Естественные потенциалы горных пород

Метод собственных потенциалов (СП) заключается в изучении естественных электрических полей, возникающих в скважинах. Эти поля образуются благодаря процессам диффузии и адсорбции ионов, а также при фильтрации жидкости в пласт.

Диффузионный потенциал Е_д. На контакте растворов солей с разной минерализацией всегда возникает процесс диффузии. Ионы из более концентрированного раствора переходят в менее концентрированный. Так как ионы разного знака передвигаются с разной скоростью, то в одном из контактирующих растворов окажется избыток анионов, а в другом - избыток катионов. Это приводит к образованию ЭДС, называемой диффузионным потенциалом. Для растворов одинакового химического состава диффузионная ЭДС (Е_д) определяется формулой Нерста:

Е_д = ,

где R – универсальная газовая постоянная, Т – температура раствора, n – валентность ионов, F – число Фарадея, U и V – подвижности катионов и анионов, С₁ и С₂ – концентрация растворов, k_д – коэффициент диффузионного потенциала.

С Поскольку в пластовых водах и буровом

+ _ _ растворе преобладает соль NaCl, для ко-

+ _ торой подвижности катиона U_Na=40, ани-

_ _ + _ она V_Cl=60, а концентрации ионов обратно

+ пропорциональны удельным сопротивле-

_ + _ ниям, то для скважины при t=18^оС имеем

+ + _ Е_д=-11.6 lg(r_ф/r_в), а знак потенциала соот-

_ ветствует заряду менее концентрирован-

+ _ ного раствора (раствора в скважине).

 

Рис 2.36. Схема возникновения

диффузионного потенциала.

Диффузионно-адсорбционный потенциал E_да. На контакте горных пород с буровым раствором диффузия происходит в порах, размеры которых значительно изменяются. Так, для песков и песчаников радиус пор превышает 10 мк, для алевролитов он изменяется от 10 до 1 мк, для глин r<0.1 мк и может достигать 10^-3 мк. На поверхности поровых каналов всегда образуется двойной электрический слой. Внутренняя его обкладка обычно отрицательная, внешняя - положительная. Толщина двойного слоя для пород и природных вод составляет 10^-2 мк и менее. При этом, если толщина слоя ничтожно мала по сравнению с размерами пор, диффузия в нем идет по тому же закону, что и при непосредственном кон-

такте растворов. Поэтому на грани-

це песчаника со скважиной обра- _ _ _ _ _ _ _

зуется скачок потенциала Е_д. + + + _ + + + _

Если радиус порового канала _ + _ + _ + + _

близок к толщине двойного + + + + + + +_

слоя, то практически все анионы, - - - - -

находящиеся в таком канале, будут

адсорбированы и неподвижны. Под Рис.2.37. Поровый канал:

действием перепада концентрации радиус >> толщины двойного слоя

сохраняет способность перемещаться

только катион внешнего слоя. Изменение подвижностей ионов в тонких капиллярах является причиной изменения величины и знака возникающего потенциала. Для идеально адсорбирующего глинистого пласта U=0 и на границе со скважиной образуется ЭДС, на-

зываемая диффузионно-адсорбцион-

ным потенциалом: Е_да=к_даlg(r_ф/r_в), _ _ _ _ _ _ _

где к_да = +58 мв. При этом менее + + + + + +

концентрированный раствор заря- + + + + + +

жается положительно. Фактическое ` ` ` ` ` ` +

значение коэффициента к_да для гли-

нистых пород составляет 35-50 мв. Рис.2.38. Поровый канал:

радиус » толщине двойного слоя

Фильтрационный потенциал Е . Фильтрация раствора электролита в капилляре приводит к движению не только свободного раствора, но и подвижной части внешней обкладки двойного слоя. Это создает разность потенциалов течения между концами капилляра. Сторона капилляра, к которой приложено давление, принимает отрицательный заряд. При бурении наблюдается фильтрация жидкости из скважины в проницаемые пласты, потому что

давление столба бурового раствора, как пра-

вило, превышает пластовое. Поскольку поро-

вое пространство представляет собой как бы

+ + + + + + + + _ систему капилляров, то при фильтрации про-

+ _ + + _ мывочной жидкости породу в ней возникает

Å + + + + + + фильтрационный потенциал

`` `` `` `` ` ` , где к - коэффициент

Рис.2.39. Схема возникновения фильтрационного потенциала, - перепад

фильтрационного потенциала давления, и - соответственно удельное сопротивление и вязкость фильтрата раствора. При фильтрации в пласт этот потенциал имеет отрицательный знак и, накладываясь на диффузионный потенциал, приводит к увеличению аномалии кривой СП против пласта.

Из-за незначительной величины фильтрационные потенциалы играют небольшую роль при образовании потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине.