Каротаж по методу естественного электрического поля

В практике бурения скважин на воду метод естественного электрического поля, пожалуй, наиболее эффективный. Причин возникновения электрического потенциала две: во-первых, электрохимический эффект, возникающий на контакте водонепроницаемых (например, сланец) и водопроницаемых пород, пересекаемых скважиной (рис. 6.24), и, во-вторых, электрокинетический эффект жидкости, движущейся через водопроницаемые породы. В большинстве пород естественный электрический потенциал образуется преимущественно электрохимическим путем. Уилли, изучавший электрохимический потенциал в необсаженных скважинах, заполненных буровым раствором, имеющим более высокое удельное электрическое сопротивление, чем пластовая вода, показал, что этот потенциал можно выразить формулой

(6.4)

где Е — образовавшийся потенциал; К — коэффициент, зависящий в основном от температуры. Поскольку химическая активность растворов, как правило, приблизительно пропорциональна их электропроводности, можно использовать формулу

(6.5)

где Rmf — удельное электрическое сопротивление фильтрата бурового раствора; Rw — удельное электрическое сопротивление пластовой воды.

Рис. 6.24. Схема использования метода естественного электрического поля.

Показано направление тока и результирующий естественный потенциал в разведочной скважине, вскрывающей водоносный горизонт в песчанике, где вода более минерализована, чем буровой раствор. Суммарный электрохимический потенциал представляет собой алгебраическую сумму потенциала, возникающего на границе раздела жидкостей разной минерализации, и потенциала, создаваемого на сланцевой «мембране». 1— регистрирующий потенциометр; 2 — шкив: 3 — заземление; 4 — скважина с буровым раствором; 5 — кривая естественного потенциала; 6 — потенциал в сланцах; 7 — потенциал на границе раздела жидкостей; 8 — сланцы; 9 — водоносный песчаник; 10 — направление электрического тока; 11—зона внедрения в пласт фильтрата бурового раствора; 12 — линия сланцев, 13 — диаграмма естественного потенциала.

Естественный электрический потенциал в скважине измеряется с помощью двух электродов, один из которых опускается в необсаженную скважину, а другой погружается в лунку, заполненную буровым раствором, которая расположена на поверхности земли. Величина потенциала, измеренного в зоне мощных водонепроницаемых слоев сланцев или глин, принимается за условный нуль. Соединив все точки нулевого потенциала, получают линию, называемую линией сланцев. Условно принимают, что отклонения замеров потенциала влево от линии сланцев отрицательны, а отклонения вправо — положительны. Если мощность пластов водопроницаемых пород равна 8—20 диаметрам Ствола скважины, замеренная величина потенциала будет несколько меньше, чем это следует из уравнения (6.5). Такое расхождение объясняется тем, что небольшой электрический поток между водопроницаемыми и водонепроницаемыми породами частично проходит в буровой жидкости и в зоне, куда проник буровой раствор (рис. 6.24). Принимаются следующие обозначения: Rsh — сопротивление сланцев; Rs — сопротивление песка; Rm — сопротивление бурового раствора; Ε — полный потенциал; V — измеренный потенциал; I — сила тока. Указанные величины связаны следующими соотношениями:

V = IRm, (6.6)

E = I(Bm + Rsh + Rs). (6.7)

Эти выражения показывают, что V приблизительно равно Е, когда величина Rm очень велика по сравнению с суммой Rsh и Rs. Значение Rm велико, когда диаметр скважины очень мал или сопротивление бурового раствора очень велико. Если слои изучаемых пород маломощны, Rsh и Rs сравнительно высоки.

Метод естественного электрического поля применяется для установления в разрезе слоев водопроницаемых пород, уточнения отбивки их кровли и подошвы, а также для оценки качества воды. Образование естественного потенциала обусловлено наличием водопроницаемых слоев, К сожалению, измерить абсолютную величину водопроницаемости невозможно; более того, весьма слабоводопроницаемые пласты могут вызвать повышенные потенциалы. Вообще при определении положения кровли и подошвы слоев лучшие результаты дает метод естественного электрического поля, чем общепринятый метод сопротивлений. Изгиб кривой, показывающий границу слоя на диаграмме естественного потенциала, обычно устанавливается с точностью до 1 фута, а на диаграмме, полученной методом сопротивлений,— с точностью 3—5 футов. Оценка качества воды водоносного горизонта может быть выполнена с помощью уравнения (6.5). Все величины уравнения, за исключением Rw, можно определить. Следовательно, это уравнение можно решить относительно Rw, являющегося функцией концентрации ионов, и довольно точно определить качество воды. Однако наиболее удовлетворительные результаты данный способ дает при изучении соленых вод и рассолов. Для горизонтов пресных подземных вод этот метод дает лишь приближенную качественную оценку.

Существует несколько причин, из-за которых при использовании уравнения (6.5) нельзя получить точных результатов. Главная из них заключается в том, что данное уравнение получено, исходя из допущения, что электрохимический потенциал возникает от изменения концентрации одного одновалентного катиона и одного одновалентного аниона. Для большинства погребенных вод указанное допущение достаточно справедливо, поскольку в их химическом составе преобладают ионы натрия и хлоридные ионы. Однако в водах низкой минерализации одновалентные ионы составляют менее 50% всей концентрации ионов. Вторая причина заключается в допущении, что потенциал имеет только электрохимическую природу, тогда как электрокинетический потенциал в некоторых условиях может превышать электрохимический. Электрокинетический потенциал будет отрицательным, поэтому, если сопротивление фильтрата бурового раствора больше сопротивления пластовой воды, электрокинетический потенциал должен суммироваться с электрохимическим потенциалом. Третьей причиной появления ошибок при использовании уравнения (6.5) является соотношение геометрических размеров пласта и диаметра скважины, о чем уже говорилось выше. Если избегать маломощные пласты или слои с тонкими пропластками глины, ошибки, вызванные геометрическим фактором, будут незначительными. И, наконец, четвертая причина ошибок, имеющих большое значение при исследовании пресноводных горизонтов, заключается в том, что величина Rm на практике не превышает значительно суммы Rsh и Rs, т. е. величина V даже приблизительно не равна Ε из уравнения (6.7). Однако, несмотря на такую неопределенность при оценке качества воды, для большинства солоноватых вод можно вычислить сопротивление с точностью до 100%, а для соленых вод даже до 10—20%. Точность определения удельного электрического сопротивления подземных вод обычно повышается, если ввести эмпирические поправочные коэффициенты, получаемые в результате большого опыта исследований в небольших бассейнах подземных вод.

Приступая к расчету сопротивления воды методом сопротивлений, по отклонению каротажной кривой от линии сланцев измеряют величину потенциала. Если исследуемый интервал включает несколько водопроницаемых зон, причем каждая из них имеет достаточно большую мощность, то, соединяя точки максимальных отклонений потенциала от линии сланцев, можно построить линию песков. Потенциал, таким образом, представляет собой разницу между линиями сланцев и песков (рис. 6.25). Он может быть положительным или отрицательные, что необходимо учитывать путем введения соответствующего алгебраического знака в уравнение (6.5). Часто глубина скважин на воду бывает недостаточна, чтобы можно было построить линию песков, тогда различные водоносные горизонты изучают отдельно. Для оценки истинного значения потенциала вводят геометрический поправочный коэффициент. Второй этап в определении сопротивления воды — нахождение температуры на заданном интервале глубины скважины. При электрическом каротаже обычно регистрируются максимальные температуры, которые, как считают, отмечаются в забое скважин. Принимается, что на глубине 60 футов температура постоянная и на 2° С выше среднегодовой температуры воздуха на поверхности. Далее принимается, что от глубины 60 футов до забоя скважины изменение температуры происходит линейно (рис. 6.26). Если достоверных данных о температуре в забое скважины нет, для оценки температуры на заданной глубине используется величина регионального геотермического градиента.

Рис. 6.25. Диаграмма электрокаротажа нефтяной скважины, пробуренной в сланцах и песчаниках, насыщенных рассолом.

В лучшем случае линия песков должна быть проведена по трем слоям песчаника, представленным в разрезе.

Рис. 6.26. Гипотетический пример диаграммы геотермического каротажа, показывающий влияние различных теплопроводностей пород на температурный градиент для различных глубин.

Поскольку получить детальный температурный профиль довольно сложно, на практике обычно пользуются величиной среднего температурного градиента, вычисляемого по температуре в забое скважины и средней температуры на ее устье.

Третий этап расчетов состоит в выборе истинного значения величины К с учетом температуры пород на заданном интервале глубины. Если глубина скважины мала и она пробурена в области умеренного климата, без большой погрешности величину К можно считать равной —70 мв. Для очень холодных вод величину К следует принимать равной —65 мв, а когда температура подземных вод близка к 150° F, величина К возрастает до —80 мв (табл. 6.4).

Четвертый этап вычисления Rw — считывание значения сопротивления фильтрата бурового раствора, регистрируемого на верхней части каротажной диаграммы. Если сопротивление фильтрата не приводится, то, чтобы получить его примерное значение, необходимо величину сопротивления бурового раствора, которая всегда регистрируется, умножить на 0,8.

На пятом этапе вычислений найденные величины Е, К, Rmf подставляют в уравнение (6.5) и находят Rw. Значение Rw можно связать с концентрацией ионов, выраженной в виде раствора NaCl (рис. 6.27). При этом удельное электрическое сопротивление воды будет выражено в величинах концентрации раствора при температуре фильтрата бурового раствора. Таким образом, на рис. 6.27 величина концентрации NaCl в частях на миллион отсчитывается по кривой сопротивления при температуре фильтрата бурового раствора. Численный пример расчета концентрации NaCl по сопротивлению фильтрата бурового раствора приводится на рис. 6.28.

Таблица 6.4

Рис. 6.27. График зависимости концентрации NaCl от сопротивления раствора и температуры окружающей среды.

Рис. 6.28. Фрагмент диаграммы электрокаротажа скважины, пробуренной в песчаниках и сланцах. Расчеты иллюстрируют методику оценки минерализации солоноватых и соленых пластовых вод.