Спонтанные потенциалы часто измеряются в скважинах для оценки пласта в нефтегазовой промышленности, и их также можно измерять вдоль поверхности Земли для разведки полезных ископаемых или исследования грунтовых вод . Явление и его применение в геологии впервые были обнаружены Конрадом Шлюмберже , Марселем Шлюмберже и Э. Г. Леонардоном в 1931 году, а первые опубликованные примеры были получены на румынских нефтяных месторождениях.
Спонтанные потенциалы (СП) обычно возникают из-за разделения зарядов в глине или других минералах из-за наличия полупроницаемого интерфейса, препятствующего диффузии ионов через поровое пространство горных пород, или из-за естественного потока проводящей жидкости через горные породы.
Происхождение СП через пласт можно объяснить двумя процессами, связанными с движением ионов:
Потенциал течения возникает из-за потока электролита (воды) по естественно заряженным твердым телам (т. е. поверхностям, которые приобрели электрокинетический или дзета- потенциал). Потенциал течения появляется, когда фильтрат бурового раствора нагнетается в пласт под действием дифференциального давления между столбом бурового раствора и пластом. Потенциал течения возникает, когда поток происходит через глинистую корку перед проницаемыми пластами, через проницаемые пласты, в которые проникает жидкость, и через сланцевые пласты. Общепринято, что потенциал течения через глинистую корку компенсируется потенциалом течения через сланец. Таким образом, в большинстве случаев измеренный спонтанный потенциал связан только с электрохимическим потенциалом.
Электрохимический потенциал ( EC ) представляет собой сумму потенциала жидкостного контакта или диффузионного потенциала ( EJ ) и мембранного потенциала ( EM ) .
Потенциал жидкостного соединения устанавливается при прямом контакте фильтрата бурового раствора и пластовой воды на краю проникшего пласта. Ионы Na + и Cl − диффундируют из одного раствора в другой, но с разной скоростью из-за разной подвижности. Na + имеет тенденцию быть менее подвижным из-за своего сродства к молекулам воды.
где:
Мембранный потенциал развивается, когда два электролита с различной концентрацией ионов, такие как грязь и пластовая вода, разделены сланцем. Глинистые минералы в сланце обычно состоят из атомов Al, Si и O. Ионы O 2− занимают внешний слой и вызывают чистый отрицательный заряд. Ионы Na + из раствора притягиваются и проходят через сланец, в то время как ионы Cl − отталкиваются. Ионы Na + будут мигрировать между двумя растворами с чистым притоком от более соленого к менее.
где:
Таким образом, общий электрохимический потенциал можно выразить как E C = E M + E J = K log 10 ( a w / a mf )
Поскольку спонтанный потенциал является мерой электрохимического потенциала, а ионная активность раствора обратно пропорциональна его удельному сопротивлению, приведенное выше уравнение можно упростить как SP = E C = K log 10 ( R mfe / R we ), где R mfe и R we — эквивалентное удельное сопротивление фильтрата бурового раствора и эквивалентное удельное сопротивление пластовой воды соответственно.
Идеальный спонтанный потенциал в чистом слое известен как статический СП (ССП) и определяется следующим образом:
Наиболее полезным компонентом SP является электрохимический потенциал, поскольку он может вызвать значительное отклонение против проницаемых пластов. Величина отклонения зависит в основном от контраста солености между скважиной и пластовой жидкостью, а также от содержания глины в проницаемом пласте. Поэтому каротаж SP полезен для обнаружения проницаемых пластов и оценки солености пластовой воды и содержания глины в пласте. Из-за природы электрического тока SP может быть зарегистрирован только в проводящем буровом растворе.
Как было установлено ранее, статическая SP определяется следующим образом:
Статическое SP (SSP) можно получить непосредственно из кривой SP, если слой чистый, толстый, пористый, проницаемый и только умеренно пропитанный. Если эти условия не выполняются, записанное SP необходимо будет скорректировать. Для этой цели доступны различные таблицы коррекции.
Для преобразования измеренного удельного сопротивления фильтрата бурового раствора R mf в эквивалентное удельное сопротивление фильтрата бурового раствора R mfe применяются следующие правила:
Затем можно использовать диаграмму Schlumberger SP-2 для преобразования R we в R w .
Электроды могут быть размещены на поверхности земли для отображения относительных изменений значения SP (в милливольтах или мВ), как правило, с целью определения пути потока грунтовых вод в недрах или просачивания из земляной плотины . Вольтметр измеряет напряжение между фиксированным электродом с жидким соединением и мобильным (ровером), который перемещается вдоль поверхности плотины или по исследуемой области для сбора множественных показаний. Наблюдаемые аномалии могут указывать на движение или просачивание грунтовых вод. [1]
На SP может влиять несколько факторов, что усложняет интерпретацию. Помимо петрохимической составляющей, на SP также влияют электрокинетический потенциал и биметаллизм. Кроме того, на SP также влияют следующие факторы:
Спонтанный потенциал можно измерить, поместив один зонд вольтметра на поверхность Земли (называемый поверхностным электродом), а другой зонд в скважину (называемый скважинным электродом), где необходимо измерить СП. Фактически, каротажные приборы используют именно этот метод. Поскольку это измерение относительно простое, обычно скважинный электрод СП встраивается в другие каротажные приборы.