Физика пласта. Вопросы для подготовки к экзамену по дисциплине Физика пласта

• Название: Вопросы для подготовки к экзамену по дисциплине Физика пласта
• Анкор: Физика пласта
• Дата: 21.06.2022
• Размер: 2.25 Mb.
• Имя файла: Fizika_Plasta_Ekzamen.docx
• Тип: Документы; #607015
• страница: 7 из 7

В слоистых породах скорость упругих волн вдоль и поперек слоев различна, причем всегда v, > v_±.

В случае если порода состоит из слоев двух типов, то скорость упругих волн перпендикулярно слоям в простейшем случае при их равных удельных волновых сопротивле­ниях должна быть вычислена по суммарному времени прохождения волн через все слои



где l₁ и l₂ — относительные толщины слоев со скоростью звука со­ответственно v_T и v₂.

Скорость звука вдоль слоев при тех же условиях



где S₁ и S ₂ — площадь слоев в поперечном сечении.

В табл. 7 приведены коэффициенты анизотропии некоторых оса­дочных пород.



На скорость звука влияют также размеры зерен, слагающих породу. Как правило, скорость упругих колебаний в тонкозернистых породах больше, чем в крупнозернистых.

74. Какие волны могут проходить только через минеральный скелет?

Поперечные волны (S-волны) – распространение упругих деформаций сдвига. Это волны, в которых возмущения ориентированы перпендикулярно направлению ее распространения. Поперечные волны распространяются только в твердых телах, т.к. в жидкостях и газах сопротивление сдвигу практически отсутствует.

75. Что такое теплопроводность?

Теплопроводность – способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела.

Характеризуется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности - показывает, насколько эффективно данное тело пропускает тепло при установившемся режиме. Численно равен количеству тепла, проходящему в породе через единицу площади в единицу времени при градиенте температуры равном единице:



76. Что такое плотность теплового потока?

Количество тепла, через единицу поверхности в единицу времени, называется плотностью теплового потока или удельным тепловым потоком и характеризует интенсивность теплообмена.



77. Что характеризует коэффициент температуропроводности, и как

он связан с другими тепловыми характеристиками?

Коэффициент температуропроводности (а) - служит мерой скорости, с которой пористая среда передает изменение температуры с одной точки в другую и связан с коэффициентами теплопроводности и удельной теплоемкостью следующей зависимостью:



где a – коэффициент температуропроводности, м²/с; ρ_н – плотность породы, кг/м³.

Температуропроводность обладает анизотропией. Вдоль слоистости всегда больше, чем перпендикулярно ей.

Температуропроводность:

• 
  незначительно уменьшается с увеличением плотности;
  

• 
  уменьшается с увеличением водонасыщенности;
  
• 
  пористость приводит к снижению температуропроводности.
  

78. Как описывается линейное и объемное расширение горных пород?

Коэффициентами линейного и объемного расширения. Коэффициенты линейного (α_L) и объёмного (α_V) расширения характеризуют изменение размеров породы при нагревании:



где L и V – начальные длина и объем образца.

79. Дайте определение кондуктивного и конвективного переноса тепла в пористой среде.

Конвективный теплообмен — перенос теплоты (точнее, передача энергии в форме теплоты) в неравномерно нагретой жидкой, газообразной или сыпучей среде, обусловленный конвективным движением среды и ее теплопроводностью 

Кондуктивный теплообмен осуществляется вследствие соударения молекул, электронов и агрегатов элементарных частиц друг с другом. (Теплота переходит от более нагретого тела к менее нагретому). Или в металах: постепенная передача колебаний кристаллической решётки от одной частицы к другой (упругие колебания частиц решётки – фононная теплопроводность).

80. Как выражаются аддитивные свойства тепловых характеристик насыщенных горных пород?
81. Как зависит теплопроводность от других петрофизических характеристик?

82. Как зависят теплопроводность и теплоемкость пород от температуры

и от давления?

Влияние температуры. Теплопроводность пород снижается с ростом температуры и особенно сильно до температуры 200—427 °С. У некоторых пород (оливинит, гранит, диорит) при достижении минимальных значений с увеличением температуры λ несколько возрастает. Минимум теплопроводности обычно совпадает с началом плавления пород. Неодинаковое поведение при нагревании, например, таких близких по составу разностей, как гранит и обсидиан, объясняют различием их структуры. По их поведению при нагревании породы делят на три группы: кристаллические (гранит, диорит, эклогит и др.), аморфные (обсидиан) и с кристаллоаморфной структурой (диабаз, порфирит и другие). У пород с кристаллической структурой теплопроводность обусловлена рассеянием фононов на кристаллических зернах и друг на друге. Последний процесс объясняет зависимость λ=f(λ₀/t), где λ₀—значение λ при 20 °С.

Для аморфных неупорядоченных по структуре пород теплопередача относится к случайным процессам и λ=f (t).

Для пород с кристаллоаморфной структурой характерен механизм теплопередачи обычный как для кристаллических, так и для аморфных тел. В связи с этим на их теплопроводность практически не влияет или слабо влияет температура.

Температуропроводность падает с ростом t. Этот процесс обычен для пород с кристаллической и в меньшей степени с кристаллоаморфной структурой; он почти не наблюдается у чисто аморфных разностей. Объемная теплоемкость пород увеличивается при их нагревании до температуры 850 °С.

Влияние давления. Теплопроводность увеличивается с ростом давления, причем максимальные ее изменения относятся к давлениям от 0,1 до 10 МПа. В дальнейшем коэффициент λ, мало изменяется или сохраняется практически постоянным. Предполагают, что рост λ связан с уплотнением контактов между зернами, так как после снятия давления λ становится выше первоначального. Температуропроводность растет с давлением.

Пространственное изменение коэффициента теплопроводности. О локальных и региональных закономерностях изменения значений тепловых величин горных пород земной коры известно пока мало. Имеются расчетные данные, дающие ориентировочное представление о коэффициенте теплопроводности структурно-формационных комплексов различных слоев земной коры. Из рассмотрения этих данных следует, что самой малой средней теплопроводностью 1,2 Вт/(мК) обладает осадочный слой земной коры, сложенный слаболитифицированными песчано-глинистыми отложениями молодых платформ. Теплопроводность литифицированных известково-магнезиальных и песчаноглинистых отложений древних платформ, краевых впадин и осадочных отложений складчатых областей имеют почти в 2 раза большую среднюю теплопроводность. Значения λ, при нормальных р и t для гранитно-метаморфического, диоритового слоев Земли сохраняются почти неизменными, но снова значительно возрастают до 3,4 Вт/(мК) в базальтовом слое.

83. Охарактеризуйте виды поляризации горных пород.

Внешнее электрическое поле может вызвать в ионно - проводящих горных породах (песках, песчаниках, известняках и др.) различного вида поляризационные процессы:

1) упругого смещения электронов, атомов, ионов, дипольных молекул;

2) релаксационной (тепловой) поляризации;

3) миграционной (объемной) поляризации

4) концентрационно - диффузного перераспределения;

5) электролитической;

6) электроосмоса.

84. Что такое диэлектрическая проницаемость горных пород?

Диэлектрическая проницаемость ε характеризует способность вещества изменять напряженность первичного электрического поля вследствие явления поляризации, т.е. упорядоченной ориентировки связанных электрических зарядов. ДП горных пород показывает, во сколько раз электрическая сила, действующая на любой заряд в данной среде, меньше, чем в вакууме.

Диэлектрическая проницаемость грунтов определяется химико-минералогическим составом твердой, жидкой и газообразной составляющих, их соотношением в единице объема, структурными особенностями грунтов, частотой поляризующего поля, температурой и давлением.

• 
  Влажность
  

Наименьшие значения диэлектрической проницаемости характерны для сухих пористых пород, причем с увеличением пористости грунтов они уменьшаются. Поскольку диэлектрическая постоянная у воды выше, чем у породообразующих минералов и газов, то увеличение влажности грунтов приводит к увеличению их диэлектрической проницаемости.

• 
  Температура
  

Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры грунтов: с повышением температуры она уменьшается у воды и влажных пород и возрастает у сухих. Диэлектрическая проницаемость мерзлых дисперсных грунтов также зависит от температуры: при понижении последней происходит значительное ее уменьшение.

• 
  Частота поляризующего тока
  

Диэлектрическая проницаемость грунтов в переменных полях зависит от частоты поляризующего тока. С увеличением частоты тока диэлектрическая проницаемость уменьшается. Наиболее сильно она снижается у влажных грунтов, для воздушно-сухих пород характер этой зависимости менее интенсивен. Например, образец песчаника, насыщенный водой до влажности 12%, снижает диэлектрическую проницаемость в 100 раз при увеличении частоты тока от 102 до 107 гц. В то же время диэлектрическая проницаемость воздушно-сухого образца этого же песчаника остается практически постоянной на всех частотах.

85. В каких случаях диэлектрическая проницаемость выражается комплексной

величиной̆?
86. В чем состоит понятие дисперсии диэлектрической проницаемости?
87. Дайте определение электропроводности горных пород, единицы измерения.

Электропроводность горных пород – способность пород проводить электрический ток. Электропроводность характеризуется величиной удельной электропроводности σ или удельного электрического сопротивления ρ. Удельное электрическое сопротивление – это сопротивление, которое оказывает кубический метр горной породы электрическому току.

[ρ] = Ом*м

88. С какой̆ целью определяется удельное электрическое сопротивление

горных пород?

Удельное электрическое сопротивление (УЭС), измеряемое в Ом·метрах (Ом·м), характеризует способность пород оказывать электрическое сопротивление прохождению тока и является наиболее универсальным электромагнитным свойством. Оно меняется в горных породах и рудах в очень широких пределах: от 10^-3 до 10¹⁵ Ом·м. Оно считается с целью определить минерализацию.

По характеру электропроводности минералы относятся к группам:

• 
  проводники - тела (вещества), обладающие способностью хорошо проводить электрический ток. Они содержат большое количество носителей тока - свободных электрически заряженных частиц, которые в электрическом поле приходят в упорядоченное движение, образуя электрический ток проводимости. В проводниках 1 рода (металлах и сплавах) носителями тока являются электроны; в проводниках 2 рода (электролитах) - ионы ; их удельное сопротивление составляет менее 10^-6 Ом·м. Идеальными проводниками являются самородные металлы, содержание которых в породах ничтожно мало.
  
• 
  полупроводники - вещества с электронной проводимостью (за счет движения свободных электронов, слабо связанных с ионами. Главная особенность полупроводников - резкое возрастание их удельной электрической проводимости с увеличением температуры. Они имеют удельное электрическое сопротивление от 10^-6 до 10^-2 Ом·м.
  
• 
  диэлектрики - вещества, почти не проводящие электрический ток. Их удельное сопротивление изменяется от 10⁸ до 10¹⁵ Ом·м.
  

89. Что такое удельное электрическое сопротивление горных пород, единицы измерения?

Свойство горных пород проводить электрический ток характеризуется их удельной электропроводностью или обратной ей величиной – удельным электрическим сопротивлением:



где R – полное электрическое сопротивление образца породы (в Ом), S и L, соответственно, площадь поперечного сечения (в м²) и длина (в м) образца.

Размерность величины ρ – Ом*м, т.е. удельное электрическое сопротивление (или просто сопротивление) породы измеряется в омметрах.

Удельное сопротивление горной породы зависит от удельного сопротивления твердой фазы, жидкостей и газов, насыщающих поровое пространство, их объемного соотношения, характера распределения в породе и температуры.

90. Как зависит удельное электрическое сопротивление горных пород от пористости и водонасыщенности?

• 
  Влияние влажности г.п.
  

Природные воды, находящиеся в порах грунтов, представляют собой природный электролит различного состава. Для него характерна ионная электропроводность. Удельное сопротивление природных вод в зависимости от их химического состава и концентрации изменяется в широких пределах (от 10^-2 до 10³ Ом•м и более) и уменьшается с увеличением концентрации природных вод. Все это обусловливает увеличение электропроводности влажных грунтов при возрастании концентрации поровых вод.

• 
  Пористость
  

Электропроводность грунтов зависит также от структурно-текстурных особенностей грунтов: от формы упаковки грунтовых частиц и общей пористости.

Большая часть грунтов, особенно их слоистые осадочные и метаморфические разности, характеризуется электрической анизотропией: электропроводность слоистых (и сланцеватых) грунтов вдоль напластования всегда выше, чем перпендикулярно напластованию. Это свойство грунтов характеризуется коэффициентом анизотропии.

• 
  Температура
  

Электропроводность грунтов в значительной степени зависит от температуры. С возрастанием температуры удельное электрическое сопротивление грунтов падает и, следовательно, возрастает их электропроводность. В частности, электросопротивление осадочных пород при возрастании температуры на 40—50°C уменьшается в 2 раза и более. С понижением температуры грунта и образованием льда в его порах электрическое сопротивление резко возрастает.