понедельник, 8 апреля 2013 г.
Метод потенциалов вызванной поляризации
Метод потенциалов вызванной поляризации (ВП) основан на явлении искусственного создания двойных электрических слоев в горных породах под действием электрического тока и измерении возникшего постоянного электрического поля во время его спада после прекращения действия тока. Другими словами, в методе ВП существующее поле ПС искусственно усиливается с целью последующего наблюдения спада суммарного поля, который не одинаков в разных по литологическому составу породах.
Механизм возникновения вторичного электрического поля связан с электролитической и объёмной поляризацией геологических образований. Первая возникает на контакте с углистыми и содержащими сульфидные и железные руды породами, а также при изучении нетрадиционных коллекторов нефти и газа, в составе которых имеются железосодержащие минералы, например, сидерит. Вторая обусловлена объемной поляризацией пород с повышенной глинистостью, пустотным пространством порового, трещинного или кавернового типа.
Закон изменения (спада) вторичного электрического поля UВП в промежутках между токовыми импульсами описывается электрическими зависимостями, одна из которых экспоненциальная, а другая - гиперболическая:
UВП,t≠о = UВП,t=о ехр(-lt);
UВП,t≠о = UВП,t=о/(l +βt)
В этих уравнениях UВП,t≠о - измеряемые амплитуды потенциалов вызванной поляризации в моменты времени t между соседними токовыми импульсами; UВП,t=о - амплитуда потенциала вызванной поляризации на момент окончания токового импульса; l и β - константы, зависящие от типа и петрофизических характеристик входящего в состав породы минерала с электронной проводимостью.
Для измерения вызванных потенциалов используют четырехэлектродную установку AMNB. Механизм формирования поля ВП в импульсном режиме показан на рис. 51.
Рис. 51. Формирование поля вызванной поляризации в импульсном режиме
а – силовые линии поля первичных (ЕПР) и вторичных, вызванных поляризацией (ЕВП) токов, б - импульс тока (токовый меандр), в – временной процесс поляризации после включения и выключения тока
В ионопроводящих горных породах ток течет только в жидкой фазе, и, следовательно, вектор напряженности электрического поля направлен параллельно двойному электрическому слою. Явление проявляется достаточно слабо — поле вторичных зарядов не превышает первых процентов от первичного поля. В случае наличия в горных породах минералов с электронным типом проводимости (сульфиды, графит, магнетит и некоторые другие) твердая фаза уже не является диэлектриком и ток течет поперёк двойного электрического слоя: идут достаточно интенсивные электрохимические и электрокинетические процессы и поле вторичных источников, возникающих на границе твердой и жидкой фазы, может составлять десятки процентов от первичного поля.
В качестве меры интенсивности процесса ВП используется поляризуемость η, которая рассчитывается как отношение напряженности поля вызванной поляризации к напряженности поля во время пропускания тока:
η = UВП /UПР×100%
Очевидно, что η зависит от времени задержки момента измерения поля ВП с момента выключения тока, а также от времени пропускания тока (в случае, если процесс ВП не вышел на насыщение). Для ионопроводящих горных пород время зарядки, а, соответственно, и разрядки составляет первые секунды. В случае присутствия электронопроводящих включений это время может увеличиваться до нескольких минут. Время пропускания тока стараются выбирать из условия полной зарядки среды, и в то же время оно не должно быть слишком большим, чтобы не снижать производительность работ. Схема каротажа методом ВП приведена на рис. 52.
Рис. 52. Схема измерений потенциалов ВП в скважинах
Г – генератор (источник питания), П – пульсатор (знакопеременный преобразователь), Д – демпфер (переменный резистор), РП1 и РП2 – регистраторы сигналов (гальванометры), мА - миллиамперметр
Особенность в том, что в четырёхэлектродном потенциал-зонде А10.04М0.04А25.0В. электрод М размещён между раздвоенным токовым электродом А и защищён от воздействия поляризующего тока слоем перфорированной резины. При записи кривых ВП во временной области (или в импульсном режиме) время задержки стандартно выбирается равным 0,5 сек. Однако, современная аппаратура позволяет проводить измерения на многих временах задержки. Она основана на двух способах измерений вызванной поляризации. Первый способ - амплитудно-частотные измерения. Он сводится к расчёту процентного частотного эффекта (PFE).
Параметр PFE пропорционален поляризуемости η, поскольку в сигнале на низкой частоте явление ВП развито сильнее, чем на высокой частоте (рис 53-а). Второй способ - фазово-частотные измерения. Разность фаз сигнала в измерительной и токовой линии дает фазу вызванной поляризации φВП (рис. 53-б).
Если генераторное устройство вырабатывает ток в форме меандра, содержащего, кроме основной, и все нечетные гармоники, то по результатам обработки измерений ΔUmn можно вычислить дифференциальный фазовый параметр.
Этот параметр равен фазе φВП и при этом не требует синхронизации измерительного и генераторного устройства. Кроме того, он исключает фазовые углы, связанные с явлением электромагнитной индукции. Экспериментально установлено, что для большинства горных пород фаза ВП линейно связана с кажущейся поляризуемостью:
ηК(%) = - 2,5φВП (градусы)
Рис. 53. Амплитудно- (а) и фазово-частотные (б) способы измерения ВП
Для многоканальной регистрации кривых hк в различных временных диапазонах разработана специальная аппаратура, включающая специальной конструкции скважинный прибор (рис. 54).
Сила тока в цепи АВ выбирается с таким расчетом, чтобы ∆UВП превосходило не менее чем в два раза ∆UПС.
На рис. 55 приведен пример применения метода ВП совместно с комплексом электрических методов ГИС (КС-ПЗ и ПС) на рудных месторождениях. Выбран интервал разреза скважины, где вскрыта зона свинцово-цинкового оруденения. Сопоставление кривых показывает, что метод ВП позволяет по сравнению с методами КС-ПЗ и ПС более четко разделять рудные прослои по степени их окисленности, в особенности, когда сульфидные оруденения характеризуются высоким удельным электрическим сопротивлением. Обычно это области рассеянной сульфидной минерализации, характерной для руд вкрапленного типа.
Рис. 55. Пример изучения методом ВП зон сульфидного оруденения
1 – известняк, 2 – песчаник, 3,4 –интервалы окисленного и незатронутого окислением свинцово-цинкового оруденения
Другие примеры успешного применения метода ВП известны при изучении ископаемых углей, терригенных осадочных пород, обогащенных минералами с электронной проводимостью и в карбонатных (хемогенных) породах. На диаграммах ВП угольным пластам, а также в большинстве случаев известнякам, песчаникам и высокоомным песчанистым сланцам, обогащённых слюдой, соответствуют интенсивные положительные аномалии (при условии питания электрода А в скважине током положительного знака). Литологическую принадлежность пород в таких случаях при регистрации кривых ∆UВП на одной временной задержке однозначно определить не всегда возможно. Поэтому современными технологиями предусмотрены аппаратурные решения, предусматривающие “выравнивание” в процессе каротажа показателя ∆UВП путем изменения силы возбуждающего тока. В этом случае, вследствие различной электрохимической активности песчаников, известняков и углей, для каждого из этих пластов по-разному происходит “разрядка ∆UВП” во времени, которая зависит только от электрохимической активности породы. Самые высокие положительные аномалии ∆UВП соответствуют углям, обладающих наивысшей электрохимической активностью. В силу этого метод ВП на угольных месторождениях относится к разряду эффективных, так как из всех электрических методов он наименее чувствителен к влиянию скважинных условий, особенно каверн на участках с крутопадающими угольными пластами.
Определение литологических границ и мощности пластов по кривым ВП производится также, как и по кривым ПС и заключается в нахождении величин ∆UВП макс для каждой ветви аномалии (см. рис.48 и 50). Если угли залегают в породах с высоким сопротивлением и аномалия имеет пологие ветви, а также в случае маломощных пластов (меньше 0,50 м), контакты границ кровли и подошвы отмечаются ближе к своду аномалии. Более точно они обнаруживаются по кривым градиента ВП. Здесь погрешность зависит от расстояния между электродами MN в такой же степени, как и на кривых градиента ПС.
На рис. 56 приведены результаты скважинных исследований методом ВП при гидрогеологических изысканиях в Ростовской области на участке водораздела в долинах рек Дона и Сала. Отложения представлены чередованием глин, песков и промежуточных между ними разностей, которые в разрезе не выдержаны ни по площади, ни по глубине. Мощности варьируют от 3 до 40 м. Минерализация подземных вод колеблется в больших пределах. Наряду с пресными водами встречаются солоноватые и соленые. В таких сложных геологических условиях метод ВП даёт возможность существенно понизить неоднозначность литологического расчленения разреза по комплексу методов ГИС. В данном примере аномалии ∆UВП в большинстве случаев коррелируются с аномалиями ρк на кривой КС-ПЗ, что позволяет выделить и разделить водоупорные пласты глин, а также линзы песков, залегающих в интервалах разреза с различной минерализацией подземных вод. На участке диаграммы ВП, отвечающей пескам, наблюдаются отдельные «пики» ∆UВП, связанные с прослоями мелкозернистого глинистого песка.
Рис. 56. Форма кривых ГИС, зарегистрированных методами КС-ГЗ, ПС, ГК и ВП в толще осадков, содержащей водоносные горизонты с различной минерализацией вод
1 – глины, 2 – суглинки, 3 – супеси, 4,5 – пески с прослоями глин и чистые
Данные ГИС подтверждены гидрогеологическим опробованием. Установлено, что в скважине имеются два разобщенных водоносных горизонта. В верхнем горизонте (24,2-33,2 м) минерализация воды равна 0,4 г/л, в нижнем (40,8-52,7 м) - 4 г/л. Соответственно этому при переходе от верхнего горизонта к нижнему ∆UВП падает с 60 до 10 мВ и становится практически равной величине ∆UВП, наблюдаемой против глин.
На основании полученных материалов были установлены общие критерии для расчленения песчано-глинистых отложений района, которые сведены в таблице 3.
Механизм возникновения вторичного электрического поля связан с электролитической и объёмной поляризацией геологических образований. Первая возникает на контакте с углистыми и содержащими сульфидные и железные руды породами, а также при изучении нетрадиционных коллекторов нефти и газа, в составе которых имеются железосодержащие минералы, например, сидерит. Вторая обусловлена объемной поляризацией пород с повышенной глинистостью, пустотным пространством порового, трещинного или кавернового типа.
Закон изменения (спада) вторичного электрического поля UВП в промежутках между токовыми импульсами описывается электрическими зависимостями, одна из которых экспоненциальная, а другая - гиперболическая:
UВП,t≠о = UВП,t=о ехр(-lt);
UВП,t≠о = UВП,t=о/(l +βt)
В этих уравнениях UВП,t≠о - измеряемые амплитуды потенциалов вызванной поляризации в моменты времени t между соседними токовыми импульсами; UВП,t=о - амплитуда потенциала вызванной поляризации на момент окончания токового импульса; l и β - константы, зависящие от типа и петрофизических характеристик входящего в состав породы минерала с электронной проводимостью.
Для измерения вызванных потенциалов используют четырехэлектродную установку AMNB. Механизм формирования поля ВП в импульсном режиме показан на рис. 51.
Рис. 51. Формирование поля вызванной поляризации в импульсном режиме
а – силовые линии поля первичных (ЕПР) и вторичных, вызванных поляризацией (ЕВП) токов, б - импульс тока (токовый меандр), в – временной процесс поляризации после включения и выключения тока
В ионопроводящих горных породах ток течет только в жидкой фазе, и, следовательно, вектор напряженности электрического поля направлен параллельно двойному электрическому слою. Явление проявляется достаточно слабо — поле вторичных зарядов не превышает первых процентов от первичного поля. В случае наличия в горных породах минералов с электронным типом проводимости (сульфиды, графит, магнетит и некоторые другие) твердая фаза уже не является диэлектриком и ток течет поперёк двойного электрического слоя: идут достаточно интенсивные электрохимические и электрокинетические процессы и поле вторичных источников, возникающих на границе твердой и жидкой фазы, может составлять десятки процентов от первичного поля.
В качестве меры интенсивности процесса ВП используется поляризуемость η, которая рассчитывается как отношение напряженности поля вызванной поляризации к напряженности поля во время пропускания тока:
η = UВП /UПР×100%
Очевидно, что η зависит от времени задержки момента измерения поля ВП с момента выключения тока, а также от времени пропускания тока (в случае, если процесс ВП не вышел на насыщение). Для ионопроводящих горных пород время зарядки, а, соответственно, и разрядки составляет первые секунды. В случае присутствия электронопроводящих включений это время может увеличиваться до нескольких минут. Время пропускания тока стараются выбирать из условия полной зарядки среды, и в то же время оно не должно быть слишком большим, чтобы не снижать производительность работ. Схема каротажа методом ВП приведена на рис. 52.
Рис. 52. Схема измерений потенциалов ВП в скважинах
Г – генератор (источник питания), П – пульсатор (знакопеременный преобразователь), Д – демпфер (переменный резистор), РП1 и РП2 – регистраторы сигналов (гальванометры), мА - миллиамперметр
Особенность в том, что в четырёхэлектродном потенциал-зонде А10.04М0.04А25.0В. электрод М размещён между раздвоенным токовым электродом А и защищён от воздействия поляризующего тока слоем перфорированной резины. При записи кривых ВП во временной области (или в импульсном режиме) время задержки стандартно выбирается равным 0,5 сек. Однако, современная аппаратура позволяет проводить измерения на многих временах задержки. Она основана на двух способах измерений вызванной поляризации. Первый способ - амплитудно-частотные измерения. Он сводится к расчёту процентного частотного эффекта (PFE).
Параметр PFE пропорционален поляризуемости η, поскольку в сигнале на низкой частоте явление ВП развито сильнее, чем на высокой частоте (рис 53-а). Второй способ - фазово-частотные измерения. Разность фаз сигнала в измерительной и токовой линии дает фазу вызванной поляризации φВП (рис. 53-б).
Если генераторное устройство вырабатывает ток в форме меандра, содержащего, кроме основной, и все нечетные гармоники, то по результатам обработки измерений ΔUmn можно вычислить дифференциальный фазовый параметр.
Этот параметр равен фазе φВП и при этом не требует синхронизации измерительного и генераторного устройства. Кроме того, он исключает фазовые углы, связанные с явлением электромагнитной индукции. Экспериментально установлено, что для большинства горных пород фаза ВП линейно связана с кажущейся поляризуемостью:
ηК(%) = - 2,5φВП (градусы)
Рис. 53. Амплитудно- (а) и фазово-частотные (б) способы измерения ВП
Для многоканальной регистрации кривых hк в различных временных диапазонах разработана специальная аппаратура, включающая специальной конструкции скважинный прибор (рис. 54).
Сила тока в цепи АВ выбирается с таким расчетом, чтобы ∆UВП превосходило не менее чем в два раза ∆UПС.
На рис. 55 приведен пример применения метода ВП совместно с комплексом электрических методов ГИС (КС-ПЗ и ПС) на рудных месторождениях. Выбран интервал разреза скважины, где вскрыта зона свинцово-цинкового оруденения. Сопоставление кривых показывает, что метод ВП позволяет по сравнению с методами КС-ПЗ и ПС более четко разделять рудные прослои по степени их окисленности, в особенности, когда сульфидные оруденения характеризуются высоким удельным электрическим сопротивлением. Обычно это области рассеянной сульфидной минерализации, характерной для руд вкрапленного типа.
Рис. 55. Пример изучения методом ВП зон сульфидного оруденения
1 – известняк, 2 – песчаник, 3,4 –интервалы окисленного и незатронутого окислением свинцово-цинкового оруденения
Другие примеры успешного применения метода ВП известны при изучении ископаемых углей, терригенных осадочных пород, обогащенных минералами с электронной проводимостью и в карбонатных (хемогенных) породах. На диаграммах ВП угольным пластам, а также в большинстве случаев известнякам, песчаникам и высокоомным песчанистым сланцам, обогащённых слюдой, соответствуют интенсивные положительные аномалии (при условии питания электрода А в скважине током положительного знака). Литологическую принадлежность пород в таких случаях при регистрации кривых ∆UВП на одной временной задержке однозначно определить не всегда возможно. Поэтому современными технологиями предусмотрены аппаратурные решения, предусматривающие “выравнивание” в процессе каротажа показателя ∆UВП путем изменения силы возбуждающего тока. В этом случае, вследствие различной электрохимической активности песчаников, известняков и углей, для каждого из этих пластов по-разному происходит “разрядка ∆UВП” во времени, которая зависит только от электрохимической активности породы. Самые высокие положительные аномалии ∆UВП соответствуют углям, обладающих наивысшей электрохимической активностью. В силу этого метод ВП на угольных месторождениях относится к разряду эффективных, так как из всех электрических методов он наименее чувствителен к влиянию скважинных условий, особенно каверн на участках с крутопадающими угольными пластами.
Определение литологических границ и мощности пластов по кривым ВП производится также, как и по кривым ПС и заключается в нахождении величин ∆UВП макс для каждой ветви аномалии (см. рис.48 и 50). Если угли залегают в породах с высоким сопротивлением и аномалия имеет пологие ветви, а также в случае маломощных пластов (меньше 0,50 м), контакты границ кровли и подошвы отмечаются ближе к своду аномалии. Более точно они обнаруживаются по кривым градиента ВП. Здесь погрешность зависит от расстояния между электродами MN в такой же степени, как и на кривых градиента ПС.
На рис. 56 приведены результаты скважинных исследований методом ВП при гидрогеологических изысканиях в Ростовской области на участке водораздела в долинах рек Дона и Сала. Отложения представлены чередованием глин, песков и промежуточных между ними разностей, которые в разрезе не выдержаны ни по площади, ни по глубине. Мощности варьируют от 3 до 40 м. Минерализация подземных вод колеблется в больших пределах. Наряду с пресными водами встречаются солоноватые и соленые. В таких сложных геологических условиях метод ВП даёт возможность существенно понизить неоднозначность литологического расчленения разреза по комплексу методов ГИС. В данном примере аномалии ∆UВП в большинстве случаев коррелируются с аномалиями ρк на кривой КС-ПЗ, что позволяет выделить и разделить водоупорные пласты глин, а также линзы песков, залегающих в интервалах разреза с различной минерализацией подземных вод. На участке диаграммы ВП, отвечающей пескам, наблюдаются отдельные «пики» ∆UВП, связанные с прослоями мелкозернистого глинистого песка.
Рис. 56. Форма кривых ГИС, зарегистрированных методами КС-ГЗ, ПС, ГК и ВП в толще осадков, содержащей водоносные горизонты с различной минерализацией вод
1 – глины, 2 – суглинки, 3 – супеси, 4,5 – пески с прослоями глин и чистые
Данные ГИС подтверждены гидрогеологическим опробованием. Установлено, что в скважине имеются два разобщенных водоносных горизонта. В верхнем горизонте (24,2-33,2 м) минерализация воды равна 0,4 г/л, в нижнем (40,8-52,7 м) - 4 г/л. Соответственно этому при переходе от верхнего горизонта к нижнему ∆UВП падает с 60 до 10 мВ и становится практически равной величине ∆UВП, наблюдаемой против глин.
На основании полученных материалов были установлены общие критерии для расчленения песчано-глинистых отложений района, которые сведены в таблице 3.
0 коммент.:
Отправить комментарий