Los potenciales espontáneos a menudo se miden en pozos para la evaluación de formaciones en la industria del petróleo y el gas, y también se pueden medir a lo largo de la superficie de la Tierra para la exploración de minerales o la investigación de aguas subterráneas . El fenómeno y su aplicación a la geología fue reconocido por primera vez por Conrad Schlumberger , Marcel Schlumberger y EG Leonardon en 1931, y los primeros ejemplos publicados fueron de campos petroleros rumanos.
Física [ editar ]
Los potenciales espontáneos (SP) generalmente son causados por la separación de cargas en arcilla u otros minerales, debido a la presencia de una interfaz semipermeable que impide la difusión de iones a través del espacio poroso de las rocas, o por el flujo natural de un fluido conductor a través de las rocas.
El origen de SP a través de la formación se puede atribuir a dos procesos que involucran el movimiento de iones:
- Potencial de transmisión ( E k )
- Potencial electroquímico ( E c )
El potencial de flujo se origina en el flujo de un electrolito (agua) sobre sólidos cargados naturalmente (es decir, superficies que adquirieron potencial electrocinético o zeta ). El potencial de flujo aparece cuando el filtrado de lodo se fuerza a la formación bajo la presión diferencial entre la columna de lodo y la formación. El potencial de flujo se produce cuando el flujo tiene lugar a través de la torta de lodo frente a las formaciones permeables, a través de las formaciones permeables que están siendo invadidas y a través de los lechos de lutitas. En general, se acepta que el potencial de flujo a través de la torta de lodo se compensa con el de la lutita. Como tal, en la mayoría de los casos, el potencial espontáneo medido solo está relacionado con el potencial electroquímico.
El potencial electroquímico ( E C ) es la suma de la unión líquida o el potencial de difusión ( E J ) y el potencial de membrana ( E M )
El potencial de unión líquida se establece en el contacto directo del filtrado de lodo y el agua de formación en el borde de la formación invadida. Los iones Na + y Cl - se difunden de una solución a la otra, pero a una velocidad diferente debido a las diferentes movilidades. El Na + tiende a ser menos móvil debido a su afinidad por las moléculas de agua.
- E J = K 1 log 10 (a w / a mf )
dónde:
- K 1 = 11,6 mV a 25 ° C
- a w = actividad iónica del agua de formación
- a mf = actividad iónica del filtrado de lodo
El potencial de membrana se desarrolla cuando dos electrolitos de diferentes concentraciones iónicas, como el lodo y el agua de formación, son separados por lutita. Los minerales arcillosos de la lutita suelen estar formados por átomos de Al, Si y O. Los iones O 2− ocupan la capa exterior y provocan una carga neta negativa. Los iones Na + de la solución se atraen y se dejan pasar a través de la lutita, mientras que los iones Cl - se repelen. Los iones de Na + migrarán entre las dos soluciones, con un influjo neto de la más salina a la menos.
- E M = K 2 log 10 ( a w / a mf )
dónde:
- K 2 = 2,3 RT / F , donde:
- R = constante de gas ideal
- T = temperatura absoluta en kelvin
- F = constante de Faraday
- a w = actividad iónica del agua de formación
- a mf = actividad iónica del filtrado de lodo
El potencial electroquímico total se resume así como E C = E M + E J = K log 10 ( a w / a mf )
Dado que el potencial espontáneo es una medida del potencial electroquímico y la actividad iónica de una solución es inversamente proporcional a su resistividad, la ecuación anterior se puede simplificar como SP = E C = K log 10 ( R mfe / R we ), donde R mfe y R somos resistividad equivalente del filtrado de lodo y resistividad equivalente del agua de formación, respectivamente.
El potencial espontáneo ideal en un lecho limpio se conoce como Static SP (SSP) y se define de la siguiente manera:
- SSP = - K log 10 ( R mfe / R we )
Aplicaciones en pozos [ editar ]
El componente SP más útil es el potencial electroquímico, ya que puede provocar una desviación significativa frente a los lechos permeables. La magnitud de la deflexión depende principalmente del contraste de salinidad entre el pozo y el fluido de formación, y el contenido de arcilla del lecho permeable. Por lo tanto, el registro SP es útil para detectar lechos permeables y estimar la salinidad del agua de formación y el contenido de arcilla de formación. Debido a la naturaleza de la corriente eléctrica , SP solo se puede registrar en lodo conductor.
Determinación de R w [ editar ]
Como se estableció anteriormente, el SP estático se define de la siguiente manera:
- SSP = - K log ( R mfe / R we )
El SP estático (SSP) se puede obtener directamente de la curva SP si el lecho es limpio, grueso, poroso, permeable y solo moderadamente invadido. Cuando no se cumplen estas condiciones, será necesario corregir el SP registrado. Hay varios gráficos de corrección disponibles para este propósito.
Para convertir la resistividad medida del filtrado de lodo R mf en una resistividad del filtrado de lodo equivalente R mfe , se emplean las siguientes reglas:
- Si R mf a 75 ° F es mayor que 0.1 Ω · m , use R mfe = 0.85 R mf a la temperatura de formación.
- Si R mf a 75 ° F es menor que 0.1 Ω · m, obtenga R mfe de R mf usando la Tabla SP-2 de Schlumberger o equivalente.
Luego, se puede utilizar el Cuadro SP-2 de Schlumberger para convertir R we para obtener R w .
Aplicaciones en la superficie [ editar ]
Electrodes can be placed on the ground surface to map relative changes in the SP value (in millivolts, or mV), typically with the goal of identifying the path of groundwater flow in the subsurface, or seepage from an earthen dam. A voltmeter measures the voltage between a fixed liquid-junction electrode and a mobile one (rover), which is moved along a dam face or over an area of investigation to collect multiple readings. Anomalies observed may indicate groundwater movement or seepage.[1]
Interpretation[edit]
SP can be affected by several factors that complicates the interpretation. Beside petrochemical component, SP is also affected by electrokinetic potential and bimetallism. Besides, SP is also affected by the following factors:
- Bed thickness (h); Since SP is a measurement of electrical potential produced by current in the mud, its amplitude approaches the SSP value only when the resistance to current due to formation and adjacent beds is negligible compared with that of the mud. This condition is met only in thick bed. In thin beds, the SP is proportionally reduced.
- True resistivity (Rt) of permeable bed; As Rt/Rm increases, the SP deflection decreases, and the bed boundaries are less sharply defined. Presence of hydrocarbons also attenuates SP.
- Resistivity of invaded zone (Rxo) and mud resistivity (Rm); SP increases with increase of Rxo/Rm
- Diameter of invasion (di); SP decreases as invasion deepens
- Ratio of mud filtrate to formation water salinities: Rmf/Rw
- Neighbouring shale resistivity (Rs); SP increases with increase of Rs/Rm
- Hole diameter (dh); With increasing hole size, the value of SP is reduced
Measurement technique[edit]
Spontaneous potential can be measured by placing one probe of a voltmeter at the Earth's surface (called surface electrode) and the other probe in the borehole (called downhole electrode), where the SP is to be measured. In fact, logging tools employ exactly this method. Since this measurement is relatively simple, usually SP downhole electrode is built into other logging tools.
See also[edit]
External links[edit]
References[edit]
- ^ Corwin, R. F., 1990, The self-potential method for environmental and engineering applications, in Ward, S. H., editor, Geotechnical and Environmental Geophysics, Volume I: Review and Tutorial, Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, OK
- M.Gondouin, M.P.Tixier, G.L.Simard, Journal of Petroleum Technology, February 1957, "An Experimental Study on the Influence of the Chemical Composition of Electrolytes on the SP curve"
- Guyod, H., Oil Weekly, 1944, "Electrical Potentials in Bore Holes"
- Pirson, S.J., The Oil and Gas Journal, 1947, "A Study of the SP Curve"
