Геофизические исследования скважин

СКВАЖИНА - ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИС
необсаженный ствол скважины
обсаженный ствол скважины
Диаметр скважины
Диаметр каверны
Диаметр зоны
проникновения
Диаметр промытой
зоны
h
Мощность
пласта
Диаметр
обсадной
колонны
-известняк плотный
- глина
-песчаник проницаемый
-зона проникновения фильтрата промывочной жидкости
-промытая зона
-цемент
-колонна
dc
dк
Dзп
Dпп
hгк
dок
толщина глинистой
корки

Метод ПС
Метод ПС появился на 2 года позднее метода КС, в 1929 году. До этого потенциалы ПС рассматривались только как помеха при записи КС и от них стремились избавиться, применяя компенсаторы поляризации при поточечной записи КС и пульсаторы при непрерывной.
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 - стандартный электрический каротаж.

Сущность метода ПС
Метод потенциалов собственной поляризации ПС аналогичен методу естественного поля (ЕП) в полевой электроразведке.
Сущность метода ПС заключается в измерении разности естественных электрических потенциалов между электродами МN.
Образование естественных электрических потенциалов в скважинах связано с физико-химическими процессами, протекающими на границе раздела между скважиной и горной породой и внутри горных пород.
Потенциалы ПС делятся на: диффузионно-адсорбционные, фильтрационные и окислительно-восстановительные.

Зонды для измерения ПС
Зонды для измерения ПС - свинцовые приемные электроды.
ПС чаще выполняются способом потенциала - неподвижный приемный электрод N заземлен вблизи устья скважины, электрод М перемещается по скважине.
При наличии электрических помех, запись ПС ведется способом градиента потенциала - оба приемных электрода М и N передвигаются по скважине, а расстояние между ними остается постоянным (1 - 2 м).
Измеряемая величина - потенциал электрического поля ПС Unc или разность потенциалов ∆Unc . Единица измерения - милливольт (мВ).
Стандартный каротаж - регистрация потенциалов ПС и КС одним или двумя не фокусированными (потенциал- и градиент-зонд) зондами, длины которых выбраны постоянными для данного района работ

Схема каротажа ПС способом потенциала
а - схема установки:
1 - блок-баланс,
2 - лебедка с коллектором,
3 - милливольтметр,
4 - регистратор,
5 -лентопротяжный механизм,
6 – гибкий валик с роликом блок-баланса,
7 - диаграммная бумага,
8 - карандаш;
б - диаграмма естественных потенциалов по стволу скважины: / (почва) и /// (известняки) - пласты со слабой электрохимической активностью,
// (суглинки) и V (глины) - пласты с положительными аномалиями ПС,
IV - пласт с отрицательной аномалией ПС, характерной для проницаемых слоев

Диаграммы ПС
По аномалиям на диаграммах ПС выделяются пласты с разной электрохимической активностью.
Против глинистых пород наблюдаются положительные аномалии потенциала ПС, а около пористых проницаемых пластов - отрицательные.
Интенсивными аномалиями положительного и отрицательного знака выделяются сульфидные залежи, пласты антрацита, графита.
Слабыми аномалиями (единицы милливольт) отличаются массивные, плотные, плохо проницаемые песчаники, известняки, изверженные породы.

Задачи, решаемые ПС
Исследования методом ПС служат
для расчленения геологических разрезов и корреляции по соседним скважинам отдельных пластов,
выявления плохо проницаемых сланцев, глин и хорошо проницаемых песков, пористых известняков,
выделения сульфидных, полиметаллических руд, угля, графита,
оценки пористости и проницаемости пород

Причины возникновения ПС
Основные источники ПС — фильтрационный, мембранный, диффузионный потенциалы и поляризационный потенциал рудной минерализации.
В нефтяных скважинах потенциалы связаны в основном с границами в глинистых образованиях, особенно с границами глины—пески.
Основной эффект при каротаже нефтяных скважин возникает главным образом благодаря электрохимическому потенциалу (диффузионный плюс мембранный),
При каротаже рудных зон основным является поляризационный потенциал рудной минерализации.

Возникновение диффузионной ЭДС
на контакте двух растворов
Диффузионная ЭДС возникают вследствие различия в химическом составе и концентрации солей, растворенных в пластовых водах и буровом растворе.
На контакте происходит диффузия ионов из более концентрированного раствора в менее концентрированный.
Скорость диффузии у катионов (+) меньше чем у анионов (-).
В более слабом растворе накапливается избыток отрицательных ионов, а в концентрированном - положительных, и эти растворы приобретут соответствующий заряд.

Уравнение Нэрнста
Уравнение В. Нэрнста
R=8,314 Дж/К*моль – универсальная газовая постоянная
F=96500 Кл/моль - постоянная Фарадея
Т - абсолютная температура
п — валентность ионов в растворе;
и - подвижность катионов; v - подвижность анионов;
с\,с2 — концентрации контактирующих растворов.
При Т = const все параметры, стоящие перед знаком логарифма, дают постоянную величину - коэффициент диффузионных потенциалов.
Формула Нэрнста справедлива для сильно разбавленных растворов одной и той же соли.

Мембранный или диффузионно-адсорбционный потенциал – Еда возникает когда контакт растворов разной концентрации происходит через перегородку из горных пород, которая обладает способностью задерживать определенные ионы.
Кда зависит от адсорбционных свойств мембраны и отличается от Кд как по величине, так и по знаку.
Наибольшей величины диффузионно-адсорбционные потенциалы достигают на границе пород с минимальной и максимальной адсорбционной активностью, т.е. на границе чистых кварцевых песчаников и тонкодисперсных глин:
Для чистых кварцевых песков и песчаников, обладающих нулевой адсорбционной активностью, Кда -Кд =-11,6 мВ (при t=20 °С), для тонкодисперсных глин, имеющих максимальную адсорбционную активность, Кда = +58 мВ. У глинистых песчаников, алевролитов и др. пород Кда имеет промежуточное значение.
Диффузионно-адсорбцирнный
потенциал

Диффузионно-адсорбцирнный
потенциал
Глинистые отложения хорошо проницаемы для катионов натрия Nа+, но мало проницаемы для анионов хлора Сl—
Мембранный потенциал образуется в том случае, когда ионы Nа+ диффундируют из минерализованных пластовых вод песчанистых пластов в соседние глинистые пласты, а затем — в слабо минерализованную промывочную жидкость.
Дополнительно возникает диффузионный потенциал на границе между фильтратом пресной промывочной жидкости в зоне проникновения и минерализованными пластовыми водами за ее пределами;
Так как подвижность анионов Сl-- больше, чем катионов Nа+, возникает избыточный поток Сl-- в зону проникновения.

Возникновение диффузионно-адсорбционной ЭДС

Прямое поле ПС
Против песчаного пласта менее концентрированный буровой раствор заряжается отрицательно, песчаник, насыщенный соленой пластовой водой, - положительно.
Далее идет контакт пластовой воды с буровым раствором через глину, которая играет роль мембраны.
Глина не пропускает анионы (-) и пропускает катионы (+) и очень скоро раствор меньшей концентрации заряжается положительно по отношению к более концентрированному.
Раствор в скважине против глин приобретает положительный заряд, против песчаников - отрицательный.
Такое распределение знаков ПС при с0 <св называется прямое поле ПС.

Обратное поле ПС
При обратном соотношении с0 > св имеет место обратное поле ПС, когда глины в скважине выделяются положительными, а песчаники -отрицательными потенциалами.
Обратное поле ПС встречается довольно редко потому, что пластовые воды нефтяных месторождений имеют повышенную минерализацию; буровой же раствор мало минерализован, с0 <св.
Обратное поле ПС может иметь место при бурении скважин в засушливых районах, когда для приготовления бурового раствора приходится использовать солоноватую воду местных источников, а подземная вода - пресная (со>сд).

Если изолировать при помощи перегородок из непроводящего материала участок столба бурового раствора против пласта-коллектора то между пластом и вмещающими его глинами будет зарегистрировано "статическое" значение потенциала собственной поляризации Епс.
В реальных условиях таких перегородок нет, и всегда существует циркуляция токов I пс в скважине, замыкающихся через сопротивление самой скважины Rc, пласта Rпл и вмещающих пород RBM. По этой причине наблюденная амплитуда AUпс составляет лишь часть "статической" и равна падению напряжения на участке цепи, образованном скважиной - Rc.

По результатам интерпретации диффузионно-адсорбционных ПС можно не только определить границы пластов с различными диффузионно-адсорбционными свойствами, но и определять сопротивление и минерализацию пластовых вод

Фильтрационные потенциалы
Фильтрационные потенциалы или потенциалы течения наблюдаются при фильтрации бурового раствора из скважины в пласт или пластовых вод из пласта в скважину.
Потенциалы течения возникают в связи с адсорбцией ионов поверхностью частиц, слагающих горную породу.
Вследствие преобладающей адсорбции ионов одного знака в направлении движения жидкости образуется недостаток этих ионов, и на концах канала (капилляра) возникает разность потенциалов.

Схема возникновения фильтрационных и кинетических потенциалов

Формула Гельмгольца
Математическое обоснование теории фильтрационных потенциалов по Гельмгольцу:
∆р - перепад давлений;
µ - вязкость раствора;
ε - диэлектрическая проницаемость;
ρ - УЭС раствора;
f - электрокинетический или ξ-потенциал - разность потенциалов между неподвижной частью диффузного слоя ионов в капилляре и свободным раствором,
ξ -потенциал может быть как положительным, так и отрицательным.
Формула справедлива для пористой среды, средний эффективный радиус капилляров которой существенно превышает толщину двойного электрического слоя у стенки капилляра.
Знак фильтрационной разности потенциалов определяется знаком ξ - потенциала и направлением фильтрации

Окислительно-восстановительные потенциалы
Окислительно-восстановительные потенциалы наблюдаются при окислительно-восстановительных реакциях, в результате которых окисляющаяся среда, отдавая электроны, приобретает положительный заряд, а восстанавливающая, присоединяя электроны - отрицательный.
Разность этих потенциалов удовлетворяет уравнению:
где, К - константа равновесия реакции, протекающей в окислительно-восстановительной среде; с' и с"- концентрации веществ, находящихся в высшей и низшей степени окисления.

Окислительно-восстановительные потенциалы
Большие значения Еов наблюдаются в зонах сульфидной минерализации в результате окисления рудных минералов кислородом воздуха или растворенным в подземных водах (и буровом растворе).
Катионы Fe избирательно сорбируются на поверхности пирита, заряжая его положительно, а воды, насыщающие породу приобретают отрицательный заряд.
Еов над рудными подсечениями в скважинах может достигать 300-400 мВ. Такая большая величина объясняется не только интенсивностью окислительно-восстановительных процессов, но и низким сопротивлением рудных тел электрическому току.
Аналогичные поля наблюдаются над углистыми сланцами, ископаемыми углями, графитом. Причиной их возникновения является окисление не только углей, но и вкраплений сульфидных минералов.

Окислительно-восстановительные потенциалы

В общем случае аномалии ПС в скважинах могут быть обязаны действию не одной, а сразу нескольких причин. Например, на песчано-глинистых разрезах проявляются и диффузионно-адсорбционные, и фильтрационные процессы, а на бурых углях - и диффузионно-адсорбционные, и фильтрационные, и окислительно-восстановительные

Контрольные вопросы
1. Перечислите физико-химические процессы, вызывающие образование естественных электрических полей в скважинах.
2. Напишите формулу Нэрнста и объясните значение всех параметров, входящих в нее.
3. Чем отличается подвижность ионов в растворе от скорости их движения?
4. Что такое "прямое" и что такое "обратное" поле ПС?
5. Какую интенсивность имеют аномалии ПС диффузионно-адсорбционного происхождения?
6. Какие условия необходимы для возникновения диффузионно-адсорбционных потенциалов?
7. От чего зависит знак фильтрационных потенциалов?
8. Какую величину имеют фильтрационные потенциалы?
9. Почему фильтрационные потенциалы на поверхности намного интенсивнее, чем в скважинах?
10. Объясните возникновение окислительно-восстановительных потенциалов.
11. Какую величину имеют аномалии ПС окислительно-восстановительного происхождения?
12. Объясните, какой знак имеют аномалии ПС над обсадными трубами.

2 приемных электрода
измерительный канал регистратора,
градуированный компенсатор поляризации ГКП, с помощью которого устанавливают масштаб записи и выводят блик гальванометра фоторегистратора на середину диаграммной ленты перед началом записи.
Масштаб п диаграммы ПС равен постоянной измерительного канала по напряжению т, мВ/см
Схема записи диаграмм ПС

Помехи при записи диаграмм ПС
Простота электрической схемы ПС является, с одной стороны, достоинством метода, а с другой - недостатком.
Недостаток проявляется в том, что вход регистратора в схеме ПС открыт для разнообразных помех.
По физической природе выделяют следующие виды этих помех: поляризация электродов, потенциалы гальванокоррозии, потенциалы трибополяризации, потенциалы осаждения и потенциалы блуждающих токов.

Поляризация электродов
Создает помеху при записи ПС когда электродный потенциал одного из электродов (или обоих) подвергается изменениям в процессе каротажа. Чаще всего это случается при переходе электрода в раствор иного состава, чем тот, в котором он был ранее.
Изменение электродных потенциалов приводит к постепенному смещению кривой ПС в ту или другую сторону.
Во избежание помех электродной поляризации электроды для записи ПС изготавливают из Рb, т.к. в кислородосодержащей среде он покрывается пленкой окисла РbО и по сравнению с другими материалами дает наиболее устойчивый электродный потенциал.
Если этой меры недостаточно, используют неполяризующиеся электроды.

Потенциалы гальванокоррозии
Проявляются при использовании грузов, состоящих из разных металлов. В растворе такой груз представляет собой один или несколько гальванических элементов, цепь которых замыкается через буровой раствор, создавая на электроде М потенциал, пропорциональный сопротивлению среды: (R – расстояние электрода М от груза).
При наличии потенциалов гальванокоррозии диаграмма ПС прямо или зеркально повторяет диаграмму КС . При этом аномалии ПС смещаются относительно аномалий КС на расстояние, равное МО в масштабе диаграммы.
Помехи такого же происхождения возникают и в случае, если в зумпфе, где установлен поверхностный электрод N, имеются другие металлы.
Кривые ПС, записанные с помехой гальванокоррозии, считаются браком.
Для исключения этих помех можно использовать следующие меры: применять грузы, состоящие из одного металла; изолировать груз от раствора с помощью полихлорвиниловой изоленты или параленты; увеличить расстояние от электрода М до груза (по технической инструкции оно должно быть не менее 1,5 м); поменять положение поверхностного электрода

Потенциалы гальванокоррозии

Потенциалы трибополяризации (движения)
Возникают при движении электродов в буровом растворе. При движении нарушается двойной электрический слой на поверхности металлического электрода, в результате чего меняется и его электродный потенциал.
При движении с постоянной скоростью изменение электродного потенциала достаточно стабильное. При остановке зонда потенциал электрода М мгновенно повышается.
От потенциалов трибополяризации легко избавиться, надев на электрод матерчатый чехол, однако они дают дополнительную информацию. Благодаря им на диаграммах ПС отчетливо фиксируется момент отрыва зонда от забоя и все остановки зонда.
В технике известно использование явления трибополяризации для измерения скорости движения жидкости.

Потенциалы осаждения (седиментационные)
Возникают при использовании некачественного бурового раствора в процессе бурения. Такой раствор не удерживает в себе шлам, который осаждаясь на забой, избирательно сорбируют анионы.
В результате от забоя к устью наблюдается повышение потенциала ПС, достигающее иногда нескольких В.
Выделить аномалии, связанные с изменением литологии разреза на фоне такой помехи, практически невозможно.
Для устранения влияния седиментационных потенциалов скважину перед каротажем необходимо промыть кондиционным буровым раствором или чистой водой.

Потенциалы осуждающих и теллурических токов
Теллурические токи имеют естественное происхождение, они являются частью общего электромагнитного поля Земли.
Блуждающие токи имеют промышленное происхождение. Блуждающие токи распространяются на десятки км от источника.
При записи ПС теллурические и блуждающие токи создают помехи, амплитуда которых пропорциональна плотности этих токов в данный момент, среднему УЭС среды между электродами М и N и расстоянию между ними.
Эти помехи искажают диаграммы ПС, а иногда и не дают возможности их записать - при неподвижном зонде показания регистрирующего прибора непрерывно меняются, блик гальванометра "бродит" по диаграмме.
Одна из основных мер по устранению помех блуждающих токов - это выбор времени, когда они имеют наименьшую интенсивность. Кроме того, влияние этих помех можно исключить, записывая градиент потенциала ПС или применяя специальные зонды.
При записи градиента ПС помеха минимальна, поскольку электроды М и N находятся очень близко друг к другy однако диаграммы grad Unc слишком изрезаны и трудно интерпретируются.
Специальный зонд ПС состоит из точечного электрода М и линейного электрода N. Линейный электрод осредняет потенциал ПС в скважине на всем своем протяжении, благодаря чему он меняется мало и не резко, а малое расстояние между М и N обеспечивает близкое значение потенциала, создаваемого на этих электродах блуждающими токами.

Качественная интерпретация диаграмм ПС
Заключается в литологическом расчленении разрезов скважин. Наилучшие результаты дает метод ПС на песчано-глинистых разрезах, породы которых обладают различной адсорбционной активностью.
При прямом поле ПС (со<св) глины характеризуются положительными, а песчаники - отрицательными аномалиями ПС.
Для исключения неоднозначности интерпретации диаграммы ПС нужно рассматривать в комплексе с диаграммами других методов ГИС: КС, МЗ, ГК, НТК, АК и пр.

Количественная интерпретация
Заключается в решении вопросов как определение мощности пластов, минерализации пластовых вод, глинистости и пористости коллекторов и некоторых др.
Определение мощности пластов по диаграммам ПС производится по правилу полумаксимума (или полуминимума) аномалии, как это показано на рис. 11.6.
Определение минерализации пластовых вод возможно при диффузионно-адсорбционном происхождении полей ПС.
Как следует из теории:
Амплитуду аномалии ПС отсчитывают от уровня чистых глин (от самых высоких показаний) с учетом масштаба диаграммы.
Величину коэффициента учета мощности β определяют по специальной номограмме.

Определение контактов пластов по диаграмме ПС

Определение глинистости
коллекторов по ПС
Основано на зависимости глубины аномалии ПС над коллекторами от содержания в них глинистого материала. Для определения используют эмпирические зависимости относительной амплитуды аномалии аПС от глинистости. Пример такой зависимости представлен на рис. 11.7.
где ∆UxПС - амплитуда аномалии ПС над исследуемым пластом;
∆UОППС - то же для чистых кварцевых песчаников, обе аномалии отсчитываются от уровня мелкодисперсных "чистых" глин.
Зависимости справедливы для водоносных песчаников с большой пористостью.

Определение пористости по ПС
Основано на использовании статистической связи между коэффициентом пористости Кп и амплитудой аномалии ПС, установленной путем сопоставления диаграмм ПС с результатами лабораторных исследований керна.
Поскольку аномалия ПС зависит от соотношения сопротивлений ра и р0 и мощности пласта, то измеренные аномалии AUПС пересчитывают, приводят к стандартным условиям, соответствующим h = оо и р0 =1 Ом-м, или вычисляют параметр апс.
Благоприятными условиями для применения этого способа является постоянство минерализации пластовых вод, однородный состав глинистого цемента и отсутствие карбонатного цемента в исследуемом разрезе.
Определение пористости по ПС имеет все недостатки, свойственные методам, использующим статистически установленные связи, и в настоящее время используется редко.
Кроме рассмотренных здесь задач, метод ПС может быть использован еще и для определения пластовых давлений по фильтрационным потенциалам.

Определение глинистости водонасыщенных песчаников по апс

Формы кривых ПС при каротаже нефтяных скважин
При исследовании нефтяных скважин по методу ПС преследуются три основные цели:
1) установление границ между глинистыми и пористыми пластами;
2) корреляция между скважинами;
3) определение удельного сопротивления пластовых вод.
Разным геологическим разрезам соответствуют различные формы кривых ПС, поэтому при корреляции можно установить увеличение мощности, выклинивание и падение пластов.
Изменения солености пластовых вод, что может происходить при крупных региональных несогласиях, отражаются на диаграммах в виде резких отклонений кривых ПС от базовой линии глин.

Кривые ПС для
песчано-глинистого разреза
а — для мощных пластов;
б — для тонких пластов;
1 — скважина;
2 — глины;
3 — пески с соленой водой;
4 — пористые известняки;
5 — нефтенасыщенные пески;
в — характерные кривые ПС для различных пород;
1 — линия песков;
2 — линия глин;
3 — глины;
4 — слоистые глинистые пески;
5 — пески с рассеянной глинистостью;
6 — лигниты ввосстановительная реакция);
7 — темные глины (окислительная реакция);
8 — пески с рассеянным FeS;
9 — риолиты.