Метод_потенциалов 1

МЕТОД ПОТЕНЦИАЛОВ СОБСТВЕННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ (ПС)

Цель и состав работы

Целью настоящей работы является ознакомление с методикой обработки диаграмм метода ПС и приобретение навыков извлечения геологической информации о разрезе скважины и фильтрационно-емкостных свойствах пород-коллекторов.

Для выполнения работы предоставляется фрагмент диаграммы ПС, записанной в промысловом интервале одной из скважин, пробуренных на площадях ЗападноСибирской низменности.

По итогам работы составляется отчет, содержащий методику обработки, результаты обработки в виде интерпретационной таблицы, предварительную литологическую колонку и значения ФЕС выделенных пород-коллекторов.

Теоретические основы

Метод потенциалов собственной поляризации основан на изучении естественного стационарного электрического поля, образование которого связано с физико-химическими процессами на поверхностях раздела скважина-порода и между пластами различной литологии.

Потенциалы собственной поляризации возникают в результате следующих физикохимических процессов:

1.Диффузии солей из пластовых вод в буровой раствор или из бурового раствора в пластовые воды, а так же адсорбцией ионов на поверхности минеральных частиц горных пород.

2.Фильтрацией вод из бурового раствора 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-адсорбционный потенциалU да , фильтрационный потенциал U ф и окислительно-восстановительный

потенциал U ов . Рассмотрим механизм образования этих потенциалов.

Диффузионно-адсорбционный потенциал

Диффузия. При растворении какого-либо вещества в жидком растворителе молекулы растворяемого вещества (все или частично) диссоциируют (расщепляются) на положительные и отрицательные ионы.

В природных водах содержатся шесть ионов; анионы – хлор-ион Cl , сульфат-ион SO42 , гидрокарбонат-ион HCO3 ; катионы – ионы натрия Na , кальция Ca2 , магния

Mg2 . В пластовых водах содержание ионов Cl и Na достигает 75 –95% от общего

содержания ионов и именно они оказывают основное влияние на формирование диффузионного потенциала.

При контакте двух электролитов разной концентрации за счет осмотического давления происходит диффузия ионов, результирующий поток которых направлен в сторону меньшей концентрации. Скорости анионов и катионов различны и определяются их подвижностями Подвижности ионов – величины, пропорциональные их скоростям и

представляют собой произведение последних на число Фарадея (96484 Кл/моль). По подвижности ионов можно рассчитать их скорости в растворителе под действием

электрического поля в 1В на 1 см. Например, скорость для Na при 18оС равняется 43,3 :

96484 = 0,000456 см/с, а для Cl - 65,2 : 96484 = 0,000676.

Так как скорость движения анионов почти в 1,5 раза больше скорости движения катионов, в менее концентрированном растворе появится избыток анионов, а в более концентрированном – избыток катионов. В результате образуется электрическое поле, которое замедляет движение более подвижных отрицательных ионов и ускоряет движение менее подвижных положительных ионов. В результате этих двух процессов, подвижности анионов и катионов становятся равными и устанавливается некоторое равновесное состояние при котором менее концентрированный раствор заряжен отрицательно, а более концентрированный – положительно.

Величина диффузионного потенциала контакта двух растворов зависит от их солевого состава и концентраций и определяется формулой Нернста:

газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль Кл); F – число Фарадея, равное 96484 Кл/моль; Т – абсолютная температура, К (Т=Т1+2730, Т1 – температура раствора в 0С); nк, nа – число катионов и анионов; zк, zа – валентности катиона и аниона; u, v – подвижности катиона и аниона; С1, С2 – концентрации растворов;

Если водные растворы являются растворами одной и той же одновалентной соли разной концентрации, то формула (1) принимает вид

характеризуют относительную подвижность или долю общего количества электричества, прошедшего через электролит перенесенную соответственно катионами и анионами.

Пластовую воду и буровой раствор в первом приближении можно считать растворами хлористого натрия. Подставив в (2) соответствующие постоянные для этой соли, получим для 180С (291К)

Так как концентрации растворов NaCl приблизительно обратно пропорциональны их удельным сопротивлениям, то

Значения КД (в мВ) при Т=291К для наиболее типичных солей пластовых вод и промывочных жидкостей составляют: NaCl –11,6; NaHCO3 -2,2; CaCl2 -17,7; MgCl2 –22,5;

Na2SO4 +0,2; KCl +0,4.

Как отмечалось выше, диффузионный потенциал возникает при свободном контакте двух разных электролитов. В скважине же наблюдается контакт бурового раствора и пластовой водой, находящейся в поровом пространстве.

Адсорбция. На рис. 1 приведена схема идеальной цилиндрической поры, которая заполнена электролитом. Минеральный скелет, образующий стенки поры адсорбирует анионы, и заряжают их отрицательно. Непосредственно на стенке поры располагается слой катионов (толщиной в один ион), который за счет электрических сил прочно связан со стенкой и является неподвижным. Этот слой называется адсорбционным. Далее располагается малоподвижный слой толщиной в 5 – 8 ионов, состоящий в основном из катионов, который называется диффузным. Толщина диффузного слоя уменьшается с повышением концентрации растворов, при понижении температуры и с переходом к ионам более высокой концентрации. Диффузный и адсорбционный слой образуют двойной электрический слой (ДЭС). В центральной части капилляра находится слой, в котором количество анионов равно числу катионов – электронейтральный слой.

Рис. 1. Схема распределения зарядов в идеальной широкой (а) и узкой (б) поре. 1 – адсорбированные ионы, 2 – подвижные ионы диффузного слоя,

3 – электронейтральный слой.

На контакте электронейтрального слоя с буровым раствором происходит процесс диффузии, подчиняющийся (3). Подобный процесс происходит и в зоне контакта электронейтральных слоев содержащих пластовую воду и фильтрат бурового раствора. На контактах же диффузных слоев анионы выбывают из процесса диффузии и потенциал становится равным

Таким образом, общая величина диффузионно-адсорбционного потенциала E ДА может достигать величины

В качестве параметра, количественно характеризующего диффузионноадсорбционную активность горной породы, принята величина

AДА (Е ДА Е Д ) .

lg(C1 C2 )

Таким образом, под диффузионно-адсорбционной активностью горной породы следует понимать ее способность вызывать превышение ЭДС диффузионно-

адсорбционного происхождения над диффузионной ЭДС для одной и той же пары растворов.

Диффузионно-адсорбционная активность определяется как разность козффициентов диффузионно-адсорбционной ЭДС КДА горной породы и диффузионной ЭДС КД данной пары растворов

AДА К ДА К Д .

AДА, ГЛ 58 ( 11,6) 69,6

Для песчано-глинистых пород диффузионно-адсорбционную активность можно оценить из выражения

Фильтрационный потенциал

При фильтрации жидкости через капилляры пород возникают фильтрационные потенциалы или потенциалы течения. Они обусловлены перемещением слабосвязанного диффузного слоя ДЭС в сторону меньшего давления. Величина этого потенциала линейно зависит от перепада давления на концах капилляра ( P ), удельного сопротивления фильтрата промывочной жидкости ( ф ) и от фильтрационной электрохимической

активности ( Aф ), зависящей от структуры порового пространства и свойств фильтрующейся жидкости

Eф Аф ф P .

Величина Eф обычно мала и оказывает влияние на показания ПС лишь при значительном перепаде давления и слабоминерализованной промывочной жидкости.

Окислительно-восстановительный потенциал

Окислительно-восстановительные потенциалы возникают в результате химических реакций, происходящих между минералами с электронной проводимостью и электролитами промывочной жидкости и пластовых вод. При окислении вещества происходит потеря электронов и оно заряжается положительно. Примером окислительной реакции является взаимодействие пирита с пластовыми водами или промывочной жидкостью и растворенным в них кислородом

2FeS 2 7O2 2H2O 2FeSO4 2H2 SO4 .

При этом пирит заряжается положительно благодаря адсорбции ионов железа Fe 2 , а окисляющие его воды – отрицательно ионами SO42 .

Окислительно-восстановительные потенциалы возникают в сульфидах, каменных углях графите.

Задачи, решаемые методом ПС

Потенциалы собственной поляризации U ПС находятся в прямой зависимости от

диффузионно-адсорбционной активности горных пород и, следовательно от их относительной глинистости. Если минерализация пластовых вод выше минерализации фильтрата бурового раствора и пластовое давление ниже гидростатического давления раствора на уровне пласта (наиболее распространенный случай), то в разрезе осадочных пород в большинстве случаев наибольшими отрицательными аномалиями U ПС

отмечаются чистые песчаники, карбонатные и гидрохимические осадки, положительными аномалиями U ПС – глины и сильно заглинизированные породы. Зависимость величины

диффузионно-адсорбционного потенциала от диаметра пор и их конфигурации, разницы концентраций солей в пластовых водах и буровом растворе обуславливает наличие аналитических и тесных корреляционных связей между потенциалом U ПС и

-литологией осадочных горных пород;

-коэффициентом глинистости;

-коэффициентом пористости;

-коэффициентом проницаемости;

-минерализацией и сопротивлением пластовых вод.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

В табл. 1 приведены значения коэффициентов эффективной пористости (числитель) и глинистости (знаменатель) для горных пород, слагающих разрез скважины.

Таблица 1

рассчитайте дифузионно-адсорбционные активности для каждой горной породы. 2. Используя выражение

E ДА АДА lg С В [мВ],

рассчитайте значения диффузионно-адсорбционной ЭДС для каждой породы.

В формуле: С - удельное электрическое сопротивление бурового раствора; В -

удельное электрическое сопротивление пластовой воды. Удельное сопротивление бурового раствора снимается с каротажных диаграмм резистивиметрии, а удельное сопротивление пластовой воды вычисляется через концентрацию солей, растворенных в этой воде по формуле

lg В 1.48608 0.78211lg М 0.72417 lgT .

Здесь: М – минерализация [г/л]; Т – температура [180С]. Значения С и М приведены в Табл. 2.

Таблица 2

3.Построить график E ДА в системе координат (Z, E ДА ). По оси Z (глубин) масштаб в 1 см 2 м (каждый пласт имеет мощность 5 м); по горизонтальной оси масштаб в 1 см 12,5 мВ.

4.Для пласта с наибольшим значением E ДА рассчитать значения диффузионноадсорбционной ЭДС при изменении концентрации солей в пластовых водах от

20 до 80 г/л.

5.Построить график зависимости E ДА от М.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

Обработка диаграмм метода потенциалов собственной поляризации

Обработка диаграмм ПС включает в себя ряд этапов, выполняя которые получают параметры, являющиеся исходными для решения вышеперечисленных задач. К этим этапам относятся:

1.Расчленение разреза (выделение границ пластов различной электрохимической активностью);

2.Снятие значений U ПС ;

3.Расчет статической амплитуды ES (введение поправки за ослабление амплитуды);

4.Приведение результатов к единым условиям (введение поправки за влияние температуры);

5.Определение статической амплитуды для чистого песчаника U SПП ;

6.Расчет относительных амплитуд;

7.Решение геологических задач, поставленных перед методом ПС.

Границы пластов на кривой ПС соответствуют точкам перегиба зарегистрированной кривой ПС. Это правило реализуется, если получить кривую градиента ПС из кривой потенциала путем дифференцирования. Тогда все полученные экстремумы будут соответствовать границам пластов.

В мощных пластах, когда h/dс > 5 (здесь h – мощность пласта, dс – диаметр скважины) при любых электрических параметрах промывочной жидкости и пород границам пласта соответствуют точки на кривой, в которых величина аномалии относительно вмещающих пород соответствует 0,5 ее максимальной величины (рис. 1.2).

При h/dс < 5 границы пласта смещаются в сторону экстремума. Величина смещения определяется по специальным палеткам или из соотношения

Sm A 1 0,1 h dC ,

где Sm - величина смещения от уровня вмещающих пород, А – амплитуда аномалии.

Например, для h/dс = 2 границы пласта будут определяться шириной аномалии на уровне 0,8 от амплитуды аномалии.

Для каждой из выделенных границ по соответствующей шкале снимается глубина ее залегания (с точностью 0,1 м) и значения заносятся в таблицу 1.

Так как диаграмма ПС не имеет нулевой линии (неизвестен потенциал в точке заземления электрода, находящегося на поверхности), горизонтальный масштаб зарегистрированной кривой указывается числом милливольт, приходящихся на отрезок диаграммы, равный 2 см. (рис. 2)

Для снятия отсчетов U ПС используется условная ”нулевая” линия, которая

проводится по участкам кривых с наиболее положительными показаниями ПС. Эта линия называется ”линией глин”. Фактические отсчеты UПС снимаются в масштабе диаграммы слева-направо (рис. 1.2).

искомая величина. В толстых пластах (h/dc > 15) при неглубокой зоне проникновения (D/dc < 5, где D – диаметр зоны проникновения) поправку в UПС можно не вводить и

Рис. 2.2. Палетка для определения коэффициента υПС. р Шифр кривых п с

Приведение результатов наблюдений к единым скважинным условиям необходимо для того, чтобы можно было сопоставлять результаты измерений в разных скважинах или в разных интервалах одной и той же скважины, когда нельзя пренебречь влиянием температуры на интенсивность электрохимических процессов, приводящих к возникновению естественных потенциалов ПС. Обычно результаты измерений приводят к условиям температуры, равной 180С. Приведение к таким условиям можно осуществить по формуле

температуре пласта, полученная после введения поправки за ослабление амплитуды; tпл –

температура на уровне пласта. Последняя определяется по результатам замера температур, либо расчетом от некоторого уровня с известной температурой с использованием геотермического градиента Г, равному изменению температуры пород (в 0С), отнесенной к интервалу 100 м. Для юрских отложений Томской области величина геотермического градиенте изменяется в пределах 2,63 – 5,97 0С (в зависимости от района работ). Среднее значение геотермического градиента равно 3,27 0С/100м. Расчет температуры производится по формуле

t tоп (hi hоп ) Г , 100

где hоп и tоп - глубина и температура опорного пласта, которые могут быть определены из

обобщенного графика изменения температуры с глубиной, построенного для данного региона (рис. 2.3).

Расчет относительных амплитуд осуществляется по формуле

Е18

ПС ЕПСоп , ПС

где ЕПСоп - значение статической амплитуды в опорном пласте.

В качестве опорного пласта следует выбирать пласты чистого неглинистого песчаника. В этом случае ЕПСоп соответствует максимальное значение E18ПС , полученное в

результате обработки диаграммы ПС. В разрезе юрских отложений Томской области, как правило, отсутствуют чистые (малоглинистые) пласты-коллекторы. В этом случае в

Сопротивление пластовой воды В для чистых или слабоглинистых песчаников может быть оценено из выражения

или, при известной концентрации солей в пластовых водах, из выражения