7.3 Електричні методи дослідження свердловин

Електричні методи дослідження розрізів свердловин базуються на відмінності електричних властивостей гірських порід. До таких властивостей відносяться питомий електричний опір ρ (або електропровідність σ); діелектрична (абсолютна) проникність _а, природна електрохімічна активність А, компонентами якої можуть бути дифузійно-адсорбційна А_qa, фільтраційна А_ф і окисно-відновна А_ов активність, електрична поляризованість (сприйнятливість) æ_e, або викликана електрохімічна активність А_в і час релаксації τ_в; об’ємна æ магнітна сприйнятливість.

Електричні методи дослідження розрізів свердловин базуються на вивченні електричних полів різної природи в гірських породах. Електричні поля діляться на природні і штучні. Природні електричні поля зумовлені електрохімічними процесами, магнітотелуричними струмами та іншими явищами. Штучні електричні поля створюються в гірських породах генераторами змінного чи постійного струму різної потужності. За характером зміни в часі розрізняють статичні, стаціонарні (постійні), квазістаціонарні (квазіпостійні - частота поля до сотень герц) і змінні електромагнітні поля. Змінні поля діляться на низькочастотні (частота поля від сотень герц до сотень кілогерц) і високочастотні (частота поля від сотень кілогерц до сотень мегагерц).

7.3.1 Метод потенціалів власної поляризації (пс)

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.

Для 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.