Природні потенціали в свердловині

Методи потенціалів 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. 3.1). На поверхні розділу утворюються подвійні електричні шари, різні потенціали яких утворюють певні величини напруженості електричного поля між гірськими породами та свердловиною.

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:

,                                                        (3.1)

де K _д – коефіцієнт дифузійної електрорушійної сили:

,                                     (3.2)

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 (3.1) справедливе для ідеальних розчинів досить низької концентрації. У випадку реальних електролітів у виразі (3.1) необхідно замість концентрації С _в і С _ф використовувати значення активностей a _в= f ₁· C _в і a _ф= f ₂· C _ф, де f ₁, f ₂ – 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 (3.1) набуде виду:

.                                                               (3.3)

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

,(3.4)

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:

.                                 (3.5)

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 r _ф, r _в.

Фільтраційні потенціали

У випадку руху рідини через гірські породи при певних умовах виникають потенціали фільтрації.

На поверхні розділу капіляра, що моделює одиничну пору породи, з розчином електроліту формується подвійний електричний шар (Рис.3.2). Зовнішня його частина утворена дифузним шаром іонів, товщина якого тим більша, чим менша концентрація розчину. Якщо між кінцями капіляру створити різницю тисків D 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.

Величина потенціалу фільтрації через капіляр визначається формулою Гельмгольца:

,                                                 (3.6)

де r _р – питомий електричний опір рідини; x – електрокінетичний потенціал, який рівний різниці потенціалів на границі рухомої та нерухомої частин подвійного шару та вільного розчину; h – в’язкість рідини в капілярі.

Потенціал фільтрації для порід в свердловинних умовах визначається за формулою:

                                            (3.7)

де А _ф – фільтраційна активність середовища, що досліджується; m – показник степеня, який обернено-пропорційно залежить від ємності обміну q _п породи (при q _п®0 величина m ®1); n – емпіричний коефіцієнт, який вимірюється від 0.5 до 1; величина D p = p _c– p _пл – перепад тисків між свердловинним і пластовим.

 

Окисно-відновні потенціали

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.

 

7.2 Спосіб реєстрації поте­нціалів ПС

Реєстрація потенціалів ПС полягає в наступному. В наявності є два вимірювальні електроди М і N. Електрод М розміщується в свердловині та рухається вздовж її осі, електрод N розміщується нерухомо на поверхні поблизу устя свердловини. Електроди М і N у сукупності представляють собою найпростіший одноелектродний зонд. Між електродами М і N включається вимірювальний прилад, наприклад, гальванометр (Рис. 3.3). Реєструється різниця потенціалів D U _сп, яка виникає між електродами М і N:

U _СП= U _{СП M}- U _{СП N},                                                        (3.8)

де U _{СП M}  і U _{СП N} – потенціали природного електричного поля в точках М і N. Так як потенціал U _{СП N} практично в часі не змінюється, якщо електрод N розміщений у стабільному за фізико-хімічним складом середовищі, то різниця потенціалів D U _СП буде відрізнятись на сталу величину від значення U _{СП N}, тобто D U _СП= U _{СП M}- U _const; таким чином, U _СП – крива відносного вимірювання потенціалу електрода М в свердловині і тому не має нульової лінії.

Точкою запису кривої СП є електрод М. Різниця потенціалів записується в мілівольтах (мВ або mV).

Форми кривих ПС

Як вже було сказано вище, криві СП не мають нульової лінії. На діаграмах кривих СП можуть бути нанесені умовні “нульові” лінії – лінія глин та пісковиків. “Нульова” лінія глин проводиться за максимальними значеннями потенціалу U _СП навпроти потужних однорідних глинистих товщ. Дана умовна лінія займає переважно крайнє праве положення. Лінія пісковиків встановлюється за максимальними від’ємними амплітудами кривої СП і займає, як правило, крайнє ліве розміщення. Від рівня лінії глин знімається амплітуда D U _СП.

Якщо вміщуючі породи характеризуються близькими величинами природної електрохімічної активності, то аномалія кривої U _СП в такому пласті симетрична відносно його середини. При потужності пласта h, яка перевищує три розміри діаметра свердловини d _c, границі пластів складають половину максимального відхилення амплітуди D U _СП  від лінії глин, при h <3 d _c – більше половини максимального відхилення аномалії D U _СП, і тим ближче зміщуються границі пласта до максимуму, чим менше h (Рис.3.4).

Масштаб кривої СП виражається числом мілівольт на 1 сантиметр і повинен бути вибраний таким, щоб амплітуди відхилення кривих знаходились у межах 2-7 см. Якщо максимальні відхилення амплітуд СП не перевищують 2см, слід реєструвати криву СП у меншому масштабі. Переважно використовуються масштаби 5, 10 і 12.5 мВ/см.

Вертикальний масштаб глибин – 1:200 і 1:500; у випадку тонкошаруватого розрізу – 1: 50.

Швидкість запису кривих СП може досягати 3000-4000 м/год.