УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА СПОНТАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ (ПС) ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД
APPARATUS FOR LABORATORY MEASUREMENT OF SPONTANEOUS POLARISATION (SP) POTENTIAL OF ROCK SAMPLES

Предлагаемое изобретение относится к каротажу скважин методом спонтанной поляризации (ПС). Область преимущественного использования - построение эталонных корреляционных зависимостей между параметрами ПС, пористостью и проницаемостью образцов керна из нефтегазовых скважин с целью определения пористости и проницаемости пластов по данным каротажа ПС.
Измерения диффузионно-адсорбционных потенциалов дисперсных систем, аналогичные лабораторным измерениям спонтанной поляризации образцов горных пород, известны в физической химии [1]. Механизм возникновения потенциалов Доннана на границе между набухшим полимером (студнем) и раствором низкомолекулярного электролита, имеющим общий с полимером катион, и механизм возникновения спонтанной поляризации горных пород, обладающих большой удельной поверхностью, сходны. Для измерения потенциалов используют, например, каломельные электроды, соединенные солевыми мостиками с исследуемой системой.
Как отмечено в [1], диффузия электролита из ключа в полимер приводит к возникновению потенциала доннановского типа, но в неравновесных и нестационарных условиях. При этом возникает неустранимая добавка к измеряемому доннановскому потенциалу, которая является малой, но не пренебрежимо малой. Подобная проблема существует и при измерениях ПС в лабораторных условиях, являясь одним из основных источников погрешности.
ПС
ДИФ
ДИФ
ПС
Известными также являются способ и устройство [2], в которых образец керна из скважины, насыщенный электролитом, помещают в диэлектрическую перегородку, разделяющую два объема с различными концентрациями электролита. Неполяризующиеся электроды устанавливают в этих объемах. Измеряемая разность потенциалов равна сумме разности потенциалов ΔU и неустранимой диффузионной разности потенциалов ΔU, возникающей на границе неполяризующихся электродов и электролита. Величина ΔU тем больше, чем больше отношение концентраций электролитов и, следовательно, тем выше погрешность определения ΔU. В качестве интерпретационного параметра используют коэффициент, определяемый из выражения:
,
1
2
где ρ и ρ - удельные сопротивления электролитов.
ДИФ
Хотя известное техническое решение имеет существенный недостаток, заключающийся в возникновении неустранимой диффузионной разности потенциалов ΔU, оно широко применяется в течение более полувека из-за отсутствия лучшего варианта технического решения.
Наиболее близким техническим решением является способ, реализованный в устройстве [3], взятый нами за прототип. Устройство [3] заметно отличается от устройств, применявшихся в предыдущих исследованиях другими авторами. Это устройство содержит электролитическую ванну, разделенную не на две части, как обычно, а на три части. Соответственно в каждом измерении участвуют два различных образца из разных интервалов скважины: один из образцов взят из покрышки месторождения углеводородов, которая обычно представлена однородной толщей аргиллитов с высоким содержанием монтмориллонита, а другой - из продуктивного пласта-коллектора нефти и газа. Оба образца предварительно насыщают раствором электролита, который по составу и концентрации солей идентичен фильтрату пластового флюида (ПФ) на данном месторождении. Такой же раствор наливают в среднюю часть электролитической ванны. В крайние части наливают раствор, аналогичный промывочной жидкости (ПЖ).
1
2
ПС
ПС
ПС
ПС
Таким образом, крайние измерительные электроды, являющиеся основными, оказываются в контакте с одним и тем же электролитом. Следовательно, собственные потенциалы U и U измерительных электродов относительно ПЖ примерно одинаковы. Разность потенциалов на выходе измерительных электродов определяется следующим выражением: ΔU+U1-U2. Основное достоинство известного способа заключается в повышении точности при следующих условиях: |ΔU|>>|U1-U2|. Когда разность потенциалов U1-U2 становится соизмеримой по абсолютной величине с ΔU, то возрастает погрешность измерений ΔUиз-за неодинакового уровня жидкости в частях электролитической ванны и каломельных электродах.
ПС
ПС
Цель предлагаемого технического решения - повышение точности измерений спонтанной поляризации ΔU для изменении ΔU в широком динамическом диапазоне.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для лабораторного измерения, потенциала спонтанной поляризации (ПС) образцов горных пород, содержащем электролитическую ванну, разделенную на три части двумя диэлектрическими перегородками с вмонтированными в каждую из них образцом керна, две крайние части ванны заполнены промывочной жидкостью одинаковой концентрации и состава, средняя часть - пластовым флюидом, измерительные электроды через проницаемые фильтры соединены с крайними отсеками ванны, неполяризующиеся электроды, милливольтметр, что в нем дополнительно введены два горизонтальных столика, установленных перпендикулярно с внешней стороны к стенкам электролитической ванны, первые две металлические пластины, жестко установленные сверху горизонтальных столиков, вторые две металлические пластины, жестко прикрепленные снизу к соответствующим боксам установки электролитических ключей и неполяризующихся электродов, подключенных к соответствующим вторым металлическим пластинам, неполяризующиеся электроды подключены через электролитические ключи к отсекам промывочной жидкости, а входные клеммы милливольтметра подключены к первым пластинам, на которые устанавливаются боксы электролитических ключей и неполяризующихся электродов.
Предлагаемое устройство (фиг.1) включает в себя: 1, 2, 3 - секции (отсеки) электролитической ванны; 4 - образец керна из глинистой покрышки; 5 - образец керна из пласта-коллектора; 6 - диэлектрическая перегородка между секциями 1-2; 7 - диэлектрическая перегородка между секциями 2-3; отсеки (секции) 1 и 3 заполнены промывочной жидкостью, а отсек 2 - пластовым флюидом; 8-1 и 8-2 - горизонтальные столики, установленные перпендикулярно с внешней стороны к стенкам электролитической ванны, к горизонтальным столикам 8-1 и 8-2 сверху которых закреплены соответственно первые горизонтальные металлические пластины 9-1 и 9-2; 11-1 и 11-2 - боксы неполяризующихся электродов 12-1 и 12-2 и электролитических ключей 13-1 и 13-2; к боксам 11-1 и 11-2 снизу жестко прикреплены соответственно вторые горизонтальные металлические пластины 10-1 и 10-2, подключенные соответственно к неполяризующимся электродам 12-1 и 12-2; милливольтметр 14 подключен выходом ко входу компьютера 15, а входами - через элементы 8-1 - 13-1 и 8-2 - 13-2 к промывочной жидкости отсеков 1 и 3.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В предлагаемом устройстве, как и в устройстве-прототипе, берут два образца: один из образцов взят из покрышки месторождения углеводородов, которая обычно представлена однородной толщей аргиллитов с высоким содержанием монтмориллонита, а другой - из продуктивного пласта-коллектора нефти и газа.
Оба образца предварительно насыщают раствором электролита, который по составу и концентрации солей идентичен пластовому флюиду на данном месторождении. Такой же раствор наливают в средний отсек 2 электролитической ванны. В крайние отсеки 1 и 3 наливают раствор, аналогичный промывочной жидкости. Боксы измерительных электродов 11-1 и 11-2 устанавливают на первые металлические пластины 9-1 и 9-2, лежащие соответственно на горизонтальных столиках 8-1 и 8-2 (фиг.1). Таким образом, измерительные электроды (фиг.1) оказываются в контакте с одним и тем же электролитом и подключены через контакты пластин 9-1 с 10-1 и 9-2 с 10-2.
ПС
1
2
1
2
Первое измерение осуществляют при этих положениях боксов 11-1 и 11-2. В установившемся режиме цифровой код N1 на выходе милливольтметра 14, без учета погрешности преобразования, определяется следующим выражением: N1=ΔU+U-U, где U и U - собственные потенциалы первого и второго измерительных электродов.
ПС
2
1
В следующей операции меняют положения боксов 11-1 и 11-2, т.е. бокс 11-1 устанавливают на второй столик 8-2, а бокс 11-2 - на столик 8-1. Тогда цифровой код: N2 на выходе милливольтметра 14, при тех же условиях, следующим выражением: N2=ΔU+U-U (обозначения те же).
ПС
ПС
ПС
Цифровые коды N1 и N2 поступают вход компьютера 15, в котором определяют величину ΔU из выражения: ΔU=(N1+N2)/2, как среднее значение двух измерений. В результате применения предлагаемого технического решения повышена точность измерений спонтанной поляризации ΔU при его изменении в широком динамическом диапазоне.
Таким образом, предлагаемый способ имеет существенные преимущества по сравнению с известными способами.
Источники информации
1. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1974. С.322-330.
2. Итенберг С.С. Интерпретация результатов геофизических исследований скважин, М.: Недра, 2-е изд. 1987. С.17.
3. Кормильцев В.В., Ратушняк А.Н. Теоретические и экспериментальные основы спонтанной поляризации горных пород в нефтегазовых скважинах. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. С.26-28.