Потенциал самопроизвольной (собственной) поляризации

1. Дать понятие метода
2. Решаемые задачи
3. Как работает метод
4. Схема измерения
5. Оборудование
6. Строение зонда
7. Дополнительные характеристики
8. Ограничения метода

1)  Метод ПС – это метод геофизического исследования скважин, который измеряет разность электрических потенциалов между электродом, перемещаемым по скважине, и неподвижным электродом на поверхности.

2) Задачи: 

• литологического расчленения разреза и корреляции геологического разреза; 
• определение границ пластов. 
• выделения пористых и проницаемых интервалов (пластов-коллекторов);
• оценка глинистости пластов, а в отдельных случаях может использоваться для оценки пористости; 
• оценка сопротивления пластовых вод;
• определения минерализации пластовых вод.

3) В результате электрохимической активности горных пород, находящихся в условиях естественного залегания, возникает естественное электрическое поле. Естественное поле, возникающее в скважине и около нее, называют самопроизвольной поляризацией, а измеряемую величину поля самопроизвольным потенциалом и сокращенно обозначают ПС. Метод ПС позволяет определять потенциал электрического поля, образование которого связано с физико-химическими процессами, протекающими на поверхностях раздела пластов и между пластами. В результате этих процессов на поверхностях раздела образуются двойные электрические слои, различные потенциалы которых создают величины напряженности электрического поля между горными породами и скважиной. При пресном буровом растворе, когда минерализация пластовой воды больше минерализации промывочной жидкости: песчаникам, известнякам соответствует отрицательный потенциал ПС (отрицательная аномалия (ΔU_min)); глинам - положительный потенциал (от повышенных до максимальных значений (ΔU_max)). Наличие отрицательной аномалии ПС – необходимый признак коллектора, но недостаточный. В карбонатном разрезе плотные известняки (не коллекторы) тоже характеризуются наибольшей отрицательной аномалией ПС. При интерпретации ПС используют значение статической амплитуды ПС (ΔU_пс) и относительной. Отсчет берут справа налево. Для определения статической амплитуды ПС на диаграмме проводится условный нуль отсчета потенциалов - линия глин. Она проходит через максимальные значения кривой. Отклонение кривой от линии глин называется статической амплитудой ПС. Относительная амплитуда ПС (α_пс)– это отношение статической амплитуды ПС против изучаемого пласта к максимальной статической амплитуде пласта, встречаемой в разрезе. Кривая потенциалов самопроизвольной поляризации (кривая ПС) обычно записывается одновременно с кривой сопротивления или с другими кривыми.

Возникновение поля зависит от нескольких взаимосвязанных физико-химических реакций: 

1. Основной причиной возникновения ПС в осадочных породах является наличие процессов диффузии. Известно, что при растворении какой-либо соли в воде (например NaCl) ее молекулы полностью или частично диссоциируют, т.е. расщепляются на положительно и отрицательно заряженные ионы. На контакте двух растворов (например, скважина – пласт) ионы перемещаются из раствора с большей концентрацией в раствор с меньшей концентрацией. Различие в скоростях движения ионов приводит к образованию э.д.с., называемой диффузионным потенциалом.

Диффузионно-адсорбционные потенциалы – возникают при пересечении скважиной песчанистых пластов коллекторов. В естественных условиях минерализация пластовых вод выше, чем минерализация промывочной жидкости. В буровом растворе молекулы NaCl диссоциируют на катион Na и анион CL, каждый из которых диффундирует (распространяется/ пропитывается) 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 диффузионно-адсорбционным.

2. Фильтрационный потенциал возникает во время продавливания (фильтрации) водного раствора солей через тонкие капилляры. Потенциалы фильтрации возникают при движении в порах горной породы, при этом происходит адсорбция (накопление на поверхности) 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 возникают при наличии в разрезе рудных и сульфидных тел. Эти потенциалы возникают при химических реакциях между электропроводящими телами (сульфиды, графит, антрацит и др.), промывочной жидкостью скважины и пластовыми водами. Разность потенциалов между окисляющей средой и окислителем называется окислительно-восстановительным потенциалом. 

Наибольшее распространение получили методы, основанные на диффузионно-адсорбционной активности.

Определение коэффициента глинистости по данным метода потенциалов собственной поляризации

 Диаграммы метода ПС используются для определения глинистости в терригенных коллекторах с рассеянном в объёме породы глинистым материалом и в слоистых глинистых коллекторах. 

Петрофизической основой для оценки глинистости в коллекторе с рассеянной глинистостью является связь между относительной амплитудой (α_пс) и коэффициентом глинистости (К_гл). 

Вид связей между α_пс и К_гл зависит от ряда геолого-геофизических факторов, среди которых главные – адсорбционная способность глинистого материала и минерализация пластовых вод. 

Определение К_гл по диаграмме ПС сводится к следущему: 

Величина относительной амплитуды α_пс вычисляется по формуле α_пс = ∆U_{пс max} -∆U_{пс пл} / ∆U_{пс max} - ∆U_{пс min} , где U_пс– показания ПС, соответствующие показаниям в глинах и в чистых от глинистого материала опорных пластах с глинистостью 0%. 

Далее возможен рассчёт коэффициента глинистости по палетке:

Принципиальная схема измерения потенциалов собственной поляризации ПС заключается в регистрации разности потенциалов ∆U (измеряется в милливольтах (мВ)) между двумя электродами M и N. Разность потенциалов между перемещаемым М и неподвижным N электродами указывает на изменение электрического потенциала вдоль ствола скважины. Электрод М перемещается вдоль ствола скважины, а неподвижный заземленный электрод N находится на поверхности вблизи устья скважины. Разность потенциалов между электродами M и N равна: 

Метод ПС является одним из основных электрических методов при исследовании разрезов нефтегазовых скважин. Он включен также в обязательный комплекс исследований инженерно-геологических и гидрогеологических скважин. Для изучения рудных и угольных скважин используют методы гальванических пар (МГП) и электродных потенциалов (МЭП).

4)

5) Схема расположения механизмов и узлов во время проведения каротажных работ

Схема сборки каротажной станции

Типовое устройство каротажной станции:

Скважинный прибор (СП) включает в себя первичный преобразователь и некоторые вспомогательные устройства в зависимости от типа и назначения исследований.

Каротажный кабель – линия связи между СП и наземной частью измерительной аппаратуры.

Спулер (лапа). Роликовая система с датчиками параметров, служит для укладки кабеля, измеряет скорость, глубину и имеет датчик магнитных меток. бывает разных видов и модификаций. Всю информацию с датчиков выводит на панель машиниста, с пульта машиниста данные передаются на каротажный регистратор.

Схема компьютеризированной каротажной станции

Блок геофизический (БГФ-05). Обеспечивает непрерывное декодирование информации от скважинного прибора, работу системы измерения глубины и скорости прибора. Соединяется с внешним компьютером и с другими блоками. В БГФ находится источник управляющих напряжений (ИУН) с выходной мощностью 150Вт.

Блок коммутации (БК-05). Осуществляет необходимые коммутации между тремя жилами кабеля, двумя источниками питания и входами АЦП блока геофизического, а также формирует цифровые последовательности, необходимые для управления скважинными приборами.

Плоттер (ПЛ-05). Обеспечивает представление результатов измерений в виде каротажных диаграмм на термобумаге.

Регистратор обеспечивает запись измеряемых параметров в функции глубины скважины в аналоговой или цифровой форме. ПО каротажного регистратора позволяет редактировать данные для максимального точных проведений геофизических исследований.

Панель машиниста

Обычно унифицированы и без изменений входят в состав различных каротажных станций. Служит для: контроля спуско-подъемных операций, управления лебедкой и управления двигателем.

Колтюбинг:

Колтюбинг – самая эффективная технология доставки геофизических приборов с применением гибкой трубы, оборудованной трехжильным геофизическим кабелем, с целью проведения исследований в скважинах с горизонтальным окончанием, в том числе оборудованных компоновкой с изменяющимся внутренним диаметром (хвостовиком с многоступенчатой конструкцией для проведения поинтервального ГРП).

Суть технологии заключается в том, что спускаются гибкие, непрерывные трубы, которые могут изгибаться под землей, работать в боковых и горизонтальных стволах.

Оборудование для колтюбинга включает не только гибкие металлические трубы на установке, но и различное внутрискважинное и наземное оборудование:

• колтюбинговый агрегат (в т.ч. катушку с трубами, инжекторную головку);
• буровой насос;
• бустерную установку или специальные компрессоры для нагнетания инертного газа;
• технику для нагрева технологической жидкости, генератор инертного газа и разнообразное устьевое оборудование.

В состав дополнительного оборудования могут также входить и забойные двигатели, многочисленные насадки, режущие инструменты, породоразрушающие инструменты, отклонители, пакеры и др. приборы.

Общий вид колтюбинговой установки

Схема доставки прибора колтюбингом

Достоинства колтюбинговой установки для проведения гис:

• Снижение временных затрат на проведение исследований и непроизводительных простоев скважины за счёт более высокой скорости доставки геофизических приборов.
• Возможность выполнения каротажа в горизонтальных скважинах, оборудованных компоновкой с изменяющимся внутренним диаметром (хвостовиком с многоступенчатой конструкцией для проведения поинтервального ГРП) за счет безмуфтовой гибкой трубы.
• Более низкая вероятность прихвата в скважине за счёт меньшего диаметра инструмента.
• Более высокая вероятность освобождения геофизического прибора и гибкой трубы за счёт жёсткости самой трубы и более высокой нагрузки на инструмент в случае возникновения осложнений в скважине.

К недостаткам этого способа относят его высокую стоимость. В настоящее время колтюбинговые технологии пользуются спросом при ремонте ГС

Трактор:

Технология доставки геофизических приборов с помощью скважинного трактора (иногда называют "геофизический трактор") предназначена для эффективного продвижения приборов на забой в сильно наклонных и горизонтальных скважинах, где при обычной доставке за счет тяжести приборы не доходят до нужной глубины.

Ключевые особенности и преимущества технологии доставки на тракторе:

• Скважинный трактор — это специальное силовое устройство (движитель), которое крепится к приборной сборке и обеспечивает её продвижение по наклонным и горизонтальным участкам скважины за счет собственного привода. Это позволяет достичь глубин и зон, недоступных при доставке обычным способом через тяжесть прибора или бурильные трубы.
• Трактор облегчает работу, сокращает время доставки приборов, снижает риски, связанные с проведением работ по подаче геофизического оборудования.
• В сравнении с колтюбинговой технологией (доставка на кабеле при помощи циркуляции), трактор не ограничен максимальной глубиной и позволяет доставлять приборы в сложных геометрических участках ствола, а также является более распространённым и бюджетным способом. 
• Для расчёта массы и обеспечения стабильного движения к прибору сверху присоединяют "движитель" — иногда это несколько насосно-компрессорных труб (УБТ) либо гидравлические/механические устройства, которые проталкивают прибор на нужный участок.
• Использование трактора упрощает работу при исследовании боковых, горизонтальных и субгоризонтальных стволов длиной от 1000 до 7000 м и более.
• Технология внедрена и развивается в России и за рубежом, обладает промышленной практичностью и позволяет повысить качество исследований при сложных геофизических условиях.

6) Схема строения зонда крайне проста и содержит только два приемных электрода и измерительный канал регистратора. Дополнительно в схему вводят градуированный компенсатор поляризации ГКП, с помощью которого устанавливают масштаб записи и выводят блик гальванометра фоторегистратора на середину диаграммной ленты перед началом записи. Масштаб диаграммы ПС равен постоянной измерительного канала по напряжению m, мВ/см.

Его устанавливают, подавая в измерительную цепь известную разность потенциалов с ГКП и добиваясь необходимого отклонения блика гальванометра посредством изменения чувствительности измерительного канала. Масштаб диаграммы ПС указывают в виде двунаправленной стрелки длиной 1 или 2 см, над которой подписывают количество мВ, приходящиеся на этот отрезок. Знаками "+" и "–" показывают направление увеличения и уменьшения разности потенциалов ПС.

Интересно отметить, что, несмотря на крайнюю простоту схемы, метод ПС появился на два года позднее метода КС, в 1929 году. До этого потенциалы ПС рассматривались только как помеха при записи КС и от них стремились избавиться. И только 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 получил название стандартного электрического каротажа.

7) В ПС используют потенциал-зонд, длина которого равна расстоянию между сближенными непарными электродами. Обычно длина зонда меняется от 0,5 до 3 м.

Радиус исследования равен двойной длине зонда.

 Разрешающая способность: 0,8-3,3 м.

8) Ограничения метода:

            а) Пригоден только для открытого ствола скважины;

            б) Регистрация невозможна, когда УЭС флюида = УЭС раствора (необходима разница в концентрации солей между пластом и буровым раствором);

            в) Неточен в карбонатном разрезе (комбинирование ПС с другими методами, такими как электрическая томография или сейсмическое моделирование, может помочь получить более полное представление о структуре и свойствах породы);

            г) Влияние внешних факторов (внешние электрические и магнитные поля могут значительно изменять свойства поляризации. Чтобы минимизировать это влияние, проводят эксперименты в изолированных условиях);

            д) Температурные эффекты (при высоких температурах поляризация может изменяться, что затрудняет точные расчеты. Чтобы справиться с этим, часто проводят эксперименты при контролируемых температурах или используют термодинамические модели).

            е) Часто не работает на больших глубинах, из-за электрических и температурных ограничений кабеля и оборудования, ухудшения условий измерения, влияния геологической среды и увеличения шумов. (Для глубоких скважин обычно применяют дополнительные методы или модификации, а также усиливают сигнал и используют специальные технологии обработки данных).