Фізико-хімічні основи методу самочинних потенціалів СП

Метод СП оснований на вимірах електрохімічних потенціалів, що виникають в гірських породах при перетині їх свердловиною.

Виникнення природного електричного поля в свердловині обумовлюється фізико-хімічними процесами, що відбуваються на границях між гірськими породами та буровим розчином і на границях між пластами.

Основними процесами при цьому є:

1) дифузія солей із пластових вод в буровий розчин і навпаки, адсорбція іонів розчинених солей твердою фазою породи, що породжує дифузійно-адсорбційну електрорушійну силу (е.р.с.) – ;

2) фільтрація вод із бурового розчину в гірські породи і пластових вод – в свердловину, що породжує фільтраційну е.р.с. – ;

3) окисно-відновні реакції, що відбуваються в гірських породах і на контакті порід з буровим розчином і металами, та обумовлює виникнення окисно-відновну е.р.с. – .

Здатність гірських порід поляризуватися під впливом зазначених та інших природних фізико-хімічних процесів називається природною електрохімічною активністю ( ). В результаті цих процесів виникають дифузійно-адсорбційні ( ), фільтраційні ( ) і окисно-відновні ( ) потенціали, інтенсивність і знак яких залежить головним чином від електрохімічної активності гірських порід (відповідно, від , та ), відношення мінералізацій фільтрату бурового розчину ( ) та пластової води ( ), різниці між гідростатичним тиском стовпу бурового розчину та тиском у пласті (гірським тиском).

Електрохімічна активність гірських порід визначається їх мінералогічним складом, структурою порового простору, питомою поверхнею (дисперсністю), вологістю, фізико-хімічними властивостями пластових вод та ін.

Дифузійно-адсорбційна е.р.с. ( )

Дифузійна е.р.с.

Потенціали вільної дифузії спостерігаються на границях розчинів солей різної концентрації. Розглянемо, наприклад, два розчини різної концентрації ( ), що безпосередньо контактують між собою (рис. 7.1). В такому випадку буде мати місце вільна дифузія іонів (катіону та аніону ) із розчину з більшою концентрацією в розчин з меншою концентрацією. Внаслідок того, що іони хлору є більш рухливими, ніж іони натрію, вони будуть швидше дифундувати у менш концентрований розчин, і невдовзі він набуде від’ємного знаку, оскільки в ньому переважатимуть аніони. По інший бік мембрани будуть переважати катіони, і розчин матиме позитивний заряд. Таким чином між електродами M і N виникає різниця потенціалів ∆U_MN, що чисельно дорівнює е.р.с. дифузії Е_д. Оскільки різні іони мають різні розміри та рухливості то розчин з меншою концентрацією набуває знаку більш рухливого іону, а, відповідно, розчин з більшою концентрацією – іншого знаку. Таким чином породжується е.р.с. дифузії.

Таким чином, е.р.с., що виникає в результаті вільної дифузії, визначається тільки фізико-хімічними властивостями електролітів і залежить від співвідношення концентрацій розчинів. На границі двох розчинів з однаковою концентрацією дифузійна е.р.с. відсутня.

Дифузійно-адсорбційна е.р.с.

В реальних свердловинних умовах процес дифузії відбувається в присутності гірських порід, що характеризуються різними фізико-хімічними властивостями (проникність, пористість, адсорбційна активність та ін.). Гірська порода спричиняє на процес дифузії іонів тим більший вплив, чим більшою є її дисперсність (питома поверхня мінерального скелету). Річ у тому, що на поверхні твердої фази порових каналів формується подвійний електричний шар. Внутрішня обкладинка шару, зазвичай, є негативно зарядженою (за рахунок вибіркової адсорбції аніонів розчину скелетом гірської породи), а зовнішня – позитивно зарядженою (рис. 7.2).

Рис. 7.1. Схема фізичної моделі контакту двох розчинів з різними концентраціями NaCl (C₁<C₂), розділених пористою мембраною.

Рис.7.2. Модель гірської породи: твердий скелет та тріщіно-поровий простір, заповнений розчином електроліту; навколо мінеральних зерен породи утворюється подвійний електричний шар з іонів солей.

Якщо товщина шару є незрівнянно малою у порівнянні із розміром пор (як, наприклад, у чистому кварцовому пісковику), дифузія іонів відбувається згідно із раніше розглянутим законом вільної дифузії (присутністю гірської породи та її впливом на процес дифузії можна знехтувати, оскільки дифузійно-адсорбційна активність такої породи прямує до нуля). Тоді на границі такої породи (з мінералізацією пластової води ) і свердловини (з мінералізацією фільтрату бурового розчину ) утворюється дифузійно-адсорбційна е.р.с. (рис.7.3):

(7.1)

Отже, для такого випадку мВ.

Рис. 7.3. Модель «свердловина – пористий пласт». Внаслідок більшої рухливості аніону (іону хлору) розчин в околі електроду М буде насичуватися від’ємно зарядженими іонами і, відповідно, потенціал електроду М буде від’ємним по відношенню до потенціалу електроду N, який вважається постійним.

Рис.7.4. Схематичне зображення системи «свердловина – слабко проникна гірська порода» (мінералізація пластової води є більшою за мінералізацію фільтрату бурового розчину ).

Якщо розміри пор є співставними за розмірами із товщиною подвійного електричного шару (як, наприклад, у заглинизованих породах), вплив гірської породи на процес дифузії стає досить значним і є тим більшим, чим меншим є радіус пор гірської породи (чим більшою є дисперсність породи). У випадку чистих глин, радіус пор яких є співрозмірним із розмірами аніонів хлору, адсорбуватися та утримуватися на поверхні твердої фази гірської породи будуть насамперед аніони, рухливість яких при цьому прямує до нуля ( ). В той же час катіони натрію продовжують рухатися в бік свердловини (за умови, коли концентрація іонів у пластових водах перевищує концентрацію у фільтраті бурового розчину , що зазвичай має місце при дослідженні свердловин). Тоді навпроти такої породи менш концентрований буровий розчин заряджається позитивно (рис.7.4). Для чистих глин та розчинів при температурі С (291 К):

, (7.2)

де мВ.

Таким чином, для реальних свердловинних умов та гірських порід різної літології в залежності від їх дисперсності коефіцієнт дифузійно-адсорбційної е.р.с. змінюється від мВ (чисті пісковики) до мВ (чисті глини).

В умовах свердловини процеси дифузії і адсорбції відбуваються спільно і призводять до утворення дифузійно-адсорбційної е.р.с. , що залежить не тільки від фізико-хімічних властивостей розчинів ( ) та співвідношень їх концентрацій, але й від фізико-хімічних (в т.ч. колекторських) властивостей гірських порід ( ).

Необхідно підкреслити, що знак е.р.с. в свердловині навпроти досліджуваної породи визначається лише співвідношенням мінералізацій (або опорів) пластової води та фільтрату бурового розчину. Так, при (розглянута вище теорія відповідає цьому випадку) пласти-колектори характеризуються негативними значеннями , а глини – позитивними. При оберненому співвідношенні та ( ), навпаки – глини будуть відмічатися негативними значеннями , а пласти-колектори позитивними.

Фільтраційна е.р.с. ( )

Під час буріння свердловини та одразу після його завершення у проникні пористі породи відбувається фільтрація рідини із свердловини в пласти за рахунок перепаду тиску , оскільки зазвичай тиск стовпа бурового розчину в свердловині ( ) перевищує пластовий тиск ( ), що обумовлений тиском залягаючих вище гірських порід.

Рухаючись капілярами гірської породи, фільтрат бурового розчину спонукає до руху не тільки вільний електроліт, але і зміщує більш рухому частину зовнішньої обкладинки подвійного електричного шару, що сформувався на стінках капілярів (рис. 7.5). В результаті такого зміщення позитивних зарядів відносно негативних (деформації подвійного шару) в гірській породі виникає фільтраційна е.р.с.

Рис. 7.5. Схематичне пояснення механізму утворення фільтраційної е.р.с.

Фільтраційна е.р.с. є тим значнішою, чим більшим є питомий опір фільтрату бурового розчину та перепад між гідростатичним та гірським тиском. У більшості випадків є таким, що величини є малими, тому роль фільтраційних потенціалів при утворенні природного електричного поля (е.р.с. СП) в свердловині є мізерною у порівнянні із дифузійно-адсорбційними потенціалами для нафтогазових свердловин та окисно-відновними потенціалами для вугільних і рудних свердловин.

Помітний вплив потенціали фільтрації можуть спричиняти при порівняно прісних (слабко мінералізованих) бурових розчинах, коли Ом·м. При фільтрації рідини із свердловини в пласт утворюється від’ємна різниця потенціалів фільтрації, яка, складаючись із від’ємною різницею потенціалів дифузійно-адсорбційного походження (при ), збільшує амплітуду кривої СП навпроти проникних пластів.

Окисно-відновна е.р.с. ( )

Електрорушійна сила, яка утворюється в результаті хімічних реакцій, що відбуваються на границях порід з буровим розчином та вміщуючим середовищем, називається окисно-відновною е.р.с. Найбільша окисно-відновна активність притаманна гірським породам та мінералам із електронною провідністю.

Різні гірські породи: сульфіди, залізні руди, графіт, антрацит і кам’яне вугілля – піддаються окисно-відновним реакціям в умовах їхнього природного залягання та на границі із свердловиною – при розкритті. Вид цих реакцій визначається речовинним складом породи, вмістом кисню в оточуючому середовищі, водневим показником рН та окисно-відновним фактором Eh, температурою, хімічним складом пластових вод, бурового розчину та вміщуючих порід.

Окисно-відновні реакції також призводять до появи електричного заряду на поверхні породи. Типовим прикладом окислювальної реакції є взаємодія піриту з водою та розчиненим в ній кисні:

2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO₄ + 2H₂SO₄.

Залізо, окислюючись, втрачає електрони, і при цьому пірит заряджається позитивно, а сам розчин при цьому набуває негативного заряду за рахунок аніонів SO₄^--.

Натомість, окисно-відновні реакції між водним розчином та вугіллям відбуваються таким чином, що поверхня вугілля набуває негативного заряду, а розчин – позитивного.

Зазначимо, що у формуванні природних електричних полів нафтових, газових та гідрогеологічних свердловин переважну роль відіграють дифузійно-адсорбційні процеси і, в деяких випадках, фільтраційні потенціали.

Потенціали ПС, не пов'язані з геологічними властивостями пластів.

Потенціали електродної поляризації обумовлені переходом атомів металу електроду в промивальну рідину. При цьому рідина заряджається іонами металу позитивно, а поверхня металу надмірними електронами – негативно.

Зміна потенціалу цього подвійного електричного шару пов'язана із зміною складу оксидів на поверхні металу, з переходом зонда з рухомого стану в нерухомий, і навпаки (при зупинці зонда потенціал змінюється у бік позитивних значень, а на початку руху – у бік негативних). Для зменшення електродного потенціалу електроди захищають брезентовим чохлом або користуються свинцевими електродами, що не поляризуються.

Потенціали осідання утворюються в призабойной частині свердловини при заповненні її промивальною рідиною поганої якості. Глинисті частинки і частинки шламу адсорбують негативні іони, тому на забої свердловини потенціал змінюється в сторону негативних значень.

При застосуванні каротажних вантажів з різнорідних металів між ними виникає електродна різниця потенціалів гальванокорозії, що спотворює криву ПС: у прямому або переверненому вигляді вона нагадує криву опору. Для зменшення цих потенціалів каротажні вантажі віддаляють від електроду, що записує криву ПС, на 2 – 3 м.

Потенціали блукаючих струмів пов'язані з роботою агрегатів електричного струму (лінії трамваїв, метро, електрифікованих залізниць і ін.), а потенціали телурійнихих струмів – з іонізацією верхніх шарів атмосфери під дією сонячної радіації, перенесенням електричних зарядів опадами і повітряними потоками, різним нагрівом ділянок земної кори, електрохімічними процесами і так далі. Телурійні і блукаючі струми створюють різницю потенціалів між вимірювальними електродами, пропорційну питомому опору гірських порід і відстані між електродами зонда ПС. Потенціали цих струмів виявляються по їх хаотичній зміні при нерухомому зонді.

При проведенні вимірювань приладами, що працюють на постійному струмі, барабан каротажної лебідки може намагнічуватися, що приводить до появи в ланцюзі ПС змінної ЕДС синусоїдальної форми, на яку накладається різниця потенціалів ПС. Для її виключення барабан лебідки, що обертається, розмагнічують пропусканням через кабель струму частоти 0,5—1 Гц з поступовим зменшенням його до нуля. Вплив намагніченості лебідки можна зменшити зниженням швидкості підйому кабелю. Всі розглянуті потенціали спотворюють криву ПС.