petrophysics2004
.pdfприсутствиекоторыхвызываетростErr Роль второгофактора оказы
вается сильнее, поэтому при переходе от кислых к основным поро
дам Еп растет.
Удельное сопротивление большей части метаморфических пород
больше 103 Ом · м, достигает 1О6Ом · м, чтотакжеобусловленоихочень
малой пористостью. Исключением являются глинистые сланцы с
Рп=1+5 • 102, пористость которых выше пористости большинства ме
таморфических пород. Значительное содержание минералов с элек тронной проводимостью резко снижает Рп метаморфических пород. При отсутствии или низком содержании минералов-проводников ве
личина Еп определяется в основном пористостью, а при одинаковой
пористости - Еск, так Еп кварцитов меньше Еп мрамора.
7.6. ВЫЗВАННАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
Явление вызванной поляризации заключается в том, что при про
пускании импульса постоянного тока через образец породыпоследний приобретаетразность потенциалов AUвп. которую удается обнаружить
и ~змерить после выключения поляризующего тока. Величина выз
ванных потенциалов (ВП) АИвп• спадает во времени по экспоненци
альному закону
(7.74)
где АИвrю -максимальное значение, наблюдаемое сразу после вык лючения поляризующего тока; Ла -постоянная распада поля ВП.
Для. большинства пород закон спада AUвп во времени выражается
суммой экспонент с различными значениямиАв.Вызванные потенци
алы возникают благодаря поляризации породы и возбуждению в ней
различных электрохимических процессов пропускаемым через нее
постоянным током. Аналогичные процессы возбуждаются в породах
при обработке ее и переменным током частотой от единиц герцДо со тен килогерц (структурная поляризация - см.подразд.7.1.). Способ ность породы создавать ВП при обработке током называют вызван
ной электрохимической активностью и характеризуют ее парамет
ром Ав:
Ав= AUвп/AUnp, |
(7.75) |
где AUпр - разность потенциалов, приложенпая к образцу для со
здания вызванной поляризации.
Всегда Ав<1 и для большинства пород Ав<О,О1, следовательно,
обычно AUвп<<АИп Однако для пород с значительной Ав величиной
AUвпнельзяпренебречьпосравнениюсAUприследуетрассчитывать
Ав по формуле |
|
А,. =АUвп/(АUап +AUnp)• |
(7.76) |
поскольку при обработке образца поляризующим током ВП в образ
це присутствуют.
Основной объем экспериментальных исследований ВП в лабора
тории представлен зависимостями ВП от плотности поляризующего
160
тока AU80=/(j), которые во многих случаях линейны в определенном диапазоне j; тогда тангенс угла наклона зависимости используют для расчета А8• Важными условиями опыта .являются время зарядки - обработкитоком образца и время, прошедшее после выключения по
ляризующего тока до момента измерения ВП. Сравнивая значения А., полученные разными исследователями, необходимо учитывать эти
условия.
Природа ВП различна в минералах с электронной проводимостью и породах, содержащих такие минералы, и в породах с ионной прово
димостью.
7.6.1.Породы с электронвой проводимостью
Вминералах с электронной проводимостью основную роль в воз никновении ВП играют процессы, происходящие при поляризации
электродов в ходе электролиза. При пропускании тока через водный
раствор электролита к катоду направляются водородный н+, Na+, к+
идругие катионы, к аноду - гидроксильный анион ОН-, С1- в ра
створах хлоридов и другие анионы. На катоде катионы отбирают у вещества электрода электроны и превращаютс.я в нейтральные ато
мы, при этом водород, играющий важную роль в электродной поля
ризации, находясь в атомарном состоянии, насыщает поверхность
электрода, а затем благодаря образованию '!4Олекул Н2 выделяется в
виде пузырьков на поверхности электрода. На аноде анионы отдают
электроду избыточные электроны. Гидроксильный анион переходит
затем в воду и кислород, который
вначале проходя через атомар
ную стадию, насыщает поверх
ность электрода, а затем перехо
дит в молекулярное состояние,
выделяясь в виде пузырьков.
Анионы хлора переходят в атомы,
а затем в молекулы С12, также
образуя пузырьки на поверхнос ти электрода. Рассмотренные процессы изменяют электродный
потенциал катода и анода, что
приводит к образованию ЭДС
электродной поляризации, рав |
J |
|
ной сумме потенциалов катода и
анода, а также к существенному
изменению омического сопротив
ления цепи, в которую входит
электролитическая ванна. Это от
ражается на зависимости измеря-
Рис. 61. Схематическая: зависимость электродного потенциала Еэл• от
плотности поляризующего тока. Точ
ка d соответствует моменту дости
жения: напряжения: разложения:
емой в цепи разности потенциалов Е от плотности тока j. Вначале Е
растет пропорционально j в соответствии с законом Ома (отрезок аЪ
на рис. 61), затем происходит резкий рост Е при незначительном уве личении j (отрезок Ьс, рис. 61), соответствующий периоду образова-
11 - Петрафизика |
161 |
пия двойного слоя электродной поляризации и насыщению поверх Iюсти электрода атомами газа (Н, О, С1).
Величина Е 1, соответствующая точке с, является обратимым зна чением ЭДС электродной поляризации. При Е> Еобр начинается вы
деление пузырьков газа на электродах, величина Е с ростом j растет
более интенсивно, чем на участке Ьс, но не в соответствии с законом Ома. В этой области (c-d) величину j можно представить суммой
Еэл=Еоб'Q+En (здесь Е0 - э.д.с. перенапряжения), описываемая урав нением Тафеля:
E=a+blgj, |
(7.77) |
где а и Ъ - эмпирические постоянные. Величина а для металличес
ких и угольных электродов меняется в пределах 0,5 -1,5, значение Ь от 0,1 до 0,2, причем для большинства металлов b=O,ll6.
Становление величины Еэл во времени происходит по закону
Еэл=снj31g t, время становления стабильного потенциала составляет
для различных металлов от 90 до 120 мин, что связано с протеканием
на электродах окислительно-восстановительных химических реак
ций между веществами, выделившимиен на поверхности электрода,
и материалом электрода. Спад во времени Еэл после выключения по
ляризующего тока выражается уравнениемЕэл=К ехр(-Лt). При про
чих равных условиях скорость спада Еэл во времени тем больше, чем меньше плотность j поляризующего тока и больше содержание в ра створе окислителей.
ВП изучают на образцах минералов и пород с электронной прово димостью в специальной ячейке (рис. 62). Исследуемый образец раз деляет отделения ячейки с одинаковыми растворами электролита.
|
r---------~6Up._________~ |
|
|
||||
|
|
|
|
6U80 |
|
|
|
|
|
|
Ток поляризации |
|
|
|
|
+ |
|
|
+ |
|
|
|
|
А |
м |
с |
|
D |
N |
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
·- |
|
- |
3 |
- |
1 |
4_-_ |
|
f-:"2 |
|
|
|
1- |
- |
-- |
|
1- |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
----- |
||
|
|
|
Возбуждающий ток |
|
|
|
|
Рис. 62. Схема возникновения вызванных nотенциалов (ВП) в nородах, обла дающих электронной nроводимостью (no М. Г. Латышовой)
1 Эту величину обозначают также ЕРи называют напряжением разложения.
162
При пропускании постоянного тока через систему электрод А - ра створ электролита - образец -раствор электролита - электрод
В образуются как бы две пары электродов А-С и Д-В, где С и Д -
поверхности образца, обращенные соответственно к аноду (электрод А) и катоду (электрод В), причем на электроде С происходят процес сы катодной, а на электроде Д - анодной поляризации по схемам,
рассмотренным выше. В результате на образце возникает ЭДС элек
тродной поляризации, равная алгебраической сумме электродных по тенциалов С и Д. Величина скачков потенциала на поверхностях С и Д определяется плотностью тока, составом образца и контактирую щего с ним раствора электролита и концентрацией последнего. Зна чение l:!.Uвп• фиксируемое как разность потенциалов между электро дами М и N, подчиняются уравнению (7.77). Становление ВП и их спад
во времени происходят по законам, установленным для потенциалов
электродной поляризации.
Значения U80 , наблюдаемые на образцах минералов с электрон ной проводимостью, даже при малой и средней плотностях тока j до стигают нескольких вольт, что соответствует величине Ав =0,1+0,7. Эти значения l:!..Uвn и Ав на один-два порядка иревосходят значения l:!.Uвп и А8, наблюдаемые в осадочных породах, не содержащих частиц
с электронной проводимостью, являющихся ионными проводниками. Поэтому при наличии в осадочной породе рассеянных частиц пири
та, гематита или угля, а в магматической или метаморфической по роде вкраплений полиметаллов ВП такой породы обусловлено в ос
новном присутствием частиц минерала с электронной проводимос
тью. В этом случае при пропускании тока поляризуется каждая
частица по схеме, рассмотренной выше для образца минерала-про
водника. В результате возникает система последовательно и парал
лельна соединенных элементов, которые при выключении поляризу
ющего поля разряжаются, создавая поле ВП. При прочих равных ус ловиях ВП породы, содержащей рассеянный минерал-проводник, тем больше, чем выше содержание в породе проводящих частиц (до из
вестного предела, когда возникает единая токопроводящая система
таких частиц) и чем больше суммарная поверхность частиц. После
днее доказано исследованием вызванных потенциалов пород, содер
жащих вкрапления полиметаллов.
7.6.2. Породы с ионной проводимостью
В ионных проводниках, к которым относятся осадочные и магма
тические породы, не содержащие минералов с электронной проводи
мостью, природа вызванных потенциалов связана с электрокинети
ческими явлениями в поровых каналах, заполненных водным раство
ром электролита.
Рассмотрим природу вызванных потенциалов в осадочных поро
дах на примере двух моделей пористой дисперсной системы, какой
является осадочная порода.
В качестве первой модели используем фиктивный грунт, образо ванный совокупностью сферических зерен одинакового размера, при
163
укладке зерен по кубической, тетраэдрической или промежуточной решетке (геометриярешетки в данном случае значения не имеет). При включении поляризующего поля происходит деформация двойного
электрического слоя на поверхности каждой частицы, которая выра
жается в перемещении подвижных катионов внешней обкладки ДЭС
в направлении катода, в результате чего на поверхности частицы,
обращенной к аноду, возникает избыток отрицательного, на поверх ности, обращенной к катоду -избыток положительного заряда. Та ким образом, на стадии зарядки возникает система диполей, распре
деленных в объеме породы (объемная поляризация в отличие от по ляризации поверхности электрода и минералов-проводников), с
моментом р каждого диполя, равным произведению заряда е на диа
метр частицы d3• Величина е определяется значением ~-пОтенциала
на поверхности твердой фазы и содержанием в единице объема пор
катионов ДЭС - приведеиной емкостью обмена ЧпПри снятии по ляризующего поля равновесное состояние ДЭС на поверхности час
тицы восстанавливается путем возврата смещенных катионов, при
этом создается спадающее во времени поле ВП, которое исчезает при достижении ДЭС равновесия. Эта гипотеза, предложеннаяв 1951 году М.Г. Латышовой, объясняет основные закономерности, характерные
для ВП осадочных пород, установленные экспериментально [23].
1. Величина Ав породы с ионной проводимостью при неизменных свойствах самой породы (структура пор, гранулометрический состав)
растет пропорционально удельному сопротивлению Рв раствора, на
сыщающего породу, уменьшается при изменении состава катионов
во внешней обкладке ДЭС с переходом от одновалентных к двухва
лентным катионам, а при замещении двухвалентных катионов трех
и четырехвалентными резко уменьшается и меняет свой знак в свя зи с изменением знака внешнейобкладкиДЭС (перезарядки). Этиосо
бенности ВП полностью отражаютповедение ~-потенциала в связи с изменением указанных факторов: чем больше~. тем больше ВП иАн·
2. Величина А8 терригеиных пород-коллекторов при устойчивом минеральном составе скелетных зерен и глинистой фракции, насы
щенных раствором одинакового состава и концентрации, закономер
но растет с уменьшением проницаемости и среднего радиуса пор, ро
стом удельной поверхности и глинистости до определенных значе
ний kuP' dn. Sn и crn, при которых связь Ав с указанными параметрами
сначала вьmолаживается, а затем меняется на обратную (рис. 54). На личие такой зоны инверсии рассматриваемых связей подтверждено
экспериментами на искусственных мономинеральных образцах с раз
личными гранулометрическим составом зерен, размером пор и т. д.
Диапазон зоны инверсии зависит от концентрации и состава раство ра, насыщающего образец. Для растворов с концентрацией, харак
терной для фильтрата глинистого раствора и слабоминерализован
ных пластовых вод, зона инверсии характеризуется значениями
"" |
=20-50 · 10-12 м2 .:~ |
=5-10 мкм |
' |
sФ=10з-2 · 10з см-1 типичны- |
"'nр |
J ""'п |
|
' |
|
ми для перехода от хороших к плохим коллекторам. ВП пород-не- |
||||
коллекторов с kup<10-12 м2 изучено меньше, однако известно, что ~
164
глинахинеколлекторах с высокой глинистостью значения ВП низ кие. Таким образом, в области пород-неколлекторов связь ВП с про ницаемостью и средним размером пор обратная.
Такой характер связи Ав с параметрами kпр• sФ (рис. 63, 64) и др.
хорошо объясняет изложенная гипотеза, если учесть совместное вли
яние двух факторов - q0 и~ Для большей части коллекторов с умень
шением среднего размера скелетных зерен, ростом глинистости рас
тут значенияS 0 иq0 , при этом уменьшается kпри dn. Ростq" иS 0 обус
ловливает увеличение количества подвижных катионов ДЭС, формирующих эффект ВП, что приводит к росту Ав. В этой области
величина ~-потенциала зависит только от концентрации свободного
раствора, состава катионов ДЭС и природы поверхности твердой фазы и не зависит от размеров пор (рис. 64). При входе в область пор малого
размера, соизмеримых с толщиной дэс (см. подразд. 4.2), адэс• а соот
ветственно и ~начинают снижаться с уменьшением d0 • Снижение ~
происходит интенсивнее, чем рост q", что и вызывает изменение ха
рактера связи Ав с проницаемостью (см. рис. 63) и параметрами, ха рактеризующими дисперсность породы. В породах с ультратонкими
Рис. 63. Соnоставление вызванной активнос ти Ав nесков и nесчаников с коэффициентом nроницаемости kпр (no М.Г. Латышовой):
а -кварцевыйпесок;растворNаСI;С8=0,01н.;б песчаники, алевролиты кварцевые; девон Туйма зинекого месторождении; раствор NaCI; С8=2 r/л.
|
10 |
20 |
40 |
60 |
б |
|
k,.p, ·10~3 мкм2 |
||
А•• :~ |
.. .... |
|
|
|
100~ |
------------------------------ |
, |
|
|
10 |
100 |
1000 |
kпр. ·1о-з мкм2
165
2
1,50
0,50
о |
5 |
10 |
Рис. 64. Зависимость между параметром А8и удельной nоверхностью филь трации sФ; кварцевые nесчаники (1) и алевролиты (2) (no В.М. Добрынину)
nорами (плотные глины) nри близких к нулю значениях ~ значения
Ав минимальны.
3. В частично влажных породах, например, нефтегазонасыщенных терригеиных коллекторах при прочих постоянных условиях Ав внача
ле растет с уменьшениемW и k,., а затем при низкихW и k,. снижается. Этоявление с позиций рассмотренной гипотезы также имеет объясне ние: вначале с уменьшениемW и k,. растетконцентрациякатионовДЭС q'11 в nроводящем объеме пор, поскольку rtn=q0/kв, что приводит крос туАв, но начиная с некоторых kв толщина слоя остаточной воды стано
вится соизмеримой с Бдэс• что также приводит к снижению~ более ин
тенсивному, чем рост q'11, а это в свою очередь изменяет характер свя
зи Ав с W и kв (инверсия, как и в предыдущем случае).
4. Время зарядки породы до стабильных значений ВП и продол жительность спада ВП во времени зависят от размеров частиц, сла
гающих породу, а следовательно, от параметров k11P и q0 • С увеличе нием среднего размера частиц, величины knp и уменьшением q0 вре
мя зарядки и разрядки растет, что объясняется увеличением nути, а
следовательно, и времени возвращения смещенных nри nоляризации
катионов к их равновесному положению. Для монодисперсных сие-
166
тем спад ВП во времени характеризуется простой экспонентой с од ной постоянной распада поля ВП. Для полидисперсных систем, в том числе образцов терригеиных пород, распад поля ВП описывается сум
мой экспонент с различными постоянными распада.
В качестве второй модели пористой среды рассмотрим систему
параллельных капилляров перемениого сечения по оси капилляра.
Каждый капилляр представим чередованием элементов 1 и 2 -су
жения длиной zl и площадью сечения s1 и расширения длиной z2 и
сечением S 2• Элементы в которых ДЭС занимает соответственно большую и меньшую долю объема пор, различаются числами пере носа катионов и анионов. При наложении внешнего поля, как и в слу чае первой модели, подвижные катионы ДЭС смещаются в одном на правлении, что приводит к накоплению избытка положительных за рядов в одной стороне каждого элемента и дефицита их в другой, вдоль каждого канала образуется цепочка последовательно располо женных диполей, создающих поле ВП. После снятия поляризующего
поля смещенные заряды возвращаются на прежнее место, создавая
при этом спадающие во времени разность потенциалов и ток ВП. Авторы этой модели и соответствующей гипотезы ВП А. Ф. По
стельников (1959 г.), Д. А. Фридрихсберг, М. П. Сидорова (1961 г.) ос
новным фактором возникновения ВП в породах с ионной проводимо
стью считают чередование в капиллярах участков с различными чис лами переноса ионов и возрастание этого различия в локальных зонах
поровых каналов при наложении поляризующего поля, а в качестве
механизма тока ВП предлагают диффузию ионов из участков с по
вышенной их концентрацией в зоны пониженной концентрации. Эта гипотеза получила название концентрационно-диффузионной. Вели чина Ав выражается следующей формулой (Д. А. Фридрихсберг):
4yq>(llni |
|
Ав (1+<р)(унр)' |
(7.78) |
где у -отношение электропроводностей в объеме узкого (1) и широ
кого (2) капилляров; <р =S Z/S Z; lln -разность чисел переноса в
2 1 1 2
узком и широком капиллярах.
Вторая модель, как и первая, объясняет результаты эксперимен тального изучения ВП пористых сред с ионной проводимостью. Важ ная особенность этой модели -акцентирование роли неоднородно
сти сечения капилляра как одного из условий появления ВП в порис
той системе. Роль этого фактора показывают исследования ВП на искусственных образцах с постоянным сечением поровых каналов, ориентированных по направлению поляризующего тока (волокнис тая вата). На таких объектах величина Ав существенно ниже, чем для
природных и искусственных зернистых образцов, поскольку здесь не
возникает множество локальных диполей, приуроченных к зернам (первая модель) или расширениям поровых каналов (вторая модель). Происхождение ВП в объектах с простейшей геометрией пор (пучок
параллельных капилляров постоянного сечения или система парал
лельных щелевиДных пор -третья модель) можно объяснить соче-
167
танием процессов электроосмоса, возникающего на стадии зарядки,
и образовании фильтрационных потенциалов (см. подразд. 7.7), со зданных электроосмотическим перемещением жидкости (В. Н. Дах нов, 1947 г.). Компонента ВП, обусловленная этими процессами, по видимому, возникает в пористой среде с любой геометрией пор, но доли ее в суммарном эффекте ВП незначительна [21).
Сравнивая первую и вторую модели, заметим, что принципиаль
ной разницы между ними нет, так как в обоих случаях механизмом,
создающим поле ВП, ивлиютси перемещение подвижных катионов
внешней обкладкиДЭС вдоль границыраздела твердая фаза -жид
кость со сложной геометрией и возникновение системы локальных диполей, а процессом спада ВП во времени -возвращение переме
стившихси при поляризации катионов в первоначальное положение.
Механизм разрядки -спада поли ВП, предложенный авторами вто
рой модели (диффузии перемещенных при зарядке катионов), сомни телен, поскольку скорость наблюдаемого в экспериментах спада11Uвп во времени значительно выше той, которая наблюдалась бы в случае
возврата полиризованной системы кравновесному состоянию за счет процесса диффузии.
7.6.3. Вызванная электрохимическая: активность осадочных, маrматических и метаморфических пород
Отметим важнейшие особенности ВП вразрезах, представленных
осадочными, магматическими и метаморфическими породами, сле дующие из анализа данных таблиц 7, 8, 9.
Осадочные породы. Т ер р и г е н н ы е о т л о ж е н и я:. При отсут ствии или незначительном (доли процента) содержании минералов
проводников в породах-коллекторах величина А8 растет с уменьше
нием проницаемости и ростом глинистости коллектора, достигая мак
симальных значении в плохих коллекторах, близких по свойствам к границе коллектор -неколлектор (см. рис. 63). В породах-неколлек
торах величина А8 падает с ростом глинистости, степени уплотнении глинистого материала и в конечном счете с ростом параметра q0 • А8 терригеиных пород, не содержащих углистых и рудных включений, составляет 0,001-0,1.
Пласты угля:, терригеиные породы со значительным содержани
ем пирита, магнетита и углистых частиц характеризуются повышен
ными значениями А8• Величина А8углей растет с ростом содержании в угле графита, отражающим степень метаморфизма угля, и с умень шением зольности угли. А0 пиритизированных пород увеличивается
пропорционально росту содержании в породе пирита, пока частицы
пирита не образуют единой токопроводящей системы. Время распа
да поля ВП в пиритизированных породах существенно больше, чем в
других литотипах терригеиного разреза. А8 терригеиных пород с уr
листыми и рудными включениями (пирит и др.) составляет 0,05-0,6.
По параметрам А8 и J..., определяемым методом ВП в скважине,
можно проводить литологическое расчленение разреза, выделить коллекторы и оценивать их проницаемость с учетом данных других
168
методов ГИС. По данным метода ВП четко выделяются пласты угля всех марок, что было широко использовано до появления гамма-гам
ма-метода для выделения пластов бурого угля и переходных марок угля от бурых к каменным, незначительно отличающихся от внешних
пород по удельному сопротивлению.
К ар б о н а т н ы е о т л о ж е н и я. Возможности использованияпа раметров ВП для изучения карбонатного разреза исследованы в мень шей степени. Имеются предпосылки для выделения в карбонатном разрезе трещинных зон путем использования аномальной геометрии
пор трещинного коллектора.
Высокие значения Ав в водоносных коллекторах, насыщенных пре сной водой, явились основанием для широкого применения метода ВП в разведочной геофизике при поискахиразведке скопленийпреснойводы.
Магматические и метаморфические породы. При отсутствии в
этих породах включений минералов-проводников Ав магматических и метаморфических пород невысокое и составляет 0,001-0,04. В зо
нах оруденения эти породы содержат вкрапления рудных минера
лов, что приводит к резкому увеличению Ав до 0,1-0,6. При прочих равных условиях Ав тем больше, чем выше содержание минерала проводника и больше общая поверхность рудных включений. Это яви
лось предпосылкой для использования метода ВП в разведочной гео физике для поисков месторождении вкрапленных руд, в первую оче редь, полиметаллических [20].
7.7. ЕСТЕСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ·
Естественная электрохимическая активность горных пород - их
способность создавать естественные электрические поля (поля соб
ственной или самопроизвольной поляризации) в результате возник
новения в породе различных электрохимических процессов, приуро
ченных, какправило, к границам пластов и более сложных геологичес
ких тел, а также к границе скважина - порода при вскрытии
геологического разреза скважиной и изучении его методами ГИС.
К этим процессам относятся: диффузия солей на границе растворов электролита различной концентрации, течение жидкости в пористой
среде под влиянием перепада давлений, окислительно-восстановитель
ные реакции на границе рудноетело -вмещающие породы. Соответ ственно различают диффузионно-адсорбционную, фильтрационную,
окислительно-восстановительную электрохимическую активность.
7.7.1. Диффузионно-адсорбционная активность
На границе водных растворов электролита различной концентра ции образуется диффузионная э.д.с. определяемая формулой Нерн
ста:
(7.79)
где R - универсаЛьная газовая постоянная; Т - температура, К
F -число Фарадея; nк, n8 -число катионов и анионов в молекуле
169