1) Дать понятие метода
Метод ПС – это метод геофизического исследования скважин, который измеряет разность электрических потенциалов между электродом, перемещаемым по скважине, и неподвижным электродом на поверхности.
2) Решаемые задачи
Задачи:
- литологического расчленения разреза и корреляции геологического разреза;
- определение границ пластов.
- выделения пористых и проницаемых интервалов (пластов-коллекторов);
- оценка глинистости пластов, а в отдельных случаях может использоваться для оценки пористости;
- оценка сопротивления пластовых вод;
- определения минерализации пластовых вод.
3) Как работает метод
В результате электрохимической активности горных пород, находящихся в условиях естественного залегания, возникает естественное электрическое поле. Естественное поле, возникающее в скважине и около нее, называют самопроизвольной поляризацией, а измеряемую величину поля самопроизвольным потенциалом и сокращенно обозначают ПС. Метод ПС позволяет определять потенциал электрического поля, образование которого связано с физико-химическими процессами, протекающими на поверхностях раздела пластов и между пластами. В результате этих процессов на поверхностях раздела образуются двойные электрические слои, различные потенциалы которых создают величины напряженности электрического поля между горными породами и скважиной. При пресном буровом растворе, когда минерализация пластовой воды больше минерализации промывочной жидкости: песчаникам, известнякам соответствует отрицательный потенциал ПС (отрицательная аномалия (ΔUmin)); глинам - положительный потенциал (от повышенных до максимальных значений (ΔUmax)). Наличие отрицательной аномалии ПС – необходимый признак коллектора, но недостаточный. В карбонатном разрезе плотные известняки (не коллекторы) тоже характеризуются наибольшей отрицательной аномалией ПС. При интерпретации ПС используют значение статической амплитуды ПС (ΔUпс) и относительной. Отсчет берут справа налево. Для определения статической амплитуды ПС на диаграмме проводится условный нуль отсчета потенциалов - линия глин. Она проходит через максимальные значения кривой. Отклонение кривой от линии глин называется статической амплитудой ПС. Относительная амплитуда ПС (αпс)– это отношение статической амплитуды ПС против изучаемого пласта к максимальной статической амплитуде пласта, встречаемой в разрезе. Кривая потенциалов самопроизвольной поляризации (кривая ПС) обычно записывается одновременно с кривой сопротивления или с другими кривыми.
Возникновение поля зависит от нескольких взаимосвязанных физико-химических реакций:
1. Основной причиной возникновения ПС в осадочных породах является наличие процессов диффузии. Известно, что при растворении какой-либо соли в воде (например NaCl) ее молекулы полностью или частично диссоциируют, т.е. расщепляются на положительно и отрицательно заряженные ионы. На контакте двух растворов (например, скважина – пласт) ионы перемещаются из раствора с большей концентрацией в раствор с меньшей концентрацией. Различие в скоростях движения ионов приводит к образованию э.д.с., называемой диффузионным потенциалом.
Диффузионно-адсорбционные потенциалы – возникают при пересечении скважиной песчанистых пластов коллекторов. В естественных условиях минерализация пластовых вод выше, чем минерализация промывочной жидкости. В буровом растворе молекулы NaCl диссоциируют на катион Na и анион CL, каждый из которых диффундирует (распространяется/ пропитывается) с определенной скоростью, причем подвижность CL в 1,5 раза выше подвижности иона Na+. Следовательно, на границе скважина-пласт-коллектор происходит перераспределение зарядов. Промывочная жидкость за счет ионов CL-заряжается отрицательно, а пласт за счет Na+ положительно. Таким образом, на контакте песчаного пласта со скважиной образуется двойной электрический слой, потенциал которого называется диффузионно-адсорбционным.
2. Фильтрационный потенциал возникает во время продавливания (фильтрации) водного раствора солей через тонкие капилляры. Потенциалы фильтрации возникают при движении в порах горной породы, при этом происходит адсорбция (накопление на поверхности) анионов солей пластовых вод, а внутри капилляра образуется избыток катионов. 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.
3. Окислительно-восстановительные потенциалы возникают при наличии в разрезе рудных и сульфидных тел. Эти потенциалы возникают при химических реакциях между электропроводящими телами (сульфиды, графит, антрацит и др.), промывочной жидкостью скважины и пластовыми водами. Разность потенциалов между окисляющей средой и окислителем называется окислительно-восстановительным потенциалом.
Наибольшее распространение получили методы, основанные на диффузионно-адсорбционной активности.
Определение коэффициента глинистости по данным метода потенциалов собственной поляризации
Диаграммы метода ПС используются для определения глинистости в терригенных коллекторах с рассеянном в объёме породы глинистым материалом и в слоистых глинистых коллекторах.
Петрофизической основой для оценки глинистости в коллекторе с рассеянной глинистостью является связь между относительной амплитудой (αпс) и коэффициентом глинистости (Кгл).
Вид связей между αпс и Кгл зависит от ряда геолого-геофизических факторов, среди которых главные – адсорбционная способность глинистого материала и минерализация пластовых вод.
Определение Кгл по диаграмме ПС сводится к следущему:
Величина относительной амплитуды αпс вычисляется по формуле αпс = ∆Uпс max -∆Uпс пл / ∆Uпс max - ∆Uпс min , где Uпс– показания ПС, соответствующие показаниям в глинах и в чистых от глинистого материала опорных пластах с глинистостью 0%.
Далее возможен рассчёт коэффициента глинистости по палетке:
Принципиальная схема измерения потенциалов собственной поляризации ПС заключается в регистрации разности потенциалов ∆U (измеряется в милливольтах (мВ)) между двумя электродами M и N. Разность потенциалов между перемещаемым М и неподвижным N электродами указывает на изменение электрического потенциала вдоль ствола скважины. Электрод М перемещается вдоль ствола скважины, а неподвижный заземленный электрод N находится на поверхности вблизи устья скважины. Разность потенциалов между электродами M и N равна:
Метод ПС является одним из основных электрических методов при исследовании разрезов нефтегазовых скважин. Он включен также в обязательный комплекс исследований инженерно-геологических и гидрогеологических скважин. Для изучения рудных и угольных скважин используют методы гальванических пар (МГП) и электродных потенциалов (МЭП).
4) Схема измерения
5) Оборудование
6) Строение зонда
Схема строения зонда крайне проста и содержит только два приемных электрода и измерительный канал регистратора. Дополнительно в схему вводят градуированный компенсатор поляризации ГКП, с помощью которого устанавливают масштаб записи и выводят блик гальванометра фоторегистратора на середину диаграммной ленты перед началом записи. Масштаб диаграммы ПС равен постоянной измерительного канала по напряжению m, мВ/см.
Его устанавливают, подавая в измерительную цепь известную разность потенциалов с ГКП и добиваясь необходимого отклонения блика гальванометра посредством изменения чувствительности измерительного канала. Масштаб диаграммы ПС указывают в виде двунаправленной стрелки длиной 1 или 2 см, над которой подписывают количество мВ, приходящиеся на этот отрезок. Знаками "+" и "–" показывают направление увеличения и уменьшения разности потенциалов ПС.
Интересно отметить, что, несмотря на крайнюю простоту схемы, метод ПС появился на два года позднее метода КС, в 1929 году. До этого потенциалы ПС рассматривались только как помеха при записи КС и от них стремились избавиться. И только позднее было замечено, что если эту помеху регистрировать, то можно получить дополнительную информацию. С тех пор метод ПС стал применяться вместе с методом КС, причем была разработана аппаратура, позволяющая одновременно записывать обе диаграммы. Комплекс КС+ПС получил название стандартного электрического каротажа.
7) Дополнительные характеристики
В ПС используют потенциал-зонд, длина которого равна расстоянию между сближенными непарными электродами. Обычно длина зонда меняется от 0,5 до 3 м.
Радиус исследования равен двойной длине зонда.
Разрешающая способность: 0,8-3,3 м.
8) Ограничения метода
а) Пригоден только для открытого ствола скважины;
б) Регистрация невозможна, когда УЭС флюида = УЭС раствора (необходима разница в концентрации солей между пластом и буровым раствором);
в) Неточен в карбонатном разрезе (комбинирование ПС с другими методами, такими как электрическая томография или сейсмическое моделирование, может помочь получить более полное представление о структуре и свойствах породы);
г) Влияние внешних факторов (внешние электрические и магнитные поля могут значительно изменять свойства поляризации. Чтобы минимизировать это влияние, проводят эксперименты в изолированных условиях);
д) Температурные эффекты (при высоких температурах поляризация может изменяться, что затрудняет точные расчеты. Чтобы справиться с этим, часто проводят эксперименты при контролируемых температурах или используют термодинамические модели).
е) Часто не работает на больших глубинах, из-за электрических и температурных ограничений кабеля и оборудования, ухудшения условий измерения, влияния геологической среды и увеличения шумов. (Для глубоких скважин обычно применяют дополнительные методы или модификации, а также усиливают сигнал и используют специальные технологии обработки данных).
Тест
1. Что измеряется при методе ПС?
A) Электрическое сопротивление горных пород
B) Разность электрических потенциалов между электродом в скважине и электродом на поверхности
C) Температура бурового раствора
D) Концентрация солей в промывочной жидкости
2. Основные задачи метода ПС:
A) Литологическое расчленение и корреляция разреза
B) Определение границ пластов и выделение коллекторов
C) Измерение давления флюида
D) Оценка глинистости и минерализации пластовых вод
3. Что является основной причиной возникновения потенциала самопроизвольной поляризации в осадочных породах?
A) Процессы диффузии ионов на границе пласт–скважина
B) Механические колебания бурового инструмента
C) Радиоактивный распад минералов
D) Гидродинамическое давление пластовых вод
4. Какие типы потенциалов участвуют в формировании ПС?
A) Диффузионно-адсорбционные
B) Фильтрационные
C) Окислительно-восстановительные
D) Термоэлектрические
5. Какой знак потенциала ПС обычно наблюдается в песчаниках и известняках при пресном буровом растворе?
A) Положительный
B) Отрицательный
C) Нулевой
D) Переменный
6. Что такое статическая амплитуда ПС (ΔUпс)?
A) Максимальная разность потенциалов между электродами
B) Отклонение кривой ПС от линии глин на диаграмме
C) Среднее значение потенциала между двумя пластами
D) Показание прибора при нулевом токе
7. Что такое относительная амплитуда ПС (αпс)?
A) Отношение статической амплитуды изучаемого пласта к максимальной статической амплитуде в разрезе
B) Разность потенциалов между песчаником и известняком
C) Среднее значение всех измеренных амплитуд
D) Отношение тока к сопротивлению пласта
8. Каковы ограничения метода ПС?
A) Применим только в открытых стволах скважин
B) Не работает, если минерализация бурового раствора равна минерализации пластовой воды
C) Может использоваться для измерения радиоактивности пород
D) Неточен в карбонатных разрезах
9. Как определяется радиус исследования метода ПС?
A) Равен длине зонда
B) Равен двойной длине зонда
C) Не зависит от длины зонда
D) Зависит только от электропроводности флюида
10. Почему метод ПС рассматривается как один из основных электрических методов при исследовании скважин?
A) Позволяет выделять коллекторы и определять минерализацию вод
B) Прост по конструкции и регистрации данных
C) Используется совместно с методом КС в стандартном электрическом каротаже
D) Применяется только в угольных разрезах