Фізико-хімічні основи методу ВП

Потенціали викликаної поляризації порід утворюються в результаті фізико-хімічних процесів, що відбуваються в гірських породах при пропусканні через них електричного струму. Здатність гірських порід поляризуватися під дією зовнішнього електричного поля, а після зняття його створювати в оточуючому просторі вторинне електричне поле називається викликаною електрохімічною активністю порід . Вона залежить від літологічної характеристики, мінералогічного складу породи, мінералізації та хімічного складу пластових вод, що насичують поровий простір гірських порід. Величина визначається безрозмірним параметром – коефіцієнтом поляризації:

де: – різниця потенціалів електродів M i N, виміряна під час пропускання струму поляризації; – різниця потенціалів електродів M i N, виміряних після вимкнення струму. Коефіцієнт поляризації завжди є меншим за одиницю.

Для осадових порід, що не містять включень з електронною провідністю, складає соті долі одиниці, а для порід з електронною провідністю (сульфідні, поліметалічні руди, графіт) сягає значення 0.5. Це дозволяє використовувати потенціали ВП для безкернової геологічної документації розрізів свердловин.

Основні фізико-хімічні процеси, що породжують викликані потенціали, виникають:

між мінералами з електронною провідністю та розчинами солей, що з ними стикаються (пластовими водами і фільтратом бурового розчину) – окисно-відновні процеси, зокрема, процеси електродної поляризації;
на границі між непровідними мінералами та розчинами солей – електроосмос, об’ємна і адсорбційна поляризації та електрична ємність породи;
безпосередньо в самих розчинах – концентраційна поляризація.

Електродна поляризація

Вона спостерігається в породах, які вміщують мінерали з електронною провідністю (сульфіди, деякі з окислів, графіт та самородні метали). При проходженні струму на поверхні цих мінералів на ділянках входу та виходу струму виділяються продукти електролізу (водень – в місцях входу струму, кисень або хлор – в місцях його виходу). Гази, що виділяються, насичують поверхні мінералів з електронною провідністю та утворюють гальванічний елемент з газовими (водневим та кисневим або хлорним) електродами. Цей елемент при вимкненні струму поступово розряджається і створює при цьому електричне поле викликаної поляризації. Потенціали цього поля залежать від вмісту в породі мінералів з електронною провідністю.

Найбільш активними мінералами являються сульфіди (особливо пірит, піротин, халькопірит) та графіт. Менш активними є окисли з електронною провідністю, зокрема магнетит і гематит.

Окисно-відновні процеси

Продукти електролізу, що виділяються при проходженні електричного струму через мінерали з електронною провідністю, у багатьох випадках вступають у хімічну взаємодію з мінералами. При цьому виникають окисно-відновні реакції (як було показано вище, вони обумовлені обміном зарядами між середовищем, що окислює, та середовищем, яке окислюється).

Оскільки при електролітичному окисленні та відновленні мінералів одночасно окислюються та відновлюються газоподібні продукти електролізу при переході їх з іонного стану в атомарний, то потенціали окисно-відновних реакцій фактично є нероздільними із електродними і практично повинні розглядатися як наслідок одного спільного окисно-відновного процесу.

Електроосмос

Потенціали викликаної поляризації електроосмотичного походження виникають в результаті вибіркової адсорбції із розчину іонів одного знаку частинкам породи. В цьому випадку розчин, що насичує поровий простір породи, набуває заряду іншого знаку і під дією прикладеної напруги переміщується до електрода протилежної полярності. При переміщенні розчину буде збільшуватися тиск рідини в порах породи в напрямку її течії. При вимкненні струму під дією утвореної різниці тисків порові води будуть переміщуватися у зворотному напрямку, що призведе до виникнення потенціалів течії. Величина потенціалів течії буде залежати від структури породи, її хімічного складу і концентрації солей, розчинених в порових водах.

Об’ємна поляризація

Потенціали об’ємної поляризації виникають при зміщенні в електричному полі іонів, адсорбованих поверхнею частинок, що складають гірську породу. Після вимкнення електричного струму подвійний електричний шар, деформований об’ємною поляризацією, повертається у вихідний стан, що призводить до зміщення зарядів і виникненню струму викликаної поляризації.

Гіпотеза адсорбційної поляризації передбачає адсорбцію поверхнею частинок, що складають гірську породу, іонів, які рухаються в електричному полі під дією зовнішньої напруги. Чим менш є концентрованим розчин, що насичує поровий простір, і, відповідно, чим бідніший іонами шар адсорбованої води і чим більше знаходиться в породі глинистих мінералів (для яких є характерною значна адсорбційна здатність), тим більш інтенсивно адсорбуються з розчину іони (наприклад, катіони при струмі додатного напрямку), і сильніше поляризується порода.

При вимкненні струму потенціали викликаної поляризації електроосмотичного і об’ємного походження зменшуються із часом, при чому їх спадання відбувається більш інтенсивно, ніж зменшення потенціалів окисно-відновних реакцій.

Електрична ємність порід

В гіпотезі електроємнісного походження потенціалів викликаної поляризації, що була запропонована К. Шлюмберже, зерниста гірська порода розглядається як середовище, що складені з великої кількості мікроконденсаторів, обкладинками котрих являється розчин, а діелектриком – частинки гірської породи. При пропусканні струму частинки породи заряджаються. Після припинення струму наведений заряд стікає в оточуюче провідне середовище і створює в ньому різницю потенціалів викликаної поляризації.

Мала вірогідність виникнення значних викликаних потенціалів ємнісного походження в умовах, коли обкладинки мікро конденсаторів замкнені низькоомним розчином, дає підстави вважати другорядним значення електричної ємності зерен породи в механізмі створення потенціалів викликаної поляризації.

Концентраційна поляризація

Цей тип поляризації виникає внаслідок зміни концентрації розчинів при проходженні електричного струму через породу. Зокрема, при проходженні електричного струму через комірку, заповнену кварцовим піском, що насичений хлористим натрієм, спостерігається підвищення концентрації розчину в зоні виходу струму та зменшення концентрації в зоні виходу струму з комірки. При припиненні струму внаслідок різниці концентрацій розчинів у породі виникає різниця потенціалів, тотожна дифузійно-адсорбційній різниці потенціалів самочинної поляризації гірських порід.