§ 22. Методы потенциалов вызванной поляризации горных пород

Метод потенциалов вызванной поляризации (ВП) в модифи­кации электролитического метода предложен в 1945 г. В. Н. Дах- новым и А. А. Коржевым для изучения разрезов угольных сква­жин. За последние 20 лет метод В ГI в вариантах скважинной электроразведки занял ведущее место в комплексе геофизиче­ских методов, используемых для поисков и разведки рудных ме­сторождении. В нефтяных и газовых скважинах метод ВП при­меняется в опытном порядке с целью выделения интервалов продуктивных пластов, обводненных пресными нагнетаемыми водами.

Физические основы методов потенциалов ВП

Метод потенциалов вызванной поляризации (ВП) основан на изучении искусственных вторичных стационарных электри­ческих полей, происхождение которых связано с физико-хими­ческими процессами, протекающими в породах в результате действия электрического тока на поверхности раздела твердой и жидкой фаз. Способность горных пород поляризоваться под действием внешнего электрического поля, а после снятия его создавать в окружающем пространстве вторичное электриче­ское поле называется вызванной электрохимической активностью пород. Ее величина определяется безраз­мерным параметром

>4_В = Д(У_ВП/Д(/,

где Д£/вп—разность потенциалов вызванной поляризации; А и — разность потенциалов внешнего поляризующего поля.

Величина А_а всегда меньше единицы и для осадочных по­род с ионной проводимостью составляет сотые доли единицы, а для пород с электронной проводимостью (полиметаллические руды, графит, угли) достигает 0,5.

Существует несколько гипотез, объясняющих возникновение потенциалов вызванной поляризации в горных породах следую­щими физико-химическими процессами: 1) электродной и объ­емной поляризацией горных пород; 2) концентрационной по­ляризацией жидких электролитов; 3) электроосмосом; 4) раз­личием чисел переноса ионов в поровых каналах с разным сечением.

Интенсивность этих физико-химических процессов зависит от минерального состава, лнтологнческих и структурных осо­

бенностей пород, типа насыщающего флюида, минерализации пластовых вод и других факторов. Это позволяет использовать данные метода потенциалов ВП для бескернового изучения раз­резов скважин с целью решения ряда геологических задач.

После выключения поляризующего тока наблюдается сни­жение потенциалов Д£/_Вп во времени по следующим законам:

1. для пород с электронной проводимостью — по формуле

В. Н. Дахнова

Д^вп = Д^_Впо-ехр (—т/л);

2. для пород с ионной проводимостью—по формуле Е. И. Леонтьева

⁼ ₀(т + С) ^т,

где Д£/_ВПо—разность потенциалов ВП в начальный момент вре­мени при т = 0; т — время, прошедшее с момента выключения поляризующего тока; п — постоянная, характеризующая ве­щественный состав горных пород; т — показатель крутизны спада кривой (для песчаников изменяется в пределах 0,76 — 1,38); С—постоянная, принимаемая равной 1 с.

По характеру изменения потенциала Д£/_Вп во времени можно судить о минеральном составе пород и о типе флюида, насыщающего поровое пространство коллектора.

Знак потенциалов ВП определяется знаком поляризующего поля. Значение Д(У_Вп растет с увеличением плотности поляри­зующего тока и с уменьшением минерализации пластовых вод, возрастает с увеличением удельной поверхности пород и умень­шением их проницаемости.

Применение методов ВП в нефтяных и газовых скважинах

Для измерения потенциалов ВП пород могут быть использо­ваны одно-, двух- и четырехэлектродные зонды. Наиболее со­вершенным из них является четырехэлектродный потенциал- зонд ВП А10,04М0,04А25В (рис. 52), конструкция которого позволяет расположить измерительный электрод М вблизи раз­двоенного токового электрода А с целью достижения наиболь­шего эффекта при измерениях Д£/вп ^н исключить поляризаци­онное влияние электрода А на электрод М. Это достигается благодаря тому, что электрод М защищен от воздействия поля­ризующего тока слоем перфорированной резины.

Чаще всего для измерения Д£/_вп применяется схема, преду­сматривающая регистрацию дополнительной кривой кажуще­гося сопротивления Д(7^КС (см. рис. 52,а). Механический пере­ключатель П (пульсатор) замыкает и размыкает токовую цепь, в которой находятся электроды А и В. В промежутке времени, когда токовая цепь разомкнута, переключателем к электродам Л* и N подключается измерительная цепь и прибором РП1

4

97

Заказ А* 19543

(б).

1>П I н РП2 - регистрирующие приборы для записи кривых ВГ1 и КС:

II — пульсатор; Г—источник постоянного тока: Д —делитель напряже­ния: —500C Ом

регистрируется среднее значение разности потенциалов А^вп» В момент, когда снова замыкается токовая цепь, измеритель­ные электроды М и N подключаются к регистрирующему при­бору РП2, записывающему кривую AU_Kс.

При записи кривой AU_BU сила тока питания поддержива­ется постоянной и выбирается такой, чтобы влияние потенциа­лов собственной поляризации пород на величину потенциала ВГ1 было наименьшим. Сила тока обычно составляет 200— 500 мА. Кривая AU _вп регистрируется со скоростью 800— 1000 м/ч. Масштаб записи устанавливается равным 12,5 мВ/см.

Чтобы исключить влияние величины Д£Усп на показания ме­тода ВП, регистрируют две кривые: 1) суммарную AU_Cn+ + Д^вп ^ПР^{И т<}же одного направления; 2) разностную Aí/_cn— Aí/вп при токе другого направления (рис. 53). Вычитая из по­казаний суммарной кривой показания разностей, т. е. (Д6/_СП4- +Д(/_ВП) — (Д^сп— Д^вп). получают 2Д(У_вп.Для установления окончательного значения Д(/_вп необходимо результат разделить пополам.

В разрезах, сложенных породами высокого сопротивления, на величину AU_BU значительное влияние оказывает удельное электрическое сопротивление пород р_п. Для исключения этого влияния регистрируют относительную величину вызванных по­тенциалов (ОВП), равную AU_Bn/AÚ_кс. В этом случае сила тока питания регулируется в процессе записи потенциалов ВП так, чтобы величина ДU_KC оставалась постоянной, поэтому кривые ОВП не зависят от удельного сопротивления пород.

Форма кривых Aí/_Bn1 против одиночных пластов сим­

метрична относительно послед­них. Точка их записи — элек­трод М. Границы пластов ус­танавливаются посередине амплитуды Д6/_вп. Для анома­лии ВП характерны экстре­мальные значения А^вп — максимальные против пластов с высокой вызванной электро­химической активностью и ми­нимальные против пластов с низкой электрохимической активностью. Наряду с кривой потенциала ВП может быть получена кривая градиента ВП. Для этой цели использу­ется пятиэлектродный гради­ент-зонд ВП М12А10,02М0,02Х ХА₂2^ (см. рис. 52,6). Изме­рения с помощью градиент- зонда позволяют исключить из вп значение Д£/_Спдля пла­стов достаточной мощности.

П

Рис. 53. Пример кривой потенциа­лов ВП в терригенном разрезе.

/ — глина; 2 — алевролит: 3 — известняк: 4 — песчаник нефтеносный, обводненный пресной водой: 5—песчаник водоносный; 6 — линия глин

8,8 ¡3317.6 %

рименение методов ВП в рудных и угольных скважинах

При изучении околосква- жинного пространства в руд­ных и угольных скважинах могут быть использованы как потенциал-установки, так и градиент-установки. Скважин-

ное профилирование методом ВП в рудных скважинах обычно выполняется трехэлсктродной градиент-установкой NMA с раз­мерами зондов 5—10 и МХ=1 —10 м, шаг профилирования ра­вен 1—2 м. Приемные электроды зонда при записи кривой ВП снизу вверх располагаются впереди токового электрода.

Существует несколько вариантов скважинных измерений поля ВП рудных тел. По взаимному расположению токовых и измерительных электродов выделяют следующие модификации:

1. скважина — поверхность: токовый электрод А помещают в скважину, а В — на удалении от устья скважины, измерения выполняются по наземным профилям;

2. поверхность — скважина: питающий электрод А зазем­ляют вблизи скважины, электрод В относят на значительное расстояние, измерения производят электродами ММ, размещен­ными в скважине;

3. скважина—скважина: токовые и измерительные элек­троды — в скважине, электрод В — на поверхности.

9

4*

9

Области применения методов ВП и решаемые ими геологические задачи

Методами ВП выделяются и изучаются рудные тела и угольные пласты среди вмещающих песчано-глинистых пород, которые отличаются высокой поляризуемостью г| (рис. 54). Наи­более эффективен метод ВП при выявлении месторождений вкрапленных сульфидных руд. На медных и полиметалличе­ских месторождениях он позволяет обнаруживать рудные тела на расстоянии 50—60 м от скважины.

В нефтяных и газовых скважинах методом ВГ1 выделяются проницаемые интервалы в террнгенных коллекторах, выявля­ются трещинные зоны в карбонатных разрезах. Существуют физические предпосылки определения коэффициента проницае­мости пород по данным метода ВП с помощью корреляционной связи между А_в и К_пР, полученной для террнгенных коллекто­ров в лабораторных условиях.

Методом ВП могут быть обнаружены интервалы прорыва пресных законтурных вод в процессе разработки нефтяных ме­сторождении и выделены водоносные пласты в гидрогеологиче­ских и инженерно-гидрогеологических скважинах.

Малоэффективен метод ВП в нефтяных и газовых скважи­нах, заполненных промывочной жидкостью низкого удельного

с

М. 270

Рис. 54. Выделение рудного тела по дан­ным метода ВП с трехэлектродиым зондом при размещении питающего электрода выше (а) и ниже (б) приемных электро­дов.

/ — наносы; 2 — известняк; ¿—сплошные и вкрапленные руды; 4 — пиритизация

опротивления (рр<

<0,5 Ом-м), так как фиксируемые значения А£/_Впсоизмеримы с Д£/_С11 и разного рода поме­хами.