физика пласта. Кочина Физика пласта. Учебное пособие Часть 1 петрофизика породыколлекторы нефти и газа
 Скачать 3.82 Mb.
|
|
1.8.3. Электропроводность горных пород Электропроводностью горных пород называется их способность проводить электрический ток при наличии внешнего электрического поля. Электропроводность горных пород по своей природе может быть электронной и ионной. Первой обладают частицы породы, а второй – воды, насыщающей поровое пространство, легко гидролизующиеся минералы, входящие в состав глин, ив очень малой степени – кристаллы других минералов, составляющих породу. Для большинства горных породи особенно пород осадочного комплекса преобладает ионная электропроводность. В горных породах возможно возникновение всех видов токов тока проводимости (сквозной ток абсорбционного тока емкостного тока (смещения. Появление тока проводимости связано с наличием в породе свободных и слабосвязанных ионов, электронов и дырок. Впер- вом случае перенос зарядов связан с электрохимическими реакциями в двойном электрическом слое электронная и дырочная проводимость возникает, если в состав породы входят проводники и полупроводники. Абсорбционный ток обусловлен проявлением процессов поляризации (в основном, медленных релаксационной и миграционной поляризации. При этом электроны или ионы, пройдя в породе некоторое расстояние, прекращают свое направленное движение. Абсорбционные токи способствуют нагреву породы, те. переводу части энергии наложенного электрического поля в тепловую. Вследствие поляризации смещения и зарядки межэлектродной емкости в породе протекает и чисто емкостной ток. Полный ток представляет собой результирующую всех видов токов и имеет как активную, таки реактивную составляющую. В постоянном внешнем электрическом поле преобладает только ток проводимости I, который пропорционален напряженности электрического поля E и сечению образца F : E F I Здесь ζ – удельная электропроводность горных пород, (Ом·м) -1 . Эта величина обратна удельному электрическому сопротивлению. В переменных полях горным породам присущи все виды токов, т.к. в них имеются и проводящие компоненты (металлы, и диэлектрики (кварца также электролиты (пластовая вода. При наложении на породу переменного электрического поля часть его энергии теряется, точнее, преобразуется в тепло. Эти потери можно разделить на потери от проводимости и релаксации (связанной с различными видами поляризации. Их можно разделить на обратимые (заряди разряд идеального конденсатора) и необратимые (они и вызывают нагрев породы. Рассеиваемая мощность (удельные электрические потери) может быть выражена формулой 2 10 , 10 3 , 1 м Вт E f tg p Здесь tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь среды, f – частота поля. Для более ясного представления о тангенсе угла диэлектрических потерь составим эквивалентную электрическую схему протекающих в горной породе активной и реактивной (емкостной) составляющих токов (рис. 1.8.4) . j j j a r R C Рис. 1.8.4. Эквивалентная электрическая схема горной породы во внешнем переменном электрическом поле Диэлектрические потери характеризуются отношением активной составляющей тока j а к реактивной составляющей или тангенсом угла d диэлектрических потерь в треугольнике токов и напряжений рис. 1.8.5) или на векторной диаграмме токов рис. 1.8.6) . Рис. 1.8.5. Векторная диаграмма распределения токов и напряжений в породе J скв. – плотность сквозного тока; J абс. а – плотность активного релаксационного тока; J см. – плотность емкостного тока (смещения); J абс.р. – плотность реактивного тока j j a r δ Рис. 1.8.6. Векторная диаграмма токов а = J скв. + абс. а J r = см + абс. р Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь определяется выражением Тангенс угла диэлектрических потерь можно выразить и другим способом, имея ввиду, что относительная диэлектрическая проницаемость среды в переменных электромагнитных полях есть величина комплексная и выражается зависимостью i , где и – действительная и мнимая составляющие относительной диэлектрической проницаемости. Тогда тангенс угла диэлектрических потерь выражается фор- мулой: tg Диэлектрические потери изучены недостаточно. Значения tg изменяются от 2·10 -4 (гипс) до 1,5·10 -1 (микроклин. Они получены при частоте 10 4 –10 5 Гц и температуре 20–30 С. Значения обычно возрастают у минералов, содержащих кристаллизационную воду. 1.8.4. Удельное электрическое сопротивление горных пород Удельное электрическое сопротивление горных пород изменяется в широких пределах от долей Ом·м до сотен тысячи даже миллионов Ом·м. Эта особенность обеспечивает возможность детального изучения горных пород по их удельным электрическим сопротивлениям. В практике геофизических методов исследования скважин числовое значение этого параметра относится км породы с поперечным сечением 1 ми длиной 1 м единицей измерения удельного электрического сопротивления является Ом·м 2 /м или Ом·м. Горные породы в естественном состоянии обычно содержат водные растворы солей. Вследствие этого удельное электрическое сопротивление пород зависит не только от удельного сопротивления твердых минералов, образующих скелет породы, и химического состава и концентрации водных растворов, заполняющих поровое пространство породы, но и от содержания этих минералов и растворов в единице объема породы и ее температуры. Кроме того, как показывают наблюдения, удельное сопротивление пород зависит от формы и размеров зерен породы и ее структуры. Удельное сопротивление минералов и вод Малая электропроводность большинства минералов обусловлена малой диссоциацией кристаллов и отсутствием свободных электронов. Удельное сопротивление минералов составляет тысячи и миллионы Ом·м за исключением самородных металлов, сульфидов, графита, углей и некоторых окислов. В целом удельное электрическое сопротивление большинства исследованных минералов изменяется в очень широких пределах 10 -6 –10 17 Ом·м. Минералы с более высокими или низкими значениями удельного электрического сопротивления встречаются редко. Таблица 1.3 Удельное электрическое сопротивление природных минералов Минералы ρ, Ом∙м Минералы ρ, Ом∙м Ангидрит 10 7 …10 Пирит Галенит Пиролюзит 1…10 Гематит 10 4 …10 Пирротин Железный блеск Полевые шпаты 10 11 …10 Графит Сера 10 12 …10 Кальцит 10 7 …10 Сидерит 10…10 Каменная соль 10 14 …10 Сильвин 10 13 …10 Кварц 10 12 …10 Слюды 10 14 …10 Лимонит 10 6 …10 Сфалерит 10 5 …10 Магнетит Уголь антрацит Марказит 10 -2 …10 Уголь каменный 10 2 …10 Мусковит 10 11 …10 Халькопирит Нефть 10 9 …10 Удельное электрическое сопротивление ввод, насыщающих горные породы, зависит от химического состава и концентрации солей, растворенных в этих водах (рис. Рис. 1.8.7. Зависимость удельного сопротивления пластовых вод от концентрации растворенных солей Удельное сопротивление горных пород пропорционально удельному сопротивлению вод, насыщающих породу, величина которого – м Ом f l c f l с ek k k ea а а в 10 – зависит от количества с а анионов иск катионов в растворе, их электролитических подвижностей l a и l k и коэффициентов элек- тропроводностей f еа и f ek . Величины последних зависят от концентрации растворенных солей и их химического состава. При расчетах удельного сопротивления пластовых вод часто бывает возможным заменить все растворенные соли эквивалентным количеством той из них, содержание которой в растворе наиболее велико. Такой солью обычно является хлористый натрий. Затем удельное сопротивление раствора приближенно определяется по его плотности в абсолютных значениях или в градусах Боме либо по процентному содержанию соли NaCl. Для определения удельного сопротивления растворов хлористого натрия по указанным данным используются номограммы. В некоторых случаях удельное электрическое сопротивление вод удобно определять по эквивалентному содержанию анионов, для чего используют соответствующие кривые. Так как при малых концентрациях солей скорости ионов практически не зависят от величины последних, то удельное сопротивление вод, насыщающих поровое пространство, можно считать обратно пропорциональным концентрации растворенных солей: с А с в , где ek k k ea a а с f l c c f l с с А 10 и зависит от химического состава растворенных солей. В природных условиях концентрация солей, растворенных вводах, колеблется в широких пределах – от долей миллиграмма на литр (поверхностные пресные воды) до сотен граммов на литр соленые пластовые воды. Удельное сопротивление вод изменяется от сотых долей Ом·м до 150 Ом·м и выше, те. более чем враз. Экспериментальное определение удельного электрического сопротивления горных пород проводится различными способами от простого измерения силы тока, проходящего через образец правильной формы, до использования специальных серийных приборов. В лабораторных условиях наиболее распространенным является мостовой метод. 1.8.5. Зависимость удельного сопротивления от пористости и водонасыщенности Зависимость удельного сопротивления пород от пористости в породах однородной структуры может быть установлена теоретически. Наиболее вероятная зависимость удельного сопротивления ρ вп водонасыщенной несцементированной породы, сложенной частицами одного размера, по форме близкими к сферическим или кубическим, определяется следующим уравнением: в п в вп P m m 3 2 3 ) 1 ( 1 1 25 , 0 1 , где в – удельное сопротивление жидкости, насыщающей породы коэффициент пористости единицы объема породы Р п – коэффициент пропорциональности сопротивления породы сопротивлению насыщающих вод. Величина Р п определяет зависимость относительного сопротивления породы от ее пористости и сокращенно называется параметром пористости. Вид функции Р п = f(m) для сферических зерен при коэффициенте заполнения 25% в билогарифмической системе координат показан на рисунке 1.8.8 . m Р п Рис. 1.8.8. График функции Рп = f(m) Из кривой на рисунке 1.8.8, полученной из формулы для Р п , следует, что параметр Р п , а значит, и сопротивление r вп породы резко возрастают приуменьшении пористости и при малых ее значениях могут считаться обратно пропорциональными коэффициенту пористости. В породах неоднородной структуры, сложенных непроводя- щими зернами, зависимость сопротивления горной породы от пористости имеет более сложный вид. В этих породах r вп зависит также от коэффициента отсортиро- ванности породы и степени ее цементации. Зависимость удельного сопротивления горных пород от содержания водных растворов солей в порах породы определяется коэффициентом Р н , который показывает, во сколько раз возрастает сопротивление породы при частичном насыщении ее пор водой (в количестве в долей объема порового пространства) или во сколько раз изменяется сопротивление r нп нефтеносной (газоносной) породы при частичном насыщении ее пор нефтью или газом (в количестве н = 1 – S в долей объема порового пространства) по отношению к сопротивлению r нп той же породы при условии полного заполнения поро- вого пространства минерализованной водой: вп нп вп н P Здесь r – удельное электрическое сопротивление пород r нп – удельное сопротивление нефтенасыщенных пород r вп – удельное сопротивление водонасыщенных пород прим насыщении. Коэффициент Р н называется коэффициентом относительного сопротивления при нефте- или газонасыщении породы или параметром насыщения (нефтенасыщения, водонасыщения) порового пространства породы. На основании большого числа экспериментальных исследований между коэффициентом в водонасыщения порового пространства породы и параметрами Р н установлена следующая зависимость: 1 n н н н в н н S а S а P Коэффициент ан и показатель степени n имеют следующие значения а) для песчано-глинистых пород (при ван и n = 2,25; б) для карбонатных пород (при ван и n = 2,1. 1.8.6. Зависимость удельного сопротивления от температуры Электропроводность электролитов, к которым относятся воды, насыщающие поры пород, линейно зависит от температуры. Повышение электропроводности водных растворов с ростом их температуры объясняется возрастанием подвижности ионов в связи с уменьшением вязкости растворителя. Как следствие этого, удельное сопротивление растворов постоянной концентрации и пород, насыщенных этими растворами, при повышении температуры понижается и при температуре t определяется по формуле 0 18 0 18 ) 18 ( 1 t t t P t a , где r 18° – удельное сопротивление раствора или породы при температуре С 0 18 t P t – коэффициент, определяющий зависимость удельного сопротивления породы от температуры (параметр температуры а – температурный коэффициент электропроводности, числовое значение которого в среднем близко к 0,025 °С -1 Отсюда следует, что удельное сопротивление горных пород уменьшается примерно на 1/2 при возрастании температуры на 40 Сот до 58 Си при высоких температурах (до 100– 150 С, наблюдающихся в глубоких скважинах, и может достигнуть своего значения при температуре 200 С. Таким образом, во многих случаях сопротивление осадочных породи особенно пород, являющихся коллекторами нефти и газа, определяется тремя известными параметрами н п P P , и вили н п P P , и c A C / ). Зная удельное сопротивление породы и два из указанных параметров (температуру полагаем известной, можно определить третий. На этом основана методика определения пористости и нефтенасыщенности пород поданным электрометрии скважин методом сопротивлений. 1.8.7. Анизотропия горных пород по электрическим свойствам Удельное сопротивление слоистых горных пород зависит от направления, в котором определяется этот параметр, по отношению к плоскостям напластования. Породы, обладающие этим свойством, носят название анизотропных. К ним относятся сланцевые глины, глинистые сланцы, каменные угли, мергели, глины с тонкими пропластками песков и многие другие породы. Анизотропные породы состоят из часто чередующихся тонких прослоев плотных породи пород, характеризующихся повышенными пористостью, влажностью и содержащих менее дисперсный материал (например, присыпки песка. Обозначая удельное сопротивление плотных прослоев через r p , а прослоев повышенной пористости через r s и полагая, что суммарная мощность первых веди- нице объема породы враз больше суммарной мощности вторых, получим следующие формулы, определяющие величину удельного электрического сопротивления породы: а) вдоль напластования б) в направлении, ему перпендикулярном 1 s p п Корень квадратный из отношения п к называется коэффициентом анизотропии породы 1 1 2 2 s p s p t п Удельное сопротивление слоистых (анизотропных) пород в направлении, перпендикулярном напластованию, всегда выше, чем сопротивление тех же пород вдоль напластования. Таблица 1.4 Значения коэффициентов анизотропии для осадочных пород Горные породы λ Глины слабослоистые 1,02–1,05 1,04–1,10 Глины с прослоями песков 1,05–1,15 1,10–1,32 Сланцевые глины 1,10–1,59 1,20–1,65 Глинистые сланцы 1,41–2,25 2,00–5,00 Каменные угли 1,73–2,25 3,00–6,50 Антрациты 2,00–2,25 4,00–6,50 Графитовые и углистые сланцы 2,00–2,75 4,00–7,50 Вопросы для самоконтроля 1. Охарактеризуйте виды поляризации горных пород. 2. Что такое диэлектрическая проницаемость горных пород 3. В каких случаях диэлектрическая проницаемость выражается комплексной величиной 4. В чем состоит понятие дисперсии диэлектрической проницаемости. Что такое тангенс угла диэлектрических потерь, поясните его физический смысл. 6. Дайте определение электропроводности горных пород, единицы измерения. 7. С какой целью определяется удельное электрическое сопротивление горных пород 8. Что такое удельное электрическое сопротивление горных пород, единицы измерения 9. В каких пределах изменяется удельное электрическое сопротивление горных пород 10. Как зависит удельное электрическое сопротивление горных пород от пористости и водонасыщенности? 11. В чем состоит анизотропия горных пород по электрическим свойствам 12. Как зависит удельное электрическое сопротивление горных пород от температуры |