Метод потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС или СП)

Боковой каротаж

При электрическом каротаже скважин, разрез которых представлен породами высокого сопротивления (карбонатными породами, гидрохимическими отложениями), а также скважин, заполненных минерализованной промывочной жидкостью, эффективность обычных зондов КС резко падает. Из-за большого влияния скважины кривые КС, полученные градиент- и потенциал-зондами, плохо расчленяют разрез. Для повышения эффективности электрического каротажа в таких условиях применяют зонды с дополнительными, так называемыми фокусирующими (или экранными) электродами. Через экранные электроды пропускается ток в том же направлении, что и через основной токовый электрод зонда. Роль экранных электродов заключается в том, чтобы препятсятвовать растеканию тока основного токового электрода по скважине и обеспечить направление его непосредственно в исследуемый пласт. Управление полем зонда с помощью указанных электродов называют фокусировкой зонда, а каротаж сопротивления зондами с экранными электродами и фокусировкой тока – боковым каротажем (БК).

Наиболее ценные результаты метод БК дает при каротаже тонких пластов (h<1,2м), при большой разнице в сопротивлениях между пластами, вмещающими породами и буровым раствором. Т.е. именно в тех случаях, когда обычные зонды дают очень плохие результаты из-за экранирования тока тонкими высокоомными пластами и из-за сильного влияния скважины и вмещающих пород.

При регистрации БК применяют трех-, семи- и девятиэлектродные зонды.

Принцип действия трехэлектродных зондов БК основан на том, что в зонде, помимо основного питающего электрода А₀, имеются дополнительные – фокусирующие электроды А₁ и А₂ (рис. 1а). При производстве ГИС через основной и экранированные электроды пропускают ток одной полярности, в результате чего обеспечивается равенство их потенциалов. Поскольку на все электроды зонда БК подается одинаковый ток, происходит фокусировка силовых линий тока центрального электрода по оси перпендикулярной оси скважины и ток направляется в пласт, толщина тока приблизительно равна длине основного электрода. Этим достигается значительное снижение влияния бурового раствора, вмещающих пород и ограниченной мощности пластов при измерении сопротивлений методом бокового каротажа сравнительно с БКЗ.

Рисунок 1 – Схемы каротажа с трехэлектродным (а) и семиэлектродным (б) зондами

Боковой трехэлектродный зонд состоит из центрального электрода А₀ и двух экранных А₁ и А₂, разделенных изолирующими промежутками (электроды линейные). Центральный электрод А₀ имеет длину 0,15 м, экранные A₁ и А₂ – по 1,5 м. Длина зонда – расстояние между серединами изолированных интервалов (≈ длина электрода А₀). Общая длина зонда – расстояние между внешними концами экранирующих электродов. Результат измерений относят к точке А₀.

Ток, вырабатываемый генератором Г поддерживается постоянным. В процессе каротажа измеряется разность потенциалов между одним из токовых электродов и удаленным от зонда электродом N, расположенным на корпусе прибора. Величину кажущегося сопротивления определяют:

ρ_к = k·ΔU_кс / I₀, (1)

где k – коэффициент зонда;

I₀ – сила тока, текущего через центральный электрод;

DU_кс – зарегистрированная разность по­тенциалов.

При выборе трехэлектродного бокового каротажного зонда необходимо учитывать влияние его размеров на значения КС:

- с увеличением размера зонда L улучшается фокусировка зонда и несколько возрастает его радиус исследования;

- с уменьшением диаметра зонда d_з возрастает влияние скважины на показания зонда, поэтому значение d_з не должно быть меньше 0,25 d_с;

- уменьшение L₀ улучшает расчленяющую способность зонда, т.е. уменьшает влияние вмещающих пород на показания зонда, однако при L₀ < 0,3d_c резко ухудшаются условия и точность измерения.

Недостаток трехэлектродного варианта БК - в плохой разрешающей способности по мощности пластов. Поскольку центральный электрод линейный, аппаратура не дает возможности определения мощности пластов меньшей, чем длина центрального электрода. Удельное электрическое сопротивление будет повышенным все время, пока А₀ проходит мимо пласта.

Преимущество БК в его высокой разрешающей способности по вертикали, по сравнению с нефокусированным методом БКЗ.

Решаемые БК геологические задачи:

- литологическое расчленение тонкослоистого разреза,

- выделение коллекторов,

- определение пористости в высокоомном разрезе,

- определение удельного электрического сопротивления пласта,

- работает в случае высокоминерализованной заполняющей скважину жидкости.

Рис. 2 – Литологическое расчленение разреза комплексом методов ГИС (по В.Н. Рукавицыну): 1 – песчаник пористый; 2 – мергели; 3 – аргиллиты; 4 – песчаник плотный.

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.

Область применения ПС:

1. Выделение в разрезе скважины проницаемых интервалов.

2. Литологическое расчленение разреза.

3. Определение границ пластов.

4. Определение фильтрационно-емкостных свойств пластов-коллекторов (коэффициентов проницаемости и пористости).

5. Определение удельного сопротивления и минерализации пластовой воды.

6. Корреляция разрезов скважин – прослеживание по соседним скважинам отдельных пластов.