физика пласта. Кочина Физика пласта. Учебное пособие Часть 1 петрофизика породыколлекторы нефти и газа
 Скачать 3.82 Mb.
|
|
1.9. Магнитные свойства нефтесодержащих пород Изучение магнитных свойств горных пород позволяет решать множество геологических и промысловых задач. В частности, необходимость исследования магнитных свойств нефтей обусловлена имеющейся связью между магнитными свойствами фракций нефти и особенностями их залегания. Имеется также некоторая корреляция между магнитными свойствами нефтей и их физико-химическими параметрами плотностью, вязкостью, групповыми фракционным составами, содержанием асфальте- но-смолистых компонентов, серы, металлорганических соединений и т.д. Кроме того, изучение нефтесодержащих пород связано с возможностью использования магнитных полей для добычи, подготовки и транспортировки нефти с целью предотвращения отложения солей, воздействия на водонефтяные эмульсии и др. 1.9.1. Основные магнитные характеристики горных пород Горные породы, как и все тела, привнесении их во внешнее магнитное поле в той или иной степени намагничиваются, создавая собственное магнитное поле, которое накладывается на внешнее. Величина собственного магнитного поля зависит от магнитных свойств вещества, которые, в свою очередь, определяются магнитными свойствами всех элементарных частиц этого вещества При снятии внешнего магнитного поля собственное магнитное поле может исчезать, но может и сохраняться. Магнитное поле вещества, как известно, определяется вектором магнитной индукции 0 H B (1.9.1) Здесь B – вектор магнитной индукции (магнитное поле в породе напряженность внешнего магнитного поля, – относительная магнитная проницаемость вещества, 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума (магнитная постоянная 0 = 1,257·10 -6 В·c/А·м). Или J H H H H B 0 0 0 0 0 ) 1 ( , где – магнитная восприимчивость, H J – вектор намагниченности вещества. Все вещества сточки зрения их магнитных свойств подразделяются натри основные группы Диамагнетики 0 , 1 (золото, серебро, медь, висмут, алмаз, ртуть, сера, свинец, графит, вода, почти все газы, кроме кислорода, кварц, полевые шпаты, кальцит, гипс Парамагнетики 0 , 1 (платина, алюминий, вольфрам, все щелочные и щелочноземельные металлы, кислород, воздух, доломит. Ферромагнетики железо, кобальт, никель, некоторые редкоземельные металлы и сплавы. В отличие от диа- и парамагнетиков для ферромагнетиков и являются непостоянными величинами, а функциями напряженности магнитного поля. Каждая из элементарно движущихся частиц атомов (молекул или ионов) в диа- и парамагнетиках до наложения на них магнитного поля обладает собственными спиновыми орбитальным магнитными моментами. Магнитный момент атомных ядер, складывающийся из магнитных моментов протонов и нейтронов, очень мал. Спиновый магнитный момент электрона (точнее, его проекция на направление магнитного поля) равен : 24 10 27 , 9 2 / e B e m eh , [А·м 2 ], где B – магнетон Бора (единица магнитного момента, e m e, – заряди масса электрона, h – постоянная Планка. Орбитальный момент кругового тока для атома с одним электроном (водород) равен 2 r e орб , где – частота вращения электрона вокруг ядра, r – радиус орбиты. В целом диамагнитные вещества до действия поляне намагничены, т.к. структура их электронных оболочек симметрична, и поэтому спин-орбитальные моменты электронов скомпенсированы. Парамагнетики же обладают результирующим магнитным моментом, тку их электронных оболочек внутренние (3d и 4f) энергетические подуровни не достроены и спин-орбитальные моменты электронов не уравновешены. Нов целом и парамагнетики до действия поляне намагничены, т.к. результирующие атомные моменты, имея любое пространственное направление, взаимно скомпенсированы. Возникновение магнитного поля в веществе объясняется следующим образом. В магнитном поле электроны всех веществ приобретают дополнительные скорости вследствие Ларморо- вой прецессии рис. 1.9.1) Она возникает в результате воздействия индукционного внешнего магнитного поляна электроны, и они приобретают добавочную угловую скорость, с которой их орбиты прецессируют вокруг этого поля. Это ведет к появлению у диамагнетиков дополнительного магнитного момента, пропорционального напряженности внешнего магнитного поля по величине и противоположно направленного в соответствии с правилом Ленца, в результате их намагниченность отрицательна. У парамагнетиков внешнее магнитное поле ориентирует уже имеющиеся магнитные моменты диполей по направлению поля, в результате их магнитная восприимчивость положительна (рис. 1.9.2). Рис. 1.9.1. Прецессия электронной орбиты вокруг вектора магнитного поля Н Рис. 1.9.2. Кривые намагничивания диа- и парамагнетиков 106 1.9.2. Магнитные свойства ферро- и ферримагнитных минералов Изолированные атомы ферромагнитных минералов имеют значительные результирующие спин-орбитальные магнитные моменты вследствие незаполненности подуровней 3d и 4l их оболочек. Однако результирующие орбитальные атомные магнитные моменты электронов в одноэлементных минералах (самородное метеоритное железо) в основном скомпенсированы и неспособны к ориентации в магнитном поле из-за большой плотности упаковки атомов этих веществ. Зато спиновые моменты электронов в определенных незначительных областях – доменах – ориентированы параллельно друг к другу, и, следовательно, здесь ферромагнетики намагничены до насыщения. Эта ориентация спиновых магнитных моментов объясняется весьма значительным положительным обменным взаимодействием между электронами незаполненных оболочек соседних атомов. Такое взаимодействие изменяет у атомов ферромагнетиков (Fe, Ni, Co, Cd) распределение электронов по возможным состояниями ориентирует параллельно спиновые магнитные моменты, хотя тепловое движение и стремится нарушить эту структуру. Однако пространственная ориентация параллельных спиновых магнитных моментов одинакова лишь в пределах определенных, разных по величине доменов моноэлементного ферромагнитного минерала в связи с особенностями его кристаллической структуры, наличием энергии анизотропии кристаллов. Поэтому различные по значению и направлению результирующие спиновые моменты определяют то, что в целом до действия поля ферромагнитный минерал не намагничен При наложении магнитного поля магнитные моменты доменов увеличиваются и ориентируются по его направлению, что приводит к намагниченности ферромагнитного минерала. Намагниченность в известной доле сохраняется и после снятия приложенного поля (остаточное намагничивание. Теория Вейсса намагничивания доменов основана на теории Ланжевена, согласно которой намагниченность ферромагнетиков появляется в результате установившегося равновесия между ориентирующим действием внешнего магнитного поля и дезориентирующим действием теплового движения и из-за намагничивающего действия дополнительного внутреннего молекулярного поля, возникающего при обменном взаимодействии между электронами соседних атомов, пропорционального намагниченности вещества. При значительной напряженности магнитного поля и низкой абсолютной температуре намагниченное состояние породы приближается к некоторому предельному значению (рис. При температуре выше точки Кюри ферромагнетики становятся парамагнетиками. Намагничивание в магнитном поле характеризуется кривой J v = f(H) рис. Нормальная намагниченность возникает при наложении постоянного магнитного поляна породу при нормальных температуре Си давлении (0,1 МПа. При этом изменяют направление на параллельное намагничивающему полю те векторы намагниченности доменов, у которых это изменение не сопровождается преодолением значительных энергетических барьеров. Нормальная намагниченность получается, например, у осадочной породы в современном геомагнитном поле (Н в ≈ 40 А/м). Рис. 1.9.3. Зависимость намагниченности насыщения от температуры для железа, кобальта и никеля Jvs – намагниченное состояние породы при насыщении (все домены параллельны полю – предельное намагничивание t c – точка Кюри Рис. 1.9.4. Кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика Нс – коэрцитивная сила Jvr – остаточная изотермическая намагниченность Идеальная намагниченность наблюдается при совместном действии постоянного и переменного магнитных полей с амплитудой, изменяющейся от полей насыщения до нуля. Термонамагниченность обычна для пород, нагретых до температуры выше точки Кюрии остывающих до нормальных температур в постоянном магнитном поле. При этом возникает наиболее значительная остаточная намагниченность пород. Магнитные свойства ферромагнитных минералов зависят от величины их зерен приуменьшении размеров зерен уменьшается число доменов в них, и магнитная восприимчивость уменьшается, а коэрцитивная сила увеличивается. Последнее объясняется тем, что на намагничивание единицы объема породы расходуется больше энергии, т.к. намагничивание совершается в основном за счет вращения векторов намагничивания доменов, а не смещения их границ – процесса, требующего меньших затрат энергии. Ферримагнетики. В большинстве природные сильномагнит- ные минералы, имеющие близкие к ферромагнетикам магнитные свойства, значительно отличаются от последних по магнитной структуре и относятся поэтому признаку в особую группу – ферримагнетиков. В кристаллах ферримагнетиков векторы намагниченности образуют две группы внутри групп векторы намагниченности параллельны, ау различных групп – антипараллельны. Так как результирующие магнитные моменты групп неравны (рис. 1.9.5), то возникает значительная собственная намагниченность ферримагнетиков. К ним относят большинство ферритов, в частности магнетит, титаномагнетики, гидроокислы железа и др. Рис. 1.9.5. Распределение векторов намагниченности в кристаллах а – ферромагнетики, б – антиферромагнетики, в – ферримагнетики 109 1.9.3. Магнитные свойства насыщенных горных пород Твердая фаза Обычно она состоит из смеси диа-, пара, ферри- и реже ферромагнитных минералов. Магнитные свойства твердой фазы пород в основном зависят от содержания и распределения в их объеме ферри- и редко ферромагнитных минералов. Значения магнитной восприимчивости этой фазы пород изменяются от 0,4·10 -5 до 1 ед. СИ. Жидкая фаза Главные компоненты этой фазы пород – вода и нефть – диамагнитны. Для воды вед. СИ, для нефти нед. СИ, те. эти компоненты природных жидкостей практически не магнитны. Минерализация вод мало влияет на их магнитные свойства, т.к. обычные для них соли (NaCl, CaCl 2 , MgCl 2 и др) также диамагнитны и их магнитная восприимчивость невелика. Газовая фаза Эта фаза пород, представленная воздухом, еще слабее намагничивается и имеет меньшую восприимчивость по сравнению с жидкой фазой, и все ее компоненты, за исключением кислорода, диамагнитны. Так как магнитная восприимчивость парамагнитного кислорода значительно выше, чему других газов, а его содержание в воздухе по объему относительно велико, то воздух также является парамагнетиком, и его = 0,04·10 -5 ед. СИ. Очень незначительна и диамагнитная восприимчивость сухих углеводородных газов. Магнитная восприимчивость метана = 0,0008·10 -5 ед. СИ, этана = 0,0015·10 -5 ед. СИ, пентана = 0,0003 ед. СИ. Исходя из многофазности горных пород, прослеживается следующая зависимость удельные значения их магнитных свойств будут тем меньше, чем выше коэффициент пористости породи меньше влажность. Однако многофазность пород влияет на магнетизм меньше, чем различия, связанные с неодинаковыми магнитными свойствами их твердой фазы, т.к. вклад последней в магнитные свойства этих сред несравненно выше. Вовсе не влияет многофазность пород на такую их характеристику, как точка Кюри. Таким образом, у сухих пород магнитные характеристики в основном имеют меньшие значения, чему влажных, и с ростом влажности пород увеличивается, но незначительно, их магнетизм. Осадочные породы Главные породообразующие минералы – кварц, полевые шпаты, кальцит, доломит, гипс, ангидрит и др. – диа- или парамагнитны второстепенные – биотит, пирит, ильменит, сидерит, хлорит, глинистые минералы – пара- или пара- ферримагнитны; магнетит, гематит и др. – ферро- или ферри- магнитны. Последние, таким образом, и определяют магнетизм осадочных пород. Кроме того, ферримагнетики находятся в глинистой фракции этих пород в тонко рассеянном состоянии или в виде скоплений и пленок гидроокиси железа. Магнитная восприимчивость глин сравнительно низка. Максимальные магнитные значения установлены у песчаников и алевролитов, и они обусловлены относительно высокой концентрацией магнетита. Наименьшей магнитной восприимчивостью обладают известняки, доломиты, ангидриты, гипсы, каменная соль и угли. У осадочных пород обнаружена очень слабая, но весьма стабильная естественная остаточная намагниченность. Она растет с увеличением содержания ферромагнитных минералов, в частности магнетита. Направление естественного остаточного намагничивания осадочных пород обычно мало отличается от направления современного геомагнитного поля. Для осадочных пород характерна анизотропия магнитной восприимчивости. 1.9.4. Магнитные свойства нефтей Нефти и их фракции представляют собой слабомагнитные вещества и характеризуются незначительной магнитной восприимчивостью (порядка магнитной восприимчивости наиболее распространенного диамагнетика – воды, удельная магнитная восприимчивость которой при 20 С составляет 0,72·10 -6 г. Удельная магнитная восприимчивость большинства исследованных нефтей изменяется в пределах от 0,75·10 -6 дог рис. 1.9.6). Рис. 1.9.6. Удельная магнитная восприимчивость 6 основных компонентов углеводородной и неуглеводородной частей нефти Магнитные свойства нефтей зависят, в основном, от содержания в них асфальтено-смолистых соединений и металлов, в частности, ванадия и никеля (рис. 1.9.7). Рис. 1.9.7. Кривые изменения магнитной восприимчивости различных нефтей (I) и остатков нефтей (II) в зависимости от содержания в них ванадия (V) и никеля (Ni) Вопросы для самоконтроля 1. Что такое магнитная восприимчивость вещества 2. В чем различие магнитных свойств диа-, пара, ферро- и ферримагнитных веществ 3. В чем проявляется нормальная и идеальная намагниченность горных пород 4. Дайте характеристику магнитным свойствам насыщенных горных пород. 5. Чем обусловлено проявление магнитных свойств горных порода также жидкой и газовой фаз, насыщающих их 6. Отчего зависят магнитные свойства нефтей? 113 1.10. Радиоактивность горных пород Наличие в горных породах радиоактивных элементов, атак- же особенности прохождения через них радиоактивных излучений обуславливают радиометрические и ядерно-геофизические методы их изучения. 1.10.1. Типы радиоактивных распадов Радиоактивность – свойство некоторых веществ к самопроизвольному превращению, которое сопровождается радиоактивным излучением. При естественной радиоактивности происходит самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие или изотопы этих же ядер. Этот процесс также сопровождается выделением энергии и возникновением новых радиоактивных элементов. Ядра последних снова распадаются, итак продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп. Радиоактивность является внутренним свойством ядер, не зависит от внешних условий и определяется соотношением ядерных сил. Ядерные силы носят объемный характер между протонами и нейтронами в ядре происходит обмен мезонами. Они являются короткодействующими с радиусом действия порядкам. В горных породах имеются как устойчивые, таки неустойчивые элементы. Энергия нуклонов в ядре рассчитывается по формуле, где Δm – дефект массы, с – скорость света в вакууме. Расчеты показывают, что чем сложнее ядро, тем больше в нем протонов и нейтронов, и тем меньше энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Поэтому радиоактивность – свойство преимущественно тяжелых элементов. Все элементы, начиная с таллия (порядковый номер Z = 81), являются радиоактивными или содержат радиоактивные изотопы. Самопроизвольное превращение атомных ядер сопровождается испусканием альфа- и бета-частиц и гамма-излучение м 114 Альфа-распад заключается в испускании ядром частицы Не) и образовании при этом процессе ядер новых элементов по схеме 4 2 4 Здесь X – элемент с атомной массой Аи порядковым номером. Например, превращение радия в радиоактивный газ – радон 4 2 222 86 226 88 He X Ra Бета-распад – процесс, при котором в ядре происходят превращения по двум возможным сценариям 1. Превращение в ядре нейтрона в протон с испусканием частицы (электрона) по схеме 0 0 0 1 1 1 1 с образованием электрона 0 1 и нейтрино 0 Например, 88% ядер радиоактивного изотопа калия испытывают такой тип превращения 0 1 40 20 40 19 Ca K 2. Превращение в ядре протона в нейтрон (захват ядром орбитального электрона с внутреннего к-слоя) по схеме 0 0 0 1 1 0 1 с образованием позитрона 0 Например, 12% ядер радиоактивного изотопа калия испытывают следующий тип превращения 40 18 0 1 40 Образовавшиеся при распаде ядра оказываются в возбужденном состоянии и, переходя в нормальное, излучают избыток энергии в виде квантов Гамма-излучение – жесткое электромагнитное излучение, которое сопровождает ядерные превращения. Энергия излучения индивидуальна для каждого вида ядер и является параметром конкретного ядерного превращения. Для излучения более характерны корпускулярные свойства, чем волновые, те. его можно представить в виде потока частиц, летящих со скоростью света, массой, где – постоянная Планка, ν – частота излучения. |