Метод потенциалов самопроизвольной поляризации (пс или сп)

Скважинные исследования методом естественного поля (ЕП) или поля самопроизвольного (каротаж ПС или СП) сводятся к измерению постоянных естественных потенциалов, возникающих у пластов с разной электрохимической активностью.

Естественные потенциалы (потенциалы собственной поляризации) возникают при окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрационных процессах, протекающих в различных горных породах.

Диффузионно-адсорбционные потенциалы – возникающие при пересечении скважиной песчанистых пластов коллекторов. В естественных условиях минерализация пластовых вод выше, чем минерализация промывочной жидкости. На контакте растворов разной концентрации (или состава) происходит диффузия ионов из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Молекулы NaCl диссоциируют на катион Na⁺ и анион Cl^-, каждый из которых диффундирует с определенной скоростью, причем подвижность Cl^- в 1,5 раза выше подвижности иона Na⁺. Следовательно, на границе «скважина – пласт-коллектор» происходит перераспределение зарядов. Вследствие разности в подвижности через некоторое время раствор с меньшей концентрацией приобретает знак более подвижного иона. Промывочная жидкость за счет ионов Cl^- заряжается отрицательно, а пласт за счет Na⁺ положительно (рис. 1).

Рис. 1

Скважинный прибор против пласта песчаника регистрирует отрицательные потенциалы, т.к. окружен промывочной жидкостью. Таким образом, на контакте песчаного пласта со скважиной образуется двойной электрический слой, потенциал которого называется диффузионным.

Если контакт растворов разной концентрации происходит не непосредственно, а через перегородку (мембрану) из горных пород (мембрана (перегородка) обладает способностью задерживать (сорбировать) определенные ионы), то потенциал в этом случае называется мембранным или диффузионно-адсорбционным.

Пески, песчаники и карбонатные породы, не содержащие глинистого материала, не влияют на образование диффузионного потенциала Е_д в скважине. Перегородка из глинистой породы (глины, аргиллита), разделяющая контактирующие растворы, резко изменяет величину и знак диффузионного потенциала. Причиной этого является изме­нение механизма диффузии ионов, заключающееся в следующем.

Между твердыми частицами, слагающими горную породу, и раствором, заполняющим поровое пространство, существует раз­ность потенциалов, под действием которой на поверхности частиц адсорбируются анионы соли, растворенной в пластовой воде. Избыточные катионы находятся в слое раствора, примыкающем к поверхности частиц, причем концентрация их быстро падает по мере удаления от поверхности частицы. Анионы, адсорбированные поверхностью частицы, и окружающий ее слой раствора, насыщенный избыточ­ными катионами, образуют так называемый двойной электрический слой (рис. 2). Адсорбированные анионы двойного слоя практически неподвижны, в то время как катионы подвижны.

Рисунок 2 – Частица глины с двойным слоем ионов у ее поверхности. I – частица глины; II – двойной слой; III – поровое пространство; 1 – непод­вижные анионы хлора; 2 – подвижные катионы натрия

Таким образом, если при сво­бодном контакте растворов NaCl анионы хлора подвижнее катио­нов натрия, то при наличии в разделяющей их породе двой­ных слоев будут иметь место обратные соотношения: скорость адсорбированных анионов хло­ра в среднем будет ниже, чем скорость катионов натрия. Это является причиной изменения знака и величины диффузионно-адсорбционного потенциала по сравнению со знаком и вели­чиной диффузион­ного потенциала.

Окислительно-восстановительные процессы в основном возникают при химических реакциях между электропроводящими телами (сульфиды, магнетит, графит, антрацит, рудные тела и др.), промывочной жидкостью скважины и пластовыми водами. Окислительно-восстановительные процессы связаны с потерей электронов (окисление) или с преобладанием их (восстановление). Разность потенциалов между окисляющей средой и окислителем называется окислительно-восстановительным потенциалом. В разрезах нефтяных скважин эти потенциалы не имеют сколько-нибудь заметного распространения.

Фильтрационные процессы связаны с динамикой подземных вод (потенциалы течения). Потенциалы фильтрации возникают при движении флюида в порах горной породы, при этом происходит адсорбция анионов солей пластовых вод. При движении жидкости на входе капилляра возникает избыток положительных зарядов, а на выходе – избыток отрицательных. Образуется как бы гальванический элемент, посылающий ток на встречу движения жидкости. Фильтрационные потенциалы возникают на границе «скважина – пласт» при наличии разности гидростатического и пластового давления. Но так как на практике разность давлений незначительна, то фильтрационные потенциалы не оказывают существенного влияния на показания ПС.

Зондом для измерения собственных потенциалов служат свинцовые приемные электроды. Работы в методе ПС чаще выполняются способом потенциала, то есть установкой, состоящей из одного неподвижного приемного электрода N, заземленного вблизи устья скважины, и второго электрода M, перемещаемого по скважине (рис. 2).

Рис. 2. Схема измерений методом ПС

1 – глина, 2 – песчаник

Производится регистрация разности потенциалов между электродами М и N:

∆U_пс^MN = U_пс^M – U_пс^N = U_пс^M – const. (1)

Согласно приведенной формуле изменение ∆U_пс^MN – это изменение U_пс^M в мB с глубиной.

В результате работ получаются кривые естественных потенциалов, измеряемые в милливольтах. Регистрация кривой естественных потенциалов производится в масштабе 5 или 12,5 мВ/см.