3. Теорія методу самочинної поляризації гірських порід (пс). Методика та область застосування. Задачі, що вирішуються методом пс.

Методы потенциалов самопроизвольной поляризации горных пород основаны на изучении естественных электрических полей в скважинах. Естественные поля возникают в результате электрической активности диффузионно-адсорбционного, окислительно-восстановительного, фильтрационного и электродного характера.

Диффузионно-адсорбционная ЭДС. Пластовые и скважинные воды являются электролитами, поскольку в них присутствуют ионы растворенных солей. В подавляющем большинстве случаев — это ионы натрия и хлора. Ионы диффундируют в различных направлениях, однако результирующий поток диффузии направлен в сторону раствора меньшей концентрации, каким обычно является вода, составляющая основу промывочной жидкости. Анионы — ионы хлора — движутся быстрее, чем катионы— ионы натрия. Поэтому в скважине против содержащего пластовую воду коллектора ионов хлора оказывается больше, чем ионов натрия. Возникший объемный отрицательный заряд обусловливает наличие ЭДС, которую из-за происхождения называют диффузионной. Ее величина Е_Д может быть оценена по формуле

где , — концентрации в пластовой воде и фильтрате промывочной жидкости соответственно. В реальных условиях картина выглядит несколько сложнее. Пластовая вода находится в капиллярах. Схематический разрез капилляра приведен на рис. 7.1. На границе твердой и жидкой фаз в капилляре образуется двойной электрический слой: положительные ионы адсорбируются твердой фазой и компенсируют отрицательный заряд, образующийся на поверхности твердого тела при его контакте с водой. Слой положительных ионов неоднороден. Та его часть, которая ближе к твердой фазе, неподвижна, удаленная же (диффузный слой) подвижна и адсорбированные в ней ионы также диффундируют в сторону меньшей концентрации, т.е. в сторону скважины. Центральную часть капилляра занимает электронейтральный канал, содержащий катионы и анионы. Следовательно, объемный заряд против содержащего капилляры пласта обусловлен разницей количества катионов, поступающих из диффузного слоя, и количества анионов, поступающих из электронейтрального канала. Таким образом, он обусловлен не только диффузионной, но и диффузионно-адсорбционной активностью. Результирующую диффузионно-адсорбционную ЭДС оценивают по формуле

, (7.1)

где — сечение капилляра; —сечения канала и диффузного слоя соответственно; — коэффициент диффузионной активности; — диффузионно-адсорбционная активность породы; — коэффициент аномалии ПС или электрохимическая активность. Для раствора _. При уменьшении диаметра капилляра толщина диффузного слоя изменяется мало, диаметр же электронейтрального канала уменьшается и в пористых непроницаемых породах, какими являются глины, стремится к нулю. Соответственно отношение также стремится к нулю, a . Поэтому в чистых глинах

В хороших коллекторах (например, чистых крупнозернистых песчаниках) ,

a В связи с этим

Значения и, соответственно, аномалии ПС характеризуют литологию пород и их проницаемость. Например, изменение от -11,6 до 58 соответствует переходу от чистых, хорошо проницаемых песчаников к песчаникам глинистым, далее — к песчанистым глинам и, наконец, к чистым непроницаемым глинам. Методы ПС, основанные на диффузионно-адсорбционной активности, можно применять в нефтегазовых, гидрогеологических и инженерно-геологических скважинах для выделения коллекторов, оценки их глинистости и связанной с этим проницаемости, для выделения глин и глинистых разностей, образующих непроницаемые и плохо проницаемые пласты, для корреляции разрезов по хорошо выдержанным толщам. Кроме того, поскольку значение пропорционально зная концентрацию солей в фильтрате промывочной жидкости , можно оценить их концентрацию в пластовой жидкости . Снижение в нефтегазовых пластах, а также в интервалах прорыва пресных нагнетаемых вод приводит к снижению амплитуды ПС, что также является диагностическим признаком.

Фильтрационные потенциалы.

При течении жидкости через горные породы возникают потенциалы фильтрации, происхождение которых также связано с наличием двойного электрического слоя и, в частности, его подвижной диффузной части. Поскольку ионы диффузного слоя подвижны, протекающая через капилляр жидкость увлекает часть ионов диффузного слоя, в результате чего сам капилляр заряжается положительно. В той его части, где за счет смещения диффузного слоя отрицательный заряд оказался нескомпенсированным, возникает отрицательный потенциал. При течении жидкости в пласт в скважине возникает отрицательный потенциал, при течении из пласта — положительный. Методы ПС, основанные на фильтрационной активности, применяют, главным образом, в гидрогеологических скважинах с целью выделения участков притока или поглощения жидкости.

Электродные потенциалы.

Катионы пород, обладающих электронной проводимостью (сульфидные руды, графит, антрацит), взаимодействуя с полярными молекулами воды, переходят в раствор. Поверхность пород заряжается при этом отрицательно, а раствор — положительно. Возникающую разность потенциалов называют электродной. В разрезах угольных и рудных скважин величина и структура естественного электрического поля в значительной степени обусловлена потенциалами электродного происхождения.

Реализация методов ПС при скважинных наблюдениях.

При измерении потенциалов ПС диффузионно-адсорбционной и фильтрационной активности применяют, как правило, схему, приведенную на рис. 7.2, а. Разность потенциалов, возникающую между электродами,

г де — потенциалы электродов соответственно. Так как электрод N неподвижен, его потенциал не изменяется. Поэтому т.е. отличается на постоянную величину от потенциала . Скомпенсировав постоянную

величину, можно существенно детализировать диаграмму ПС (рис.7.3). Для компенсации постоянной величины служит электрический компенсатор КП (см. рис. 7.2, а). При детальном изучении разрезов скважин, а также в случае сильных помех регистрируют диаграммы градиента ПС (рис. 7.2, б). Следует отметить, что они значительно менее наглядны и более сложны для интерпретации.

Для реализации метода, основанного на электродной активности (метод электродных потенциалов—МЭП), служит установка, содержащая касающийся стенки скважины штрих-электрод М и раздвоенный электрод N (рис.7.4). При касании электродом М породы, обладающей большим электродным потенциалом, разность потенциалов возрастает.

Н а регистрации электродных потенциалов основан также метод гальванических пар (МГП). Установка МГП подобна применяемой в методе МЭП, хотя цинковый штрихэлектрод М служит для нанесения тонкого слоя металла на поверхность рудного тела. Разность электродных потенциалов металла электрода и породы обусловливает возникновение гальванического элемента. Чем тверже рудное тело, тем значительнее след истирающегося электрода и, соответственно, больше значение электрического потенциала, а также продолжительнее действие образовавшейся гальванической пары. Например, потенциал, возникающий при взаимодействии цинкового электрода с пиритом, достигает в первый момент сотен милливольт.

Вид диаграмм ПС.

Диаграммы методов ПС характеризуют изменения соответствующих потенциалов — диффузионно-адсорбционных, фильтрационных, электродных в зависимости от глубины скважины. Наибольшее распространение получили методы, основанные на диффузионно-адсорбционной активности. Их диаграммы приведены на рис. 7.3. Видно, что в качестве нуля на них условно выбирают положение, соответствующее максимальному положительному отклонению,— линию глин. Отсчет берут справа налево. Следовательно, амплитуда ПС в чистых глинах равна нулю.

Диаграммы изменения ЭДС называют статическими. Протекание токов между участками с различными потенциалами приводит к тому, что фактические диаграммы отличаются от статических так же, как разность потенциалов на электродах источника электрического тока отличается от его ЭДС. Все факторы, способствующие увеличению тока (повышение минерализации промывочной жидкости, увеличение диаметра скважины, а также снижение мощности исследуемого пласта), приводят к увеличению расхождения между фактическими и статическими диаграммами. При чрезмерно соленых промывочных жидкостях или пластах очень малой мощности (в 2 раза и более меньших диаметра скважины) расхождение может оказаться столь большим, что метод становится неэффективным. В благоприятных условиях можно восстановить статическую диаграмму по известной фактической. Метод ПС является одним из основных электрических методов при исследовании разрезов нефтегазовых скважин. Он включен также в обязательный комплекс исследований инженерно-геологических и гидрогеологических скважин. Для изучения рудных и угольных скважин используют методы гальванических пар (МГП) и электродных потенциалов (МЭП). Величина U_пс замірюється у свердловині за допомогою вимірювальних електродів М і N. Електрод М, з’єднаний кабелем з вимірювальною апаратурою, поміщається у свердловину і пересувається вздовж її осі, а електрод N закріплюється нерухомо поблизу устя свердловини. Різниця потенціалів ∆U_пс, яка виникає між електродами М і N ∆U_пс=U_пс,М-U_пс,N, де U_пс,М і U_пс,N-потенціали природного електричного поля в точках М і N реєструється наземною апаратурою. Точкою запису кривої ПС є електрод М. Різниця потенціалів записується в мілівольтах.

Виникнення потенціалів власної (спонтанної) поляризації обумовлені такими фізико-хімічними процесами:

1. дифузією солей із пластових вод у промивну рідину і навпаки, а також адсорбцією іонів на поверхні мінералів, що складають гірську породу;

2. фільтрацією води із промивної рідини в породи і пластових вод у свердловину;

3. реакціями окислення і відновлення, що відбуваються у породах і на контакті їх з промивними рідинами, а також металами.

В результаті цих процесів виникають дифузійно-адсорбційні U_да, фільтраційні U_ф і окисно-відновні потенціали U_ов. Величина і знак потенціалів U_да, U_ф і U_ов визначаються співвідношенням мінералізації пластових вод і фільтрату промивної рідини (ПР), мінеральним складом і структурою гірських порід та іншими факторами. Таким чином, вимірювання потенціалів природного електричного поля дає можливість одержати інформацію про літологію розрізу свердловин і колекторські властивості порід, про наявність в них корисних копалин.

Дифузійно-адсорбційні потенціали виникають при наявності контактних розчинів електролітів пластової води концентрації C_в і фільтрату промивної рідини концентрації С_ф. Величина дифузійної електрорушійної сили (ЕРС) визначається формулою Нернста

де: - коефіцієнт дифузійної ЕРС



У цьому рівнянні l_к, l_а - рухливість катіона і аніона; n_к, n_а, z_к, z_а - число катіонів і аніонів на які дисоціює одна молекула електроліту; T - абсолютна температура; P - універсальна газова постійна, що дорівнює 8,3 Дж/⁰ СМ; F - число Фарадея, що дорівнює 96 500 Кл. При зростанні вмісту в породі глинистого матеріалу А_да зростає. У свердловині проти однорідних високодисперсних глинистих порід виникає найбільша додатна величина різниці потенціалів U_да. Найменшими значеннями А_да характеризуються чисті піщанисті і карбонатні породи з високою пористістю і проникливістю, де переважають потенціали дифузії.

Фільтраційні потенціали виникають як результат течії рідини через гірські породи при певних умовах. Такі потенціали ще мають назву потенціалів течії. Потенціал фільтрації для гірських порід в умовах свердловини

де: А_ф - фільтраційна активність досліджуваної породи, _ф питомий опір промивних рідин, m - показник степені, який залежить в оберненій пропорційності від ємності обміну q_n породи; n - емпіричний коефіцієнт, що змінюється від 0,5 до 1; величина ∆Р=Р_с-Р_пл – перепад тисків між свердловиною Р_с і пластовим Р_пл. Потенціали фільтрації виникають при значно прісних промивних рідинах (ρ_ф10 Омм) і однорідній глинистій корці, досягаючи при цьому декількох десятків мілівольт.

Окисно-відновні потенціали U_ов виникають у свердловинах при наявності хімічних реакцій, що відбуваються між тілами з електронною провідністю та електролітами промивної рідини і пластових вод. Такі потенціали виникають в сульфідах, кам’яному вугіллю, графіті і інших гірських породах. Під час оксидації речовини відбувається втрата електронів і тіло заряджується позитивно - так утворюються окисно-відновні потенціали. Наприклад, при наявності піриту в породі виникають позитивні аномалії, теж саме спостерігається напроти вугілля. У випадку реакції відновлення картина зворотна: тверда поверхня набуває додатній заряд, а водний розчин - від’ємний. Отже, джерелами потенціалів природної електричної поляризації U_пс є диференційно-абсорбційні потенціали, потенціали фільтрації і окислювально-відновні потенціали. Для геологічної інтерпретації діаграм ПС використовують як абсолютні значення амплітуд ∆U_пс проти окремих пластів, так і відносні значення

,

де: ∆U_пс,_max - максимальне значення амплітуди ПС у розрізі, який вивчається.

За даними методу ПС виділяються проникні пласти; визначаються границі пластів; проводиться кореляція пластів; виділяються у розрізі свердловини шари антрацитів, графітів, сульфітів та ін.

Д ля пористих і проникних шарів, які ненасичені мінералізованою пластовою водою (_в_ф), характерні від’ємні потенціали. Лінія, яка відповідає потенціалу в глинах, має назву “нульова лінія глин”. Крива U_пс не має нуля і розміщується довільно у відведеній для неї смузі діаграми.

“Нульова лінія глин” проводиться як дотична до максимальних значень потенціалу U_пс проти потужніх однорідних глинистих товщ. Ця умовна лінія, звичайно, знаходиться на діаграмі ліворуч (рис. 7.2).

Величина і знаки потенціалів визначаються співвідношенням мінералізації пластових вод і промивної рідини, мінеральним складом і структурою гірських порід, товщиною пластів та інших факторів.

Проти руд, які характеризуються електронною провідністю спостерігаються високі додатні потенціали власної поляризації.

Рисунок 7.2 Криві ПС

1 – проникний шар, 2 – непроникний шар

Границі пластів, товщина яких більше 2-4 діаметрів свердловини, на діаграмі потенціалу U_пс визначаються по точках аномалії U_пс , які рівні половині максимальної аномалії, що відповідає центру пласта.

3.Для виявлення аномалії саме від геологічного об'єкту, що нас цікавить, в сумарному гравітаційному полі необхідно, щоб величина її переважала над величинами аномалій від інших тіл. З цією метою необхідно домогтися “підсилення” “цікавих” нас аномалій і “ослаблення” інших, тобто зробити певне перетворення чи трансформацію спостереженого гравітаційного поля. Очевидно, що ефективність подібного перетворення буде залежати від розходження властивостей аномалієутворюючих тіл  розходження їхніх глибин залягання, розходження їхніх форм, густин та ін.

Існують кілька способів трансформації гравітаційних полів. Найбільш поширені три основних операції:

7. аналітичне продовження спостереженого поля аномалій сили тяжіння на інші рівні;

8. осереднення аномального поля;

9. обчислення вищих похідних потенціалу сили тяжіння.

Сутність способу осереднення складається в послідовному розрахунку середньоарифметичних значень Δg у “вікні осереднення” радіуса R чи в квадраті зі стороною 2а. Значення Δg_ср, зняті в вузлах квадрата чи кола, відносять до центра “вікна”. Потім зміщують “вікно” по поверхні карти, знову підраховуючи середнє, і т.д. При цьому одержують нову карту згладжених значень Δg, що відбиває поводження регіонального поля. Дрібні аномалії, зв'язані з густинними неоднорідностями верхньої частини розрізу, при такому осереднені практично зникають. Аномальні значення Δg визначаються як різниця спостереженого значення Δg у даній точці і середнього Δg_ср у цій самій точці. Величини аномалій, одержуваних способом осереднення, залежать від величини R і a, названих радіусом осереднення. Найкращі результати виходять, коли в межі площадки попадає досить велике число аномалій, по площі в кілька разів менше площі осереднення.

Близький до описаного і спосіб варіації,

1