ВЫЗВАННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

 

Вызванная электрохимическая активность горной породы Ав характеризует ее способность поляризоваться под действием электрического тока. Количественно вызванная электро­химическая активность определяется отношением разности потенциалов вызванной поляризации к приложенной

 

Ав = ΔU_ВП / ΔU_ПР (92)

 

Величина вызванной электрохимической активности Ав горных пород зависит от многих факторов, главными из которых являются химико-минералогический состав, удельная поверхность твердой фазы, содержание минералов с электронной проводимо­стью, минерализация вод, насыщающих поровое пространство. В терригенных и карбонатных породах величина Ав растет с увеличением удельной поверхности и уменьшением проница­емости, с увеличением удельного сопротивления пластовых вод ρ_воды . При насыщении минерализованной водой Ав прак­тически исчезает.

На изучении Ав основано исследование скважин методом вызванной поляризации ВП. Метод ВПиспользуется: для выделения углей различного состава и определения их зо­льности; выделения и изучения полиметаллических вкрапленных руд; выделения и исследования зон сульфидного оруденения, а в некоторых случаях для изучения проницаемости тер­ригенных пород, выделения трещинных зон в карбонатных породах и выделения зон обводнения нефтяных коллекторов пресной водой [4, 10]. В настоящее время метод ВП в нефтяной и газовой геологии в промышленном масштабе не используется.

 

Лабораторная работа N 6 . Определение А _в горных пород

Теория. При прохождении электрического тока через породу происходит ее поляризация, которая обусловливает проявление вызванной электрохимической активности.

Большинство пород (кроме руд­ных) являются диэлектриками. Под действием электрического тока заряженные молекулы, атомы и ионы, следуя за изменением электрического поля, смещаются относительно друг друга, создавая отдельные поля. Совокупность этих полей и образует новое поле поляризации, вызывающее появление вызванного потенциала. Существует несколько гипотез появления вызванных потенциалов

В породах с электронной проводимостью (угли, колчеданы, железные руды) появление вызванных потенциалов связано с электродными процессами, протекающими в местах входа и выхода электрического тока в зернах с электронной прово­димостью. В этих местах происходят окислитель­но-восстановительные реакции, которые протекают за счет катионов Na+¹, Са+², Mg+2 и др., присутствующих в рас­творах, заполняющих поры пород. Катионы, продвигаясь за счет поляризующего тока, встречают минералы с электронной проводимостью, разряжаются на них и превращаются в атомы, вступающие В реакции с водой

 

Na⁺¹ +е^- + Н₂О= NaOH + Н;

Са⁺²+2е^- +2Н₂О = Са(ОН)₂ +2Н; Mg⁺² +2е^-+2Н₂О = Mg(OH)₂ +2Н.

 

Таким образом, на поверхности, на которой протекает реакция, образуются свободный водород и щелочи. Частично поляри­зованный водород на поверхности твердой фазы образует газовый водородный электрод [4].

На противоположном конце зерна с электронной прово­димостью (в месте выхода тока)

протекает обратный процесс. Твердая фаза отбирает электрон у аниона хлора, который превра-

щается в атом и насыщает поверхность рудного включе­ния. Некоторые атомы хлора ионизи-

руются за счет электронов, возникающих при ионизации водорода, и входят в электролит,

где их меньше, сообщая этому участку отрицательный заряд. Остальные атомы хлора вступают

в реакцию с водой

4Сl – 4е^- +2Н₂О → 4HCl + 2О.

В результате образуется свободный кислород. Если он не окисляет твердую фазу,

он выделяется. Таким образом, в породе образуются элементы с газовыми электрода­ми – водородным и хлорным, которые, разряжаясь, дают токи поляризации.

У сульфидов, углей кислород, образовавшийся на выходе тока, окисляет твердую фазу; ион, образовавшийся после диссоциации, адсорбируется твердой фазой, которая и приоб­ретает

заряд адсорбированного иона.

Образовавшийся атомарный кислород может окислять уг­листые вещества (для углей), создавая на поверхности карбо­ксильные группы

 

Рис. 37 Электрическая блок-схема измерения электро- химической активности.

1) электрохимическая ячейка с помещенным в нее образцом (рис. 38); 2) каломельные электроды; 3) агар-агаровые сифоны; 4) растворы NaCl и KCl соответствующих концентраций,приготовленные из NaCl, КCl х.ч. или ч.д.а.; 5) источник постоянного тока напряжением 100-120 В; 6) автоматический переключатель 6; 7) цифровой вольтметр;8) эталонное со­противление Rэт = = 100 Ом; 9) свинцовые электроды; 10) электродные стаканчик

 

 

Раствор в этом случае оказывается заряженным положительно. В породах с ионной проводимостью и большим электрическим сопротивлением (карбонаты, обломочные породы) возникновение вызванной поляризации связано с деформацией диффузной части двойного электрического слоя под действием приложенного напряжения. Катионы смещаются к отрицательному полюсу. В противоположной стороне от него появляется избыток отрицательно заряженных ионов. При снятии приложенного напряжения деформированные силы стремятся восстановиться, что приводит к появлению токов поляризации.

 

 

Рис. 38. Электрохимическая ячейка

 

Аппаратура, оборудование, материалы. Измерения вызванных потенциалов можно выполнить при помощи специальной аппаратуры. описание которой в данной работе не приводится, либо с использованием автоматического пере­ключателя, который попеременно подключает к исследуемому образцу цепь измерения (рис. 37).

 

Для этого используется: электрохимическая ячейка (рис. 38). Она представляет собой две L-образные стеклянные трубки - 1 с d ~ 30 мм, между которыми устанавливается цилиндрический образец породы 3 при помощи эластичного резинового шланга 2, концы которого натягиваются на стеклянные L-образные трубки. В трубки заливается раствор NaCl (обычно концентрации 2-3 г/л), имеющий удельное сопротивление ρ_р = 2-3 Ом м. Свободные концы трубок соединяются агар-агаровыми сифонами 4-6 с электродными стаканчиками 5, 7. В два электродных стаканчика 5, соединенных с разными концами трубок, устанавливаются свинцовые токовые (питающие) электроды 9 и в два других 7 каломельные электроды 8. Переключатель включается в схему таким образом, что при работе его контакты замыкают поочередно токовую цепь поляризации и из­мерительную цепь, в которую включен вольтметр.

Тем самым обеспечивается питание образца короткими импульсами тока, а в промежутках - измерение вызванной разности потенциалов.

Источник постоянного тока обеспечивает питание токовой цепи стабилизированным напряжением, регулировка которого предусмотрена в источнике питания.

Эталонное сопротивление R _ЭТ = 100 Ом, включенное после­довательно в токовую цепь, позволяет устанавливать ток питания I = ΔU_эт / R_эт и измерять ΔU_пр = IR_обр.

 

NB. 1) Для лабораторной работы используются неполяризующиеся электроды: каломельные, хлорсеребряные или хлорталлиевые. Потенциалы этих электродов устойчивы и точно известны относи-тельно стандартного водородного или другого электрода сравнения. В используемых стандартных электродах потенциал обычно не превышает 0,1 – 0,3 мВ и остаётся постоянным. 2) Агар-агаровые сифоны представляют собой U-образные стеклянные трубки, заполненные электропроводящим агаровым студнем, приготовленным из агар-агара, растворённого в дистиллированной воде с добавленным КСl или пластовой воде. Они служат для обеспечения электрической связи рабочего раствора с измеритель-ной схемой.

 

Существует гипотеза, по которой в песчано-глинистых породах различные участки имеют различную концентрацию катионов. В местах контакта отдельных зерен с глинистыми частицами появляется повышенная концентрация катионов вследствие наличия диффузных слоев глинистых частиц и минимальная ­в порах. При пропускании электрического тока в суженных каналах через единицу площади будет, перенесено гораздо больше катионов, чем через расширенную часть поры. В результате этого в породе создается неравномерное распределение зарядов в ее различных частях. При выключении тока поляризации происходит движение ионов, направленное на восстановление первоначального равновесного положения, вызывая токи поляризации.

Различные горные породы имеют различную величину вызванной поляризации. Для всех пород характерно увеличение потенциала вызванной поляризации с увеличением поляризующего тока. Породы с электронной проводимостью имеют довольно сложную зависимость. В большинстве пород величина вызванной поляризации вначале растет быстро, а затем медленно достигает некоторого насыщения с увеличением плотности поляризующего тока j. Породы с ионной проводимостью имеют чаще всего линейный характер зависимости

ΔU_в.п. = f (j). ().

Способность горной породы поляризоваться под действием электрического тока, пропускаемоrо через породу, оценивается ее поляризуемостью и связана с ее вызванной электрохимической активностью Ав.