Геофизические методы исследования скважин

     На  контакте двух электролитов разной концентрации, вследствие разной электрической подвижности  их ионов, возникают диффузионные потенциалы.

      ЭДС диффузии этих потенциалов в случае контакта простых и не отличающихся по химическому составу электролитов оценивается уравнением Нернста

     (35)

где R – универсальная газовая постоянная [R=8,314 Дж/(моль·Кл)]; F – число Фарадея [F=96500 Кл/моль]; T – абсолютная температура, К; n_к и n_а – число катионов и анионов; z_к и z_а – валентности катиона и аниона; u и v – электрохимические подвижности катиона и аниона, Ом·см²/моль; C₁ и C₂ – концентрации контактирующих электролитов, моль/л. Если C₁> C₂, тогда E_д определяет потенциал второго электролита по отношению к потенциалу первого.

           Из формулы (35) следует, что обязательным условием ЭДС является подвижность катионов и анионов. В растворе NaCl анион Cl в 1,5 раза подвижней аниона Na. Если C₁=C₂, то диффузная ЭДС отсутствует. Для одновалентного электролита, когда валентности равны z_a, z_к=1 и n_a, n_к=1, формула (35) принимает вид

(36) 

где E_д – ЭДС диффузии, В.

      Если подставим  в уравнение (36) значение    при T=293 К и, заменив натуральный логарифм десятичным, и выразив ЭДС в мВ, получим:

        

     (37)

     

      (38)

где      - числа переноса катиона и аниона.

          При постоянстве T в (36, 37), выражение (38) примет вид (обозначим выражение перед логарифмом через K_д):

     (39)

где K_д – коэффициент диффузной ЭДС, который зависит от T и химического состава контактирующих электролитов.

           Если два раствора различной  концентрации разделены тонкопористой  перегородкой (мембраной), то через  нее будет происходить диффузия  солей и возникнет мембранная  или диффузионно-адсорбционная ЭДС.

      Лабораторными исследованиями установлено, что мембранная ЭДС отличается по величине от диффузной ЭДС

     (40)

где E_да – диффузионно-адсорбционная ЭДС; z – валентность электролита.

      Уравнение (40) получено из уравнения (35) при допущении, что анионы неподвижны v = 0, валентности катионов и анионов равны, z_к=z_а, если N_к=1, а N_а=0, то

(41)

(42)

      Величина  E_да зависит от структуры перегородки и не зависит от ее толщины. При применении глины в качестве мембраны для раствора NaCl более концентрированный раствор заряжен отрицательно и величина диффузионно-адсорбционного потенциала K_да для мембраны из глины достигает 45 мВ. Основная причина изменения величины и знака E_да, это изменение чисел переноса в поровых каналов капиллярной системы, вызванное влиянием двухэлектродного слоя. Двойной электрический слой возникает на границе раздела различных фаз в частности на поверхности твердой частицы при контакте с электролитом и является электрически нейтральной системой. По данным электрохимии, объем капиллярно-поровой системы заполненной водным электролитом может быть распределен на несколько частей.

     Широкий капилляр.

     1-слой адсорбционный, подвижность анионов очень мала, т.к. они входят в состав стенок капилляров. Поверхность твердой фазы заряжена отрицательно и составляет внутреннюю обкладку двойного слоя.

     2-слой  диффузионный, в этой части двойного слоя катионы и анионы обладают некоторой подвижностью, но меньшей, чем в свободном растворе. При отрицательном заряде твердой фазы, концентрация ионов в диффузном слое убывает в направлении от поверхности к свободному раствору, а концентрация анионов возрастает. Однако в целом количество катионов в объеме диффузного слоя превышает значительное количество анионов.

     3-слой. Объем заполнен свободным раствором, причем концентрация электролита равна концентрации такого раствора, которым насыщены поры мембраны. Свободный раствор в порах предполагается быть электрически нейтральным, содержащим одинаковое количество анионов и катионов. В широком капилляре, радиус которого больше толщины диффузного слоя, объем занимаемый свободным раствором во много раз больше объема диффузного слоя.

     Узкий капилляр.

     В узком капилляре радиус которого несколько превышает толщину  двойного слоя или равен ей, большая  часть объема капилляра занята диффузионным слоем с преобладающим содержанием подвижных катионов. Электропроводность, диэлектрическая проницаемость, вязкость и другте свойства существенно отличные от таких же свойств свободного раствора. Поэтому физические свойства горных пород существенно зависят от соотношения занимаемых объемов свободным и диффузионным растворами. Толщина двойного диффузионного раствора уменьшается с ростом концентрации раствора. В качестве параметра количественной характеристики диффузионно-адсорбционной активности принимают коэффициент диффузионно-адсорбционной активности:

     

     (43) 

     Под диффузионно-адсорбционной активностью породы понимается ее способность вызывать превышение ЭДС диффузионной адсорбции. Для ЭДС диффузионной адсорбции для одной и той же пары растворов A_да=K_да-K_д. Диффузионно-адсорбционная активность A_да изменяется от 0 до 70 мВ. В чистой неглинистой породе A_да стремится к нулю, а высокопористой плотной глине – к 70 мВ. Диффузионно-адсорбционная активность возрастает с уменьшением размеров пор в породе. Установлена связь между диффузионно-адсорбционной активностью A_да и ионно-сорбционной способностью пород, характеризуется приведенной емкостью объема g_п. приведенная емкость обмена (поглощения) характеризует число молей поглощенных катионов, приходящихся на единицу объема (м³, см³) порового пространства породы.

 

     [дополнение  с листов (каротаж)] 

РАДИОАКТИВНЫЙ КАРОТАЖ 

     В настоящее время широко применяется  РК трех видов:

1. ГК, основан на измерении по стволу скважины гамма-излучения, вызванного естественной радиоактивностью горных пород.
2. ГГК, исследует особенности прохождения через породы гамма-излучения от источника гамма квантов, опускаемого в скважину вместе с прибором.
3. НК, базируется на исследовании поля медленных нейтронов и гамма квантов, создаваемого источником быстрых нейтронов, находящихся в приборе.

     Особенности РК:

• относительно малая глубинность исследований (90% излучения поступает в детектор от слоя пород толщиной 10-30 см);
• возможность исследования скважины, крепленных обсадной колонной, практически не препятствующей прохождению нейтронов и гамма-излучения;
• зависимость результатов в первую очередь от элементного состава пород, малая роль их структурных особенностей – размера, извилистости и сообщаемости поровых каналов, распределения отдельных элементов в исследуемой части пласта.

 

Гамма-гамма каротаж 

      При прохождении  через слой вещества толщиной R поток гамма-излучения J₀ ослабляется до величины J по закону

где e – основание натурального логарифма; μ₀ – массовый коэффициент поглощения гамма-излучения; σ – плотность вещества.

     Причиной  ослабления потока гамма-излучения является взаимодействие гамма квантов с электронами и ядрами атомов вещества. Вероятность взаимодействия определяется величиной μ₀, зависящей от заряда Z и атомного номера A атомов, а так же от энергии излучения E. Кроме того, вероятность взаимодействия пропорциональна плотности вещества σ.

     При проведении ГГК в скважину опускается измерительная установка, состоящая  из источника и детектора гамма-излучения, разделенных свинцовым экраном. Экраном поглощаются те гамма  кванты, которые распространяются по прямой линии от источника до детектора. Гамма кванты, проникающие в породу, рассеиваются на электронах, входящих в состав атомов пород, часть из них после нескольких актов рассеяния попадает в детектор и регистрируется. Чем больше плотность породы, тем меньше гамма квантов приходит в детектор.

     Если  не принимать специальных мер, большая  часть гамма-излучения будет проходить  по стволу скважины, а не по породе. Поэтому источник и детектор обычно прижимаются к стенке скважины и  экранируются от скважины свинцом. Для улучшения параметров измерительной установки, в некоторых приборах излучение источника и регистрируемое излучение коллинируются, т.е. направляются в породу (или из породы к детектору) под заданными углами с помощью свинцовых экранов с соответствующим образом расположенными окнами, заполненными легкими веществами (например, полиэтиленом).

     В качестве источника гамма-излучения  в приборах ГГК у нас и за рубежом чаще всего используется радиоактивный изотоп цезия (¹³⁷Cs) с периодом полураспада 26 лет и энергией гамма квантов 0,662 МэВ. Активность применяемых источников (0,5-2)·10¹⁰ расп/с, т.е. 50-200 мг·экв·радия.

     Расстояние  серединой источника и серединой  индикатора в приборе, называют длиной зонда L (полная длина зонда). В коллинированных системах вводится также длина зонда L₁, равная расстоянию между ближайшими сторонами коллимационных окон источника и в применяемых детекторах лежит в пределах 30-50 см.

     Зависимость логарифма зарегистрированной интенсивности  J гамма-излучения от плотности среды lg J=f(δ) для указанных L линейны. Линейность нарушается для зондов небольшой длины в породах с малой плотностью.

     Основным  недостатком описанных измерительных  установок является искажение результатов, возникающие при наличии между  прибором и стенкой скважины промежуточной  среды, например глинистой корки или слоя ПЖ в кавернозной части ствола, т.к. плотность промежуточной среды намного меньше плотности пород, измеряемые по ГГКП значения плотности занижаются. Погрешность возрастает с уменьшением длины зонда L. Сильное влияние промежуточной среды объясняется малой глубинностью ГГК. Так, при длине зонда L=30 см 90% регистрируемого излучения поступает от слоя пород толщиной 10-12 см, а при L=12÷15 см – от слоя всего 6-7 см.

     При плотности ГГКП за основной нормируемый  показатель прибора принята погрешность измерения плотности пород σ в рабочем диапазоне ее изменения (от 2,1 до 2,7 г/см³) на имитаторах пластов – базовых метрологических образцах плотности (МОБ).

     За  условную единицу при ГГКП принимаются  регистрируемые значения по каналам  большого и малого зондов на метрологическом образце из алюминия.

     В методе ГГК различают: плотностной  ГГК-П и селективный ГГК-С.

     При ГГК-П измеряется жесткая составляющая рассеянного гамма-излучения. В качестве источника используется изотоп кобальта.

     На  кривой ГГК-П минимальные показания соответствуют плотным породам – ангидритам, крепким доломитам и известнякам; максимумами выделяются наименее плотные породы – гипсы, глины, каменная соль, высокопористые разности известняков, песчаников, доломитов. Средними или пониженными значениями отмечаются глинистые известняки и песчаники.