Удельное электрическое сопротивление горных пород

Лекция 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВИДЫ КАРОТАЖА

Каротаж электрический (электрокаротаж) – методы геофизических исследований скважин, в основе которых лежит дифференциация горных пород и полезных ископаемых по удельному электрическому сопротивлению, потенциалам поляризации, или диэлектрической проницаемости.

Свойство горных пород проводить электрический ток характеризуется их удельной электропроводностью или обратной ей величиной – удельным электрическим сопротивлением:

ρ = 1/σ = RS/L, (1)

где R – полное электрическое сопротивление образца породы;

S и L – соответственно, площадь поперечного сечения и длина образца.

Размерность ρ – Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление величиной 1 Омм соответствует полному сопротивлению в Омах одного кубического метра породы, эквивалентного кубу с ребром, равным 1 м, и измеренному перпендикулярно к грани куба.

Размерность σ – См/м или мСм/м (сименс).

Удельное электрическое сопротивление горной породы определяется величиной сопротивления ее твердой фазы, сопротивлением насыщающих поровое пространство флюидов, минерализацией пластовой воды и температурой, объемом порового пространства, текстурными особенностями породы.

1. Удельное сопротивление основных породообразующих минералов (кварц, полевой шпат, кальцит, ангидрит, галит) изменяется от 10⁸ – 10¹⁵ Омм, что соответствует диэлектрикам (непроводникам). Исключения составляют угольные и рудные месторождения, электропроводящими минералами которых являются пирит, магнетит, глауконит и др.

2. Проводимость осадочных горных пород (пески, песчаники, известняки, глины) определяется лишь присутствием природной воды в порах. Удельное сопротивление воды ρ_в намного меньше ρ минерального скелета 10^-2 – 10 Омм. Пластовая или поровая вода распределяется в породах по-разному. Если она заполняет целиком все поровое пространство, то породы считаются полностью водонасыщенными. В нефте- и газоносных пластах поры только частично заполнены водой. Удельное сопротивление таких пород ρ_нп выше водонасыщенных ρ_вп, поскольку нефть и газ, как и скелет породы, являются диэлектриками.

Пластовые воды представляют собой сложные растворы электролитов, т.е. содержат растворенные соли. Наиболее высокую концентрацию в пластовых водах имеют ионы натрия, калия, хлора, кальция, магния, подавляющее количество имеет NaCl. Удельное сопротивление пластовых вод ρ_в тем ниже, чем выше концентрация солей С и температура Т.

3. Если все поровое пространство насыщено водой, удельное электрическое сопротивление водонасыщенной породы ρ_вп будет пропорционально проводящей компоненте – удельному сопротивлению пластовой воды ρ_в; в то же время оно будет зависеть и от объема этой воды, т.е. коэффициента пористости:

ρ_вп = Р_п · ρ_в, (2)

где Р_п – относительное сопротивление или параметр пористости породы, зависящий от пористости k_п и типа порового пространства – извилистости поровых каналов или степени цементации породы.

, (3)

где а – некоторая постоянная, m – зависит от степени цементации породы.

Основным цементирующим веществом в породах является глинистый или глинисто-карбонатный материал.

4. На величину УЭС породы оказывает влияние присутствие в ней глинистого материала, особенно сильно влияние при насыщении породы слабоминерализованной или пресной водой. С увеличением в породе глинистого материала возрастает удельная поверхность и адсорбционная способность пород, а, следовательно, увеличивается и их поверхностная проводимость. Для оценки влияния поверхностной проводимости на величину удельного сопротивления породы используют коэффициент поверхностной проводимости П:

, (4)

где Р_п – параметр пористости породы, насыщенный низкоминерализованной водой;

Р_п^* – параметр пористости породы, насыщенный высокоминерализованной водой.

С учетом выражений (2) и (4) удельное сопротивление водонасыщенной породы ρ_вп:

ρ_вп = П·Р_п^*·ρ_в. (5)

Удельное электрическое сопротивление нефтегазонасыщенной породы ρ_нг превышает удельное сопротивление этой же породы, насыщенной пластовой водой ρ_вп в Р_н раз, Р_н – коэффициент увеличения сопротивления или параметра насыщения:

, (6)

где а_n и n – постоянные, для данных отложений.

К_нг + К_в = 1, (7)

где К_нг и К_в – коэффициенты нефтегазонасыщенности и водонасыщенности.

Из выше сказанного можно отметить главное. Горные породы состоят из породообразующих минералов, которые имеют очень высокие значения электрического сопротивления. Однако присутствие в породах минерализованной воды в значительной степени снижает их сопротивление, так как насыщенные минерализованной водой горные породы обладают ионной проводимостью. Нефть и газ, которыми могут быть насыщенны пласты коллектора, также имеют очень высокое электрическое сопротивление, но при регистрации электрокаротажа пласты, насыщенные нефтью или газом не имеют бесконечно высокого сопротивления. Связано это с тем, что нефть заполняет только центральную часть пор, а сами зерна минералов, которыми сложен пласт, всегда содержат на своей поверхности физически связанную воду. Поэтому нефтегазонасыщенные пласты–коллекторы (т.е. пласты, содержащие в своих порах какой-либо флюид или газ и способные этот флюид через себя пропускать) отмечаются в разрезе скважины повышенными значениями удельного электрического сопротивления, а водонасыщенные коллекторы – низкими.

Лекция №3. Метод потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС или СП)

Скважинные исследования методом естественного поля (ЕП) или поля самопроизвольного (каротаж ПС или СП) сводятся к измерению постоянных естественных потенциалов, возникающих у пластов с разной электрохимической активностью.

Естественные потенциалы (потенциалы собственной поляризации) возникают при окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрационных процессах, протекающих в различных горных породах.

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 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. Раствор с меньшей концентрацией приобретает знак более подвижного иона. Промывочная жидкость за счет ионов Cl^- заряжается отрицательно, а пласт за счет Na⁺ положительно (рис. 1).

Рис. 1

Скважинный прибор против пласта песчаника регистрирует отрицательные потенциалы, т.к. окружен промывочной жидкостью. Таким образом, на контакте песчаного пласта со скважиной образуется двойной электрический слой, потенциал которого называется диффузионным.

Окислительно-восстановительные процессы в основном возникают при химических реакциях между электропроводящими телами (сульфиды, магнетит, графит, антрацит, рудные тела и др.), промывочной жидкостью скважины и пластовыми водами. Окислительно-восстановительные процессы связаны с потерей электронов (окисление) или с преобладанием их (восстановление). Разность потенциалов между окисляющей средой и окислителем называется окислительно-восстановительным потенциалом. В разрезах нефтяных скважин эти потенциалы не имеют сколько-нибудь заметного распространения.

Фильтрационные процессы связаны с динамикой подземных вод (потенциалы течения). Потенциалы фильтрации возникают при движении флюида в порах горной породы, при этом происходит адсорбция анионов солей пластовых вод. 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. Фильтрационные потенциалы возникают на границе «скважина – пласт» при наличии разности гидростатического и пластового давления. Но так как на практике разность давлений незначительна, то фильтрационные потенциалы не оказывают существенного влияния на показания ПС.

Зондом для измерения собственных потенциалов служат свинцовые приемные электроды. Работы в методе ПС чаще выполняются способом потенциала, то есть установкой, состоящей из одного неподвижного приемного электрода N, заземленного вблизи устья скважины, и второго электрода M, перемещаемого по скважине (рис. 2).

Рис. 2. Схема измерений методом ПС

1 – глина, 2 – песчаник

Производится регистрация разности потенциалов между электродами М и N:

∆U_пс^MN = U_пс^M – U_пс^N = U_пс^M – const. (1)

Согласно приведенной формуле изменение ∆U_пс^MN – это изменение U_пс^M в мB с глубиной.

В результате работ получаются кривые естественных потенциалов, измеряемые в милливольтах. Регистрация кривой естественных потенциалов производится в масштабе 5 или 12,5 мВ/см.

Однозначная литологическая интерпретация диаграмм ПС затруднена, т.к. естественное электрическое поле зависит от многих факторов. Чаще всего при значениях удельного электрического сопротивления фильтрата бурового раствора больших, чем у пластовой воды (ρ_ф>ρ_в), 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.

Против нефтегазоносных песчано-алевритовых пластов:

– чистых – аномалия ПС такая же, как против водоносных;

– глинистых – аномалия ПС несколько снижена по сравнению с амплитудой такого же водоносного пласта, что связано с повышением сопротивления коллектора и изменением его диффузионно-адсорбционной активности.

В карбонатном разрезе отрицательными аномалиям ПС отмечаются чистые (неглинистые) карбонатные пласты (известняки, доломиты).

Метаморфические и изверженные породы, плотные, плохо проницаемые песчаники, известняки, без включений тонкодисперсного (глинистого) материала по данным ПС для оценки литологии не используются, т. к. у них не возникают двойные электрические слои.

Область применения ПС:

1. Выделение в разрезе скважины проницаемых интервалов.

2. Литологическое расчленение разреза.

3. Определение границ пластов.

4. Определение фильтрационно-емкостных свойств пластов-коллекторов (коэффициентов проницаемости и пористости).

5. Определение удельного сопротивления и минерализации пластовой воды.

6. Корреляция разрезов скважин – прослеживание по соседним скважинам отдельных пластов.

7. Изучение условий осадконакопления.

К недостаткам метода ПС относятся его малая информативность в высокоомных разрезах и затруднения в выделении тонких пластов. Наличие глинистой корки в интервалах пористых продуктивных пластов значительно ослабляет амплитуду потенциала ПС. Кривая становится более пологой и «размазывается» в вертикальном направлении, что приводит к завышению оценки мощности пористого пласта по данным ПС.

1.2 ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ

Выделение проницаемых и непроницаемых интервалов или песчаников и глинистых пород в терригенном разрезе.

Первоначальный этап интерпретации кривой ПС заключается в проведении опорной линии отсчета – линии глин (нулевая линия). На практике чаще встречаются случаи, когда удельное электрическое сопротивление фильтрата бурового раствора ρ_ф > сопротивления пластовой воды ρ_в и линия глин проводится по максимуму положительной аномалии (рис. 3), соответствующей мощному пласту глин. В противном случае, при ρ_ф<ρ_в, линия глин отражает минимальное значение отрицательной аномалии ПС. Положение линии глин может смещаться вследствие изменения литологии и дисперсности глинистых осадков, нарастания температуры с глубиной и нестабильности электродного потенциала, притока пластовых вод в скважину.

Отрицательные амплитуды ПС по отношению к линии глин соответствуют проницаемым пластам – песчаникам или алевролитам, снижение амплитуды ПС свидетельствует об увеличении глинистого материала в породе.

Границы пластов по диаграммам ПС определяют на уровне половины спада аномалии DU_пс.

Определение пористости пород (К_п^ПС).

Определение К_п по данным ПС возможно только для межзерновых терригенных глинистых коллекторов с рассеянной глинистостью, причем с ростом глинистости К_п уменьшается.

На практике широко используется относительная приведенная амплитуда ПС:

α_пс = ∆U_пс / ∆U_пс^max, (2)

где ∆U_пс – отклонение кривой ПС против песчаного пласта – амплитуда аномалии ПС. Величина ∆U_пс снимается с кривой ПС линейкой, т.е. замеряется расстояние от снятого значения до линии глин в см. Чтобы получить снятое значение в мВ это расстояние умножается на 5 мВ, либо на 12,5 мВ.

∆U_пс^max – максимальная амплитуда аномалии ПС против чистого водонасыщенного пласта. Для примера, приведенного на рис. 3, ∆U_пс^max составляет 31 мВ.

Основой определения К_п по данным ПС служит корреляционная зависимость типа «ГИС-керн» или «ГИС-ГИС» между α_пс и К_п, которую получают, сопоставляя α_пс со средними значениями К_п для интервалов, пористость которых определена по данным представительного керна или по материалам других видов ГИС. Затем эту зависимость используют для определения К_п по значениям α_пс в пластах, где пористость неизвестна (рис. 4).

В качестве количественных критериев разделения пород на «коллектор-неколлектор» принято значение коэффициента открытой пористости 0,27 д.ед.

Рис. 3. Терригенный разрез по данным ГИС

Рис. 4 Зависимость относительной амплитуды ПС от открытой пористости терригенных пород

В таблице 1 приведен пример интерпретации данных ПС по скважине, отображенной на рис. 3.

Таблица 1

Пример определения пористости, коллекторских свойств и литологии по данным ПС

№ прос-лоя	Кровля, м	Подошва, м	Толщина прослоя, м	Снятый отсчет, см	Отсчет, мВ	αпс, д.ед.	Кп, д.ед.	Коллектор-ские св-ва	Порода
		1375,2	1,2	0,4		0,06	0,125	неколлектор	глина
	1375,2		2,8	2,7	13,5	0,44	0,253	неколлектор	алевролит глинистый
		1381,7	3,7	3,7	18,5	0,60	0,29	коллектор	алевролит
	1381,7	1384,2	2,5	6,2		1,00	0,36	коллектор	алевролит

1.3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОТЧЕТНОСТЬ

1. Выполнить вышеуказанные работы по одной скважине, выданной преподавателем.

2. Заполнить таблицу и кратко описать выполнение работы с анализом их результатов.

3.Отчитаться по теме «Изучение метода потенциалов самопроизвольной поляризации» перед преподавателем, ведущим лабораторные занятия по курсу.

Лекция №4. Метод потенциалов вызванной поляризации (ВП)

Метод ГИС, основанный на изучении вторичного электриэлектрического поля, возникающего в горных породах под действием первичного (поляризующего) поля, называют методом вызванных потенциалов (ВП). Другими словами, в методе ВП существующее поле ПС искусственно усиливается с целью последующего наблюдения спада суммарного поля, который не одинаков в разных по литологическому составу породах.

Механизм возникновения вторичного электрического поля связан с электролитической и объёмной поляризацией геологических образований. Первая возникает на контакте с углистыми и содержащими сульфидные и железные руды породами и минералами, например, сидерит. Вторая обусловлена объемной поляризацией пород с повышенной глинистостью, пустотным пространством порового, трещинного или кавернового типа. В этой связи метод ВП применяют для решения двух групп задач: первая – связана с изучением рудных месторождений, вторая – нефтегазового и гидрогеологического характера.

На практике поляризацию создают относительно длинными импульсами постоянного тока, в промежутках между которыми измеряют спадающую во времени вызванную разность потенциалов ∆U_ВП. Отношение зарегистрированной разности потенциалов ∆U_ВП к питающему напряжению ∆U называют кажущейся поляризуемостью (или кажущейся вызванной электрической активностью) среды:

η = ∆U_ВП /∆U×100%.

Питающее напряжение ∆U определяют как разность напряжений в конце зарядки и до включения тока. Величину ∆U_ВП измеряют после выключения тока поляризации в различные, строго определенные моменты времени.

Закон изменения (спада) вторичного электрического поля U_ВП в промежутках между токовыми импульсами описывается электрическими зависимостями, одна из которых экспоненциальная, а другая – гиперболическая:

U_ВП,t≠о = U_ВП,t=о ехр(-lt);

U_ВП,t≠о = U_ВП,t=о/(l +βt).

В этих уравнениях U_ВП,t≠о – измеряемые амплитуды потенциалов вызванной поляризации в моменты времени t между соседними токовыми импульсами; U_ВП,t=о – амплитуда потенциала вызванной поляризации на момент окончания токового импульса; l и β – константы, зависящие от типа и петрофизических характеристик входящего в состав породы минерала с электронной проводимостью.

Для измерения вызванных потенциалов используют четырехэлектродную установку AMNB. Механизм формирования поля ВП в импульсном режиме показан на рис. 1.

Рис. 1. Формирование поля вызванной поляризации в импульсном режиме

а – силовые линии поля первичных (Е_ПР) и вторичных, вызванных поляризацией (Е_ВП) токов, б – импульс тока (токовый меандр), в – временной процесс поляризации после включения и выключения тока

В ионопроводящих горных породах ток течет только в жидкой фазе, и, следовательно, вектор напряженности электрического поля направлен параллельно двойному электрическому слою. Явление проявляется достаточно слабо – поле вторичных зарядов не превышает первых процентов от первичного поля.

В случае наличия в горных породах минералов с электронным типом проводимости (сульфиды, графит, магнетит и некоторые другие) твердая фаза уже не является диэлектриком и ток течет поперёк двойного электрического слоя: идут достаточно интенсивные электрохимические и электрокинетические процессы и поле вторичных источников, возникающих на границе твердой и жидкой фазы, может составлять десятки процентов от первичного поля.

Для ионопроводящих горных пород время зарядки и разрядки составляет первые секунды. В случае присутствия электропроводящих включений это время может увеличиваться до нескольких минут.

Рис. 2. Схема измерений потенциалов ВП

Дата добавления: 2014-11-18