2.Дифузійно- абсорбційні і дифузійні потенціали гірських порід.

Потенціали вільної дифузії спостерігаються на границях розчинів солей різної концентрації. Розглянемо, наприклад, два розчини різної концентрації ( ), що безпосередньо контактують між собою .В такому випадку буде мати місце вільна дифузія іонів (катіону та аніону ) із розчину з більшою концентрацією в розчин з меншою концентрацією. Оскільки різні іони мають різні розміри та рухливості¹ ( – рухливість катіону, – рухливість аніону), то розчин з меншою концентрацією набуває знаку більш рухливого іону, а, відповідно, розчин з більшою концентрацією – іншого знаку. Таким чином породжується е.р.с. дифузії ( ), величина якої в загальному випадку (для розчинів різних солей) описується відомим рівнянням В. Нернста:

, (2)

де: та – концентрації електролітів [моль/л]; – коефіцієнт дифузійної е.р.с. [мВ], що визначається наступним чином:

(3)

Тут: – універсальна газова постійна; – температура, [K]; – число Фарадея; – кількість катіонів та аніонів, на які дисоціює одна молекула електроліту, та їх валентності відповідно; та – рухливості катіонів та аніонів відповідно, [См·см²/моль].

У випадку одно-одновалентних розчинів (як у нашому випадку – електроліт ) попередній вираз спрощується:

(4)

Середнє значення рухливостей катіону та аніону при температурі С (291 К) дорівнюють: = 40, = 60 См·см²/моль. Тоді:

Замінивши натуральний логарифм у виразі (2) десятковим та взявши до уваги, що концентрації іонів є обернено пропорційними питомим електричним опорам розчинів, вираз для дифузійної е.р.с. можна записати:

(5)

Підставивши значення констант, отримаємо:

(6)

Тут мВ.

Таким чином, е.р.с., що виникає в результаті вільної дифузії, визначається тільки фізико-хімічними властивостями електролітів і залежить від співвідношення концентрацій розчинів. На границі двох розчинів з однаковою концентрацією дифузійна е.р.с. відсутня.

Дифузійно-адсорбційна е.р.с.

В реальних свердловинних умовах процес дифузії відбувається в присутності гірських порід, що характеризуються різними фізико-хімічними властивостями (проникність, пористість, адсорбційна активність та ін.). Гірська порода спричиняє на процес дифузії іонів тим більший вплив, чим більшою є її дисперсність (питома поверхня мінерального скелету). Річ у тому, що на поверхні твердої фази порових каналів формується подвійний електричний шар. Внутрішня обкладинка шару, зазвичай, є негативно зарядженою (за рахунок вибіркової адсорбції аніонів розчину скелетом гірської породи), а зовнішня – позитивно зарядженою . Якщо товщина шару є незрівнянно малою у порівнянні із розміром пор (як, наприклад, у чистому кварцовому пісковику), дифузія іонів відбувається згідно із раніше розглянутим законом вільної дифузії (присутністю гірської породи та її впливом на процес дифузії можна знехтувати, оскільки дифузійно-адсорбційна активність такої породи прямує до нуля). Тоді на границі такої породи (з мінералізацією пластової води ) і свердловини (з мінералізацією фільтрату бурового розчину ) утворюється дифузійно-адсорбційна е.р.с.

(7)

Отже, для такого випадку мВ.

Якщо розміри пор є співставними за розмірами із товщиною подвійного електричного шару (як, наприклад, у заглинизованих породах), вплив гірської породи на процес дифузії стає досить значним і є тим більшим, чим меншим є радіус пор гірської породи (чим більшою є дисперсність породи). У випадку чистих глин, радіус пор яких є співрозмірним із розмірами аніонів хлору, адсорбуватися та утримуватися на поверхні твердої фази гірської породи будуть насамперед аніони, рухливість яких при цьому прямує до нуля ( ). В той же час катіони натрію продовжують рухатися в бік свердловини (за умови, коли концентрація іонів у пластових водах перевищує концентрацію у фільтраті бурового розчину , що зазвичай має місце при дослідженні свердловин). Тоді навпроти такої породи менш концентрований буровий розчин заряджається позитивно .Для чистих глин та розчинів при температурі С (291 К):

, (8)

де мВ.

Таким чином, для реальних свердловинних умов та гірських порід різної літології в залежності від їх дисперсності коефіцієнт дифузійно-адсорбційної е.р.с. змінюється від мВ (чисті пісковики) до мВ (чисті глини). Мірою відмінності дифузійно-адсорбційної е.р.с. від дифузійної е.р.с. (та, відповідно, від ) являється коефіцієнт дифузійно-адсорбційної активності гірських порід. У загальному випадку . Для порід з низькою адсорбційною активністю , коли , , а для високодисперсних порід коефіцієнт є достатньо великим, і в цьому випадку .

Отже, в умовах свердловини процеси дифузії і адсорбції відбуваються спільно і призводять до утворення дифузійно-адсорбційної е.р.с. , що залежить не тільки від фізико-хімічних властивостей розчинів ( ) та співвідношень їх концентрацій, але й від фізико-хімічних (в т.ч. колекторських) властивостей гірських порід ( ).

Необхідно підкреслити, що знак е.р.с. в свердловині навпроти досліджуваної породи визначається лише співвідношенням мінералізацій (або опорів) пластової води та фільтрату бурового розчину. Так, при (розглянута вище теорія відповідає цьому випадку) пласти-колектори характеризуються негативними значеннями , а глини – позитивними. При оберненому співвідношенні та ( ), навпаки – глини будуть відмічатися негативними значеннями , а пласти-колектори позитивними.