Питання для самоперевірки

1. Яка структура сучасної геофізики? Геофізичні дослідження свердловин (ГДС) як складова частина прикладної геофізики. Структура ГДС.

2. Що являється об’єктом вивчення геофізичними методами дослідження свердловин (ГМДС)?

3. Які особливості ГМДС у порівнянні із іншими геофізичними методами досліджень?

4. Назвіть умови вимірів у свердловинах, як вони впливають на вибір методів і результати досліджень? Наведіть приклади.

5. Назвіть основні задачі, що вирішуються за даними ГМДС.

6. Які групи методів ГДС Ви знаєте? Що покладено в основу їхньої класифікації?

7. Яким чином відбувається отримання та передача геофізичної інформації з вибою на поверхню?

8. Назвіть основні етапи розвитку ГДС.

Рекомендована література

1. Дьяконов Д. И., Леонтьев Е. И., Кузнецов Г. С. Общий курс геофизических исследований скважин. – М.: Недра, 1984.

2. Зельцман П. А. Конструирование аппаратуры для геофизических исследований скважин. – М.: Недра, 1968.

3. Зайченко В. Ю. Страницы истории отечественного приборостроения в области геофизических исследований скважин (1917-1991 гг.). – Тверь: Изд. АИС, 2006.

Частина іі електрохімічні та електричні методи дослідження свердловин

Глава 1. Електрохімічні методи

В цю групу методів входять звичайний метод потенціалів СП, метод градієнта СП, метод електродних потенціалів (МЕП), метод гальванічних пар (МГП) та інші модифікації методу природного електричного поля, а також метод викликаної поляризації (ВП).

§7. Метод самочинної поляризації (сп)

Фізико-хімічні основи методу СП

Метод СП оснований на вимірах електрохімічних потенціалів, що виникають в гірських породах при перетині їх свердловиною.

Виникнення природного електричного поля в свердловині обумовлюється фізико-хімічними процесами, що відбуваються на границях між гірськими породами та буровим розчином і на границях між пластами.

Основними процесами при цьому є:

1. дифузія солей із пластових вод в буровий розчин і навпаки, адсорбція іонів розчинених солей твердою фазою породи, що породжує дифузійно-адсорбційну електрорушійну силу (е.р.с.) – ;

2. фільтрація вод із бурового розчину в гірські породи і пластових вод – в свердловину, що породжує фільтраційну е.р.с. – ;

3. окисно-відновні реакції, що відбуваються в гірських породах і на контакті порід з буровим розчином і металами, та обумовлює виникнення окисно-відновну е.р.с. – .

Здатність гірських порід поляризуватися під впливом зазначених та інших природних фізико-хімічних процесів називається природною електрохімічною активністю ( ). В результаті цих процесів виникають дифузійно-адсорбційні ( ), фільтраційні ( ) і окисно-відновні ( ) потенціали, інтенсивність і знак яких залежить головним чином від електрохімічної активності гірських порід (відповідно, від , та ), відношення мінералізацій фільтрату бурового розчину ( ) та пластової води ( ), різниці між гідростатичним тиском стовпу бурового розчину та тиском у пласті (гірським тиском).

Електрохімічна активність гірських порід визначається їх мінералогічним складом, структурою порового простору, питомою поверхнею (дисперсністю), вологістю, фізико-хімічними властивостями пластових вод та ін.

Дифузійно-адсорбційна е.р.с. ( )

Дифузійна е.р.с.

Потенціали вільної дифузії спостерігаються на границях розчинів солей різної концентрації. Розглянемо, наприклад, два розчини різної концентрації ( ), що безпосередньо контактують між собою (рис. 5). В такому випадку буде мати місце вільна дифузія іонів (катіону та аніону ) із розчину з більшою концентрацією в розчин з меншою концентрацією. Оскільки різні іони мають різні розміри та рухливості¹ ( – рухливість катіону, – рухливість аніону), то розчин з меншою концентрацією набуває знаку більш рухливого іону, а, відповідно, розчин з більшою концентрацією – іншого знаку. Таким чином породжується е.р.с. дифузії ( ), величина якої в загальному випадку (для розчинів різних солей) описується відомим рівнянням В. Нернста:

, (1)

де: та – концентрації електролітів [моль/л]; – коефіцієнт дифузійної е.р.с. [мВ], що визначається наступним чином:

(2)

Тут: – універсальна газова постійна; – температура, [K]; – число Фарадея; – кількість катіонів та аніонів, на які дисоціює одна молекула електроліту, та їх валентності відповідно; та – рухливості катіонів та аніонів відповідно, [См·см²/моль].

Рис. 5. Схема фізичної моделі контакту двох розчинів з різними концентраціями NaCl (C₁<C₂), розділених пористою мембраною. Внаслідок того, що іони хлору є більш рухливими, ніж іони натрію, вони будуть швидше дифундувати у менш концентрований розчин, і невдовзі він набуде від’ємного знаку, оскільки в ньому переважатимуть аніони. По інший бік мембрани будуть переважати катіони, і розчин матиме позитивний заряд. Таким чином між електродами M і N виникає різниця потенціалів ∆U_MN, що чисельно дорівнює е.р.с. дифузії Е_д.

У випадку одно-одновалентних розчинів (як у нашому випадку – електроліт ) попередній вираз спрощується:

(3)

Середнє значення рухливостей катіону та аніону при температурі С (291 К) дорівнюють: = 40, = 60 См·см²/моль. Тоді:

Замінивши натуральний логарифм у виразі (1) десятковим та взявши до уваги, що концентрації іонів є обернено пропорційними питомим електричним опорам розчинів, вираз для дифузійної е.р.с. можна записати:

(4)

Підставивши значення констант, отримаємо:

(5)

Тут мВ.

Таким чином, е.р.с., що виникає в результаті вільної дифузії, визначається тільки фізико-хімічними властивостями електролітів і залежить від співвідношення концентрацій розчинів. На границі двох розчинів з однаковою концентрацією дифузійна е.р.с. відсутня.

Дифузійно-адсорбційна е.р.с.

В реальних свердловинних умовах процес дифузії відбувається в присутності гірських порід, що характеризуються різними фізико-хімічними властивостями (проникність, пористість, адсорбційна активність та ін.). Гірська порода спричиняє на процес дифузії іонів тим більший вплив, чим більшою є її дисперсність (питома поверхня мінерального скелету). Річ у тому, що на поверхні твердої фази порових каналів формується подвійний електричний шар. Внутрішня обкладинка шару, зазвичай, є негативно зарядженою (за рахунок вибіркової адсорбції аніонів розчину скелетом гірської породи), а зовнішня – позитивно зарядженою (рис. 6).

Рис. 6. Модель гірської породи: твердий скелет та тріщіно-поровий простір, заповнений розчином електроліту; навколо мінеральних зерен породи утворюється подвійний електричний шар з іонів солей.

Якщо товщина шару є незрівнянно малою у порівнянні із розміром пор (як, наприклад, у чистому кварцовому пісковику), дифузія іонів відбувається згідно із раніше розглянутим законом вільної дифузії (присутністю гірської породи та її впливом на процес дифузії можна знехтувати, оскільки дифузійно-адсорбційна активність такої породи прямує до нуля). Тоді на границі такої породи (з мінералізацією пластової води ) і свердловини (з мінералізацією фільтрату бурового розчину ) утворюється дифузійно-адсорбційна е.р.с. (рис. 7):

(6)

Отже, для такого випадку мВ.

Рис. 7. Модель «свердловина – пористий пласт». Внаслідок більшої рухливості аніону (іону хлору) розчин в околі електроду М буде насичуватися від’ємно зарядженими іонами і, відповідно, потенціал електроду М буде від’ємним по відношенню до потенціалу електроду N, який вважається постійним.

Якщо розміри пор є співставними за розмірами із товщиною подвійного електричного шару (як, наприклад, у заглинизованих породах), вплив гірської породи на процес дифузії стає досить значним і є тим більшим, чим меншим є радіус пор гірської породи (чим більшою є дисперсність породи). У випадку чистих глин, радіус пор яких є співрозмірним із розмірами аніонів хлору, адсорбуватися та утримуватися на поверхні твердої фази гірської породи будуть насамперед аніони, рухливість яких при цьому прямує до нуля ( ). В той же час катіони натрію продовжують рухатися в бік свердловини (за умови, коли концентрація іонів у пластових водах перевищує концентрацію у фільтраті бурового розчину , що зазвичай має місце при дослідженні свердловин). Тоді навпроти такої породи менш концентрований буровий розчин заряджається позитивно (рис. 8). Для чистих глин та розчинів при температурі С (291 К):

, (7)

де мВ.

Рис. 8. Схематичне зображення системи «свердловина – слабко проникна гірська порода». Частинки гірської породи, капіляри, іони солей зображені в значно більшому масштабі у порівнянні з діаметром свердловини. Стрілками вказаний напрям дифузії іонів (з гірської породи в свердловину, оскільки мінералізація пластової води є більшою за мінералізацію фільтрату бурового розчину ).

Таким чином, для реальних свердловинних умов та гірських порід різної літології в залежності від їх дисперсності коефіцієнт дифузійно-адсорбційної е.р.с. змінюється від мВ (чисті пісковики) до мВ (чисті глини). Мірою відмінності дифузійно-адсорбційної е.р.с. від дифузійної е.р.с. (та, відповідно, від ) являється коефіцієнт дифузійно-адсорбційної активності гірських порід. У загальному випадку . Для порід з низькою адсорбційною активністю , коли , , а для високодисперсних порід коефіцієнт є достатньо великим, і в цьому випадку .

Отже, в умовах свердловини процеси дифузії і адсорбції відбуваються спільно і призводять до утворення дифузійно-адсорбційної е.р.с. , що залежить не тільки від фізико-хімічних властивостей розчинів ( ) та співвідношень їх концентрацій, але й від фізико-хімічних (в т.ч. колекторських) властивостей гірських порід ( ).

Необхідно підкреслити, що знак е.р.с. в свердловині навпроти досліджуваної породи визначається лише співвідношенням мінералізацій (або опорів) пластової води та фільтрату бурового розчину. Так, при (розглянута вище теорія відповідає цьому випадку) пласти-колектори характеризуються негативними значеннями , а глини – позитивними. При оберненому співвідношенні та ( ), навпаки – глини будуть відмічатися негативними значеннями , а пласти-колектори позитивними.

Фільтраційна е.р.с. ( )

Під час буріння свердловини та одразу після його завершення у проникні пористі породи відбувається фільтрація рідини із свердловини в пласти за рахунок перепаду тиску , оскільки зазвичай тиск стовпа бурового розчину в свердловині ( ) перевищує пластовий тиск ( ), що обумовлений тиском залягаючих вище гірських порід.

Рухаючись капілярами гірської породи, фільтрат бурового розчину спонукає до руху не тільки вільний електроліт, але і зміщує більш рухому частину зовнішньої обкладинки подвійного електричного шару, що сформувався на стінках капілярів (рис. 9). В результаті такого зміщення позитивних зарядів відносно негативних (деформації подвійного шару) в гірській породі виникає фільтраційна е.р.с.:

, (8)

де – фільтраційна електрохімічна активність, яка залежить від структури порового простору і властивостей рідини, що фільтрується; – питомий електричний опір фільтрату бурового розчину; – перепад між гідростатичним та гірським тиском.

Рис. 9. Схематичне пояснення механізму утворення фільтраційної е.р.с. Стрілками позначений напрямок руху фільтрату бурового розчину (зі свердловини в капіляри гірської породи). Внаслідок виносу позитивно заряджених іонів та при виконанні умови ρ_ф > ρ_в в околі свердловини переважатимуть негативні заряди, які і будуть визначати знак фільтраційної е.р.с.

З формули (8) видно, що фільтраційна е.р.с. є тим значнішою, чим більшим є питомий опір фільтрату бурового розчину та перепад між гідростатичним та гірським тиском. У більшості випадків є таким, що величини є малими, тому роль фільтраційних потенціалів при утворенні природного електричного поля (е.р.с. СП) в свердловині є мізерною у порівнянні із дифузійно-адсорбційними потенціалами для нафтогазових свердловин та окисно-відновними потенціалами для вугільних і рудних свердловин.

Помітний вплив потенціали фільтрації можуть спричиняти при порівняно прісних (слабко мінералізованих) бурових розчинах, коли Ом·м. При фільтрації рідини із свердловини в пласт утворюється від’ємна різниця потенціалів фільтрації, яка, складаючись із від’ємною різницею потенціалів дифузійно-адсорбційного походження (при ), збільшує амплітуду кривої СП навпроти проникних пластів.

Окисно-відновна е.р.с. ( )

Електрорушійна сила, яка утворюється в результаті хімічних реакцій, що відбуваються на границях порід з буровим розчином та вміщуючим середовищем, називається окисно-відновною е.р.с. Найбільша окисно-відновна активність притаманна гірським породам та мінералам із електронною провідністю.

Різні гірські породи: сульфіди, залізні руди, графіт, антрацит і кам’яне вугілля – піддаються окисно-відновним реакціям в умовах їхнього природного залягання та на границі із свердловиною – при розкритті. Вид цих реакцій визначається речовинним складом породи, вмістом кисню в оточуючому середовищі, водневим показником рН та окисно-відновним фактором Eh, температурою, хімічним складом пластових вод, бурового розчину та вміщуючих порід.

Окисно-відновні реакції також призводять до появи електричного заряду на поверхні породи. Типовим прикладом окислювальної реакції є взаємодія піриту з водою та розчиненим в ній кисні:

2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO₄ + 2H₂SO₄.

Залізо, окислюючись, втрачає електрони, і при цьому пірит заряджається позитивно, а сам розчин при цьому набуває негативного заряду за рахунок аніонів SO₄^--.

Натомість, окисно-відновні реакції між водним розчином та вугіллям відбуваються таким чином, що поверхня вугілля набуває негативного заряду, а розчин – позитивного.

Зазначимо, що у формуванні природних електричних полів нафтових, газових та гідрогеологічних свердловин переважну роль відіграють дифузійно-адсорбційні процеси і, в деяких випадках, фільтраційні потенціали. При дослідженні рудних та вугільних свердловин методом СП основна роль належить окисно-відновним процесам, що породжують однойменну е.р.с. .

Співвідношення між статичним значенням е.р.с. ( ) та зареєстрованим значенням потенціалу СП ( )

На контактах порід з різними електрохімічними активностями під впливом розглянутих вище процесів утворюються джерела е.р.с., алгебраїчна сума котрих породжує так звану статичну (теоретичну) амплітуду СП – . Завдяки цій е.р.с. виникають струми СП – . Величину статичної амплітуди СП у свердловині можна представити як загальне падіння напруги в ланцюгу, що утворений пластами з різними електрохімічними активностями та буровим розчином:

, (9)

де , , – опори ділянок ланцюгу: досліджуваного пласта, вміщуючих порід та свердловини (бурового розчину) відповідно.

При досліджені потенціалів самочинної поляризації в свердловині реєструють не статичну, а спостережену амплітуду СП – , яка складає лише частину статичної амплітуди і дорівнює падінню напруги на ділянці ланцюгу, утвореної тільки свердловиною (буровим розчином):

(10)

Таким чином, зареєстрована у свердловині спостережена амплітуда у загальному випадку є меншою за статичну величину е.р.с. на величину падіння напруги в пластах гірських порід.

Відомо, що повний опір провідника довжиною та площею поперечного перетину є прямо пропорційним питомому опору та обернено пропорційним його перетину:

(11)

Отже, якщо потужності пластів є значними (тобто перетини і для струму є достатньо великими) та питомі опори та є достатньо малими, то сума у виразі (10) стає як завгодно малою, і .

Принцип реєстрації кривих СП. Модифікації методу СП.

Принципи запису кривих СП залежить від модифікації методу СП.

Звичайний метод СП

В звичайній модифікації методу СП, що є найбільш поширеною на виробництві, застосовується схема запису діаграми , в котрій використовується двоелектродна установка MN (рис. 10, а). Електрод M переміщується вздовж стовбура свердловини, а електрод N заземлюється поблизу гирла свердловини. Різниця потенціалів записується за допомогою приладу реєстрації (ПР), увімкненого в лінію MN:

,

де та – потенціали середовища в околі електродів M та N. Потенціал електрода N практично не змінюється в часі (за умови стабільності фізико-хімічних умов його заземлення). Тоді .

Таким чином, результати вимірів являють собою криву зміни величини потенціалу електрода M по свердловині відносно деякого постійного, але невідомого, значення потенціалу електрода N. Саме тому діаграма не має початку відліку (не має нульової лінії).

При зануренні вимірювальних електродів M та N у водний розчин між ними виникає електродна різниця потенціалів, що не містить корисної інформації про розріз свердловини. Якщо фізико-хімічні і температурні умови у середовищі, що оточує електроди, змінюються незначно, то електродна різниця потенціалів залишається практично сталою. Мінімізувати величину електродних потенціалів вдається за рахунок виготовлення вимірювальних електродів M та N з одного металу. Також перед початком вимірів електродна різниця потенціалів компенсується різницею потенціалів, протилежною за знаком. Пристрій для компенсації електродних потенціалів називається компенсатором поляризації.

Крива самочинної поляризації , що реєструється в свердловині, характеризує зміну величини потенціалу електричного поля у електрода M з глибиною. Тому точка запису відноситься до електрода M. Одиниці виміру – мілівольти (мВ). Масштаб запису кривої СП виражається числом мілівольт на 2 см діаграмної стрічки та позначається у вигляді двонаправленої стрілки із зазначенням полярності та конкретного масштабу: 10, 20, 25 або 50 мВ / 2 см (рис. 11). Вертикальні масштаби глибин визначаються задачами досліджень і можуть становити: 1:500, 1:200 (в промисловій геофізиці) та 1:50 (в рудних і вугільних свердловинах). Швидкість запису кривої СП (швидкість переміщення електроду M) в залежності від свердловинних умов може сягати 3000-4000 м/год.

Метод градієнту потенціалу СП

В цій модифікації в свердловину опускають обидва електроди M та N (рис. 10, б), що розташовуються на незначній відстані один від одного (до 1 м), і вимірюють зміну на відстані MN, тобто величину градієнту природного поля . Крива, що при цьому реєструється, називається кривою градієнту СП. ЇЇ записують для детального вивчення гірських порід у розрізі свердловини (особливо у вугільних та рудних), а також у випадках сильних блукаючих і телуричних струмів, що спотворюють звичайну криву СП.

Метод електродних потенціалів (МЕП)

Метод застосовується при дослідженні свердловин, що буряться на рудних родовищах, а також на родовищах графіту та антрациту. Реєструються електродні потенціали¹, що виникають на поверхні дотику тіл з електронною провідністю із оточуючим середовищем. У цьому випадку зондова установка складається з двох електродів M та N, що виготовлені з одного металу (зазвичай Zn). Один з електродів (М) ковзає по стінці свердловини, а здвоєний електрод порівняння (N) розташований поблизу електрода М (рис. 10, в). Коли ковзний електрод М торкається породи із електронною провідністю, він набуває електродний потенціал досліджуваного об’єкту, і тоді між електродами М і N виникає різниця потенціалів . Ця величина буде тим більшою, чим більшою є різниця електродних потенціалів об’єкту дослідження і металу, з якого зроблені електроди.

Метод гальванічних пар (МГП)

Метод потенціалів гальванічних пар базується на вивченні електричного поля, обумовленого нанесеним на рудне тіло тонким шаром металу, електродний потенціал якого суттєво відрізняється від електродного потенціалу природного провідника. Шар металу у сукупності із рудним тілом утворюють у водному розчині електроліту замкнений гальванічний елемент (гальванічну пару), в якому метал електроду відіграє роль анода, а рудне тіло являється катодом.

Головна ідея методу полягає у нанесенні на гірські породи з електронною провідністю тонкої риски металу спеціальним електродом, що ковзає по стінці свердловини. Тим самим утворюються гальванічні пари. Поле гальванічних пар швидко спадає у часі. Наприклад, поле гальванічної пари «пірит – цинк» через 1 хвилину після нанесення металевої риски досягає 600 мВ, а вже через 7 хвилин потенціал практично повністю зникає.

Величина потенціалу гальванічних пар залежить від співвідношення твердості рудних тіл та металу електрода, яким наноситься риска на породу. Чим більш твердим є рудне тіло, тим помітнішим стає на ньому слід електрода (електрод стирається об рудне тіло), тим більшою є величина потенціалу поля гальванічних пар і, відповідно, тим довше його можна спостерігати. Наприклад, твердості галеніту і цинку є близькими, а піриту і цинку – відрізняються, тому в першому випадку потенціали поля гальванічних пар практично відсутні. На графіт та вугілля металевий електрод практично не наносить риски, і потенціал в них близький до нуля. Для виготовлення електродів використовується цинк та деякі марки сталі.

Криву потенціалів поля гальванічних пар найбільш доцільно реєструвати одразу після нанесення металевої риски, тобто одночасно із записом діаграми електродних потенціалів. Для цієї мети доцільно використовувати додатковий вимірювальний електрод М', що розташовується на деякій віддалі від ковзного електроду і не торкається стінки свердловини (рис. 10, г).

Поле потенціалів гальванічних пар є полем подвійного електричного шару, тому крива зміни потенціалів за конфігурацією є аналогічною кривій звичайного потенціалу СП дифузійно-адсорбційного та фільтраційного походження.

Рис. 10. Схеми вимірів у свердловинах різними модифікаціями методу самочинної поляризації: а) звичайний метод СП; б) метод градієнту потенціалу СП; в) метод електродних потенціалів; г) метод гальванічних пар. КП – компенсатор поляризації; РП – реєструючий прилад.

Область застосування та вирішувані задачі

Дані методу СП широко використовуються при вирішенні задач промислової геофізики, гідрогеології, інженерної геології, при пошуках і розвідці вугілля, зон зруднінь та інших задач.

Такий широкий спектр застосування пояснюється тим, що в фізико-хімічній основі методу СП та його модифікацій лежить, як зазначалося вище, така важлива характеристика геологічного середовища, як електрохімічна активність. Остання визначається великою кількістю різноманітних фізико-хімічних властивостей гірських порід: мінералогічним складом, питомою поверхнею (дисперсністю), структурою порового простору, вологістю, фізико-хімічними властивостями пластових вод. Одночасно із тим метод СП характеризується простотою вимірювальної апаратури та методики проведення досліджень.

Геологічна інформативність методу та простота технології виконання робіт обумовили включення методу СП в раціональний комплекс геофізичних методів досліджень практично в усіх свердловинах.

В звичайній модифікації метод потенціалів СП являється обов’язковим при дослідженні свердловин різного призначення, перш за все нафтових, газових, а також інженерно-гідрогеологічних свердловин. Якісна та кількісна інтерпретація даних цього методу дозволяє вирішувати наступні задачі:

• розчленування геологічного розрізу на окремі пласти і пропластки (визначення їх границь);

• визначення (уточнення) літології гірських порід на основі диференціації їх за природною електрохімічною активністю ( );

• виділення порід-колекторів та порід-покришок, насамперед, глинистих;

• проведення кореляції розрізів свердловин;

• визначення колекторських властивостей порід – коефіцієнтів глинистості, пористості;

• оцінка мінералізації пластових вод та ряд інших геологічних задач.

Дані методів градієнту потенціалу СП та методу електродних потенціалів успішно використовуються при вивченні розрізів рудних та вугільних свердловин.

Діаграми градієнта потенціалу СП, вільні від впливу блукаючих струмів, дозволяють детально розчленовувати розрізи свердловин, чітко відбивати границі рудовміщуючих та вугільних пластів. За даними цього методу, як і за даними звичайного методу СП, можливо визначити зольність вугілля.

Дані МЕП дозволяють виділяти тіла з електронною провідністю, що вміщуються серед порід з іонною провідністю. У сприятливих випадках за результатами МЕП, використовуючи дані інших геофізичних методів, можна встановити мінеральний склад корисних копалин.

Нижче наведений приклад поведінки діаграми методу СП в свердловині, що розкриває теригенний геологічний розріз (рис. 11).

Рис. 11. Приклад запису кривої самочинної поляризації