2014-04-18

1

Profilowanie potencjałów

polaryzacji naturalnej PS – potencjały samoistne

Profilowanie potencjałów naturalnych (PS)

• Pomiar potencjałów naturalnych w odwiercie (PS) (Spontanous

Potential) polega na rejestracji różnicy potencjałów,

powstających na skutek procesów fizyko – chemicznych,

zachodzących w skałach nasyconych wodami o innym zasoleniu niż

płuczka.

• Technika pomiarowa: pomiar krzywej PS polega na rejestrowaniu

zmian naturalnego pola elektrycznego wzdłuż otworu.

Rodzaje potencjałów

• Zjawiska, które powodują powstanie potencjałów i ich rodzaje:

DYFUZJA – potencjał dyfuzyjny

ADSORPCJA – potencjał adsorpcyjny

FILTRACJA – potencjał filtracyjny

UTLENIANIE i REDUKCJA – potencjał elektrodowy

Dyfuzja • Dyfuzja czyli przemieszczanie się jonów.

• Proces dyfuzji jonów zachodzi w momencie zetknięcia się dwóch roztworów o różnej koncentracji soli.

• W przypadku ośrodka skalnego takimi roztworami są woda złożowa i płuczka wiertnicza.

• Przyczyną dyfuzji są rozpuszczone sole NaCl występujące w płuczce i stykającej się

z nią - wodzie złożowej. Wody złożowe na terenach naftowych zawierają 70-95% NaCl.

• Najpierw musi nastąpić dysocjacja czyli rozpad na jony kationy i aniony

ClNaNaCl

• Roztwory będą dążyć do wyrównania stężeń (jony będą przechodziły z roztworu o większym stężeniu do roztworu o mniejszym stężeniu)

• Na granicy otworu obserwuje się rozkład ładunków elektrycznych – jeśli wody złożowe mają wyższą koncentrację niż płuczka to w otworze na ściance będzie nadmiar ładunków ujemnych a od strony warstwy ładunków dodatnich

• W wyniku dwóch procesów – różnicy w prędkości poruszania się jonów i działania powstałego w wyniku tej różnicy pola elektrycznego (spowalnia jony o większej prędkości i przyśpiesza jony o mniejszej prędkości) - ustala się pewna równowaga, a SEM powstała na kontakcie tych roztworów nosi nazwę potencjału dyfuzyjnego

Adsorpcja

• Jest związana z obecnością skał ilastych, otaczających warstwy przepuszczalne. Skały ilaste zachowują się jak przegroda (membrana), przepuszczają tylko jony dodatnie Na+, a zatrzymująca (adsorbują) ujemne Cl- na powierzchni skały.

• Jony z roztworu adsorbują na powierzchni skały. Obserwujemy zjawisko zwane ELEKTRYCZNĄ WARSTWĄ PODWÓJNĄ

• Warstwa podwójna tworzy lokalne pole sił elektrostatycznych, jony ujemne chloru równoważą ładunki dodatnie zewnętrznej warstwy podwójnej

2014-04-18

2

• Wyróżnia się obszar sztywny czyli warstwę sztywną mocno nieruchomą jonów dodatnich , a następnie warstwę dyfuzyjnie poszerzoną (tzw. obszar rozmyty) czyli warstwę nieścisłą jonów.

• Warstwa podwójna umożliwia przepływ prądu. Możemy więc powiedzieć, że minerały ilaste mają anomalne własności elektryczne (czyli umożliwiają swobodny przepływ prądu elektrycznego przez skały w których się znajdują).

Schemat linii prądowych przy PS (z prawej)Statyczna (EPS)

i dynamiczna (UPS) anomalia naprzeciw warstwy piaskowca

Anomalia ma znak ujemny

gdy: Cw>Cmf Rw<Rmf

Kierunek przechodzenia jonów

Na+ od formacji nasyconej

zmineralizowanymi wodami

poprzez otaczające iły do

otworu jest równoważny z

kierunkiem przepływu prądu.

Kd – współczynnik dyfuzji zależy od:

ruchliwości kationów i anionów u i v

• stałej Faradaya , F = 96 500 ̊C

• stałej gazowej, R = 8.314 J/ ̊C

• Temperatury , T w oK

Dla NaCl w temp. pokojowej 25oC Kd = -11.6 mV,

mf

wzdd

C

CKE lg

F

RT

vu

vuKd

Siłę elektromotoryczną dyfuzji opisuje wzór Nernsta:

Składowa adsorpcyjna Ea opisana jest tym samym wzorem Nernsta tylko

zmienia się wartość współczynnika

F

RTKa

• w temp. pokojowej 25oC Ka = 59.1 mV

wz

mf

dd KE

lg

W dużym przedziale koncentracji oporność właściwa elektrolitów jest

odwrotne proporcjonalna do ich koncentracji

Potencjał dyfuzyjno-adsorpcyjny (membranowy)

Wzór Nernsta – dla całkowitej siły elektromotorycznej spowodowanej procesami dyfuzji i adsorpcji:

gdzie: KPS – wsp.dyfuzji i adsorpcji dla roztworu NaCl w temperaturze 25oC wynosi - 70.7

wz

mf

PSPSR

RKE lg

Filtracja • Filtracja – występuje, gdy ciśnienie hydrostatyczne słupa płuczki

panujące w odwiercie jest większe od ciśnienia wody złożowej. Pod wpływem tego następuje przenikanie filtratu płuczki do warstw porowatych.

• Potencjał filtracyjny związany jest z przemieszczaniem się cieczy w porach skalnych. Słup płynu wywołuje ciśnienie osmotyczne, które powoduje ruch płynu, a to wytwarza potencjał filtracyjny.

• Jego wielkość zależy od: ▫ różnicy ciśnień (która jest funkcją prędkości); ▫ lepkości (czyli właściwości płynu przemieszczającego); ▫ mineralizacji (czyli odwrotnie oporności).

• Intensywność zjawiska filtracji jest największa na początku wiercenia (i szybko maleje), bo wtedy jest największa różnica ciśnień. Na rejestracje krzywej PS potencjał filtracyjny ma najmniejszy wpływ.

Utlenianie i redukcja • Redukcja oznacza przyłączanie elektronów, a utlenianie – oddawanie elektronów.

Elektrony oddawane w procesie utleniania muszą być przyłączone przez inne substancje. Dlatego każdej reakcji utleniania towarzyszy reakcja redukcji.

• Potencjał ten występuje głównie w strefach przypowierzchniowych. Najczęściej potencjały tego typu obserwuje się w strefach okruszcowanych (złoża rud metali i siarczków), jak również w przypadku występowania węgli o różnym stopniu uwęglenia.

• Potencjał występujący przy tych zjawiskach to potencjał elektrodowy. Reakcje utleniania i redukcji są związane z przepływem prądu elektrycznego. Gdy do płuczki włożymy elektrody prądowe wtedy pojawia się reakcje utlenienia i redukcji

• Dla każdego metalu możemy określić wielkość potencjału elektrodowego, bo jego wielkość zależy od materiału, z którego jest zrobiona elektroda i od stężenia roztworu, w którym jest zanurzona elektroda. Wprowadzamy poprawkę na ten potencjał, bo wiemy z jakiego materiału jest zrobiona elektroda (czyli sonda).

2014-04-18

3

Anomalie PS • Potencjały polaryzacji naturalnej

mogą być rejestrowane w dwóch wariantach: ▫ profilowanie PS ▫ profilowanie gradientu PS – grad

PS (związany z występowaniem prądów błądzących).

• Są one związane z dwoma

różnymi układami pomiarowymi umieszczanymi w otworze wiertniczym.

• Profilowanie to jest rejestrowane przy zapuszczaniu sondy do otworu, bo z upływem czasu płuczka przemieszcza się do warstw, co powoduje zaburzanie wartości potencjałów.

• Anomalią PS taką jak na rys. a charakteryzuje się poziom piaskowcowy, leżący wśród warstw ilastych, jeżeli mineralizacja (zasolenie) wody złożowej jest

większa od mineralizacji płuczki.

• Jeżeli natomiast mineralizacja płuczki jest większa od mineralizacji wody złożowej, otrzymujemy krzywą PS odwróconą jak na rys. b.

Rys. Krzywa potencjałów polaryzacji naturalnej (PS): a – krzywa wprost, b – krzywa odwrócona.

Anomalia statyczna i dynamiczna • Anomalia dynamiczna UPS

jest to anomalia zmierzona w rzeczywistości w otworze wiertniczym, zależy od:

▫ sposobu ułożenie warstwy

▫ miąższości warstwy

▫ zmiennej średnicy otworu

▫ oporności warstwy, skał otaczających i płuczki

▫ ewentualnej strefy filtracji

• Anomalia statyczna EPS

jest to anomalia zmierzona w otworze wiertniczym naprzeciw warstwy o bardzo dużej miąższości, jej wartość odpowiada wartości amplitudy zmierzonej w warunkach statycznych. Zależy od:

▫ litologii warstwy i otaczających skał,

▫ od mineralizacji i składu chemicznego wód złożowych oraz płuczki wiertniczej.

Na jej wartość nie wpływają techniczne i geometryczne warunki panujące w otworze!

Przy ilościowej interpretacji krzywych PS w celu określenia mineralizacji wód złożowych, własności skał jako zbiorników ropy, gazu, wody i zawartości materiału ilastego w skałach korzystne jest stosowanie statycznych wartości amplitudy EPS

• Jak odczytać anomalię dynamiczną UPS?

• Litologia i linia iłów.

Linia iłów - Na krzywej PS nie ma poziomu zerowego - poziomu odniesienia.

Poziom ten znajduje się naprzeciw warstw ilastych. Stąd umownym zerem w profilowaniu PS jest linia iłów czyli maksymalne wychylenie w stronę anomalii dodatnich.

Wielkość całkowitej anomalii PS określa się od uśrednionej linii iłów, naprzeciw których ustala się umowny poziom zerowy.

mf

wzPSPS

C

CKE lg

gdzie: EPS - wielkość potencjału dyfuzyjno - adsorpcyjnego; KPS - współczynnik potencjału dyfuzyjno - adsorpcyjnego; Cwz - stężenie soli w wodzie złożowej; Cmf - stężenie soli w filtracie płuczki wiertniczej. Zamieniając stężenia na oporności, otrzymamy:

wz

mf

PSPS KE

lg

gdzie: wz - oporność wody złożowej; f - oporność filtratu płuczki.

• Anomalię statyczną EPS bierzemy ze wzoru Nernsta:

Skąd wziąć anomalię statyczną EPS?

2014-04-18

4

Rozdzielenie skał

piaszczystych od ilastych

w przekroju

piaskowcowo-ilastym.

Skały piaskowcowe

cechują się minimum

potencjału polaryzacji

naturalnej

W przekroju skał

węglanowych obserwuje

się rożne wartości

anomalii PS – od małych

do bardzo dużych, jakie

obserwujemy w czystych

piaskowcach, a nawet

większe

Krzywa PS – charakter

litologiczny skał Zastosowanie PS

Krzywa PS wykorzystywana jest głównie do:

• identyfikacji skał o lepszych własnościach zbiornikowych

• identyfikacji poziomów ilastych

• określenia litologii warstw

• określania mineralizacji wód złożowych oraz ich elektrycznej oporności właściwej

• określania zawartości minerałów ilastych (zailenia) w skałach

• rozpoznawania charakteru środowiska sedymentacyjnego osadów piaskowcowych.

Wpływ różnych czynników na kształtowanie

się anomalii PS

• Wpływ miąższości warstwy i średnicy otworu.

• Wpływ elektrycznej oporności właściwej skał otaczających i płuczki

• Wpływ obecności strefy filtracji

• Wpływa zawartości minerałów ilastych (zailenia) w formacji

Wpływ miąższości warstwy i średnicy otworu.

Obniżenie się h/d powoduje redukcję

anomalii dynamicznej w stosunku do

statycznej.

Dla warstwy o h/d ≥ 40 wielkość UPS

Jest prawie równa EPS (przy niskich

opornościach warstw)

Miąższość warstwy odpowiada

szerokości anomalii odczytanej w

połowie wysokości jej amplitudy

Wpływ elektrycznej oporności właściwej badanej warstwy,

skał otaczających i płuczki na mierzona anomalię UPS.

Przy niskich opornościach wszystkich trzech składowych anomalia UPS jest

wykształcona najlepiej i najbardziej zbliżona do jej statycznej wartości. Obniża się

zarówno ze wzrostem oporności warstwy jak i ze wzrostem oporności właściwej skał

otaczających.

Zailenie skały zbiornikowej

Definicja granulometryczna – objętościowa zawartość frakcji drobnodyspersyjnej w skale (przyjmuje się że zailenie odpowiada części ośrodka skalnego o średnicy ziarn mniejszej od 0,001 mm).

Definicja mineralogiczna – objętościowa zawartość minerałów ilastych w skale.

2014-04-18

5

Iły mogą występować w skałach porowatych w postaci (Almon,1979):

• oddzielnych, odosobnionych kryształów (kaolinit),

• otoczek na ziarnach (montmorillonity, illity, chloryty) wzrost ich ilości zmniejsza przestrzenie porowe i ich drożność,

• wrostków "mostkujących" pory (illity, chloryty, montmorillonity).

Większe skupiska minerałów ilastych w skałach

porowatych są przybliżane modelami

uproszczonymi. Przyjmuje się następujące modele

(Schlumberger, 1996):

• laminarny (warstwowany) - iły występują w

postaci lamin,

• dyspersyjny (rozproszony) - frakcja ilasta jest

rozproszona w porach skały znacznie redukując

parametry zbiornikowe,

• strukturalny - iły występują w postaci ziaren w

szkielecie, posiadają podobne własności do iłów

warstwowanych.

Wyznaczanie mineralizacji wód złożowych

Niewiadomą jest tu ρwz, którą otrzymuje się po rozwiązaniu tego równania na drodze analitycznej przez podstawienie odpowiednich wartości EPS, KPS i ρmf. KPS jest funkcją temperatury, wyznaczamy go ze wzoru:

gdzie: tw – temperatura warstwy t0 – średnia temperatura roczna na powierzchni ziemi dla danego rejonu G – gradient geotermiczny danego rejonu H0 – głębokość zalegania powierzchni neutralnej Hsr – średnia głębokość zalegania warstwy

wz

mf

PSPS KE

log

25273

273)25()(

W

PStwPS

tKK

)( 00 HHGtt srW 2

spst

sr

HHH

Wyznaczanie mineralizacji wód złożowych

• Oporność filtratu płuczki ρmf

• η – współczynnik zależny od

gęstości płuczki i gęstości stałych

cząsteczek w płuczce

• ρpl(tw) - oporność płuczki w

temperaturze warstwy ρpl(tw)

• Mineralizację wody złożowej ρwz wyznacza się ostatecznie przy pomocy nomogramu Wendelszteina

)(twplmf

5,21

5,21)(

w

p

pltwplt

t