ре. Учебное пособие Издательство Нижневартовского государственного университета 2017
 Скачать 4.03 Mb.
|
|
1.8. Электрические характеристики горных пород Электрические свойства горных пород играют важную роль при проведении электроразведки полезных ископаемых (не только нефти, но и, например, угля, горючих газов, различных минералов. Электрические методы исследования разрезов скважин дают возможность изучать характеристику вскрытых скважинами горных пород. Эти методы также позволяют получить сведения о коэффициентах пористости, проницаемости и степени гли- низации пород, нефте- и газонасыщенности, необходимые для рациональной разработки месторождений. Микроэлектрические методы исследования разрезов скважин дают детальные сведения о микроструктуре отдельных горизонтов. Знание детального строения продуктивных горизонтов необходимо при поисках, разведке и особенно при разработке нефтяных и газовых месторождений. Электрические свойства горных пород могут меняться в процессе разработки месторождения, а движение флюидов в пористой среде приводит к неэквивалентному обмену зарядами между твердым телом и жидкостью и возникновению так называемого двойного электрического слоя. Такие процессы происходят не только в пластах, но и между скважинным оборудованием и пластовой жидкостью. К основным характеристикам электрических свойств горных пород относятся Удельное электрическое сопротивление. Электропроводность. Относительная диэлектрическая проницаемость. Тангенс угла диэлектрических потерь. Электрическая прочность. 1.8.1. Виды поляризации горных пород Внешнее электрическое поле может вызвать в ионно-прово- дящих горных породах (песках, песчаниках, известняках и др) различного вида поляризационные процессы 1) упругого смещения электронов, атомов, ионов, дипольных молекул 2) релаксационной (тепловой) поляризации 86 3) миграционной (объемной) поляризации 4) концентрационно-диффузного перераспределения 5) электролитической поляризации 6) электроосмоса. Виды поляризации горных пород во внешнем электрическом поле Миграционная (10 -6 –10 -3 с. Диффузионная (>10 с) 5. Электролитическая (100–200 мс. Смещения Электронная (10 -14 –10 -15 с) Ионная (10 -13 –10 -14 ) с) Атомная (10 -11 –10 -13 с) Дипольная 2. Релаксационная тепловая Электронная Ионная Ориентационная дипольная (10 -10 –10 -7 с. Электроосмос. Поляризация смещения возникает в породах, содержащих заряженные и взаимосвязанные частицы, способные смещаться относительно друг друга под действием поля. Она подразделяется на электронную атомную ионную дипольную. Электронная поляризация возможна у неполярных атомов и молекул пород. При этом орбиты электронов неполярных атомов и ионов смещаются в электрическом поле относительно ядер, ив объеме ∆V возникает дипольный момент – вектор поляризации, где l q p e – дипольный момент атома (вектор с направлением от отрицательного к положительному заряду, q – заряд электрона среднее расстояние между полюсами диполя (рис. 1.8.1) [10]. Рис. 1.8.1. Электронная поляризация при отсутствии и при наличии внешнего поля Электронная поляризация происходит в течение 10 -14 –10 -15 св диапазоне частот внешнего поля от нулевых до оптических. Атомная поляризация наблюдается у пород с валентными кристаллами из разносортных атомов, между которыми в молекулах действуют ковалентные связи (силы обменного взаимодействия валентных электронов. При этом электроны внешних оболочек перераспределяются между атомами несимметрично. В результате относительного смещения в молекулах атомов различного сорта во внешнем поле происходит атомная поляризация, которая меньше электронной, а время ее установления несколько больше электронной и составляет 10 -11 –10 -13 с. Ионная поляризация возможна у кварца, корунда, кальцита и других ионных кристаллов, кристаллическая решетка которых содержит разнотипные ионы. Ионная поляризация в электрическом поле сводится к смещению ионов разного знака от положения их равновесия в кристаллической решетке. Она происходит за время 10 -13 –10 -14 с. Дипольная поляризация – смещение дипольных молекул – характерна для дипольных диэлектриков с сильносвязанными полярными молекулами, способными поворачиваться под действием внешнего поляна небольшие углы. 2. Релаксационная (тепловая) поляризация происходит в породах, содержащих слабосвязанные частицы, которые при тепловом движении могут изменять положение равновесия. При этом различают ориентационную дипольную, ионную тепловую и электронно-релаксационную поляризации. Ориентационная дипольная поляризация характерна для пород, в составе которых содержатся вещества (вода, нефть, газы) с дипольными полярными молекулами. При наложении внешнего поля происходит преимущественная ориентация осей дипольных молекул по направлению поля (рис. 1.8.2) [10]. Тепловое движение препятствует этому процессу, дезориентируя молекулы, поэтому до наложения поля результирующий дипольный момент породы равен нулю. Время релаксации дипольных молекул полярных жидкостей время установления релаксационной поляризации) равно ) / exp( kT U A , где U – высота потенциального барьера, разделяющего два положения равновесия дипольных молекул, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, А – постоянная величина, слабо зависящая от температуры. Рис. 1.8.2. Ориентационная поляризация при отсутствии (аи при наличии (б) внешнего поля С ростом температуры и частоты внешнего поля ориентационная поляризация уменьшается. Время ее установления 10 -10 – 10 -7 с. Ориентационная поляризация наблюдается не только у полярных жидкостей и газов, но и у минералов пород с решеткой кольцевого и каркасного типа и неплотно упакованными частицами минералы глин, кристаллогидраты и др. Ионная тепловая поляризация возможна у ионных кристаллов со слабосвязанными ионами из-за дефектов или особого строения кристаллической решетки. При наложении внешнего электрического поля ионы переносятся в кристаллах на расстояния, сравнимые с межатомными, что приводит к поляризации породы. Электронно-релаксационная поляризация возникает из-за избыточных дефектных электронов или дырок. 3. Миграционная поляризация предполагается у пород, проводящие компоненты которых разделены непроводящими или воздухом (рис. 1.8.3) [10]. Рис. 1.8.3. Миграционная поляризация при отсутствии (аи при наличии (б) внешнего поля В этом случае положительные ионы проводящих включений перемещаются по полю, отрицательные – против поля, но задерживаются в пределах включений на межфазной границе, т.к. другая фаза практически не проводит электрический ток. При этом возможны также миграция электронов к аноду и скопление положительных ионов в противоположном конце. В результате проводящие частицы породы поляризуются и приобретают дипольный момент подобно большой молекуле. Миграционная поляризация осуществляется за время 10 -6 –10 -3 с, сравнимое со временем ориентационной (дипольной) поляризации. 4. Концентрационно-диффузная поляризация возникает в ионно-проводящих породах, заполненных электролитом, причем, как правило, при резкой неоднородности поровых каналов. При большой частоте поля такой вид поляризации отсутствует. 5. Электролитическая поляризация в большей степени проявляется в электронно-ионно-проводящих породах, одной из ее главных составляющих является адсорбционная или химическая поляризация из-за наличия на поверхности электронно- проводящих зерен прочно адсорбированного слоя. Время релаксации перенапряжения адсорбции составляет 100–200 мкс, а концентрационной поляризации – от нескольких секунд доне- скольких минут. 6. Электроосмотическая поляризация породы возникает в результате электроосмоса – явления переноса электролита через породу при наличии градиента электрического поля. Ионы электролита, смещаясь к соответствующему электроду при наложении поля, создают градиент давления того же направления. При выключении поля это вызывает фильтрацию жидкости в порах в обратном направлении и способствует возникновению в породе электроосмотической разности потенциалов. Суммарная поляризация горной породы складывается из всех видов поляризаций. Наибольшего значения она достигает у электронно-ионно-проводящих пород в постоянном, достаточно напряженном и длительно действующем электрическом поле при низких температурах и давлениях. При очень большой частоте поля, превышающей 100 ГГц, поляризация породы связана только с быстрыми видами поляризации (электронной, атомной и ионной. В диапазоне частот внешнего поля 100 Гц – 100 ГГц возможны релаксационная и миграционная виды поляризации. 1.8.2. Диэлектрическая проницаемость горных пород Все виды поляризации, успевшие проявиться при наложении на породу внешнего электрического поля, способствуют возникновению в ней собственного поля, направленного противоположно приложенному. Вследствие этого напряженность внешнего поля в породе ослабевает. Это явление характеризуется, как известно, безразмерной величиной – относительной диэлектрической проницаемостью [10]: п Е Е 0 , где Е – напряженность электрического поля в вакууме, Е п – напряженность электрического поля в породе, e – относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Выражая электрическое поле в породе через вектор электрической индукции D (количество электричества, которое поле способно индуцировать на единицу площади, получим E D 0 , (1.8.1) где 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная. В переменных электромагнитных полях диэлектрическая проницаемость выражается комплексной величиной и зависит от частоты поля, те. наблюдается дисперсия диэлектрической проницаемости) Здесь ) ( – комплексная диэлектрическая проницаемость среды и ) ( – ее действительная и мнимая составляющие частота поля. Комплексный характер величин и подчеркивает наличие диссипации энергии поля в среде. Диэлектрическая проницаемость пород зависит от числа поляризующихся в единице объема частиц и от их среднего коэффициента поляризуемости 0 . Согласно уравнению Клаузиуса – Моссотти [10]: 0 0 3 2 1 n (1.8.3) Здесь n – число поляризующихся частиц в единице объема горной породы, ε 0 – средний коэффициент их поляризуемости. С увеличением частоты поля количество поляризующихся частиц уменьшается (отпадают наиболее медленные виды поляризации, поэтому диэлектрическая проницаемость с повышением частоты постепенно уменьшается и стремится к единице [10]: 2 2 1 t t , (1.8.4) где e t – при w = 0; e ¥ – при w = ¥ ; t – время релаксации. Практический интерес представляет изучение поляризационных процессов при воздействии на породу высокочастотных электромагнитных (ВЧ ЭМ) полей. Особенностью взаимодействия ВЧ ЭМ полей со сплошными средами является запаздывание поляризационных процессов по сравнению с изменением параметров быстропеременного поля. В результате процесс поляризации становится неравновесными сопровождается интенсивным поглощением энергии поля в виде тепловой энергии, те. всегда , , > 0 для всех веществ и при всех частотах. Диэлектрическая проницаемость минералов находится в пределах от 3 дои выше. Диэлектрическая проницаемость воды зависит от концентрации и состава растворенных в ней солей. Для бинарных электролитов можно воспользоваться формулой Фалькенгагена [10]: С 0 , где e – диэлектрическая проницаемость раствора, e 0 – диэлектрическая проницаемость чистой воды, С – концентрация раствора в моль/дм 3 Диэлектрическая проницаемость смесей воды и нефти (у воды e = 81, у нефти e = 2–4) зависит от их объемного соотношения. 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 [10]: 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 [10]: 3 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) [10]. 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) [10]. 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 формулой 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 |