§ 4. Классификация электрических методов исследования скважин

Классификация электрических методов исследования сква­жин основана на характере происхождения изучаемого электро­магнитного поля и его изменении во времени — на частоте.

По происхождению изучаемого поля методы электрометрии скважин делятся на две большие группы — естественного и ис­кусственного электромагнитного поля (табл. 1), а по частоте поля — на методы постоянного, квазипостоянного и переменного поля. Среди методов переменного поля следует различать низ­кочастотные и высокочастотные.

Для изучения стационарных естественных электрических по­лей применяются методы потенциалов собственной поляризации горных пород (СП). Искусственные стационарные и квазиста- циоиарные электрические поля исследуются методами кажуще-

Классификация электрических методов исследования скважин

Методы естественного электриче­ского поля (постоянного тока)		Методы
		постоянного И КПП липо
потенциалов соб- ственной поляри* зацни в нефтяных и газовых скважи­нах	потенциалов собственной поляризации в рудных и угольных скважинах
		кажущегося сопротив­ления	сопротивления заземле­ния
Обычны» метод потенциалов СП Метод градиента СП Метод селектиро­ванных зондов СП Метод квазиста- тических потен­циалов СП Метод специаль­ных зондов СП	Метод элек­тродных по­тенциалов (МЭП) Метод галь­ванических пар (МГП)	Метод обычных зон­дов Метод бокового электрического зон­дирования (БЭЗ) Метод специальных зондов Метод микрозонди­рования (МКЗ) Резистивиметрня (Р) Электрометрия сква­жин в процессе бу­рения .Методы скважинной электроразведки	Неэкранированнын метод СЗ Метод СЭЗ без авто­матической фоку­сировки тока Метод СЭЗ с автома­тической фокуси­ровкой тока Метод микрозондов СЭЗ без автомати­ческой фокусировки тока Метод микрозондов СЭЗ с автоматиче­ской фокусировкой тока Дивергентный ме­тод Метод СЭЗ с акси- ально-фокусирован- нымн зондами

им и сопротивления (КС), сопротивления заземления (СЗ), ме­тл п мп регистрации тока (ТМ) и потенциалов вызванной поля- ршацнн (НИ). Искусственные переменные электромагнитные ноля изучаются индукционными (ИМ), диэлектрическими (ДМ) и ридиополновым методами.

Глани III

ЛП ГОДЫ ПОТЕНЦИАЛОВ СОБСТВЕННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД

И >ту группу методов входят обычный метод потенциалов <11, метод градиента СП, метод селектированных зондов СП, метод кназистатичсскнх потенциалов СП, метод специальных Лондон СП, метод электродных потенциалов (МЭП) и метод гальванических пар (МГГ1) (см. табл. 1).

• 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ПОТЕНЦИАЛОВ СОБСТВЕННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Методы потенциалов собственной поляризации горных по­род основаны на изучении естественного стационарного элек­трического поля в скважинах, образование которого связано

Таблица 1

МОНуССТПсПНОГО '•лгктромпшитного ПОЛИ

сюиниого тока		переменного тока
регистрации тока	потенциалов вызванной поля­ризации	индукционные		диэлектрические и радиоволновоА
		низкочастотные	высокочастотные
Обычный то- коны Г| метод (ТМ) Метод скользящих контактов (МСЮ Эк ран про­шитый то- коны и ме­тод (ЭТМ)	Обычный ме­тод потенциа­лов ВП Метод гра­диента потен­циала ВП Метод поля­ризационных кривых (КСПК)	Обычный ин­дукционный метод с про­дольным дат­чиком Индукцион­ный метод с поперечным датчиком Индукционное боковое зон­дирование Методы сква­жинной ин­дукционной электрораз­ведки Индукцион­ный метод переходных процессов	Индукцион­ный метод (ВИМ) Ват новой ме­тод проводи­мости (ВМП) Метод высоко­частотного ин­дукционного изопараметрн- ческого зон­дирования (ВИИЗ)	Диэлектриче­ский индук­ционный метод (ДИМ) Волновой ди­электрический метод (ВДМ) Метод радио- вол нового просвечивания

Рис. 5. Возникновение диффузионно-адсорбционной э. д. с. в скважине. а — прн рф>р₈; б—при Рф<Р_в. / — вмещающие породы (глины); 2 — песчаный пласт; 3 — двойной электрический слой. / — электрический контур: // — график статистического потенциала СП — В_$: ///—кривая потенциала U_cn; IV — линия тока СП. э. д. с. двойных электрических слоев на поверхности разделов скважина — вмещающие по­роды (£₀ j. ₃). вмещающие породы—пласт (£_{ь 2}» E_{it 3} ), скважина—пласт (£_2# 0).

с фнзнко-химическнми процессами, протекающими на поверхно­стях раздела скважина — породы и между пластами различной литологии (рис. 5). На поверхностях раздела образуются двой­ные электрические слои, различные потенциалы которых со­здают определенные величины напряженности электрического поля между горными породами и скважиной.

Потенциалы собственной поляризации пород обусловлены следующими физико-химическими процессами: 1) диффузией солей из пластовых вод в промывочную жидкость и наоборот, а также адсорбцией ионов на поверхности минеральных частиц горной породы; 2) фильтрацией вод из промывочной жидкости в породы и пластовых вод в скважину; 3) окислительно-восста­новительными реакциями, происходящими в породах и на кон­такте их с промывочной жидкостью и металлами.

Способность горных пород поляризоваться под действием указанных физико-химических процессов называется естест­венной электрохимической активностью. В ре­зультате этих процессов возникают диффузионно-адсорбционные (Уда, фильтрационные i/ф и окислительно-восстановительные Uob потенциалы.

Величина и знак потенциалов U_M, U$ и U_OB определяются соотношениями минерализации пластовых вод и фильтрата про­мывочной жидкости, минеральным составом и структурой гор­ных пород и другими факторами. Измерение потенциалов естественного электрического поля дает возможность получать информацию о литологии разреза скважин и коллекторских свойствах пород, о наличии в них полезных ископаемых.

I■« гостненнаи электрохимическая активность в скважинах оп­ределяется в первую очередь процессами диффузии электро­литов.

Пп контакте растворов электролитов пластовой воды кон- цен I рации С„ и фильтрата промывочной жидкости концентра- нни Сь неодинаковой минерализации и различного химического пи*пнш возникает диффузионная э. д. с., определяющаяся фор­мулой Периста

д. и. дьяконов, 1

ОБЩИЙ КУРС 1

| БИБЛИОТЕКА | 2

_ ³ г-@-^Ит=ь— 31

л и=и_м-и_ы=2+-[-±---±А 43

р*=к;с/,/л 77

1с=И^ 87

Г] 87

д. и. дьяконов, 427

ОБЩИЙ КУРС 427

Здесь /к. /„ подвижности катиона и аниона; л_к, Яа, г_к, — число катионов и анионов, на которые диссоциирует одна моле­кула электролита, и их валентности соответственно; Т — абсо­лютная температура; — универсальная газовая постоянная, ранная 8,3 Дж/°С М; Р — число Фарадея, равное 96500 Кл.

Уравнение (22) справедливо для идеальных растворов иссьмн низкой концентрации. Принимается, что в таких раство­рах отсутствует взаимодействие между ионами. В случае реаль­ных электролитов необходимо в выражении (22) вместо концен- граций С„ и Сф использовать значения активностей а_п=1\С_п и м«|| 'М'ф. где {| и /г — коэффициенты активности, учитывающие влияние сил взаимодействия между ионами в реальных раство­рах. Коэффициент активности, следовательно, «исправляет» кон­центрацию так, что уравнения, полученные для идеальных элек­тролитов, становятся справедливыми и для реальных раство­ров. Только в сильно разбавленных растворах активность равна концентрации раствора, т. е. коэффициент активности равен

• шпице. Таким образом, активность есть некоторая функция концентрации.

Для реальных растворов выражение (22) примет вид

£д = Кд1п(я_в/д_ф). (24)

В случае одно-одновалентного раствора (л_к=л_а=1, г_к=г_а =

I) с учетом числовых значений констант при температуре / 18 °С и замены натурального логарифма десятичным на ос­новании выражений (22) —(24) получим

^£* = ⁵⁸Т^¹8 —• (25)

/к + /а Оф

Для пластовых вод и фильтрата промывочной жидкости про­стого состава (преобладание анионов и катионов одного типа) наблюдается обратно пропорциональная связь активности элек-

тролита и его удельного сопротивления, поэтому выражение (25) можно представить в виде

⁼ К_я (рф/рв), (26)

где рф и р_в — удельные электрические сопротивления раство­ров концентраций Сф и С_в;

^ ^{= 58}-ГХГ- <²⁷>

*к -г *а

Величина К_л зависит от химического состава контактирую­щих электролитов. Например, если в пластовой воде и филь­трате промывочной жидкости преобладают ионы натрия и хлора, характеризующиеся при /=18 °С подвижностями /,< = 45 и /_а =*67, то (/к—/а)/(/к+/а) =—0,2, а /С_л на основании (27) бу­дет равно —11,6 мВ.

Итак, для растворов К^таС1 при /=18 °С

£д=—11,61^(_Рф/р_в). (28)

Из формул (22) — (28) следует, что на границе двух раство­ров с одинаковой концентрацией диффузионная э. д. с. отсут­ствует. Более общие выражения для диффузионной э. д. с. в смешанных растворах выведены Гендерсоном н Планком.

При контакте пород разного состава или раствора и породы возникает диффузионно-адсорбционная разность потенциалов

Яд. = К,а \е -Ь = (К, + Л„) 18 ^ * (К_я + Л_ла) 1с . (29)

^аф Яф р_в

где /<_да = /Сд+Л_Ла — коэффициент диффузионно-адсорбционной

э. д. с.; Л да — диффузионно-адсорбционная активность породы.

Образование диффузионно-адсорбционных э. д. с. в горных породах обусловлено прежде всего наличием двойных электри­ческих слоев на поверхности раздела твердых минеральных вы- сокодисперсных частиц и раствора.

Величина Л_да и, следовательно, значение £_яа зависят от хи­мического состава и концентрации контактирующих растворов, вещественного и гранулометрического состава породы, плотно­сти упаковки частиц и степени водонасыщсния (нефтегазонаеы- щения) коллектора, температуры и давления в скважине.

Диффузионно-адсорбционная активность рассчитывается по формуле

л _ у к _ Еал —Е_л

Лда — Ада— Ад — — ; — .

1я (Рф Рв)

Физический смысл диффузионно-адсорбционной активности состоит в том, что ее величина определяется разностью коэф­фициентов диффузионно-адсорбционной э. д. с. горной породы и диффузионной э. д. с. данной пары растворов удельных со-

нроишленнА (>,|, и pp. Дли раз­личных горных пород /1 дц 113- Mi iitK K H «и 10 до 4-70 мВ.

(

Рнс. 6. Зависимости диффузионно- адсорбционной Э. д. С. £да (//) И диффузионной э. д. с. £_л (/) от от­ношения удельных сопротивлений фильтрата промывочной жидкости рф и пластовой воды р_в для пород с различной емкостью обмена q_u (шифр кривых).

. повышением содержании mhhhctoio материала и по­роде Ид* возрастает, и и сква­жине 11|)<)I ни однородных вы* спноднспсрспнх глинистых по­род пидапси наибольшая положи млышн величина раз* inн I н нотонциялов / д.. Наи­меньшими шачениимн Л_дп ха- рак геризуютси чистые несча- НМ*' и карбонатные породы I высокими пористостью II проницаемостью, н которых преобладают потенциалы днф- фу пт, а роль двойных элек­трических слоев в создании днффу нюпно адсорбционных ». а <*. ничтожна.

Д

■^£да^кц* ^£дап+гл “ Диффузионно-адсорбци­онные э. д. с. чистого и глинистого пес­чаника.

ли идеально-адсорбн- рукнцгА породы, внутренняя м(41 один жп и и часть двойного »лск ГрнчесКОГО слоя которой (формирована анионами (/_а =

-О), на основании (25)

/'л* шах Г>8 lg (р_Ф/р_в). (30)

Величина /:_лп mnx в горных породах с отрицательным £-по- м нниалом зависит от изменения концентрации растворов и на­ходится в области, ограниченной предельными выражениями

• н (30) (рис. Г>).

lia контакте чистого песчаника (Л_да = /С_Да—/(д=0) с глиной (/(да — 68 мВ при /=18 °С) на основании (28) и (30) полная »•личина

Eg ' (£д* тех Яд) ⁼ (Кла шах К я) (Рф^Ре) —

== /С_сп 1g (Рф/Р.), (31)

ГДО Кеч — коэффициент аномалии СП.

При контакте чистого песчаника с чистой глиной (/С_да = -Г)8 мВ, /С_д= —11,6 мВ) наблюдается максимальная статиче­ская амплитуда СП:

E_s max — — 69,6 lg (Рф/Рв)-

В общем случае величина /Ссп изменяется от 0 до 69,6 мВ п зависимости от глинистости песчаной породы и песчанистости глин.

Б скважинах регистрируется не статическая, а наблюденная амплитуда СП (А£/сп )» которая составляет часть статической амплитуды и равна падению напряжения на участке цепи, об­разованной скважиной:

А ^сп ⁼ ^сп^р ⁼ Е*—Л:п (^пл + ^ы<)» (32)

где /?_р, Я_Пл, Явм— сопротивления участков цепи скважины, пла­ста, вмещающих глин; /_сп — сила тока.

Если мощности глинистых и песчаных пластов весьма ве­лики (Л >-оо), то сечения для тока /_сп на этих участках цепи большие и /?нл->-0, /?вм-»-0. В связи с этим в пластах большой мощности на основании выражения (32) Д£/_СП = Е_В.

Из (31) следует, что £_да чистого песчаника определяется ал­гебраической разностью коэффициентов диффузионно-адсорб­ционной э. д. с. вмещающих пород и песчаной породы, отноше­нием удельных сопротивлений фильтрата промывочной жидкости и пластовой воды. При рф=р_п величина £_да = 0 и анома­лия Д£/сп —0- Если рф>рв, то £_да<0 и песчаный пласт отме­чается отрицательной аномалией Л(У_Сп', при рф<р_в значение ^яа>0 и песчаному пласту соответствует положительная анома­лия ЛС/_Сп (см. рис. 5).

Статическая и наблюденная амплитуды СП зависят от тем­пературы пласта. Например, связь величины Е₃ с температу­рой пласта / определяется выражением

г. - / + 273 ¹ * 291 ’

где Е_$|8*—статическая амплитуда СП при /=18 °С.

На практике при качественной и количественной интерпрета­ции данных метода СП часто используют относительную ам­плитуду СП сс_сп = А £/_сп/Д £/_сп оп, где Д£/_Сп — амплитуда СП против изучаемого пласта, ДС^споп—амплитуда аномалии СП против пласта большой мощности, для которого Д£/_сп оп« ~Е₃.

Фильтрационные потенциалы

В случае течения жидкости через горные породы при опре­деленных условиях возникают потенциалы фильтрации. Меха­низм возникновения фильтрационных потенциалов (или потен­циалов течения) в горных породах можно представить следую­щим образом.

На поверхности раздела капилляра, моделирующего единич­ную пору породы, с раствором электролита формируется двой­ной электрический слой. Внешняя часть его образована диффуз­ным слоем ионов, толщина которого тем больше, чем меньше концентрация раствора. Если между концами капилляра со­здать разность давлений Др, то при течении через капилляр жидкость увлекает часть ионов диффузного слоя, в результате

•и и» сам капилляр заряжается положительно, а на его конце г мысоким давлением возникает отрицательный потенциал. Потенциал фильтрации для пород в скважинных условиях

^£Ф=^фРф^ДР^л, (33)

где /1ф фильтрационная активность исследуемой среды; т — покупатель степени, зависящий обратно пропорционально от омкостн обмена q_n породы (при q_n—>-0 величина т—>-1); п — •чпирнческнй коэффициент, изменяющийся от 0,5 до 1; вели­чина Лр=р_с,—рал — перепад давлений между скважинным р_с и пластовым р_пл•

Из формулы (33) следует, что величина потенциала филь- трацин при постоянной Аф возрастает с увеличением Ар и электрического удельного сопротивления фильтрата промывоч­ной жидкости. Наиболее значительные потенциалы фильтрации потикают при сравнительно пресных промывочных жидкостях (р_Ф> ю Ом-м) и однородной глинистой корке и достигают нескольких десятков милливольт.

При течении жидкости из скважины в пласт возникает от­рицательная разность потенциалов фильтрации, которая, на­кладывала, на отрицательную разность потенциалов диффузи­онно-адсорбционного происхождения (при рф>р»), приводит к увеличению отрицательной аномалии AU_C» против песчаного пласта.

Окислительно-восстановительные потенциалы

Окислительно-восстановительные потенциалы возникают в скважинах в результате химических реакций, происходящих между телами с электронной проводимостью и электролитами промывочной жидкости и пластовых вод. Окислительно-восста­новительные э. д. с. могут возникнуть в сульфидах, каменных углях, графите и других горных породах. При окислении ве­щества происходит потеря электронов, и оно заряжается поло­жительно — так образуются окислительно-восстановительные потенциалы. Примером окислительной реакции является взаи­модействие пирита с пластовыми водами или промывочной жидкостью и растворенным в них кислородом:

2FeS₂ + 70₂ + 2Н,0 = 2FeS0₄ -f 2HJ5Q_t.

При этом пирит заряжается положительно благодаря адсорб­ции ионов железа Fe²⁺, а окисляющие его воды — отрицательно нонами SO.,^2-. На кривой потенциалов СП рудное тело выде­лится среди вмещающих пород, например песчано-глинистых, четкой положительной аномалией Д£/_Сп-

В результате окисления угля в водной среде поверхность ого заряжается отрицательно, а контактирующий раствор — положительно. В случае восстановительной реакции картина обратная: твердая поверхность приобретает положительный за­ряд, а водный раствор—отрицательный.

Наряду с потенциалами СП, связанными с минеральным составом и структурой горных пород, в скважинах возникают окислительно-восстановительные потенциалы на поверхности обсадных труб и металлических электродов, опущенных в сква­жину. Эти потенциалы образуются при переходе катионов в раствор, который заряжается в этом случае положительно. Переход катионов в раствор обусловлен их взаимодействием с полярными молекулами воды. Избыточные электроны ме­талла заряжают его поверхность отрицательно. В результате этих процессов между нонами металла, перешедшими в раствор, и поверхностью металлического электрода образуется двойной электрический слой. Этот слой препятствует дальнейшему раст­ворению металла, и в системе металл — раствор устанавлива­ется подвижное равновесие, характеризующееся равными ско­ростями растворения металла и осаждения ионов из раствора на поверхность металла. Разность потенциалов на поверхности раздела твердой и жидкой фаз получила название электрод­ных потенциалов.

В нефтяных и газовых скважинах, разрезы которых сло­жены преимущественно песчано-глинистыми и карбонатными породами, величина потенциалов собственной поляризации обусловлена главным образом диффузионно-адсорбционными потенциалами и частично фильтрационными. Окислительно- восстановительные потенциалы для таких разрезов не харак­терны. В разрезах угольных и рудных скважин величина есте­ственного электрического поля определяется в значительной мере окислительно-восстановительными потенциалами.