Диффузионно-адсорбционные потенциалы

Потенциалы диффузионно-адсорбционной природы возникают вследствие различия в химическом составе и концентрации солей, растворенных в пластовых водах и буровом растворе. На контакте растворов разной концентрации (или состава) происходит диффузия ионов из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Однако скорость диффузии неодинакова у разнополярных ионов. Вследствие разности в подвижности через некоторое время в более слабом растворе накопится избыток отрицательных ионов, а в концентрированном – положительных, и эти растворы приобретут соответствующий заряд. Наибольшей величины диффузионно-адсор-бционные потенциалы достигают на границе пород с минимальной и максимальной адсорбционной активностью, т.е. на границе чистых кварцевых песчаников и тонко дисперсных глин. Поскольку глина не пропускает анионы (–) и пропускает катионы (+), то таким образом, раствор в скважине против глин приобретает положительный заряд, против песчаников – отрицательный.

Если допустить, что электрическое поле в скважине имеет только диффузионно-адсорбционное происхождение, то для случая, когда минерализация воды песчаного пласта  больше минерализации глинистого раствора  или (если выразить минерализацию растворов через их сопротивления)  < , справедливо схематическое распределение электрического поля (зарядов) в скважине, представленное на рисунке 3.14.

Электродвижущие силы на границе песчаного и глинистого пластов возникают даже при одинаковой минерализации содержащихся в них вод вследствие различия адсорбционных свойств контактирующих сред (глинистый пласт можно рассматривать как мембрану между пластовой водой и промывочной жидкостью). На рисунок 3.14 схематически показано направление токовых линий, возникающих под влиянием диффузионно-адсорбци-онных потенциалов. Эти линии замыкаются на пересечении стенок скважины с границей пласта, где плотность тока наибольшая. Известно, что уменьшение потенциала происходит в направлении движения тока и в местах максимальной его плотности наблюдается наибольшее изменение потенциала.

 

Рис. 3.14. Образование диффузионно-адсорбционного потенциала

на контакте песчаного I и глинистого II пластов (б) и его

эквивалентная электрическая схема в тождественных условиях (а):

1 – направление диффузии солей; 2 – токовые линии;

3 – график статических потенциалов ПС;

4 – график фактических потенциалов ПС (ρ _в < ρ _с)

 

В данном случае диффузионно-адсорбционный потенциал  =  lg , а диффузионный  =   lg , где  и  – коэффициенты диффузионно-адсорбционного и диффузионного потенциалов. Следовательно, суммарные потенциалы в скважине:

                     =  –   = (  – )lg =

                                     = –    lg ,                             (3.2)

где  =  – – коэффициент статистической аномалии ПС или общий коэффициент диффузионно-адсорбционный ЭДС ПС. Знак минус перед величиной диффузионно-адсорбционного потенциала  связан с тем, что в контуре токовой линии ПС он включен в обратном направлении по отношению к диффузионному потенциалу  непосредственного контакта.

 

Если допустить, что в контуре ток отсутствует, то вдоль каждой из сред должно наблюдаться постоянство потенциала. Величина , отражающая амплитуду изменения потенциала естественного поля, является в этом случае статической амплитудой диффузионно-адсорбционного потенциала для чистого песчаного пласта (рис. 3.14, кривая 3). Изменение петенциала естественного поля по стволу скважины на границах пластов происходит не скачками, а плавно. Разность потенциалов определяется произведением силы тока на сопротивление участка цепи, поэтому потенциалы, полученные против песчаного пласта и на границе его с глиной, будут различны (рис. 3.14, кривая 4). Согласно формуле (3.2) аномалия естественных потенциалов ПС против песчаного пласта имеет отрицательный знак, если глинистый раствор менее минерализован, чем пластовая вода (  > ) (прямые ПС), и положительный знак, если глинистый раствор более минерализован, чем пластовая вода (  < )(обратные ПС).

На рисунке 3.14 дана эквивалентная схема электрического поля ПС в скважине. Согласно этой схеме пласт песчаника, залегающий среди глин и пересеченный скважиной, рассматривается как электрохимическая ячейка. Линейные сопротивления ,  и  соответственно эквивалентны сопротивлениям вмещающих пород (глин) пласта (песчаника) и столба промывочной жидкости в скважине. Электродвижущая сила естественного потенциала в скважине:

                                  = I ∙ (   +   + ).                        (3.3)

На участке скважины с сопротивлением  разность потенциалов Δ  = I  соответствует полному изменению потенциала в скважине и является фактической амплитудой аномалии Δ  в пласте:

                              Δ  =  – I ∙ (   + ).                      (3.4)

Наибольшее значение фактической амплитуды Δ , приближающееся к , наблюдается против мощного чистого (неглинистого) пласта. При наличии в пласте глинистого материала коэффициент диффузионного потенциала принято обозначать через   (   > ). Если  = , то на основании выражений (3.3) можно записать

           = (   – )lg  = (  – )lg . (3.5)

где ,  и ,  – коэффициенты соответственно диффузионно-адсорбционного потенциала и активности вмещающей среды и пласта.

 

Фильтрационные и

        окислительно-восстановительные потенциалы ПС

Фильтрационные потенциалы или потенциалы течения наблюдаются при фильтрации бурового раствора из скважины в пласт или, наоборот, пластовых вод из пласта в скважину (в зависимости от соотношения давлений в пласте и скважине). Потенциалы течения возникают в связи с адсорбцией ионов поверхностью частиц, слагающих горную породу. Вследствие преобладающей адсорбции ионов одного знака в направлении движения жидкости образуется недостаток этих ионов, и на концах канала (капилляра) возникает разность потенциалов. Фильтрационные потенциалы в скважинах невелики и составляют обычно 4–5, реже 10 мВ. При фильтрации промывочной жидкости через глинистую корку возникает электродвижущая сила, которая зависит от ряда параметров, из которых основными являются: перепад давления по обе стороны глинистой корки и сопротивление продавливаемой жидкости. Глина также обладает некоторой проницаемостью, что вызывает возникновение ЭДС фильтрации и в них. В результате эффективная фильтрация ЭДС   представляет собой разность между электродвижущими силами, возникающими против глинистой корки проницаемых пластов   и контактирующих глин :

                                     =   – .                                   (3.6)

Заметное влияние на суммарное значение ПС ЭДС фильтрации  могут оказать лишь при слабоминерализованной промывочной жидкости, когда  превышает 1 Ом.м при значительном перепаде давления. При этом против проницаемых пластов в большинстве случаев наблюдается увеличение отклонения отрицательной аномалии на кривой ПС. Значение  не зависит     от диаметра пор и их длины и, следовательно, от проницаемости породы.

Окислительно-восстановительные потенциалы обусловлены различными химическими и электрохимическими реакциями, протекающими в скважине, они возникают в результате окислительно-восстановительных процессов, происходящих на контакте пород, имеющих электронную проводимость, с электролитами промывочной жидкости и пластовых вод.

Такими породами являются пирит и другие сульфиды, магнетит, графит, антрацит и различные сильнометаморфизованные угли. Окислительно-восстановительные процессы связаны с потерей электронов (окисление) или приобретением их (восстановление). О кисляющаяся среда, отдавая электроны, приобретает положительный заряд, а восстанавливающая, присоединяя электроны – отрицательный. Окислительно-восстановительные поля распространяются на десятки метров от рудных тел или угольных пластов.

В общем случае аномалии ПС в скважинах могут быть обязаны действию не одной, а сразу нескольких причин. Например, на песчано-глинистых разрезах проявляются и диффузионно-адсорбционные, и фильтрационные процессы, а на бурых углях – и диффузионно-адсорбционные, и фильтрационные, и окислительно-восстановительные.  над рудными подсечениями в скважинах может достигать 300–400 мВ. Такая большая величина объясняется не только интенсивностью окислительно-восста-новительных процессов, но и низким сопротивлением рудных тел электрическому току.

В разрезах нефтяных скважин окислительно-восстано-вительные ЭДС не имеют заметного распространения и для изучения таких разрезов малоперспективны.