Теоретические основы метода потенциалов самопроизвольной поляризации - ПС

ПС. Структура и свойства свободной, чистой воды.
(1 нм = 10-9 м)
Ядра образуют треугольник, в основании которого находятся два протона (Н), а в вершине — ядро атома кислорода (О). Межъядерное расстояние О-Н близко к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм.
В результате смещения электронов (образующих связи О-Н) к атому кислорода молекула воды превращается в диполь, на одной стороне которого положительный заряд водорода, на другой стороне — отрицательно заряженный атом кислорода.

ПС. Структура и свойства свободной, чистой воды. Диссоциированные молекулы. (1 моль = 6.022 . 1023 молекул)
В воде, помимо ассоциированных и мономерных молекул, присутствует небольшое количество ионов водорода Н+ и гидроксид-ионов ОН-.
При температуре 18°С количество диссоциированных молекул воды составляет 0,78 • 10-7 моль/л, а ионное произведение, характеризующее диссоциацию молекул воды на ионы, равно 6,16 • 10-15.
С повышением температуры степень диссоциации возрастает. При 25°С ионное произведение оказывается равным 1,04•10-14, при 50°С - 5,66•10-14, а при 100°С - 5,82•10-13.
При температуре 1000°С и давлении 100 Кбар количество диссоциированных молекул воды составляет 10-1 моль/л.

ПС. Структура и свойства свободной, чистой воды. Физические свойства.
Вода обладает измеримой электрической проводимостью.
Давление оказывает ограничивающее воздействие на тепловое движение молекул воды и тем самым увеличивает ее вязкость. При повышении температуры вязкость уменьшается.
Диэлектрическая проницаемость с повышением температуры уменьшается.
Вода характеризуется высоким поверхностным натяжением.
Вода характеризуется высокой способностью смачивания.

ПС. Структура и свойства свободной воды в присутствии ионов.
Кристаллы соли, в узлах решеток которых находятся ионы, попадая в воду, диссоциируют. Ионы притягивают к себе полярные молекулы воды. К положительным ионам (Na+, K+ и др.) молекулы воды притягиваются своими отрицательными полюсами (ОН-), а к хлорид-ионам – положительными (Н+). Молекулы воды с такой же силой притягивают к себе ионы солей. Притянутые молекулы воды испытывают толчки со стороны других молекул воды, находящихся в движении. Эти воздействия, вместе с колебательными движениями ионов в кристалле, приводят к отделению ионов от кристалла и переходу их в раствор.
В результате, образуются не свободные ионы, а соединения ионов с молекулами воды. Происходит гидратация ионов.

ПС. Структура и свойства свободной воды в присутствии ионов.
Ионы солей K+,Rb+, Cs+, Вr-, J-. придают большую подвижность молекулам воды.
Ионы солей с большей плотностью зарядаи Ве2+, A12+,F-. снижают подвижность молекул воды.
Текучесть воды, величина обратная ее вязкости, зависит от плотности заряда ионов солей. Чем выше плотность заряда, тем меньше текучесть по отношению к чистой воде. При наличии анионов ОН- и SO42- текучесть воды снижается. Упорядочивающее воздействие анионов ОН- и SO42- компенсируют разупорядочивающее влияние катионов Rb+, ,К+ и др., и растворы с участием этих анионов обладают меньшей текучестью.

ПС. Структура и свойства свободной воды в присутствии ионов. Гидратные оболочки иона.

ПС. Структура и свойства свободной воды в присутствии ионов. Гидратные оболочки при различных концентрациях.

*
ПС. Структура и свойства свободной воды в присутствии ионов. Изменение потенциальных барьеров.
τ — среднее время, в течение которого молекула воды, находящаяся в окружении только молекул воды, пребывает в положении равновесия;
τi — среднее время пребывания молекулы воды в ближайшем к иону положении равновесия;
ΔEi — величина, характеризующая изменение под действием ионов потенциальных барьеров
(характеристика ближней гидратации ионов).

*
ПС. Структура и свойства свободной воды в присутствии ионов. Характеристики ближней гидратации.
ΔEi > 0 (τi / τ > 1) - случай эффективного связывания ионами ближайших молекул воды. Происходит ослабление трансляционного движения ближайших молекул воды, и они становятся менее подвижными, чем в чистой воде. Это явление называется положительный гидратацией. Для его возникновения необходимо присутствие в растворе ионов с большой плотностью зарядов, типа Li+, F- .
ΔEi < 0 (τi / τ < 1) - молекулы воды вблизи ионов становятся более подвижными. Они обмениваются вокруг ионов чаще, чем если бы этих ионов не было. Это явление отрицательной гидратации. Оно возникает при наличии в растворе ионов большого размера и с малым зарядом типа К+, Cs+, Br-,J- .

*
ПС. Структура и свойства свободной воды в присутствии ионов.
Характеристика ближней гидратации ΔEi для некоторых ионов при температуре раствора 21.5°С

ПС. Структура и свойства связанной чистой воды. Активные центры глинистых частиц.
1. Водородная связь между адсорбированными молекулами воды и активными центрами глинистых частиц на их гидроксильной поверхности.
2. Вода, адсорбированная на сколах кристаллов глинистых частиц, связана более прочно, чем вода, удерживаемая активными центрами на гранях.
Схема энергетического рельефа поверхности адсорбции.
Диаметр ячеек 3,3 Å (ангстрем), высота 2,4 Å. Поэтому в ячейку может попасть только одна молекула воды.
1 Å = 10-10 м.
Размер молекулы воды = 0.2 нм или 2 Å.
3. Адсорбция молекул воды координационно ненасыщенными атомами кислорода поверхности глинистых минералов.

ПС. Структура и свойства связанной чистой воды.
Ориентационный вид слоя связанной воды.
4. Адсорбция на заряженной поверхности. Кристаллическая решетка глинистых минералов содержит избыточные электроны. Плоскую поверхность глинистых частиц можно рассматривать как отрицательно заряженную пластину конденсатора.

ПС. Структура и свойства связанной воды в присутствии ионов.
Строение ионного (а), адсорбционного (б) и ориентационного (в)
видов двойного электрического слоя (ДЭС): р — раствор; т – твердая фаза
В ионном виде внутренняя обкладка состоит из слоя ионов, находящихся в твердой фазе.
В адсорбционном виде ионы внутренней обкладки находятся в электролите.
Ориентационный вид ДЭС формируется из дипольных молекул воды.

ПС. Двойной электрический слой (по О.Штерну).
Ионы, входящие в состав твердой фазы, образуют как бы внутреннюю обкладку конденсатора с некоторой плотностью заряда σо.
Величина σо в среднем составляет 5 • 10 −8 мг-экв/см2, чему соответствует
3 • 1013 адсорбционных центров в 1 см2 поверхности.
1,2,3 – ДЭС; 1, 2 – слой Штерна; 3 – диффузный слой; 4 – свободный раствор

ПС. Двойной электрический слой.
Ионы, находящиеся в растворе вблизи заряженной поверхности, расслаиваются. Ионы, имеющие противоположный знак заряда (противоионы), притягиваются к твердой поверхности. А ионы того же знака (коионы) отталкиваются от нее.

Толщиной диффузного слоя (d) это расстояние между центрами тяжести зарядов потенциалопределяющего и диффузного слоя
- центры тяжести ионов;
1 – твердое тело;
2 – электролит;
где R – газовая постоянная, F – постоянная Фарадея, Т — температура в градусах Кельвина;
ε - диэлектрическая проницаемость в относительных единицах;
Со — концентрация раствора в моль/см3; Z1 и Z2 - валентности ионов.
ПС. ДЭС. Толщина диффузного слоя. 1 мкм = 10 -6 м

ПС. Двойные электрические слои и возникновение потенциалов ПС в скважине.

*
Схема двойных электрических слоев для расчета поля ПС
В однородной среде потенциал двойного слоя характеризуется телесным углом видимости слоя из точки М, в которой определяется потенциал, и разностью потенциалов εij между обкладками двойных слоев.
z — расстояние точки М от середины пласта; h — мощность пласта; dc – диаметр скважины; э.д.с. (εij) слоев указана на рисунке.
ПС. Двойной электрический слой и природа потенциалов ПС

*
В неоднородной среде потенциал ПС снижается в зависимости от отношения ρп к ρс. При ρвм = ρс
где т — переменная представления потенциала по методу Фурье; К0(т), К1(т), J(т) — функции Бесселя.
ПС. Двойной электрический слой и природа потенциалов ПС

*
На контакте двух разных растворов возникает э.д.с, называемая диффузионным потенциалом и определяемая формулой Нернста
где U и V – подвижности катионов и анионов; Т –температура по Кельвину; R –газовая постоянная; F – число Фарадея; h – валентность ионов; С1 и С2 – концентрации, соответственно, более и менее концентрированного растворов;
Ксп – коэффициент диффузионного потенциала контакта растворов; ρ1 и ρ2 – удельные сопротивления растворов.
ПС. Двойной электрический слой и природа потенциалов ПС

*
Токи ПС диффузионного-адсорбционного происхождения возникают в скважинах при наличии двух предпосылок: 1) присутствии контакта различных по литологическим особенностям (глинистости) пород;
2) разница в минерализации пластовой воды и бурового раствора.
Электродвижущая сила ПС диффузионного происхождения определяется формулой
Uсп = Ксп lg ( ρф / ρв ),
где Ксп—коэффициент диффузионного ПС; ρф — удельное сопротивление фильтрата бурового раствора; ρв — удельное сопротивление пластовой воды.
ПС. Диффузионно-адсорбционный потенциал