Лекция 13

Метод потенциалов собственной поляризации. Природа электрических полей в скважине. Петрофизические и теоретические основы интерпретации диаграмм ПС. Область применения метода. Расчленение разреза.

При бурении скважины нарушается естественное залегание пород вследствие разрушения их режущим инструментом и воз­действия промывочной жидкости, в качестве которой используют воду, глинистые и глинисто-известковые растворы (иногда с до­бавлением нефти и различных эмульсий). При исследовании скважины методом ПС скважина должна быть заполнена промывочной жидкостью, через которую обеспечивается контакт измерительных установок с горными породами.

Промывочная жидкость оказывает существенное влияние на результаты исследований. При повышенной минерализации жидкости ухуд­шается качество геофизических материалов, а иногда и исключа­ется проведение электрокаротажа.

Обычно при бурении скважин гидростатическое давление промы­вочной жидкости превышает пластовое давление. Вследствие этого в проницаемые пласты проникают промывочная жидкость и ее отфильт­рованная часть (фильтрат), образующие зону проникновения. При этом на стенках сква­жины образуется глинистая корка. Часть зоны проникновения глубиной 10—12 см непосредственно примыкающая к стенкам скважины, называется промытой зоной; в ней промывочная жидкость и ее фильтрат составляют 80—90 % общего содержания флюида (пластовая вода, нефть, конденсат, газ) в пласте. Чаще всего за промытой зоной сле­дует зона проникновения, в кото­рой фильтрат составляет до 50% общего содержания флюида. Ино­гда диаметр зоны проникновения может достигать нескольких диамет­ров скважины и более, особенно в трещинных коллекторах (поро­ды, содержащие нефть, газ, конден­сат, воду и отдающие эти полезные ископаемые при существующем спо­собе разработки). Фильтрат, оттес­няя в глубь пласта имеющийся флюид, изменяет его физические свойства. Все же в прискважинной части пласта в тонких порах и ту­пиках остается от 15 до 30 % нефти и газа (остаточные), которые обнаруживаются геофизическими методами.

Наличие зоны проникновения и глинистой корки — один из признаков, по которому в разрезах скважин методами ГИС (в частности ПС) обна­руживают пласты-коллекторы В некоторых случаях в зоне проникновения происходит раз­бухание глинистых частиц, что приводит к ухудшению проницае­мости пласта, или растворение хемогенных пород.

Физические основы метода самопроизвольной поляризации (ПС)

В скважине, заполненной глинистым раствором или водой, и вокруг нее самопроизвольно возникают электрические поля, на­званные самопроизвольной или собственной поляризацией (естественные потенциалы).

Происхождение естественных потенциалов в скважине обуслов­лено главным образом диффузионно-адсорбционными, фильтра­ционными и окислительно-восстановительными процессами, воз­никающими на границах пластов, различающихся по своим литологическим свойствам (в основном глинистости пород), и на кон­такте промывочной жидкости в скважине и пластов, поры которых заполнены водой той или иной минерализации.

Диффузионно - адсорбционные потенциа л ы. Если допустить, что электрическое поле в скважине имеет диффузионно-адсорбционное происхождение, то для случая,
когда минерализация воды песчаного пласта С_в больше минерали­зации глинистого раствора С_с или (если выразить минерализацию
растворов через их. сопротивления) р_в<ρ_с справедливо схемати­ческое распределение электрического поля (зарядов) в скважине,
представленное на (Рис.9.1).

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 (Рис.9.1) схематически показано направление токовых линий, возникающих под влиянием диффузионно-адсорбционных потенциалов. Эти линии замыкаются на пересечении стенок скважины с границей пласта, где плотность тока наибольшая.

Рисунок 9.1. Образование Диффузионно – адсорбционного потенциала на контакте песчаного I и глинистого II пластов (б) и его эквивалентная электрическая схема в тождественных условиях (а).

1. направление диффузионных солей;

2. токовые линии;

3. график статических потенциалов ПС;

4. график фактических потенциалов ПС (р_в<ρ_с);

Известно, что уменьшение потенциала происходит в направлении движения тока и в местах максимальной его плотности наблюдается наибольшее изменение потенциала. В данном случае диффузионно-адсорбцион­ный потенциал Е_да = К_да lg (р_c/ρ_в), а диффузионный Е_д = К_д lg (р_c/ρ_в).

Следовательно, суммарные потенциалы в скважине

Е_пс = Е_д – Е_да = (К_д – К_да) lg (р_c/ρ_в) = - К_пс lg (р_c/ρ_в) (9.1)

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

В пластах, пересеченных скважиной, в контакт с пластовой водой вступает не глинистый раствор, а его фильтрат. Определение его сопротивления р_ф по р_с производится с помощью номограммы, построенной по экспериментальным данным (Рис.9.2).

Если допустить, что в контуре ток отсутствует, то вдоль каждой из сред должно наблюдаться постоянство потенциала. Величина Е_пс, отражающая амплитуду изменения потенциала естественного поля, является в этом случае статической амплитудой диффузионно-адсорбционного потенциала для чистого песчаного пласта (Рис.9.1, кривая 3).

Изменение потенциала 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.9.1, кривая 4).

Согласно формуле (9.1) аномалия естественных потенциалов ПС против песчаного пласта имеет отрицательный знак, если гли­нистый раствор менее минерализован, чем пластовая вода (р_ф>р_в) [прямые ПС], и положительный знак, если глинистый раствор бо­лее минерализован, чем пластовая вода (р_ф<р_в) [обратные ПС].

Рисунок 9.2. Палетка для определения удельных сопротивления фильтрата глинистого раствора ρ_ф и глинистой корки ρ_гк по удельному сопротивлению глинистого раствора ρ_с (в Омм).

На (Рис.9.1) 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 R_BM, R_Пи R_Ссоответственно эквивалентны сопротивлениям вмещающих пород (глин) пласта (песчаника) и столба промывочной жидкости в сква­жине.

Электродвижущая сила естественного потенциала в скважине

Е_пс = I (R_BM + R_П+ R_С) (9.2)

На участке скважины с сопротивлением R_Cразность потенциа­лов ΔU=IR_C соответствует полному изменению потенциала в скважине и является фактической амплитудой аномалии ΔU_пс в пласте:

ΔU_пс = Е_пс– I (R_n + R_ВМ) (9.3)

Как видно из формул (9.2) и (9.3), фактическая амплитуда аномалии ΔU_пс отличается от статической на величину I / (R_n + R_ВМ).

Для пластов большой мощности наибольшее сопротивление токовым линиям оказывает промывочная жидкость в скважине, где происходит почти полное падение потенциала и значением I (R_n + R_BM)можно пренебречь. В этом случае ΔU_пс ≈ E_пс.

Если мощность пласта мала, его сопротивление становится со­измеримым с величиной сопротивления столба жидкости в сква­жине и амплитуда отклонения кривых ΔU_пс = IR_Cсущественно отличается от статической амплитуды Е_пс.Это различие сказы­вается в наибольшей мере, когда пласт имеет малую мощность, а сопротивление пласта и вмещающей среды превышает сопротив­ление промывочной жидкости, заполняющей скважину. Для учета отклонения ΔU_пс от Е_псс в различных случаях выполнены различ­ные теоретические и экспериментальные исследования. Уравне­ние (9.1) получено для чистого неглинистого пласта, залегаю­щего в глинистой среде.

Наибольшее значение фактической амплитуды ΔU_пс, прибли­жающееся к Е_пс, наблюдается против мощного чистого (неглини­стого) пласта. При наличии в пласте глинистого материала коэф­фициент диффузионного потенциала принято обозначать через К´_да (К´_да > К_д). В результате [величины К_пс = К´_да - К_да и фактической амплитуды ΔU_псуменьшаются по сравнению с их значе­ниями для чистого пласта. Если К_да= К´_ла, аномалии естествен­ного потенциала ΔU_пс не возникают даже при наличии разницы в минерализации пластовой воды и фильтрата промывочной жидко­сти.

На основании выражений (9.1) можно записать:

Е_пс ≈ (К´_да – К_да) lg (р_ф/ρ_в) = (А´_да - А_да) lg (р_c/ρ_в) (9.4)

где К_да, К´_да и А´_да, А_да — коэффициенты соответственно диффу­зионно-адсорбционного потенциала и активности вмещающей среды и пласта.

Наиболее частые величины коэффициента диффузионно-адсорб­ционного потенциала К´_да некоторых горных пород при Т = 18 °С:

Пески, песчаники (неглинистые)..…………………от -5 до 10

Песчаники сцементированные, глинистые………...от 5 до 20

Алевриты, сильноглинистые песчаники..………от 10 до 35
Глины, аргиллиты….………………………………..от 35 до 50

На основании лабораторных измерений и анализа кривых ПС установлено, что фактические величины К_пс для неглинистых пес­чаных пластов несколько меньше расчетных. В скважинах могут возникнуть и электродвижущиеся силы фильтрационного проис­хождения, связанные с фильтрацией промывочной жидкости в пласт или пластовых вод в скважину; окислительно-восстановительные потенциалы, обусловленные окислительно-восстановитель­ными реакциями, протекающими в горных породах. Эти потен­циалы имеют, как правило, ограниченное распространение в раз­резах нефтяных скважин и учитываются при количественных рас­четах только в особых случаях.

Фильтрационные потенциалы ПС. 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 Е_{ф. эф} представляет собой разность между электродвижущими силами, возника­ющими против глинистой корки про­ницаемых пластов Е_ф. _п и контакти­рующих глин Е_{ф. гл}:

Е_{ф. эф} = Е_ф. _п - Е_ф. _гл (9.5)

Экспериментальными работами установлено, что в пластах, сло­женных песками, песчаниками и дру­гими проницаемыми породами, Е_ф. _п составляет десятые доли милливольта при Δр = 0,1 МПа и удельном со­противлении фильтрующего глини­стого раствора р_ф = 1 Омм. Обычно удельное сопротивление глинистого раствора менее 1 Омм, к тому же оно в значительной степени компенсируется потенциалами фильтрации, возникающими в глинах. В связи с этим в практической работе из-за их малости потенциалы фильтрации чаще всего не учитываются.

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

На (Рис.9.3) показана кривая ПС, записанная при различных уровнях промывочной жидкости для выявления наличия фильтра­ционных потенциалов в скважине. Скважина заполнена пресной жидкостью с удельным сопротивлением р_с = 4,3 Омм при 20 °С; сопротивление пластовой воды при той же температуре р_в = 0,25 Омм.

Как видно, снижение уровня промывочной жидко­сти на 50 м вызвало уменьшение амплитуды аномалии ПС, что обус­ловлено наличием против этих пластов фильтрационных потен­циалов.

Окислительно - восстановительные по­тенциалы. Окислительно-восстановительные ЭДС 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).

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

Рисунок 9.3. Запись кривых ПС для выявления фильтрационных потенциалов против проницаемых мелкозернистых песчаников.

Уровень промывочной жидкости:

1. – нулевой

2. – 50м.