К оглавлению

Интерпретация диаграмм потенциалов вызванной поляризации в нефтяных скважинах

М.Г. ЛАТЫШОВА, В.М. ДОБРЫНИН

Краткие сведения о физической сущности явления вызванной поляризации песчано-глинистых пород

При пропускании через горные породы различного типа постоянного электрического тока возникает электрическое поле поляризации, созданной этим током (Схемы измерений потенциалов вызванной поляризации в лабораторных и скважинных условиях, а также конструкция измерительной установки описаны ранее [1, 4] и поэтому здесь не приводятся.).

Вызванная поляризация горных пород объясняется окислительно-восстановительными процессами, объемной поляризацией породы и другими электрохимическими процессами, возникающими в породе при воздействии на нее электрического тока. В осадочных породах, содержащих минералы с электронной проводимостью (каменные угли, антрациты, руды), вызванная поляризация возникает главным образом за счет окислительно-восстановительных процессов. В обломочных горных породах, имеющих ионную проводимость (песчаники), преобладающее значение имеет объемная поляризация [1, 2, 4].

В результате исследований, проведенных за последние 3-4 года на кафедре промысловой геофизики Московского нефтяного института, возникла гипотеза о природе явления вызванной поляризации песчано-глинистых пород, которая схематически может быть представлена следующим образом. Каждая частица песчаной горной породы, являющаяся диэлектриком, окружена в естественном залегании электролитом, насыщающим поры породы. На поверхности каждой такой частицы в результате адсорбционных процессов образуется двойной электрический слой. Искусственно вызванная поляризация песчаных пород возникает вследствие деформации двойного электрического слоя на поверхности частиц горной породы под воздействием внешнего (поляризующего) электрического поля.

В результате возникающих при этом процессов через некоторое время после включения поляризующего тока устанавливается динамическое равновесие, характеризующееся для данной породы и данного поляризующего внешнего поля определенной величиной зарядов на концах каждой частицы горной породы.

При исследовании песчаной горной породы по методу потенциалов вызванной поляризации наблюдается суммарное электрическое поле, создаваемое бесчисленным множеством поляризованных частиц горной породы.

Таким образом, величина потенциала вызванной поляризации (ΔUвп) песчаной горной породы определяется адсорбционными явлениями, имеющими место на поверхности частиц горной породы, а следовательно, при прочих равных условиях должна зависеть от степени дисперсности породы или от удельной поверхности породы.

Зависимость коэффициента вызванной электрохимической активности от удельной поверхности и проницаемости песчаников

Многочисленные экспериментальные исследования подтверждают связь между вызванной поляризацией, адсорбционной способностью и удельной поверхностью песчано-глинистых пород.

Способность горной породы поляризоваться количественно характеризуется коэффициентом вызванной электрохимической активности в),

который на основании результатов лабораторных исследований на цилиндрических образцах определяется следующим образом:

где

ΔUвп- разность потенциалов вызванной поляризации, мв;

I - сила поляризующего тока, ма;

ρпв - удельное сопротивление электролита, ом м;

S - площадь поперечного сечения образца, м2;

l - длина образца, м;

Рп - параметр пористости (относительное сопротивление образца, полностью насыщенного электролитом);

0,65 - постоянный эмпирический коэффициент.

На рис. 1 дается зависимость коэффициента вызванной электрохимической активности от удельной поверхности S0 девонских песчаников Туймазинского района. Определение удельной поверхности этих песчаников производилось по методу проницаемости, основанному на применении формулы Кармана [5].

Зависимость, изображенная на рис. 1, свидетельствует о корреляционной связи между коэффициентом вызванной электрохимической активности и удельной поверхностью:

S0 = 52,3*103AВ +0,509*103. (2) (Линейность связи нарушается при значениях AВ < 0,0005.)

Коэффициент корреляции этой связи равен 0,83, что указывает на возможность практического ее использования.

Интервал удвоенной среднеквадратичной ошибки ограничен на рис. 1 пунктирными линиями.

Поскольку удельная поверхность песчаных пород в свою очередь является функцией пористости и проницаемости, можно переписать формулу (1) в виде

На рис. 2 изображено семейство кривых, построенных по формуле (3). Параметром кривых служит коэффициент пористости. На этом же рисунке нанесены результаты исследования 97 образцов девонских песчаников Туймазинского района. Песчаники, обладающие высокой, средней и низкой пористостью, даны различными условными обозначениями. Как видно, результаты лабораторных исследований согласуются с данными расчетных кривых. Некоторый разброс экспериментальных точек наблюдается в связи с ошибками эксперимента, а также в связи с влиянием неоднородности образцов песчаников, которая в значительной степени сказывается при исследовании малых объемов породы.

Таким образом, при определении проницаемости песчаной породы по данным метода потенциалов вызванной поляризации необходимо учитывать изменение коэффициента пористости породы.

Примеры интерпретации диаграмм потенциалов вызванной поляризации

На основании теоретических расчетов, подкрепленных лабораторными исследованиями, установлено, что в скважинных условиях величина аномалии потенциалов вызванной поляризации при прочих равных условиях зависит от следующих факторов:

а) размера измерительной установки;

б) мощности поляризующего пласта;

в) диаметра скважины;

г) эффективного диаметра зоны проникновения фильтрата бурового раствора в пласт;

д) удельного сопротивления пласта;

е) удельного сопротивления бурового раствора;

ж) силы и направления поляризующего тока.

При помощи полученных при расчетах формул в результате комплексной интерпретации диаграмм потенциалов вызванной поляризации совместно с другими диаграммами электрометрии скважин можно определить коэффициент поляризуемости горной породы (ϰэ), который характеризует способность среды поляризоваться и не зависит от ее геометрических особенностей и удельного сопротивления.

Определение лабораторного коэффициента вызванной электрохимической активности породы (Ав) производилось на тщательно отмытых от посторонних солей цилиндрических образцах с последующим насыщением химически чистым раствором хлористого натрия.

В скважинных условиях насыщающие породы электролиты могут иметь различный химический состав.

На основании теоретических и лабораторных исследований установлена связь между коэффициентом вызванной электрохимической активности (Ав), определенным в лаборатории, и коэффициентом поляризуемости породы (ϰэ), полученным в результате интерпретации диаграмм:

где β- коэффициент, учитывающий различие в химическом составе насыщающего песчаник электролита при лабораторных и скважинных исследованиях.

Коэффициент β определяется как отношение коэффициента вызванной электрохимической активности песчаника, насыщенного электролитом данного химического состава, к коэффициенту вызванной электрохимической активности того же песчаника, насыщенного раствором хлористого натрия равной концентрации.

По данным лабораторных исследований приближенное среднее значение коэффициента β при насыщении образцов раствором едкого натра равно 6,3. В районах, где производится химическая обработка бурового раствора реагентом, включающим в себя едкий натр, рекомендуется при интерпретации диаграмм потенциалов вызванной поляризации использовать среднее значение коэффициента β = 6,3. Однако для более точной интерпретации необходимо учитывать в дальнейшем изменение коэффициента β за счет изменения щелочности бурового раствора.

Выявление данной связи позволило использовать результаты обширных лабораторных исследований для количественной интерпретации диаграмм.

С целью облегчения вычислительной работы построены специальные палетки для определения коэффициента проницаемости и удельной поверхности песчаных коллекторов в туймазинских и грозненских условиях. Одна из таких палеток изображена на рис. 3.

Пример использования палетки по данным скв. 222 Серафимовской площади в интервале 1743,8-1754,2 м, показанном на рис. 6.

В результате интерпретации диаграмм потенциалов вызванной поляризации и бокового электрического зондирования в водоносном пласте песчаника получено:

ΔUвп = 10 мв; ρ20 = 15; ρ0 = 2.4 омм.

при пласта

I = 400 ма; D/d0 = 3,0; Кп = 21%.

Требуется определить коэффициент проницаемости пласта.

1.     Вычислим следующие отношения:

ΔUвп/I = 0,025; (ρ0-0,7)/d0 = 5,65.

2.     На левой номограмме палетки по абсциссе ρ20 = 15 находим ординату точки кривой с модулем D/d0 = 3,0. Ординату переносим параллельно оси абсцисс на следующую шкалу, которая позволяет учесть влияние удельного сопротивления бурового раствора и диаметра скважины.

3.     Найденную точку перемещаем по этой шкале до абсциссы, равной (ρ0-0,7)/d0 = 5,65, а затем ординату найденной точки переносим на следующую шкалу до абсциссы ΔUвп/I = 0,025.

4.     Ордината данной точки по шкале правой номограммы равна ϰэ= 0,0012.

5.     Из семейства кривых, изображенных на правой номограмме, выбираем кривую, имеющую модуль «21» (Кп = 21%), и по данной кривой находим коэффициент проницаемости Кпр = 260 миллидарси.

Методика количественной интерпретации диаграмм потенциалов вызванной поляризации была опробована в Туймазинском нефтяном районе и в Грозненской нефтеносной провинции. Результаты этого опробования сведены в табл. 1 и 2.

Интерпретация диаграмм потенциалов вызванной поляризации произведена только в водоносных пластах, где было отобрано некоторое количество керна.

Средняя проницаемость исследованных интервалов по керну определена по весьма малому количеству образцов, и ее следует рассматривать как приближенную величину. Возможно, что отдельные расхождения в величине коэффициента проницаемости, определенной методом вызванной поляризации, с данными по керну объясняются малым отбором последнего.

Расчленяющая способность метода потенциалов вызванной поляризации

Помимо количественных сведений об удельной поверхности и проницаемости песчаных коллекторов, метод потенциалов вызванной поляризации позволяет получить ряд дополнительных сведений о литологических особенностях пород, пройденных скважинами.

На рис. 4, 5 и 6 изображены диаграммы ВП, зарегистрированные в различных районах. Эти диаграммы свидетельствуют о том, что при помощи метода ВП удается в ряде случаев более подробно охарактеризовать разрез, чем по данным стандартных методов.

В скв. 20 Горячеисточнинского района (рис. 4а) разрез представлен достаточно мощными пластами песчаников и глин. В интервалах, отмеченных черными прямоугольниками, производился отбор керна, причем для трех из этих интервалов, приуроченных к песчаникам, имеются анализы механического состава (рис. 4, б).

Как видно из этого сопоставления, величины аномалий вызванной поляризации в песчаниках возрастают с увеличением степени дисперсности их.

Интересно отметить, что пласты песчаников по данным стандартных методов характеризуются как однородные, а по диаграммам ВП существенно различаются по своей дисперсности.

На второй диаграмме (рис. 5) значительными аномалиями ВП выделяются в разрезе почти все пласты песчаников. Против глубин, указанных стрелками, производился отбор грунтов. Данные описания этих грунтов показывают, что все пласты, дающие большие аномалии ВП, являются мелко- и тонкозернистыми песчаниками. Два верхних пласта, в которых аномалии ВП меньше, характеризуются как среднезернистый песчаник.

Важно отметить также, что интервалы, в которых наблюдаются прослои глин с повышенной степенью песчанистости, отмечаются увеличением активности глин по сравнению с глинами нижней части разреза.

В разрезе скв. 222 (рис. 6) весьма четко большими аномалиями ВП выделяются известняки, причем имеет место изменение знака на диаграмме ВП с положительным. током.

Менее значительными аномалиями выделяются алевролиты и песчаники, а минимальными - глины.

Приведенные примеры диаграмм являются свидетельством того, что метод вызванной поляризации дает возможность получать весьма важные сведения о дисперсности и литологии пройденных скважиной пород.

Выводы

1.     Метод потенциалов вызванной поляризации позволяет более детально, чем метод СП, расчленять разрез и оценивать дисперсность пород.

2.     Метод потенциалов вызванной поляризации для условий, аналогичных туймазинским и грозненским, позволяет определять проницаемость песчаных коллекторов.

3.     По мнению авторов, метод потенциалов вызванной поляризации должен быть широко опробован в различных районах для оценки перспектив его применения в промышленности.

ЛИТЕРАТУРА

1.     Дахнов В.Н., Латышова М.Г., Ряполова В.А. Исследование скважин методом искусственно вызванных потенциалов (электролитический кароттаж). Промысловая геофизика, сб. статей. Гостоптехиздат, 1952.

2.     Латышова М.Г., Шеффер Н.Д. К вопросу о потенциалах вызванной поляризации тонкодисперсных песчано-глинистых пород. Тр. МНИ, вып. 15. Гостоптехиздат, 1955.

3.     Латышова М.Г., Добрынин В.М. Моделирование метода вызванных потенциалов. Тр. МНИ, вып. 15. Гостоптехиздат, 1955.

4.     Латышова М.Г. О зависимости между вызванными потенциалами и проницаемостью песчаников. Тр. МНИ, вып. 12. Гостоптехиздат, 1953.

5.     Wу11iе М.R.J. and Spangler M.В. Application of electrical resistivity measurmeuts to problem of fluid flow in porous media. Bull, of the American Assocuation of Petroleum Geologists, v. 36, № 2 (February 1952).

6.     Winsauer W.O., Shearin U.M., Masson P.H. and Williams M. Resistivity of brine-saturated sand in relation to pore geometry. Там же.

 

Таблица 1 Результаты опробования методики количественной интерпретации диаграмм потенциалов вызванной поляризации в Туймазинском нефтяном районе

скважины

Площадь

Интервал исследования, м

Кп, % (по данным бокового электрического зондирования)

Кп, % (по данным микрозонда)

По данным метода ВП

Средние данные по керну

удельная поверхность, см2/см3

Кпр, милли дарси

Кпр, миллидарси

Кп, %

число образцов в исследуемом интервале

222

Серафимовская

1743,8-1754,2

21,0

-

634

260

210

19,0

8

997

 

1628,4-1643,4

 

23,8

670

300

206

21,7

2

Туймазинская

1665-1674

-

22,7

676

220

234

18,45

1

115

Александровская

1841,2-1845,2

16,5

 

760

65

95,9

19,0

1

1878-1885,2

16,0

-

670

70

189

21,9

1

243

Серафимовская

1742,8-1748 8

10-11

-

802

7,0

От 0 до 7,3

10,0

7

 

Таблица 2 Результаты опробования методики количественной интерпретации диаграмм потенциалов вызванной поляризации в Грозненской нефтеносной провинции

 скважины

Площадь

Интервал исследования, м

Кп, % (по данным бокового электрического зондирования)

Кпр, миллидарси (по данным метода ВП)

Средние данные по керну

Кпр, миллидарси

Кп, %

число образцов в исследуемом интервале

228

Скалистая

413-433

21

1500

1520

22,5

3

511-534

20

880

1200

-

Неизвестно

246

Скалистая

772-786

19

570

789

24,92

1

806-812

19

650

805

20,81

1

221

Скалистая

862-872

~ 17

140

168

19,32

1

911-917,5

16,5

240

336

15,2

1

71

Овечья

846-860,3

17

~110

7,9

17,7

1

861-868

17,5

370

470

-

2

27

Брагуны

1485-1515

23

1100

1390

24,4

1

1523-1537

~23

~1400

710

23,8

1

1540-1550

~23

~1200

1200

21.7

1

1572-1605

~23

~1600

377

21,6

1

 

Рис. 1. Зависимость вызванной электрохимической активности Ав от удельной поверхности S0 девонских песчаников Туймазинского района.

 

Рис. 2. Зависимость вызванной электрохимической активности Ав от проницаемости Кпр и пористости Кп девонских песчаников Туймазинского района и сопоставление с экспериментальными данными (шифр кривых - коэффициент пористости).

1 - пористость менее 16%; 2 - пористость меняется от 18% до 20%; 3-пористость меняется от 20% до 22%; 4 - пористость меняется от 22% до 26%.

 

Рис. 3. Палетка для определения проницаемости девонских песчаников по данным метода ВП.

ΔUвп - разность потенциалов вызванной поляризации мв; I - сила поляризующего тока, ма; ρ0 - удельное сопротивление-бурового раствора при пласта, ом*м; ρ2' - удельное сопротивление пласта в зоне проникновения бурового раствора, ом м; ϰэ - коэффициент поляризуемости пласта; - диаметр зоны проникновения, выраженный в долях диаметра скважины; do - диаметр скважины, м; Кп - коэффициент пористости, %; Кпр - коэффициент проницаемости, мд.

 

Рис. 4а. Диаграмма потенциалов вызванной поляризации по скв. 20 Горячеисточнинского района (Грозный).

Раствор: γ= 1,24, ρ0 = 2,38 при t = 18°;

1- КС, зонд В0,25А2М; 2 - СП масштаб 12,5 мв/см; 3 - ВП, зонд В8А0,02М0,02А; I= +200 ма; 4 - ВП, зонд тот же, I=-200 ма.

 

Рис. 4 б. Механический состав пород в скв. 20 Горячеисточнинского района.

I - песчаник мелкозернистый (интервал 1097-1103 м); II - песчаник мелкозернистый (интервал 1154-1158 м); III - песчаник крупнозернистый (интервал 1275- 1280 м).

 

Рис. 5. Диаграмма потенциалов вызванной поляризации с нанесением данных отбора грунтов по скв. 400 (район г. Горская, Грозный).

Раствор: γ = 1,26; ρ0 = 2,9 ом м при t°=18°.

1-КС, зонд В0,25А2М; 2- СП, масштаб 12,5 мв/см; 3- ВП, зонд А0,04М0,04А5,0В, i= +500 ма; 4 - ВП, зонд тот же, i = -500 ма; 5 - песчаник среднезернистый; 6 - песчаник среднезернистый; 7 - песчаник мелкозернистый; 8 - песчаник мелкозернистый; 9 - песчаник мелкозернистый; 10 - песчаник мелкозернистый; 11 - песчаник мелкозернистый; 12 - глина песчанистая; 13 - глина песчанистая.

 

Рис. 6. Диаграмма потенциалов вызванной поляризации по скв. 222 (Серафимовская площадь, Туймазинский район)

ρ0 = 2,74 ом м при t = 20°.

1 - КС, зонд В7,5А0,75М; 2 - СП, масштаб 12,5 мв/см; 3 - ВП, зонд А0,04М0,04А5,0В, i = - 400 ма, масштаб 14 мв/см; 4 - ВП, зонд тот же, i = +400 ма, масштаб 14 мв/см; 5 - интервал (1743,8-1754,2 м), для которого произведена интерпретация диаграмм.