Теоретические основы каротажа самопроизвольной поляризации (ПС)

При бурении скважины нарушается естественное залегание горных пород вследствие разрушения их буровым инструментом и воздействия промывочной жидкости, в качестве которой используют воду, глинистые и известково-глинистые растворы. При проведении ГИС скважина должна быть заполнена промывочной жидкостью, через которую обеспечивается контакт электроустановок электрического каротажа с горной породой. Промывочная жидкость оказывает существенное влияние на результаты ГИС. Обычно при бурении скважины гидростатическое давление промывочной жидкости превышает пластовое давление, вследствие чего происходит проникновение фильтрата бурового раствора в проницаемые горные породы. Одним из методов ГИС, позволяющим выделять проницаемые интервалы в разрезе скважины, является метод каротажа самопроизвольной (спонтанной) поляризации скважины (ПС).

Величина ПС может зависеть от нескольких взаимосвязанных физико-химических реакций (рис. 3):

1. Диффузионно-адсорбционные потенциалы – возникающие при пересечении скважиной песчанистых пластов коллекторов. В естественных условиях минерализация пластовых вод выше, чем минерализация промывочной жидкости. В буровом растворе молекулы NaCl диссоциируют (1) на катион Na и анион Cl, каждый из которых диффундирует с определенной скоростью, причем подвижность Cl^- в 1,5 раза выше подвижности иона Na⁺. Следовательно, на границе скважина-пласт-коллектор происходит перераспределение зарядов. Промывочная жидкость за счет ионов Cl^- заряжается отрицательно, а пласт за счет Na⁺ положительно. Таким образом, на контакте песчаного пласта со скважиной образуется двойной электрический слой, потенциал которого называется диффузионным.

Рисунок 4 – Природа образования аномалии ПС

2. Потенциалы фильтрации возникают при движении флюида в порах горной породы, при этом происходит адсорбция (2) анионов солей пластовых вод, а внутри капилляра образуется избыток катионов. При движении жидкости на входе капилляра возникает избыток положительных зарядов, а на выходе - избыток отрицательных. Образуется как бы гальванический элемент, посылающий ток на встречу движения жидкости.

3. Окислительно-восстановительные потенциалы. Эти потенциалы возникают при химических реакциях между электропроводящими телами (сульфиды, графит, антрацит (уголь) и др.), промывочной жидкостью скважины и пластовыми водами. Разность потенциалов между окисляющей средой и окислителем называется окислительно-восстановительным потенциалом.    

Естественное электрическое поле в скважине или около нее называют самопроизвольной (собственной) поляризацией, а измеряемую величину – самопроизвольным (собственным) потенциалом и обозначают ПС. Для измерения естественного поля применяется установка с двумя электродами, один из которых находится в скважине, а другой – на поверхности. Изменение разности потенциалов в цепи во время перемещения электрода (М) измерительной установки вдоль ствола скважины указывает на наличие поля ПС.

В пластовых водах и буровом растворе преобладает соль NaCl, средние значения подвижностей катиона u _Na+ в 1,5 раза меньше чем аниона u _Cl-, и составляют соответственно 40 и 60. Поэтому для скважины при Т = 18 ^оС, k_Д=-11,61 mB.

Границы пластов по диаграммам СП определяют на уровне точек кривой, со­ответствующих половине ано­малии DU_сп. Толщина пласта hравна обычно ширине аномалии на уровне половины ее максимального значения. Для пластов малой толщины и, особенно, при высоком их сопротивлении определяемая таким способом толщина h_фик, является фик­тивной, причем h_фик > h.Чтобы избежать завышения мощности таких пластов, вначале определяются величину h_фик, а затем, пользуясь графиками h = f(h_фик), учитывающими удельные сопротивления пласта, вмеща­ющих пород и бурового раствора, переходят к значению h.

Как видно из характеристик этого метода он является достаточно информативным для выделения коллекторов и покрышек, с низкой себестоимостью.

В то же время он не позволяет четко отбивать границы пластов малой толщины, и не имеет возможности достаточно четко выделять границы плотных пластов.