2 Електричні методи дослідження свердловин

2.1 Методи природного електричного поля Фізичні основи методу потенціалів самочинної поляризації

Методи потенціалів самочинної (власної) поляризації гірських порід базуються на вивченні природного стаціонарного електричного поля в свердловинах, утворення якого пов’язане з фізико-хімічними процесами, що відбуваються на поверхні розділу свердловина-порода та між пластами різної літології (Рис. 2.1). На поверхні розділу утворюються подвійні електричні шари, різні потенціали яких утворюють певні величини напруженості електричного поля між гірськими породами та свердловиною.

а – при _ф>_в; б – при _ф<_в; 1 – вміщуючі породи (глини); 2 – піщаний пласт; 3 – подвійний електричний шар; I – електричний контур; II – графік статистичного потенціалу ПС – E_s; III – крива потенціалу U_ПС; IV – лінії струму. E_0,1; E_0,3; E_1,2; E_2,3; E_2,0; – е.р.с. подвійних електричних шарів відповідно на поверхні розділу свердловина – вміщуючи породи, вміщуючи породи – пласт, свердловина – пласт

Рисунок 2.1 – Виникнення дифузійно-адсорбційної електрорушійної сили у свердловині

Потенціали власної поляризації порід утворюються в результаті наступних фізико-хімічних процесів:

1. дифузія солей із пластових вод в промивну рідину та навпаки, а також адсорбція іонів на поверхні мінеральних частинок гірської породи;

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

3. окисно-відновних реакцій, що проходять в породах і на їх контакті з промивною рідиною та металами.

Дифузійно-адсорбційні потенціали. Виникнення в свердловинах природної електрохімічної активності визначається в першу чергу процесами дифузії електролітів. На контакті розчинів електролітів пластової води концентрації С_в і фільтрату промивної рідини концентрації С_ф неоднакової мінералізації та різного хімічного складу виникає дифузійна електрорушійна сила, яка визначається формулою:

, (2.1)

де K_д – коефіцієнт дифузійної електрорушійної сили:

, (2.2)

де l_k, l_a – відповідно, рухомість катіона та аніона; n_k, n_a, z_k, z_a – відповідно, число катіонів і аніонів, на які дисоціює одна молекула електроліту; Т – абсолютна температура, К; R – універсальна газова стала, яка рівна 8.3 Дж/градус·м; F – число Фарадея, рівне 96500 Кл.

Рівняння (2.1) справедливе для ідеальних розчинів досить низької концентрації. У випадку реальних електролітів у виразі (2.1) необхідно замість концентрації С_в і С_ф використовувати значення активності a_в=f₁·C_в і a_ф=f₂·C_ф, де f₁, f₂ – коефіцієнти активності, які враховують вплив сил взаємодії між іонами в реальних розчинах. Коефіцієнт активності “виправляє” концентрацію так, щоб рівняння, які отримані для ідеальних електролітів, були справедливі і для реальних розчинів.

Тільки в сильно розведених розчинах активність рівна концентрації розчину, тобто коефіцієнт активності рівний одиниці.

Для реальних розчинів вираз (2.1) набуде виду:

. (2.3)

При контакті порід різного літологічного складу або розчину та породи виникає дифузійно-адсорбційна різниця потенціалів:

(2.4)

де K_дa=K_д+A_дa – коефіцієнт дифузійно-адсорбційної електрорушійної сили; A_дa – дифузійно-адсорбційна активність породи.

Величина А_дa і E_дa визначаються хімічним складом і концентрацією контактуючих розчинів, речовинним і гранулометричним складом породи, густиною укладання частинок і мірою водонасичення (нафтогазонасичення) колектора, температурою та тиском в свердловині.

Дифузійно-адсорбційна активність розраховується за формулою:

. (2.5)

Фізична суть дифузійно-адсорбційної активності полягає в тому, що її величина визначається різницею коефіцієнтів дифузійно-адсорбційної електрорушійної сили гірської породи та дифузійної електрорушійної сили даної пари розчинів питомих опорів _ф, _в.

Фільтраційні потенціали виникають у випадку руху рідини через гірські породи при певних умовах. На поверхні розділу капіляра, що моделює одиничну пору породи, з розчином електроліту формується подвійний електричний шар (Рис. 2.2). Зовнішня його частина утворена дифузним шаром іонів, товщина якого тим більша, чим менша концентрація розчину. Якщо між кінцями капіляру створити різницю тисків р, то при русі через капіляр рідина забирає частину іонів дифузійного шару, в результаті чого сам капіляр заряджається позитивно, а на його кінцях з високим тиском виникає від’ємний потенціал.

1 – від’ємний заряд; 2 – додатній заряд; 3 – скелет породи із залишковим від’ємним зарядом; I – подвійний електричний шар; II – дифузійна частина подвійного електричного шару; III – вільний електроліт

Рисунок 2.2 – Схема подвійного електричного шару в капілярі (модель пори гірської породи)

Величина потенціалу фільтрації через капіляр визначається формулою Гельмгольца:

, (2.6)

де ε_р – діелектрична стала рідини; ρ_р - питомий електричний опір рідини;  – електрокінетичний потенціал, який дорівнює різниці потенціалів на границі рухомої та нерухомої частин подвійного шару та вільного розчину;  – в’язкість рідини в капілярі; ∆p тиск, під дією якого відбувається фільтрація рідини.

Потенціал фільтрації для порід в свердловинних умовах визначається за формулою:

(2.7)

де А_ф – фільтраційна активність середовища, що досліджується; m – показник ступеню, який обернено-пропорційно залежить від ємності обміну q_п породи (при q_п0 величина m1); n – емпіричний коефіцієнт, який змінюється від 0.5 до 1; p=p_c–p_пл – перепад тисків між свердловинним і пластовим.

Окисно-відновні потенціали виникають в свердловинах у результаті хімічних реакцій, які відбуваються між тілами з електронною провідністю та електролітами промивної рідини та пластових вод. Окисно-відновні електрорушійні сили можуть виникати в сульфідах, кам’яних вугіллях та інших гірських породах.

У нафтових і газових свердловинах, розрізи яких складені переважно піщано-глинистими та карбонатними породами, величина потенціалів власної поляризації обумовлена головним чином дифузійно-адсорбційними потенціалами, на які при відповідних умовах можуть накладатись потенціали фільтрації. Окисно-відновні потенціали для таких розрізів не характерні.