным. В благоприятных условиях можно восстановить статиче- скую диаграмму по известной фактической.

Метод ПС является одним из основных электрических методов при исследовании разрезов нефтегазовых скважин. Он включен также в обязательный комплекс исследо- ваний инженерно-геологических и гидрогеологических скважин. Для изучения рудных и угольных скважин используют методы гальванических пар (МГП) и электродных по- тенциалов (МЭП).