Каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС)

Қысқаша негізгісі

ПС — пассивный метод: прибор ничего не излучает, а регистрирует разность потенциалов между электродом в скважине и электродом на поверхности. Абсолютного нуля нет, отклонения отсчитывают от линии глин.
Главный источник — электрохимическая ЭДС (электродвижущая сила): мембранный потенциал на глинах, пропускающих катионы Na⁺, плюс диффузионный потенциал на контакте фильтрата с пластовой водой (примерно в пять раз меньше). При 25 °C они дают около 71 мВ на каждое десятикратное различие активностей растворов.
Знак задаёт контраст вод: при $R_{mf} > R_w$ (пресный раствор, солёная вода) отклонение отрицательное, при $R_{mf} < R_w$ — положительное, при близкой солёности отклонения почти нет.
Статическая амплитуда (SSP) — полная ЭДС, которую показала бы кривая, если бы токи не текли. Записанное отклонение достигает её только в мощных чистых водоносных пластах невысокого сопротивления.
Малая толщина и высокое сопротивление пласта, глинистость, углеводороды уменьшают отклонение; электрокинетические потенциалы обычно малы, но при большой репрессии и в плотных пластах искажают кривую.
По SSP, сопротивлению фильтрата и пластовой температуре находят $R_w$ ; все сопротивления берут при пластовой температуре.

Негізгі қатынастар

\mathrm{SSP} = -K\lg\dfrac{R_{mfe}}{R_{we}}

статическая амплитуда чистого пласта; эквивалентные сопротивления при пластовой температуре, $\lg$ — десятичный логарифм

K \approx 65 + 0{,}24\,T

коэффициент в мВ при $T$ в °C; около 71 мВ при 25 °C

R_{we} = R_{mfe}\cdot 10^{\,\mathrm{SSP}/K}

эквивалентное сопротивление пластовой воды по статической амплитуде (SSP со своим знаком)

Жиі қателіктер

Принимать отклонение тонкого, глинистого или нефтенасыщенного пласта за статическую амплитуду — $R_w$ получится завышенным.
Подставлять $R_{mf}$ при температуре замера на поверхности, а не при пластовой.
Считать отсутствие отклонения признаком непроницаемого пласта: при одинаковой солёности фильтрата и воды ПС «молчит» и против хорошего коллектора.
Путать эквивалентное сопротивление крепкого рассола с истинным $R_w$ .

Сабақтан кейін сіз

объяснить, как возникают мембранный и диффузионный потенциалы и почему их сумма зависит от отношения сопротивлений фильтрата и пластовой воды;
предсказать знак и примерную величину отклонения ПС по сопротивлениям $R_{mf}$ , $R_w$ и температуре;
провести линию глин, выделить проницаемые пласты и их границы и отличить статическую амплитуду от записанного отклонения;
перечислить, что уменьшает амплитуду ПС — малая толщина и высокое сопротивление пласта, глинистость, углеводороды, — и в каких скважинах метод не работает;
рассчитать сопротивление пластовой воды по статической амплитуде ПС и оценить, как ошибки в амплитуде и температуре переходят в ошибку $R_w$ .

Что измеряет зонд ПС

Измерительная схема предельно проста. Один электрод опускают в скважину на кабеле, обычно в составе связки приборов, второй заземляют на поверхности — в ёмкости с буровым раствором или в грунте. Регистрируют разность потенциалов между ними в милливольтах. Прибор не излучает и не подаёт ток в породу, поэтому метод, как и гамма-каротаж, называют пассивным.

Потенциал поверхностного электрода постоянен, и все изменения кривой рождаются в скважине. Абсолютный уровень смысла не имеет: он зависит от электродов и может медленно «плыть». Значение имеют только отклонения от уровня, который кривая держит против мощных глин, — линии глин (shale baseline). Кривую выводят в левую дорожку диаграммы, отрицательные значения — влево; масштаб и сдвиг подбирают при записи, чтобы кривая не уходила за края дорожки.

В отечественной практике ПС вместе с кривой кажущегося сопротивления стандартного зонда составляет стандартный каротаж, который записывают по всему стволу. Отклонение от линии глин обозначают $\Delta U_\text{пс}$ . Метод требует проводящего раствора и открытого ствола, поэтому в скважинах на растворе на углеводородной основе, с продувкой воздухом и за обсадной колонной ПС не записывают (Скважина как среда измерений: зона проникновения и глинистая корка).

Откуда берётся потенциал

Возьмём проницаемый песчаник между двумя мощными глинами, вскрытый на пресном растворе. В зоне проникновения поры заполнены фильтратом, в котором мало соли, а за фронтом проникновения — солёной пластовой водой. Для простоты будем считать, что в обоих растворах растворён только хлорид натрия: в воде катионы Na⁺ и анионы Cl⁻. Ионы стремятся перейти из солёного раствора в пресный, и на двух разных границах это даёт два разных потенциала.

Мембранный потенциал (membrane potential): Поверхность слоёв глинистых минералов заряжена отрицательно. Поэтому глина пропускает катионы Na⁺, но отталкивает анионы Cl⁻ — работает как ионоселективная мембрана. Через глины над пластом и под ним катионы уходят из солёной пластовой воды в пресный раствор скважины, и раствор против глин заряжается положительно. Это главная составляющая: около 59 мВ на каждое десятикратное различие активностей растворов при 25 °C. В отечественной литературе её называют также адсорбционной.
Диффузионный потенциал (liquid-junction potential): На фронте проникновения фильтрат и пластовая вода соприкасаются напрямую, и соль диффундирует из солёной воды в пресную. Анионы Cl⁻ примерно в полтора раза подвижнее катионов Na⁺ и уходят вперёд, поэтому пресная сторона — фильтрат, а через него и раствор против песчаника — заряжается отрицательно. Этот потенциал примерно в пять раз меньше мембранного: около 12 мВ на декаду при 25 °C.

Обе ЭДС (электродвижущие силы) направлены согласно и включены последовательно в замкнутую цепь: пластовая вода → глина → раствор в скважине → зона проникновения → пластовая вода. Их сумму называют электрохимической ЭДС (в отечественной литературе — диффузионно-адсорбционной). По цепи течёт ток ПС: в растворе — от участков против глин к участку против песчаника. Раствор в узком стволе — самое «тонкое» звено цепи, в нём падает большая часть ЭДС, и именно это падение напряжения регистрирует электрод.

СызбаКак возникает ПС против песчаника между глинами при пресном растворе (

R_{mf} > R_w

): катионы Na⁺ проходят через глины в скважину (мембранный потенциал), анионы Cl⁻ опережают катионы на фронте проникновения (диффузионный потенциал), ток ПС замыкается через раствор. Слева — кривая ПС с отклонением влево от линии глин. Схема не в масштабе.

Знак отклонения ПС против чистого пласта

Раствор и пластовая вода: Пресный раствор, солёная пластовая вода (самый частый случай)
Сопротивления: $R_{mf} > R_w$
Отклонение: отрицательное, влево от линии глин

Раствор и пластовая вода: Солёность фильтрата и воды близка
Сопротивления: $R_{mf} \approx R_w$
Отклонение: почти нет: пласт на ПС не выделяется

Раствор и пластовая вода: Солёный раствор или пресная пластовая вода
Сопротивления: $R_{mf} < R_w$
Отклонение: положительное, вправо

Раствор и пластовая вода: Раствор на углеводородной основе, воздух, обсадная колонна
Сопротивления: —
Отклонение: ПС не записывают: цепь не замыкается

Раствор и пластовая вода	Сопротивления	Отклонение
Пресный раствор, солёная пластовая вода (самый частый случай)	$R_{mf} > R_w$	отрицательное, влево от линии глин
Солёность фильтрата и воды близка	$R_{mf} \approx R_w$	почти нет: пласт на ПС не выделяется
Солёный раствор или пресная пластовая вода	$R_{mf} < R_w$	положительное, вправо
Раствор на углеводородной основе, воздух, обсадная колонна	—	ПС не записывают: цепь не замыкается

Сопротивления сравнивают при одной температуре. Строго говоря, знак и величину задаёт отношение активностей растворов; отношение сопротивлений — его удобная замена (см. ниже).

Что меняется, если…

…солёность пластовой воды выше при том же растворе — отрицательное отклонение растёт: примерно на 70–100 мВ на каждое десятикратное увеличение контраста, в зависимости от температуры;
…раствор сделали солонее — отклонения уменьшаются, при сравнявшейся солёности почти исчезают, а затем меняют знак;
…температура выше — при том же контрасте ЭДС больше: коэффициент пропорционален абсолютной температуре;
…в песчанике есть глина — сам пласт становится частичной мембраной обратного знака, и отклонение уменьшается.

Статическая амплитуда и сопротивления вод

Статическую амплитуду удобно понимать на примере батарейки. Пока цепь разомкнута, вольтметр на её зажимах показывает полную ЭДС; когда цепь замкнута, часть ЭДС тратится на внутреннее сопротивление, и вольтметр показывает меньше. В скважине роль зажимов играют раствор против глин и раствор против песчаника. Если бы ток ПС не мог течь вдоль ствола, разность потенциалов между ними была бы равна полной электрохимической ЭДС. Эту величину называют статической амплитудой ПС (static SP, SSP). В мощном чистом водоносном пласте с невысоким сопротивлением записанное отклонение практически достигает её, в остальных случаях оно меньше (см. раздел об уменьшении амплитуды).

Статическая амплитуда ПС чистого пласта

\mathrm{SSP} = -K\lg\frac{a_w}{a_{mf}} = -K\lg\frac{R_{mfe}}{R_{we}}

мұндағы:

$\mathrm{SSP}$ статическая амплитуда: отклонение от линии глин против чистого водоносного пласта при отсутствии токов; отрицательна, когда пластовая вода солонее фильтрата, мВ
$K$ электрохимический коэффициент, пропорциональный абсолютной температуре: $K \approx 65 + 0{,}24\,T$ при $T$ в °C, около 71 мВ при 25 °C, мВ
$a_w,\ a_{mf}$ химические активности пластовой воды и фильтрата при пластовой температуре — «действующие» концентрации ионов, —
$R_{mfe},\ R_{we}$ эквивалентные сопротивления фильтрата и пластовой воды при пластовой температуре — сопротивления, обратно пропорциональные активностям, Ом·м

Бірліктер: мВ; сопротивления в любых одинаковых единицах; $\lg$ — десятичный логарифм

Мына жағдайда орындалады

чистый (неглинистый) водоносный пласт между мощными глинами, которые ведут себя как идеальные катионные мембраны;
растворы близки по составу к раствору NaCl; при большой доле других солей коэффициент при 25 °C отличается от 71 мВ;
электрокинетические потенциалы малы или взаимно компенсируются;
оба сопротивления и коэффициент $K$ относятся к пластовой температуре.

Каждое десятикратное различие активностей даёт около 71 мВ при 25 °C и около 89 мВ при 100 °C. Амплитуда зависит от отношения сопротивлений, а не от их абсолютных значений: пары 1,0 и 0,1 Ом·м или 0,5 и 0,05 Ом·м дают одну и ту же SSP.

Басқа бірліктер жүйелерінде (1)

Температура в градусах Фаренгейта

K \approx 61 + 0{,}133\,T\,[^\circ\text{F}]

$T$ в °F; при той же температуре даёт практически то же значение (в пределах 0,3 мВ), что $65 + 0{,}24\,T$ при $T$ в °C.

Обе записи выражают пропорциональность абсолютной температуре с опорной точкой 71 мВ при 25 °C: $71\cdot(T + 273{,}15)/298{,}15 = 65{,}0 + 0{,}238\,T$ .

Почему сопротивления «эквивалентные»? ЭДС определяют активности растворов. В разбавленных растворах активность пропорциональна концентрации, а значит, и электропроводности, поэтому отношение активностей можно заменить обратным отношением сопротивлений. В крепких рассолах активность растёт быстрее проводимости, и эквивалентное сопротивление оказывается меньше истинного. Практические правила такие:

для пластовых вод умеренной минерализации — примерно до 50 г/л NaCl, что соответствует сопротивлению при 24 °C не ниже 0,13 Ом·м, — $R_{we}$ и $R_w$ различаются не больше чем примерно на 10 %;
для рассолов переход от $R_{we}$ к $R_w$ делают по палеткам или корреляциям: разница растёт с минерализацией и у рассолов, близких к насыщению, достигает нескольких раз;
для фильтрата обычных пресных растворов на основе NaCl (сопротивление больше примерно 0,1 Ом·м при 24 °C) принимают $R_{mfe} \approx 0{,}85\,R_{mf}$ — эмпирическое правило; для солёных и гипсовых растворов пользуются палетками;
пресные пластовые воды с заметной долей кальция, магния, сульфатов и гидрокарбонатов тоже отклоняются от «натриевой» зависимости, и оценка $R_w$ по ПС для них грубая.

ЕсептеуСтатическая амплитуда ПС в зависимости от отношения эквивалентных сопротивлений

R_{mfe}/R_{we}

при 25, 85 и 150 °C — расчёт по формуле выше. Точка — пласт из примера ниже: отношение около 5 при 85 °C даёт −60 мВ.

Как читать кривую ПС

Кривую ПС читают вместе с гамма-каротажем (ГК), кавернограммой и кривыми сопротивления. Порядок работы такой.

Разметка кривой

1
Линия глин
Проведите линию через показания против мощных однородных глин. Она редко идеально вертикальна: из-за дрейфа электродов и смены солёности вод с глубиной её уточняют по интервалам, а резкие сдвиги отмечают отдельно.
2
Линия чистых пластов
Проведите линию через наибольшие отклонения в мощных чистых водоносных пластах. Расстояние между ней и линией глин — статическая амплитуда для этого интервала разреза.
3
Границы пластов
Наклон кривой пропорционален плотности тока ПС в растворе, а она наибольшая напротив границы пласта. Поэтому границы ставят в точках перегиба, где кривая круче всего; в мощном пласте это примерно середина амплитуды.
4
Проницаемые пласты
Отклонение от линии глин означает, что через пласт проходят ионы, то есть он проницаем, хотя бы слабо. Величина отклонения о проницаемости не говорит: её задают контраст вод, глинистость и сопротивление пласта.
5
Проверка
Сверьте выделенные пласты с ГК (глины), кавернограммой (глинистая корка против проницаемых пластов) и расхождением кривых сопротивления разной глубинности (Скважина как среда измерений: зона проникновения и глинистая корка).

СызбаУсловная кривая ПС в песчано-глинистом разрезе при пресном растворе (

R_{mf} > R_w

). Полное отклонение даёт только мощный чистый водоносный песчаник; глинистый, тонкий и нефтенасыщенный пласты отклоняют кривую меньше. Схема, а не расчёт.

Что показывает ПС в разных пластах при

R_{mf} > R_w

Пласт: Мощная глина
Отклонение: линия глин
Почему: опорный уровень отсчёта

Пласт: Мощный чистый водоносный песчаник
Отклонение: полное, близко к статической амплитуде
Почему: полная ЭДС, сопротивление пласта невелико

Пласт: Глинистый песчаник
Отклонение: меньше статической
Почему: глина в пласте создаёт встречную мембранную ЭДС

Пласт: Тонкий пласт
Отклонение: меньше, форма скруглена
Почему: в коротком столбе раствора напротив пласта падает малая доля ЭДС

Пласт: Нефте- или газонасыщенный песчаник
Отклонение: обычно меньше, чем в водоносной части
Почему: сопротивление пласта выше, ток слабее

Пласт: Плотные высокоомные породы
Отклонение: кривая меняется плавно
Почему: ток обходит высокоомные пласты, границы размыты

Пласт	Отклонение	Почему
Мощная глина	линия глин	опорный уровень отсчёта
Мощный чистый водоносный песчаник	полное, близко к статической амплитуде	полная ЭДС, сопротивление пласта невелико
Глинистый песчаник	меньше статической	глина в пласте создаёт встречную мембранную ЭДС
Тонкий пласт	меньше, форма скруглена	в коротком столбе раствора напротив пласта падает малая доля ЭДС
Нефте- или газонасыщенный песчаник	обычно меньше, чем в водоносной части	сопротивление пласта выше, ток слабее
Плотные высокоомные породы	кривая меняется плавно	ток обходит высокоомные пласты, границы размыты

Качественная картина: реальная амплитуда зависит от сочетания этих факторов.

В отечественной практике отклонение пласта нормируют на статическую амплитуду: относительная амплитуда ПС $\alpha_\text{пс} = \Delta U_\text{пс}/\Delta U_{\text{пс},\max}$ меняется от нуля против глин до единицы против чистых пластов. По ней выделяют коллекторы (по граничному значению, установленному для района), оценивают глинистость (Определение глинистости) и строят по керну связи с пористостью и проницаемостью. Форма кривой ПС, как и ГК, повторяется в соседних скважинах и служит для корреляции разрезов (Корреляция скважин).

Почему записанное отклонение меньше статической амплитуды

Ток ПС течёт по замкнутой цепи из трёх последовательных участков: раствор в скважине, пласт с зоной проникновения, вмещающие глины. ЭДС делится между ними пропорционально их сопротивлениям, а электрод «видит» только ту часть, что падает в растворе.

Записанное отклонение ПС в схеме замещения

\mathrm{SP} = \mathrm{SSP}\cdot\frac{r_m}{r_m + r_{sd} + r_{sh}}

мұндағы:

$\mathrm{SP}$ записанное отклонение против пласта от линии глин, мВ
$\mathrm{SSP}$ статическая амплитуда — полная ЭДС цепи, мВ
$r_m,\ r_{sd},\ r_{sh}$ сопротивления участков пути тока: раствора в скважине, пласта с зоной проникновения, вмещающих глин (сопротивления тел, а не удельные), Ом

Бірліктер: мВ; сопротивления участков в омах

Мына жағдайда орындалады

качественная схема замещения: токи в пласте и глинах распределены сложно, и $r_{sd}$ , $r_{sh}$ напрямую не измеряют;
электрохимическая ЭДС сосредоточена на границах «глина — раствор» и «фильтрат — пластовая вода».

Отклонение близко к статическому, когда самое большое сопротивление цепи — раствор: пласт мощный, путь тока в породе широкий и короткий, а сама порода проводит хорошо. В тонком, высокоомном или промытом пресным фильтратом пласте сопротивление пути тока через породы растёт относительно $r_m$ , и записанное отклонение падает. Поправку за толщину и сопротивление пласта вносят по палеткам (Палетки интерпретации: как их читать).

Малая толщина пласта. Напротив тонкого пласта столб раствора короткий, его сопротивление мало по сравнению с сопротивлением пути тока через породы, и кривая не успевает выйти на полное отклонение. В пластах толщиной в несколько метров и меньше поправка обычно заметна, особенно при высоком сопротивлении зоны проникновения.
Высокое сопротивление пласта и зоны проникновения. Пресный фильтрат, углеводороды и плотная порода повышают $r_{sd}$ .
Глинистость. Глина в самом пласте работает как мембрана обратного знака и уменьшает уже саму ЭДС: статическая амплитуда глинистого пласта — псевдостатическая (pseudo-static SP, PSP) — меньше SSP чистого. На этом основана оценка глинистости по ПС (Определение глинистости).
Углеводороды. В нефте- и газонасыщенной части пласта отклонение обычно меньше, чем в водоносной части с той же водой: сопротивление пласта выше, а в глинистом коллекторе при меньшем количестве воды сильнее сказывается глина.
Скважина. В широком стволе с солёным раствором сопротивление $r_m$ мало, и в растворе падает меньшая доля ЭДС.

Сопротивление пластовой воды по ПС

Из формулы статической амплитуды эквивалентное сопротивление пластовой воды выражается явно:

Эквивалентное сопротивление пластовой воды по статической амплитуде ПС

R_{we} = R_{mfe}\cdot 10^{\,\mathrm{SSP}/K}

мұндағы:

$R_{we}$ эквивалентное сопротивление пластовой воды при пластовой температуре, Ом·м
$R_{mfe}$ эквивалентное сопротивление фильтрата при пластовой температуре; для обычных пресных растворов $\approx 0{,}85\,R_{mf}$ , Ом·м
$\mathrm{SSP}$ статическая амплитуда со своим знаком (отрицательная при $R_{mf} > R_w$ ), мВ
$K$ электрохимический коэффициент при пластовой температуре, $65 + 0{,}24\,T$ , мВ

Бірліктер: Ом·м; SSP и $K$ в мВ

Мына жағдайда орындалады

SSP снята в мощном чистом водоносном пласте или исправлена за толщину и сопротивление пласта;
$R_{mfe}$ и $K$ относятся к пластовой температуре;
вода и фильтрат близки к растворам NaCl, электрокинетические потенциалы малы.

При отрицательной SSP множитель $10^{\mathrm{SSP}/K}$ меньше единицы: пластовая вода проводит лучше фильтрата. При $K \approx 85$ мВ ошибка в амплитуде на 5 мВ меняет $R_{we}$ примерно на 15 %.

Порядок расчёта

1
Выберите пласт
Мощный чистый водоносный пласт рядом с изучаемым интервалом и с той же пластовой водой; по ГК и сопротивлению убедитесь, что он чистый и водоносный.
2
Определите пластовую температуру
По геотермическому градиенту и исправленной температуре на забое (Пластовая вода и пластовая температура).
3
Приведите сопротивление фильтрата
$R_{mf}$ из заголовка диаграммы пересчитайте на пластовую температуру и найдите $R_{mfe}$ .
4
Снимите статическую амплитуду
От линии глин до линии чистых пластов; при необходимости исправьте за толщину и сопротивление пласта.
5
Рассчитайте $R_{we}$ и перейдите к $R_w$
Для вод умеренной минерализации $R_w \approx R_{we}$ , для рассолов — по палетке или корреляции.
6
Сверьте
С анализами проб воды, каталогом вод района и кажущимся сопротивлением воды $R_{wa}$ водоносных пластов (Определение сопротивления пластовой воды).

Есептеу мысалыСопротивление пластовой воды по статической амплитуде

Бастапқы деректер (шартты)

Статическая амплитуда в мощном чистом водоносном песчанике: −60 мВ
Пластовая температура $T$: 85 °C
Сопротивление фильтрата (замер на пробе): 0,95 Ом·м при 22 °C
Раствор: пресный, на водной основе, соли — в основном NaCl

Шешім

Фильтрат при пластовой температуре (пересчёт по формуле Арпса, см. Пластовая вода и пластовая температура): $R_{mf} = 0{,}95\cdot\dfrac{22 + 21{,}5}{85 + 21{,}5} = 0{,}388$ Ом·м. При 24 °C было бы 0,91 Ом·м — больше 0,1, поэтому годится правило $R_{mfe} = 0{,}85\,R_{mf} = 0{,}330$ Ом·м.
Коэффициент: $K = 65 + 0{,}24\cdot 85 = 85{,}4$ мВ.
Отношение сопротивлений: $R_{mfe}/R_{we} = 10^{60/85{,}4} = 5{,}04$ , отсюда $R_{we} = 0{,}330/5{,}04 = 0{,}065$ Ом·м при 85 °C.
Проверка минерализации: при 24 °C это 0,153 Ом·м, то есть около 42 г NaCl на килограмм раствора — вода умеренной минерализации, и $R_w \approx R_{we} \approx 0{,}065$ Ом·м.
Чувствительность: если бы вместо статической амплитуды взяли отклонение тонкого пласта, −55 мВ, получилось бы $R_w = 0{,}075$ Ом·м (на 14 % больше). Если бы забыли привести $R_{mf}$ к пластовой температуре — 0,16 Ом·м, в 2,4 раза больше.

Жауап: Сопротивление пластовой воды — около 0,065 Ом·м при 85 °C.

Бұл нені білдіреді. По уравнению Арчи при $n = 2$ водонасыщенность пропорциональна $\sqrt{R_w}$ (Уравнение Арчи и насыщенность чистых коллекторов). Поэтому ошибка в амплитуде на 5 мВ даёт ошибку $S_w$ около 7 %, а забытая температурная поправка фильтрата завышает $S_w$ в 1,56 раза — продуктивный пласт мог бы показаться водоносным. Результат по ПС всегда сверяют с анализами проб и с $R_{wa}$ водоносных пластов. Данные примера условные.

Электрокинетические потенциалы, помехи и ограничения

Кроме электрохимической ЭДС существует электрокинетическая, или фильтрационная (streaming potential): она возникает, когда раствор фильтруется через пористую среду под действием перепада давления. В скважине фильтрат проходит через глинистую корку против проницаемых пластов и в малом количестве — через глины. Обе составляющие сдвигают показание в отрицательную сторону и против пласта, и против глин, поэтому в отклонении от линии глин они в основном взаимно вычитаются. При обычной репрессии и солёной пластовой воде ими пренебрегают.

Их вклад растёт вместе с перепадом давления. Опасные случаи: пласт с пониженным (истощённым) давлением или утяжелённый раствор — репрессия велика; очень плотная порода, против которой корка почти не образуется и перепад приходится на саму породу; высокоомный раствор и солоноватая пластовая вода. Тогда фильтрационный потенциал может составить десятки и даже сотни милливольт, и оценка $R_w$ по ПС теряет смысл. На самой кривой такой вклад не отличить от электрохимического, поэтому перечисленные условия — повод проверить $R_w$ другими способами.

Сдвиги линии глин. Если глина — несовершенная мембрана или разделяет пласты с водами разной солёности, линия глин смещается скачком; отклонение каждого пласта отсчитывают от «своей» линии.
Высокоомные разрезы. В карбонатах, ангидритах и плотных песчаниках ток ПС обходит высокоомные пласты, кривая между проницаемыми пропластками меняется почти линейно, и границы по ней не видны.
Электрические помехи. Намагниченность барабана лебёдки даёт периодические колебания кривой; блуждающие токи электрооборудования и катодной защиты трубопроводов, окислительно-восстановительные потенциалы на пирите, угле и металле в стволе дают ложные отклонения.
Где ПС не записывают. Раствор на углеводородной основе, воздух или пена, обсаженный ствол: цепь тока через раствор не замыкается.

Терминдер мен белгілер

ПС (SP): потенциалы самопроизвольной поляризации и кривая их записи вдоль ствола.
Линия глин: уровень кривой ПС против мощных глин; от него отсчитывают отклонения (shale baseline).
Статическая амплитуда, SSP: полная электрохимическая ЭДС чистого водоносного пласта — отклонение, которое было бы при отсутствии токов.
Псевдостатическая амплитуда, PSP: статическая амплитуда глинистого пласта; меньше SSP чистого пласта с той же водой.
Мембранный потенциал: ЭДС на глинах, пропускающих катионы и задерживающих анионы.
Диффузионный потенциал: ЭДС на контакте растворов разной солёности, возникающая из-за разной подвижности ионов.
Фильтрационный (электрокинетический) потенциал: ЭДС, возникающая при течении раствора через пористую среду, например через глинистую корку.
Эквивалентные сопротивления $R_{we}$ , $R_{mfe}$: сопротивления, обратно пропорциональные активностям растворов; у вод умеренной минерализации близки к истинным.
Относительная амплитуда ПС, $\alpha_\text{пс}$: отношение отклонения в пласте к статической амплитуде.

Жиі қателіктер

Қате

«Кривая ПС не отклоняется — значит, пласт непроницаем».

Шын мәнінде

Отклонения нет и против хорошего коллектора, если солёность фильтрата и пластовой воды одинакова. О проницаемости судят вместе с кавернограммой (корка), кривыми сопротивления разной глубинности и микрозондами.

Қате

«Чем больше отклонение ПС, тем выше проницаемость».

Шын мәнінде

Амплитуду задают контраст вод, температура, толщина, сопротивление и глинистость пласта. Даже слабопроницаемый чистый пласт может дать полное отклонение: для ЭДС достаточно, чтобы через него проходили ионы.

Қате

«Для расчёта $R_w$ подойдёт отклонение любого песчаника».

Шын мәнінде

Нужен мощный чистый водоносный пласт или исправленная амплитуда: тонкие, глинистые и нефтенасыщенные пласты занижают амплитуду и завышают $R_w$ .

Қате

« $R_{mf}$ из заголовка диаграммы подставляют как есть».

Шын мәнінде

Его измеряют при температуре на поверхности; перед расчётом приводят к пластовой, иначе $R_w$ завышается в разы.

Қате

«Отклонение нефтенасыщенного пласта меньше — значит, он глинистее».

Шын мәнінде

Углеводороды тоже уменьшают отклонение. Глинистость проверяют по ГК, нейтрон-плотностному каротажу и керну.

Толық: тереңдетілген

Откуда 71 мВ: мембрана и диффузия в числах

Для идеальной катионной мембраны ЭДС задаёт уравнение Нернста: $E_m = \dfrac{2{,}303\,RT}{F}\lg\dfrac{a_w}{a_{mf}}$ , где множитель $2{,}303\,RT/F$ при 25 °C равен 59,2 мВ. Диффузионный потенциал на контакте двух растворов одной соли пропорционален разности чисел переноса аниона и катиона $t_- - t_+$ — долей тока, которую переносит каждый ион. Сложив обе ЭДС и учтя, что $t_- + t_+ = 1$ , получаем коэффициент статической амплитуды:

Электрохимический коэффициент через числа переноса

K = (1 + t_- - t_+)\,\frac{2{,}303\,RT}{F} = 2\,t_-\,\frac{2{,}303\,RT}{F}

мұндағы:

$t_-,\ t_+$ числа переноса аниона Cl⁻ и катиона Na⁺ в растворе NaCl, $t_- + t_+ = 1$ ; для разбавленного раствора при 25 °C $t_- \approx 0{,}60$ , —
$R$ универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль·К), Дж/(моль·К)
$T$ абсолютная температура, К
$F$ постоянная Фарадея, 96 485 Кл/моль, Кл/моль

Бірліктер: СИ: $K$ получается в вольтах, для милливольт умножают на 1000; $2{,}303 = \ln 10$ переводит натуральный логарифм в десятичный

Мына жағдайда орындалады

глины — идеальная мембрана: пропускают только катионы;
пласт чистый, сам мембраной не является;
оба раствора — растворы одной соли NaCl; числа переноса постоянны в рассматриваемом диапазоне концентраций.

Первое слагаемое — мембранный потенциал, второе — диффузионный: $t_- - t_+ \approx 0{,}2$ , поэтому он примерно в пять раз меньше. Коэффициент пропорционален абсолютной температуре — отсюда линейная формула $K \approx 65 + 0{,}24\,T$ .

Есептеу мысалыТеоретический коэффициент при 25 и 85 °C

Бастапқы деректер (шартты)

Число переноса Cl⁻ в разбавленном растворе NaCl: $t_- = 0{,}604$ , тогда $t_+ = 0{,}396$
Температуры: 25 °C (298,15 К) и 85 °C (358,15 К)

Шешім

Множитель Нернста: при 298,15 К $2{,}303\,RT/F = 59{,}2$ мВ, при 358,15 К — 71,1 мВ.
При 25 °C мембранная часть — 59,2 мВ на декаду, диффузионная — $(0{,}604 - 0{,}396)\cdot 59{,}2 = 12{,}3$ мВ, то есть 21 % мембранной.
Коэффициент: $K = 2\cdot 0{,}604\cdot 59{,}2 = 71{,}5$ мВ при 25 °C и 85,8 мВ при 85 °C. Линейная формула даёт 71,0 и 85,4 мВ.

Жауап: Теория даёт около 71,5 мВ на декаду при 25 °C — практически те же 71 мВ, что принимают в интерпретации.

Бұл нені білдіреді. Совпадение показывает, что электрохимическая ЭДС ПС — это прежде всего мембранный потенциал глин с небольшой добавкой диффузионного. Числа переноса немного меняются с температурой и концентрацией, а реальные глины — неидеальные мембраны, поэтому на практике пользуются эмпирическим коэффициентом. Числа переноса взяты для разбавленного раствора NaCl при 25 °C.

Басқа тақырыптармен байланыс

Скважина как среда измерений: зона проникновения и глинистая корка — зона проникновения, фильтрат и почему в растворе на углеводородной основе ПС не записывают.
Пластовая вода и пластовая температура — как привести $R_{mf}$ и $R_w$ к пластовой температуре и связать сопротивление воды с минерализацией.
Определение глинистости — глинистость по относительной амплитуде ПС.
Определение сопротивления пластовой воды — все способы найти $R_w$ и их взаимная проверка.
Уравнение Арчи и насыщенность чистых коллекторов — как $R_w$ входит в расчёт водонасыщенности.
Гамма-каротаж и спектрометрия естественной радиоактивности — второй пассивный метод выделения глин и проницаемых пластов.
Каротаж сопротивления: электрические и индукционные зонды — кривые сопротивления, которые записывают вместе с ПС.
Корреляция скважин — сопоставление разрезов скважин по форме кривых ГК и ПС.

Өзіңізді тексеріңіз

1
Скважина пробурена на пресном растворе, пластовая вода солёная. Как отклонится кривая ПС против мощного чистого водоносного песчаника?
1. А.Вправо, в положительную сторону
2. Б.Влево, в отрицательную сторону
3. В.Никак: отклонение бывает только у нефтенасыщенных пластов
4. Г.Направление зависит от проницаемости пласта
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: Б. Влево, в отрицательную сторону
При $R_{mf} > R_w$ отношение $R_{mfe}/R_{we}$ больше единицы, и $\mathrm{SSP} = -K\lg(R_{mfe}/R_{we})$ отрицательна. Физически: раствор против глин заряжается положительно (катионы проходят через глину из солёной воды), а против песчаника — отрицательно (анионы опережают катионы на фронте проникновения).
2
Пластовая температура 60 °C, $R_{mfe} = 0{,}40$ Ом·м, статическая амплитуда −80 мВ. Найдите $R_{we}$ и скажите, можно ли считать его равным $R_w$ .
Жауабын көрсету
$K = 65 + 0{,}24\cdot 60 = 79{,}4$ мВ; $10^{80/79{,}4} \approx 10{,}2$ ; $R_{we} = 0{,}40/10{,}2 \approx 0{,}039$ Ом·м. При 24 °C это около $0{,}039\cdot 81{,}5/45{,}5 \approx 0{,}07$ Ом·м — уже рассол, около 100 г NaCl на килограмм. Для таких вод эквивалентное сопротивление меньше истинного, и $R_w$ находят по палетке или корреляции: он будет несколько больше 0,039 Ом·м.
3
Против песчаника, который по керну имеет проницаемость 300 мД, кривая ПС почти не отклоняется. Какое объяснение наиболее вероятно?
1. А.Пласт слишком мощный
2. Б.Пласт водоносный
3. В.Солёность фильтрата и пластовой воды близка
4. Г.Пласт непроницаем, керн ошибочен
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: В. Солёность фильтрата и пластовой воды близка
Электрохимическая ЭДС пропорциональна логарифму отношения активностей растворов; при одинаковой солёности фильтрата и воды она близка к нулю, и даже отличный коллектор на ПС не выделяется. Так бывает при солёном растворе или пресной пластовой воде. Проницаемость подтверждают кавернограммой, микрозондами и расхождением кривых сопротивления.
4
Почему отклонение ПС против песчаника толщиной 1 м меньше, чем против мощного песчаника с той же водой?
Жауабын көрсету
Ток ПС течёт по цепи «раствор — пласт — глины», и электрод регистрирует только падение напряжения в растворе. Напротив тонкого пласта столб раствора короткий, его сопротивление мало по сравнению с сопротивлением пути тока через породы, и на раствор приходится меньшая часть ЭДС. Поэтому для расчёта $R_w$ такое отклонение исправляют за толщину по палетке или берут статическую амплитуду в мощном пласте.
5
В каком случае оценка $R_w$ по ПС наиболее надёжна?
1. А.Тонкий нефтенасыщенный пласт в карбонатном разрезе
2. Б.Скважина на растворе на углеводородной основе
3. В.Истощённый пласт, вскрытый с большой репрессией
4. Г.Мощный чистый водоносный песчаник, пресный раствор, вода умеренной минерализации
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: Г. Мощный чистый водоносный песчаник, пресный раствор, вода умеренной минерализации
Формула статической амплитуды выведена для чистого водоносного пласта и растворов, близких к NaCl; мощный пласт даёт полную амплитуду, а при умеренной минерализации $R_w \approx R_{we}$ . В тонком нефтенасыщенном пласте амплитуда занижена, в истощённом пласте мешает фильтрационный потенциал, а в растворе на углеводородной основе ПС не записывается вовсе.
6
Кривая ПС против нефтенасыщенной кровли песчаника отклоняется на 20 % меньше, чем против его водоносной подошвы. Значит ли это, что кровля глинистее?
Жауабын көрсету
Не обязательно. Углеводороды повышают сопротивление пласта и сами уменьшают отклонение ПС, особенно в глинистых коллекторах. Глинистость кровли проверяют по ГК, нейтрон-плотностному каротажу и керну; глинистость по ПС для нефтенасыщенной части будет завышена.

Жаңартылған: 19 октября 2026 г.