4.3 Spontaneous potential log

1. 4.3 Spontaneous potential log Spontaneous potential (SP) log เป็นการวัดค่าความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดใดๆ ในหลุมเจาะ ที่เป็นสาเหตุจากเซลไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ โดยที่หลุมเจาะจะต้องมีน้ำโคลนที่สามารถนำไฟฟ้าได้ (conductive mud) SP log ไม่สามารถทำในหลุมเจาะที่ใช้น้ำโคลนแบบน้ำมัน (oil-base mud) หลุมเจาะที่ไม่มีน้ำโคลน (empty holes) หรือหลุมเจาะที่ลงท่อกรุ (cased holes)

2. SP log มีประโยชน์ดังนี้ 1. ใช้หาความสัมพันธ์ระหว่างชั้นหิน (correlation) 2. ใช้กำหนดลักษณะชนิดของหิน (lithology indicator) 3. ใช้ประมาณค่าความพรุนและค่าความซึมได้ (porosity and permeability indicators) 4. วัดค่าความต้านทานไฟฟ้าและค่าความเค็มของน้ำในชั้นหินกักเก็บ (measure formation water resistivity (Rw) and formation water salinity)

3. 5. ใช้กำหนดตำแหน่งของชั้นหินดินดาน ชั้นถ่าน หรือประมาณสัดส่วนของหินดินดาน (lithologic indicator : shale, coal-seam, shale fraction estimation) 6. ใช้วิเคราะห์หาเฟซีส์จากรูปร่างลักษณะของกราฟ (facies analysis) 7. ใช้กำหนดความเป็นไปได้ในการเป็นแหล่งกักเก็บสารไฮโดรคาร์บอนในชั้นหิน รวมถึงการกำหนดตำแหน่งความลึกของรอยสัมผัสของก๊าซและน้ำมัน (indicator of possibility hydrocarbon saturation in shaly sands, including the presence of a gas-oil contact)

4. 4.3.1 Origin of the SP ในหลุมเจาะซึ่งมีน้ำโคลนที่สามารถนำไฟฟ้าได้ มักมีความเข้มข้นของสารละลายน้อยกว่าน้ำที่อยู่ในชั้นหิน เป็นผลให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างชั้นหินต่างๆและน้ำโคลนในหลุมเจาะ ทำให้เกิดค่าผิดปกติขึ้นบนกราฟของ SP

5. การไหลเวียนของกระแสไฟฟ้ามีสาเหตุมาจากแรงกระตุ้นทางไฟฟ้า (electromotive forces, emf) ในชั้นหินที่ได้จาก 1. ความต่างศักย์ไฟฟ้าเคมี (electrochemical potential, Ec) เกิดได้ใน 2 ลักษณะคือ liquid junction potential และ membrain potential 2.ความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกล (electrokinetic potential, Ek) ซึ่งอาจเรียกว่า streaming potential หรือ electrofiltration potential

7. 4.3.1.1 Electrochemical potential, Ec Liquid junction potential (Elj) หรือ Diffusion potential (Ed) เป็นศักย์ไฟฟ้าที่เกิดจากความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิออนที่แตกต่างกัน โดยอาศัยขบวนการซึมผ่าน (diffusion) ของอิออนผ่านเยื่อบางๆที่ยอมให้สารไหลผ่านได้ (permeable membrane) จากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารละลายมากไปยังบริเวณที่มีความเข็มข้นของสารละลายน้อย เนื่องจาก Cl- มีความสามารถในการเคลื่อนที่ได้ดีกว่า Na+ เพราะขนาดอิออนที่เล็กกว่า

8. ผลจากการเคลื่อนที่ของอิออนทำให้เกิดการไหลของกระแสจากบริเวณที่สารละลายมีความเข้มข้นน้อยไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นมาก เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า liquid junction effect ในสภาพความเป็นจริงของหลุมเจาะ mud filtrate เป็นบริเวณที่มีความเข็มข้นของสารละลายน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับความเข้มข้นของสารละลายที่อยู่ในชั้นหิน

9. ค่าความต่างศักย์จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับค่าความแตกต่างของความเข้มข้นของสารละลายระหว่าง mud filtrate และ ในชั้นหิน ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสมการ เมื่อ Kd = ค่าคงที่ขึ้นกับอุณหภูมิ Rmf = ค่าความต้านทานไฟฟ้าของ mud filtrate Rw = ค่าความต้านทานไฟฟ้าของน้ำในชั้นหิน (formation water)

11. Membrane potential (Esh) เป็นศักย์ไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับการเคลื่อนตัวของอิออนผ่านชั้นบางๆ ที่มีความแตกต่างของความเข้มข้นของอิออนที่เกิดขึ้นภายในหินดินดาน ซึ่งเนื่องมาจากลักษณะโครงสร้างที่เป็นชั้นของแร่ดิน (clay mineral) และประจุไฟฟ้าในแต่ละชั้น O2- ซึ่งเป็นอิออนที่อยู่ผิวด้านนอกสุดของแร่ดินไปดึง Na+ จากน้ำที่กักเก็บอยู่ในชั้นหินซึมน้ำได้ซึ่งมีความเข้มข้นของสารละลายมากผ่านชั้นหินดินดานและไหลไปยังน้ำโคลนในหลุมเจาะซึ่งมีความเข้มข้นของสารละลายน้อย ทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าขึ้น

12. ความเข้มของความต่างศักย์ที่เกิดจากการไหลของกระแสไฟฟ้านี้สามารถนำไปหาความสัมพันธ์กับความต้านทานไฟฟ้าได้ด้วยสมการความเข้มของความต่างศักย์ที่เกิดจากการไหลของกระแสไฟฟ้านี้สามารถนำไปหาความสัมพันธ์กับความต้านทานไฟฟ้าได้ด้วยสมการ เมื่อ Ksh = ค่าคงที่ขึ้นกับอุณหภูมิ

14. ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าเคมี(Ec) ซึ่งเป็นผลรวมของ liquid junction potentialและ membrane potentialเป็นไปตามสมการ โดยที่ เมื่อ T = อุณหภูมิ

15. 4.3.1.2 Electrokinetic potential Ek ความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกลเกิดขึ้นจาก 2 ลักษณะ ลักษณะแรกเรียกว่า ความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกล Emc เกิดขึ้นในบริเวณที่น้ำโคลนแทรกเข้ามาในชั้นหินซึมน้ำกับ mud cake เนื่องจากการไหลของ mud filtrate ผ่าน mud cake เข้าไปในชั้นหินซึมน้ำค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกลลักษณะนี้ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความดันระหว่างในหลุมเจาะและ บริเวณ virgin zone

16. ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกล Emc ในธรรมชาติวัดได้ยากมากเนื่องจากมีค่าน้อย แต่อย่างไรก็ดีสามารถประมาณได้จากสมการ เมื่อ P = ค่าความแตกต่างของความดันระหว่างในหลุมเจาะและในชั้นหิน, psi Rmc = ค่าความต้านทานไฟฟ้าของ mud cake, ohm-m Tmc = ความหนาของ mud cake, in f = ค่าการสูญเสียน้ำของน้ำโคลน, cc/30 min

17. ลักษณะที่สองเรียกว่า ความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกล Esb เกิดขึ้นในบริเวณชั้นหินดินดานที่ไม่ซึมน้ำกับน้ำโคลนในหลุมเจาะ โดยการแทรกตัวของ mud filtrate เข้าไปในชั้นหินดินดาน

18. ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกล(Ek) ซึ่งเป็นผลรวมของ ความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกลEmc และ ความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกลEsb ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น ค่าความแตกต่างของความดัน อัตราการไหลผ่านของ mud filtrate หรือ ค่าความต้านทานไฟฟ้าของ mud filtrate

20. 4.3.1.3 Total potential ความต่างศักย์รวม (Total potential) ซึ่งเป็นผลรวมของความต่างศักย์ไฟฟ้าเคมี (Ec) และ ความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงกล (Ek) แต่จากการศึกษาพบว่า ค่า Ek มีค่าที่น้อยมากเมื่อเทียบกับ Ec โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณที่น้ำในชั้นหินมีค่าความเค็มสูง (ค่าความต้านทานไฟฟ้าน้อยกว่า 0.1 โอห์ม-เมตร) และความแตกต่างของความดันมีค่าไม่มาก (ประมาณ 200-300 psi หรือน้อยกว่า) สามารถที่จะไม่นำ ค่า Ek มาร่วมคำนวณได้

21. แต่อย่างไรก็ดี ค่า Ek จะเริ่มมีผลกับค่าความต่างศักย์รวมเมื่อมีความผิดปกติของค่าความแตกต่างของความดันหรือในบริเวณที่มีค่าค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้ต่ำมาก

22. ในสภาวะโดยทั่วไป ผลรวมของความต่างศักย์ที่เรียกว่า Static SP (SSP) สามารถคำนวณจากสมการ

23. ค่า SSP เป็นการวัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงสุดเปรียบเทียบกับความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในชั้นหินดินดาน เนื่องจากภายในชั้นหินดินดานซึ่งไม่มีการไหลของกระแสไฟฟ้า ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าจึงมีค่าคงที่ ค่า SSP ในชั้นหินดินดานจึงกำหนดให้มีค่าเท่ากับ 0 เรียกความต่างศักย์ไฟฟ้าในชั้นหินดินดานว่า Shale baseline แต่เมื่อมีรอยสัมผัสกับชั้นหินซึมน้ำ จะมีการไหลของกระแสทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น สามารถวัดค่า SP ได้

24. ค่า SP ที่เป็น peak ที่มีค่าน้อยกว่า SSP เรียกว่า Pseudostatic potential หรือ PSP ซึ่งจะขึ้นอยู่กับความหนาของชั้นหิน ค่าความต้านทานไฟฟ้าของ invaded และ virgin zones ความลึกของ invasion ปริมาณของแร่ดิน เป็นต้น

26. 4.3.2 Shape of SP curves การวัดค่า SP เป็นการวัดค่าการเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในหลุมเจาะอันเนื่องมาจากมีการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้าในหลุมเจาะ

27. เมื่อชั้นหินทรายวางตัวอยู่ระหว่างหินดินดาน และมีค่าความเค็มของน้ำในชั้นหินทรายมากกว่าของ mud filtrate ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าจาก mud filtrate ไปยังน้ำในชั้นหิน ดังนั้นบริเวณที่เป็นชั้นหินทราย SP จะมีค่าเป็นลบเมื่อเทียบกับหินดินดาน เรียกค่า SP นี้ว่า normal SP

28. ถ้าค่าความเค็มของ mud filtrate มีค่ามากกว่าของน้ำในชั้นหินทราย กระแสไฟฟ้าจะไหลกลับทิศทาง ซึ่งในกรณีนี้บริเวณที่เป็นชั้นหินทราย SP จะมีค่าเป็นบวก เมื่อเทียบกับหินดินดาน เรียกค่า SP นี้ว่า reverse SP ค่าบวกมักพบในชั้นหินที่มีสะสมตัวในบริเวณที่เป็นน้ำจืด ถ้าค่าความเค็มของ mud filtrate มีค่าเท่ากับของน้ำในชั้นหินทราย จะไม่มีการไหลของกระแสไฟฟ้า ดังนั้นบริเวณที่เป็นชั้นหินทรายจะไม่มีการเบี่ยงเบน

29. ความชัดเจนของกราฟของ SP ที่รอยสัมผัส ขึ้นกับรูปร่างและลักษณะการไหลของกระแสไฟฟ้าที่รอยสัมผัส ลักษณะการไหลของกระแสไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับค่าความต้านทานกระแสไฟฟ้าสัมพัทธ์ของน้ำโคลน ชั้นหินซึมน้ำได้ ชั้นหินดินดาน ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของหลุมเจาะ และความลึกของ invasion

30. ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าพยายามที่จะไหลไปยังบริเวณที่มีค่าความต้านทานไฟฟ้าน้อยที่สุด เมื่ออัตราส่วนของค่าความต้านทานไฟฟ้าของชั้นหินกับของน้ำโคลนมีค่าสูง กระแสไฟฟ้าจะมีการกระจายตัวออกไปมาก ทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าในหลุมเจาะเป็นทางยาว การกำหนดรอยสัมผัสของชั้นหินจึงทำได้ยาก ในขณะที่อัตราส่วนของค่าความต้านทานไฟฟ้าของชั้นหินกับของน้ำโคลนมีค่าต่ำ การกำหนดตำแหน่งของรอยสัมผัสของชั้นหินจะทำได้ง่ายขึ้น

31. ความชันของกราฟของ SP ที่ระดับใดๆ เป็นสัดส่วนกับความเข้มของ กระแสไฟฟ้าที่ไหลในน้ำโคนในหลุมเจาะที่ระดับนั้นๆ ความเข้มของกระแสไฟฟ้าในน้ำโคลนมีค่ามากที่สุดที่รอยสัมผัสของชั้นหินซึมน้ำได้ ซึ่งให้ค่าความชันมากที่สุด

32. 4.3.3 Factors influencing the SP curve ลักษณะกราฟของ SP และค่าผิดปกติที่เกิดขึ้น ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย การนำเอาค่า SP ไปใช้จึงต้องมีความระมัดระวัง ปัจจัยต่างๆได้แก่

33. 1. ความหนาของชั้นหินซึมน้ำได้ SP วัดการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดเนื่องจากการไหลของกระแสไฟฟ้าในน้ำโคลน ค่าความเข้มของ SP ที่มีค่าสูงเท่ากับ SSP บอกถึงความต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าของชั้นหินมีค่าน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับน้ำโคลน ซึ่งเป็นจริงได้เมื่อชั้นหินมีความหนาพอ ชั้นหินที่มีความหนาน้อยมากจะไม่สามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้น SP มีค่าลดลงเมื่อความหนาของชั้นหินลดลง

35. 2. ความต้านทานไฟฟ้าของชั้นหินซึมน้ำได้และความต้านทานไฟฟ้าของ mud filtrate ในบริเวณ virgin zone อัตราส่วนของ Rt/Rm มีค่าเพิ่มขึ้น ทำให้ SP มีค่าลดลง ทำให้รอยสัมผัสของหินสังเกตได้ยากขึ้น บริเวณที่มีสารไฮโดรคาร์บอนจะไปลดค่า SP ในชั้นหินดินดานค่า SP เพิ่มขึ้นตามอัตราส่วนของ Rsh/Rm ใน invaded zone ค่า SP เพิ่มขึ้นตามอัตราส่วนของ Rxo/Rm

36. 3. ความลึกของชั้น invasion SP มีค่าลดลงเมื่อ invasion zone ลึกมากขึ้น

37. 4. เส้นผ่าศูนย์กลางของหลุมเจาะ SP มีค่าลดลงเมื่อขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลางของหลุมเจาะมีขนาดใหญ่ขึ้น

38. 5. ความต้านทานไฟฟ้าของชั้นหินดินดาน ชั้นหินที่มีหินดินดานปนอยู่ จะไปลดความสามารถในการวัดค่า SP ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจสอบสัดส่วนปริมาณของหินดินดานในชั้นหินได้ หากว่ามีชั้นหินทรายสอาดที่มีค่าความเค็มของน้ำในชั้นหินเท่ากันเป็นตัวเปรียบเทียบ

39. 6. สารประกอบไฮโดรคาร์บอน เนื่องจากสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่อยู่ในชั้นหินจะไปลดความสามารถในการวัดค่า SP การนำเอาค่า SP ไปใช้ในการคำนวณค่า Rw จึงต้องเลือกเอาเฉพาะค่า SP ที่วัดจากบริเวณที่ไม่มีสารประกอบไฮโดรคาร์บอนอยู่ในชั้นหิน

40. 4.3.4 Irregular anomaly of SP curves

41. 4.3.4.1 Highly resistivity formations or tight formation ในชั้นหินบางบริเวณ ค่าความต้านทานไฟฟ้ามีค่าสูงมาก ยกเว้นบริเวณที่เป็นชั้นหินน้ำซึมผ่านได้และชั้นหินดินดาน บริเวณที่มีค่าความต้านทานไฟฟ้าสูงเหล่านี้ ทำให้เกิดการการกระจายตัวของกระแสไฟฟ้า มีแนวโน้มที่จะไหลลึกเข้าไปในชั้นหินเนื้อแน่น มีผลต่อรูปร่างของกราฟของ SP

42. กระแสไฟฟ้าจะมีการไหลออกหรือไหลเข้าไปในหลุมเจาะเฉพาะบริเวณที่ชั้นหินน้ำซึมผ่านได้ที่มีค่าความต้านทานไฟฟ้าต่ำหรือบริเวณชั้นหินดินดานที่ทำหน้าที่เป็นทางผ่านของกระแสจากชั้นหินน้ำซึมผ่านได้กลับเข้าไปยังน้ำโคลนในหลุมเจาะและกลับเข้ามายังชั้นหินน้ำซึมผ่านได้อีกครั้ง เนื่องจากกระแสไฟฟ้าซึ่งไหลอยู่ในชั้นหินดินดานมีค่าคงที่ ดังนั้นอัตราการเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์ไฟฟ้าจึงมีค่าคงที่ ทำให้กราฟของ SP มีความชันที่คงที่ รอยสัมผัสของชั้นหินเนื้อแน่นจึงกำหนดตำแหน่งได้ยาก

44. 4.3.4.2 Shale baseline shifts การเคลื่อนของ shale baseline เกิดขึ้นไม่บ่อยนัก ในบางหลุมเจาะจะสังเกตเห็นการเคลื่อนของ shale baseline อาจมีสาเหตุมาจากน้ำในชั้นหินสองชั้นที่มีความแตกต่างของค่าความเค็มและชั้นดินดานที่เป็นตัวกั้นชั้นหินสองชั้นนี้ไม่เป็น ‘perfect cationic membrane’ หรือน้ำในชั้นหินมีการเปลี่ยนแปลงค่าความเค็มอยู่ในชั้นหินชั้นเดียว ทำให้การกำหนด shale baseline และ SSP ทำได้ยาก

45. ในกรณีที่ไม่มีชั้นหินดินดานเป็นตัวแบ่งชั้นน้ำที่มีความเค็มต่างกัน ก็อาจมีการเคลื่อนของ shale baseline ซึ่งในกรณีนี้กราฟของ SP ไม่แสดงค่าผิดปกติในบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงความเค็ม แต่จะมีค่าผิดปกติบนกราฟของ SP ที่รอยต่อบนและล่างของชั้นหินน้ำซึมผ่านได้ ซึ่งค่าผิดปกติมีค่าแตกต่างกันมาก อาจมีความแตกต่างกันในลักษณะของขั้วได้

46. ถ้าค่าความเค็มของ mud filtrate มีค่าอยู่ระหว่างค่าความเค็มของน้ำในชั้นหินสองชั้น ในกรณีที่ชั้นหินน้ำซึมผ่านได้ไม่มีหินดินดานปนและชั้นหินน้ำซึมผ่านได้และหินดินดานในบริเวณใกล้เคียงมีความหนามากพอ การผิดปกติบนกราฟของ SP ที่รอยสัมผัสทั้งสองเป็น SSP ที่สอดคล้องกับน้ำในชั้นหินที่มีความแตกต่างกัน

49. 4.3.4.3 SP anomalies relative to inversion conditions ในกรณีที่ชั้นหินทรายที่มีค่าความเค็มของน้ำในชั้นหินและค่าสัมประสิทธิความซึมน้ำได้สูง และถูกแทรกซึมด้วย mud filtrate ที่มีความหนาแน่นและความเค็มน้อยเมื่อเทียบกับน้ำในชั้นหิน อาจมีการไหลของ mud filtrate ขึ้นไปยังรอยต่อด้านบนของชั้นหิน และไม่มีการสะสมตัวของ mud filtrate ในตอนล่างของชั้นหินน้ำซึมผ่านได้

50. ดังนั้นความลึกของ invasion zone จะมีค่าน้อยมากในบริเวณรอยต่อด้านล่างของชั้นหิน และลึกมากที่รอยต่อด้านบนของชั้นหิน ทำให้ค่าผิดปกติของ SP มีค่าน้อยในบริเวณส่วนบนของชั้นหินเนื่องมาจาก invasion ที่ลึกมาก