Питання для самоперевірки

1. Назвіть основні процеси, що призводять до виникнення природних електричних потенціалів у свердловинах.

2. Що таке електрохімічна активність гірських порід? Від яких фізико-хімічних властивостей середовища вона залежить?

3. Як утворюється і від чого залежить дифузійно-адсорбційна е.р.с. ( ) у свердловинах?

4. Як утворюється і від чого залежить фільтраційна е.р.с. ( ) у свердловинах?

5. Як утворюється і від чого залежить окисно-відновна е.р.с. ( ) у свердловинах?

6. Що розуміється під статичним (теоретичним) значенням е.р.с. СП ( )?

7. Що і яким чином вимірюється в методі СП?

8. Яке співвідношення між теоретичним значенням та виміряною в свердловині величиною ? Назвіть умови, за яких .

9. Які модифікації методу СП Ви знаєте? Коли і для вирішення яких задач вони застосовуються?

10. Які задачі промислової геофізики можуть бути вирішені за даними методу СП? Назвіть фізико-хімічні передумови, на основі яких стає можливим вирішення цих задач.

11. Наведіть приклад поведінки діаграми методу СП напроти геологічного розрізу, що представлений перешаровуванням порід-колекторів (пісковиків) і покришок (глин), для випадків, коли ( ) і ( ).

Рекомендована література

1. Вендельштейн Б. Ю. Исследование разрезов скважин методом потенциалов СП. – М.: Недра, 1966.

2. Дьяконов Д. И., Леонтьев Е. И., Кузнецов Г. С. Общий курс геофизических исследований скважин. – М.: «Недра», 1984.

3. Интерпретация результатов геофизических исследований нефтяных и газовых скважин: Справочник / Под ред. В. М. Добрынина. – М.: Недра, 1988.

§8. Метод викликаної поляризації

Фізико-хімічні основи методу ВП

Потенціали викликаної поляризації порід утворюються в результаті фізико-хімічних процесів, що відбуваються в гірських породах при пропусканні через них електричного струму. Здатність гірських порід поляризуватися під дією зовнішнього електричного поля, а після зняття його створювати в оточуючому просторі вторинне електричне поле називається викликаною електрохімічною активністю порід . Вона залежить від літологічної характеристики, мінералогічного складу породи, мінералізації та хімічного складу пластових вод, що насичують поровий простір гірських порід. Величина визначається безрозмірним параметром – коефіцієнтом поляризації:

де: – різниця потенціалів електродів M i N, виміряна під час пропускання струму поляризації; – різниця потенціалів електродів M i N, виміряних після вимкнення струму. Коефіцієнт поляризації завжди є меншим за одиницю.

Для осадових порід, що не містять включень з електронною провідністю, складає соті долі одиниці, а для порід з електронною провідністю (сульфідні, поліметалічні руди, графіт) сягає значення 0.5. Це дозволяє використовувати потенціали ВП для безкернової геологічної документації розрізів свердловин.

Основні фізико-хімічні процеси, що породжують викликані потенціали, виникають:

• між мінералами з електронною провідністю та розчинами солей, що з ними стикаються (пластовими водами і фільтратом бурового розчину) – окисно-відновні процеси, зокрема, процеси електродної поляризації;

• на границі між непровідними мінералами та розчинами солей – електроосмос, об’ємна і адсорбційна поляризації та електрична ємність породи;

• безпосередньо в самих розчинах – концентраційна поляризація.

Електродна поляризація

Вона спостерігається в породах, які вміщують мінерали з електронною провідністю (сульфіди, деякі з окислів, графіт та самородні метали). При проходженні струму на поверхні цих мінералів на ділянках входу та виходу струму виділяються продукти електролізу (водень – в місцях входу струму, кисень або хлор – в місцях його виходу). Гази, що виділяються, насичують поверхні мінералів з електронною провідністю та утворюють гальванічний елемент з газовими (водневим та кисневим або хлорним) електродами. Цей елемент при вимкненні струму поступово розряджається і створює при цьому електричне поле викликаної поляризації. Потенціали цього поля залежать від вмісту в породі мінералів з електронною провідністю.

Найбільш активними мінералами являються сульфіди (особливо пірит, піротин, халькопірит) та графіт. Менш активними є окисли з електронною провідністю, зокрема магнетит і гематит.

Окисно-відновні процеси

Продукти електролізу, що виділяються при проходженні електричного струму через мінерали з електронною провідністю, у багатьох випадках вступають у хімічну взаємодію з мінералами. При цьому виникають окисно-відновні реакції (як було показано вище, вони обумовлені обміном зарядами між середовищем, що окислює, та середовищем, яке окислюється).

Оскільки при електролітичному окисленні та відновленні мінералів одночасно окислюються та відновлюються газоподібні продукти електролізу при переході їх з іонного стану в атомарний, то потенціали окисно-відновних реакцій фактично є нероздільними із електродними і практично повинні розглядатися як наслідок одного спільного окисно-відновного процесу.

Електроосмос

Потенціали викликаної поляризації електроосмотичного походження виникають в результаті вибіркової адсорбції із розчину іонів одного знаку частинкам породи. В цьому випадку розчин, що насичує поровий простір породи, набуває заряду іншого знаку і під дією прикладеної напруги переміщується до електрода протилежної полярності. При переміщенні розчину буде збільшуватися тиск рідини в порах породи в напрямку її течії. При вимкненні струму під дією утвореної різниці тисків порові води будуть переміщуватися у зворотному напрямку, що призведе до виникнення потенціалів течії. Величина потенціалів течії буде залежати від структури породи, її хімічного складу і концентрації солей, розчинених в порових водах.

Об’ємна поляризація

Потенціали об’ємної поляризації виникають при зміщенні в електричному полі іонів, адсорбованих поверхнею частинок, що складають гірську породу. Після вимкнення електричного струму подвійний електричний шар, деформований об’ємною поляризацією, повертається у вихідний стан, що призводить до зміщення зарядів і виникненню струму викликаної поляризації.

Гіпотеза адсорбційної поляризації передбачає адсорбцію поверхнею частинок, що складають гірську породу, іонів, які рухаються в електричному полі під дією зовнішньої напруги. Чим менш є концентрованим розчин, що насичує поровий простір, і, відповідно, чим бідніший іонами шар адсорбованої води і чим більше знаходиться в породі глинистих мінералів (для яких є характерною значна адсорбційна здатність), тим більш інтенсивно адсорбуються з розчину іони (наприклад, катіони при струмі додатного напрямку), і сильніше поляризується порода.

При вимкненні струму потенціали викликаної поляризації електроосмотичного і об’ємного походження зменшуються із часом, при чому їх спадання відбувається більш інтенсивно, ніж зменшення потенціалів окисно-відновних реакцій.

Електрична ємність порід

В гіпотезі електроємнісного походження потенціалів викликаної поляризації, що була запропонована К. Шлюмберже, зерниста гірська порода розглядається як середовище, що складені з великої кількості мікроконденсаторів, обкладинками котрих являється розчин, а діелектриком – частинки гірської породи. При пропусканні струму частинки породи заряджаються. Після припинення струму наведений заряд стікає в оточуюче провідне середовище і створює в ньому різницю потенціалів викликаної поляризації.

Мала вірогідність виникнення значних викликаних потенціалів ємнісного походження в умовах, коли обкладинки мікро конденсаторів замкнені низькоомним розчином, дає підстави вважати другорядним значення електричної ємності зерен породи в механізмі створення потенціалів викликаної поляризації.

Концентраційна поляризація

Цей тип поляризації виникає внаслідок зміни концентрації розчинів при проходженні електричного струму через породу. Зокрема, при проходженні електричного струму через комірку, заповнену кварцовим піском, що насичений хлористим натрієм, спостерігається підвищення концентрації розчину в зоні виходу струму та зменшення концентрації в зоні виходу струму з комірки. При припиненні струму внаслідок різниці концентрацій розчинів у породі виникає різниця потенціалів, тотожна дифузійно-адсорбційній різниці потенціалів самочинної поляризації гірських порід.

Принцип реєстрації кривих ВП

Для вимірів викликаних потенціалів зазвичай використовують чотириелектродний зонд (наприклад, B5A0.04M0.04A). Роздвоєний електрод А та електрод В слугують для пропускання електричного струму. Електрод М, вкритий шаром перфорованої гуми для позбавлення завад за рахунок поляризації самого електроду, і звичайний електрод N на поверхні слугують для вимірів різниці потенціалів. Схема вимірів (рис. 12) побудована таким чином, щоб у свердловину пропускався переривчастий електричний струм. У проміжках між імпульсами струму перемикач П замикає ланцюг MN через контакт 2', і разом із потенціалами самочинної поляризації гальванометр Г1 реєструє викликані потенціали . При комутації перемикача П на контакти 1 і 1' гальванометр Г2 реєструє різницю потенціалів , яка обумолюється питомим електричним опором гірських порід і спостерігається між електродами М та N в момент пропускання поляризаційного струму .

Рис. 12. Схема вимірів викликаних потенціалів. При переключенні перемикача П на контакти 1, 1′ батарея Б замикається на електроди А, В, через які в геологічне середовище пропускається постійний електричний струм І_АВ. При цьому реєструється різниця потенціалів ∆U_ПОЛ. Після перемикання на контакти 2, 2′ ланцюг живлення розривається, і починається вимір значень потенціалів викликаної поляризації ∆U_ВП.

Під час запису кривої сила струму живлення підтримується постійною і вибирається такою, щоб вплив потенціалів самочинної поляризації порід на величину потенціалу ВП було найменшим. Сила струму зазвичай складає 200-500 мА. Крива реєструється зі швидкістю 800-1000 м/год. Масштаб запису покладається рівним 12.5 мВ/см. Відносне значення викликаної поляризації (коефіцієнта поляризації ) реєструється у відсотках (рис. 13).

Знак потенціалів ВП визначається знаком поляризаційного поля. Значення зростає зі збільшенням щільності поляризаційного струму та із зменшенням мінералізації пластових вод, зростає із збільшенням питомої поверхні порід і зменшенням їхньої проникності.

Для того, щоб виключити вплив величини на показання методу ВП, реєструють дві криві: 1) сумарну при струмі одного напрямку; 2) різницеву при струмі іншого напрямку. Віднімаючи від показань сумарної кривої показання різницевої кривої отримують . Для встановлення остаточного значення результат ділиться навпіл.

В розрізах, складених породами високого опору, на величину значний вплив створює питомий електричний опір порід. Для виключення цього впливу реєструють відносну величину викликаних потенціалів, яка дорівнює . В цьому випадку сила струму живлення регулюється в процесі запису потенціалів ВП таким чином, щоб величина залишалася незмінною, тому криві відносних викликаних потенціалів не залежать від питомого опору порід.

Області застосування та вирішувані задачі

За даними методу ВП виділяються та вивчаються рудні тіла та вугільні пласти, які характеризуються високими значеннями на фоні вміщуючих порід. Метод ВП є найбільш ефективним при виявленні родовищ вкраплених сульфідних руд, що найчастіше парагенетично пов’язані з магматичними породами. Саме тому метод викликаної поляризації набув найбільш широкого застосування при дослідженнях порід кристалічного фундаменту (рис. 13).

В нафтових і газових свердловинах методом ВП виділяються проникні інтервали в теригенних колекторах, виявляються зони тріщинуватості в карбонатних розрізах. Крім того за даними методу ВП можуть бути виявлені інтервали прориву прісних законтурних вод в процесі розробки нафтових родовищ і виділені водоносні пласти в гідрогеологічних та інженерно-геологічних свердловинах.

Малоефективним метод ВП є в нафтових і газових свердловинах, що заповнені промивальною рідиною з низьким питомим опором ( Ом·м), оскільки зафіксовані значення є співставними з та різного роду завадами.

Рис. 13. Діаграми викликаної поляризації (ВП) та питомого електричного опору (ПО) в породах кристалічного фундаменту (УКЩ, площа Ратна, свердловина №5995). Крива ВП записана у поточковому режимі: крок між точками спостережень – 2 м; час пропускання струму t_стр = 2 хв; час вимірів t_вим = 1 хв.