§ 7. Применение методов потенциалов собственной поляризации горных пород в рудных и угольных скважинах

Процесс возникновения потенциалов СП в скважинах, раз­резы которых представлены породами с электронной проводи­мостью, носит сложный характер. На окислителыю-восстановн- тельные потенциалы в рудных, угольных и графитовых телах накладываются электродные потенциалы, образующиеся на поверхности контакта металла электродов с раствором и поро­

дой, обладающей электронной проводимостью, а также по­тенциалы гальванических пар, возникающие при контакте двух металлических провод­ников с резко различными электродными потенциалами.

П ри обычном способе из­мерения кривой СП и способе градиента потенциала СП в рудных и угольных скважинах измерительные электроды сле­дует защищать посредством _{Рис> 13 к Uca и d ц} бандажей и других устройств для угольных пластов.

ОТ непосредственного контак- /-уголь: 2 -глинистая порода, та их со стенками скважины.

В противном случае кривые U_cn и grad U_cп будут сущест­венно искажены электродными потенциалами, возникающими при контакте металлического электрода с рудными, угольными и графитовыми прослоями. Для детального изучения таких прослоев надо применять метод градиента потенциала СП, кривые которого не только почти свободны от искажающего влияния блуждающих токов, но и позволяют четко выделять границы рудных и угольных пластов (рис. 13).

Для изучения разрезов рудных и угольных скважин исполь­зуются методы электродных потенциалов и гальванических пар.

Метод электродных потенциалов

В методе электродных потенциалов (МЭП) измеряется электродная разность потенциалов &и_эи, возникающая на по­верхности раздела металла измерительных электродов и на контакте электронно-проводящей породы с промывочной жид­костью.

Электронно-проводящие породы (сульфиды, графит, ант­рацит и др.) характеризуются положительными электродными потенциалами. Для получения Д£/_Эп значительной величины из­мерительные электроды М и IV, (W₂) изготавливаются из ме­талла с наибольшим отрицательным значением нормального электродного потенциала, т. е. электродные потенциалы породы и электродов должны иметь как можно большие различия. Наи­лучшие результаты дает МЭП при использовании цинковых электродов. Цинк (£/_Эп=—¹0.76 В) отличается быстрым форми­рованием электродного потенциала, величина которого мало зависит от ионного состава электролитов и стабильна во вре­мени при перемещении электродов по скважине.

Электродные потенциалы измеряются с помощью специаль­ного зонда, состоящего из центрального штрих-электрода М, который скользит по стенке скважины, и раздвоенного элект­

рода сравнения N (JV,, N₂) (рис. 14). Центральный электрод М изготавливается в виде щетки с рабочей поверхностью около 30 см². Электроды сравнения N\ (Л/₂) устанавливаются на цент­рирующем устройстве так, чтобы они не касались стенки сква­жины. Регистрируется изменение потенциала электрода М от­носительно электрода N\ (N₂) таким образом, чтобы возрас­тание потенциала электрода М фиксировалось отклонением кривой вправо.

Поскольку электроды М н N сделаны из одного и того же металла (цинка), то в интервалах разреза скважины, где нет электронно-проводящнх пород, разность потенциалов Д£/эп целиком определяется разностью электродных потенциалов из­мерительных электродов, которая невелика и обычно не превы­шает первых десятков милливольт. Если центральный скользя­щий электрод М коснется породы с электронной проводимо­стью, то он приобретает электродный потенциал этого тела, величина которого существенно отличается от электродного потенциала электрода сравнения N. Электродная разность по­тенциалов Д£/эп Достигнет в этом случае нескольких сотен мил­ливольт.

Величина электродного потенциала зависит от химического состава электроино-проводящих тел (наименьшая характерна

500 1000 (/_эп,м8

I I ' I i ¹ • ¹ I I *

*-

+

+

_±

т~

+

+

+

Рис. 15. Кривые электродных потен­циалов U_{0 а} для пластов глин с прослоями пирита (а), пластов пирита (б) и графита (в)

ЭЛ

эп

7777.

Г

/

/

1

I

*

л

^777/

/

/

/

\

V

/

/

/

/

/

я

+

N,

^ям

■/V

Рис. 14. Схемы измерения электрод­ных потенциалов Ut>_п (а) и одновре­менного измерения кривых и*_п и потенциалов поля гальванических пар Um (б)

tг 5

РЛ РШ РП2у

///л

I

7777/

'ГП

"г

для сфалерита и галенита, наибольшая — для пирита), их раз­меров и распределения среди вмещающих пород, химического состава промывочной жидкости и ее температуры.

Среди вмещающих пород с ионной проводимостью электрон- но-проводящие тела выделяются резким увеличением U_Эп В подошве таких пластов 1)_эп достигает максимума, затем по­тенциал в пласте либо сохраняется постоянным (графнт, ант­рацит), либо уменьшается (рудные слои). Снижение потенци­ала U_3п (участок кривой А В на рис. 15) обусловлено катодной поляризацией рудного тела и свойственно сульфидам; в уг­лях и графите катодная поляризация отсутствует.

После пересечения кровли пласта электродом М наблюда­ется резкий спад потенциалов £/_Эп (участок кривой ВС) с по­следующим асимптотическим приближением к величине U_3U во вмещающих породах (участок CD). Этот плавный спад кривой обусловлен анодной поляризацией скользящего электрода и по­лем гальванической пары.

Метод потенциалов гальванических пар

Метод потенциалов гальванических пар (МГП) основан на изучении электрического поля, обусловленного нанесенным на рудное тело тонким слоем металла, электродный потенциал ко­торого существенно отличается от электродного потенциала природного проводника. Слой металла в совокупности с руд­ным телом образует в водном растворе электролита замкнутый гальванический элемент (гальваническую пару), в котором ме­талл электрода играет роль анода, а рудное тело является ка­тодом. Аномалии поля гальванических пар имеют положитель­ный знак.

Поле гальванических пар быстро затухает во времени. На­пример, поле гальванической пары пирит — цинк через 1 мин после нанесения металлической черты достигает 600 мВ, а по истечении 7 мин потенциал практически исчезает.

Величина потенциала гальванических пар £/_гп зависит от соотношения твердости рудных тел и металла штрих-электрода, М, которым наносится черта на породу. Чем тверже рудное тело, тем заметнее на нем след истирающегося электрода, тем значительнее величина потенциала поля гальванических пар и, следовательно, тем дольше можно его наблюдать. Например, твердости галенита и цинка близки, а пирита и цинка различа­ются, поэтому в первом случае потенциалы поля гальваниче­ских пар практически отсутствуют (рис. 16). На графит и угли штрих-электрод почти не наносит черты, и потенциал V_rn в них близок к нулю. Для изготовления штрих-электродов применя­ются цинк и некоторые стали.

Кривую потенциалов поля гальванических пар целесообраз­нее всего регистрировать вслед за нанесением металлической черты, т. е. одновременно с записью диаграммы электродных

необходимо использовать до­полнительный измерительный электрод М, который располо­жен от скользящего штрих- электрода М на некотором удалении и не касается стен­ки скважины (см. рис. 14).

П

500мВ потенциалов. Для этой цели

Г Г

О 500 ЮООнВО

I I I I I I I гг

ТТ-Т—Т—гт

оле потенциалов гальва­нических пар является полем двойного электрического слоя, поэтому кривая изменения по-

Рис. 16. Кривые и»„ (I) и U_ra (2). _Тенциалов по конфигурации

о-пирит; б-галенит

аналогична кривой обычного потенциала собственной поля-

рнзации диффузионно-адсорбционного и фильтрационного про­исхождения. Границы рудного тела определяются по точкам кривой, в которых Uгп равна половине максимального значе­ния потенциала гальванических пар.

В настоящее время методы электродных потенциалов и гальванических пар применяются для выявления в разрезах скважин руд, углей, графита и других полезных ископаемых.