Los potenciales espontáneos se miden a menudo en pozos de sondeo 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 fueron reconocidos por primera vez por Conrad Schlumberger , Marcel Schlumberger y EG Leonardon en 1931, y los primeros ejemplos publicados fueron de yacimientos petrolíferos rumanos.
Los potenciales espontáneos (PS) generalmente son causados por la separación de carga 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 la formación de SP se puede atribuir a dos procesos que implican el movimiento de iones:
El potencial de flujo se origina a partir del 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 hacia 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 formaciones permeables, a través de formaciones permeables que están siendo invadidas y a través de capas de esquisto. En general, se acepta que el potencial de flujo a través de la torta de lodo se compensa con el potencial a través del esquisto. 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 del potencial de unión líquida o 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 diferente velocidad debido a diferentes movilidades. El Na + tiende a ser menos móvil debido a su afinidad por las moléculas de agua.
dónde:
El potencial de membrana se desarrolla cuando dos electrolitos de diferentes concentraciones iónicas, como el lodo y el agua de formación, están separados por la pizarra. Los minerales arcillosos de la pizarra suelen estar formados por átomos de Al, Si y O. Los iones de O 2− ocupan la capa exterior y provocan una carga negativa neta. Los iones de Na + de la solución son atraídos y pueden pasar a través de la pizarra, mientras que los iones de Cl− son repelidos. Los iones de Na + migrarán entre las dos soluciones, con una afluencia neta de la más salina a la menos salina.
dónde:
El potencial electroquímico total se resume así : EC = EM + 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 = EC = K log 10 ( R mfe / R we ), donde R mfe y R we son la resistividad equivalente del filtrado de lodo y la resistividad equivalente del agua de formación respectivamente.
El potencial espontáneo ideal a través del lecho limpio se conoce como SP estático (SSP) y se define de la siguiente manera:
El componente más útil del SP es el potencial electroquímico, ya que puede causar una desviación significativa frente a los lechos permeables. La magnitud de la desviación depende principalmente del contraste de salinidad entre el pozo y el fluido de formación, y del contenido de arcilla del lecho permeable. Por lo tanto, el registro SP es útil para detectar lechos permeables y para estimar la salinidad del agua de formación y el contenido de arcilla de formación. Debido a la naturaleza de la corriente eléctrica , el SP solo se puede registrar en lodos conductores.
Como se estableció anteriormente, el SP estático se define de la siguiente manera:
La SP estática (SSP) se puede obtener directamente de la curva SP si el lecho está limpio, es grueso, poroso, permeable y solo moderadamente invadido. Cuando no se cumplen estas condiciones, será necesario corregir la SP registrada. Existen varias tablas de corrección para este propósito.
Para convertir la resistividad del filtrado de lodo medida R mf en una resistividad del filtrado de lodo equivalente R mfe , se emplean las siguientes reglas:
Luego, la carta Schlumberger SP-2 se puede utilizar para convertir R we y obtener R w .
Se pueden colocar electrodos sobre la superficie del suelo para mapear los cambios relativos en el valor de SP (en milivoltios o mV), generalmente con el objetivo de identificar la ruta del flujo de agua subterránea en el subsuelo o la filtración de una presa de tierra . Un voltímetro mide el voltaje entre un electrodo de unión líquida fijo y uno móvil (rover), que se mueve a lo largo de la cara de una presa o sobre un área de investigación para recopilar múltiples lecturas. Las anomalías observadas pueden indicar movimiento o filtración de agua subterránea. [1]
La SP puede verse afectada por varios factores que complican la interpretación. Además del componente petroquímico, la SP también se ve afectada por el potencial electrocinético y el bimetalismo. Además, la SP también se ve afectada por los siguientes factores:
El potencial espontáneo se puede medir colocando una sonda de un voltímetro en la superficie de la Tierra (llamado electrodo de superficie) y la otra sonda en el pozo (llamado electrodo de fondo), donde se medirá el potencial espontáneo. De hecho, las herramientas de registro emplean exactamente este método. Dado que esta medición es relativamente simple, generalmente el electrodo de fondo de pozo de potencial espontáneo se incorpora a otras herramientas de registro.