Осадочные породы - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Характеристику диэлектрической проницаемости е осадочных пород целесообразно первоначально рассмотреть на примере мономинеральной водонасыщенной породы, для которой справедлива приближенная формула:

(15)

Где ев. п - диэлектрическая проницаемость водонасыщенной породы, ев, еск. - то же воды и скелета,

Kп - пористость.

Из формулы (15) следует, что с ростом пористости kп диэлектрическая проницаемость ев. п увеличивается.

Показатель е в карбонатных и терригенных разрезах меняется в пределах 4,5 - 8 отн. ед. и увеличивается с возрастанием глинистости до 17 - 25 отн. ед.

Для одноименных по стадиям преобразования пород тенденция изменения диэлектрической проницаемости соответствует твердой фазе (рис. 55).

Рис. 55. Тенденция изменения диэлектрической проницаемости для одноименных по степени преобразований осадочных пород

У монопород (одинакового вещественно-петрографического состава) имеет место тенденция уменьшения е в эпигенетическом ряду диагенез-катагенез-метагенез при синхронном увеличении показателя с (рис. 56).

тенденция изменения диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления у углей (1) и терригенных осадочных пород (2) в зависимости от стадий их преобразования

Рис. 56. Тенденция изменения диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления у углей (1) и терригенных осадочных пород (2) в зависимости от стадий их преобразования

На рис. 57 приведены результаты экспериментальных исследований зависимости диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления водонасыщенных пород от частоты поля. Особенностью представленных материалов является практическое отсутствие частотной дисперсии электрических свойств у неглинистых материалов. В то же время для глинистых пород вне зависимости от содержания глинистых частиц наблюдается частотная дисперсия. При этом с ростом содержания глинистых частиц значения tg и возрастают.

зависимость диэлектрической проницаемости (а) и удельного электрического сопротивления (б) водонасыщенных образцов пород различной объемной влажности w0 от частоты поля f (по в.с. зинченко)

Рис. 57. Зависимость диэлектрической проницаемости (а) и удельного электрического сопротивления (б) водонасыщенных образцов пород различной объемной влажности w0 от частоты поля F (по В. С. Зинченко)

Дисперсия диэлектрической проницаемости и электропроводности тем больше, чем выше влажность среды. Правые асимптотические значения диэлектрической проницаемости (частоты 107-108 Гц) составляют 15-33 отн. ед. Значения в области низких частот составляют 300-1600 отн. ед. То есть значения диэлектрической проницаемости в изучаемом диапазоне частот меняются в 20-50 раз, в то время как изменение удельного электрического сопротивления составляет 15-30%.

Одним из основных факторов, определяющих подобное поведение и с, является особенность внутренней структуры глинистых материалов. Наличие тонких микропор, препятствующих протеканию электрического тока и способствующих накоплению на них подвижных зарядов, вызывает значительное увеличение диэлектрической проницаемости среды по сравнению с диэлектрическими проницаемостями отдельных компонентов, составляющих данную породу.

В слоистых осадочных породах, как и для показателя с, проявляется анизотропия е. В частности, для модели с чередованием слоев е1 и е2 при их относительном содержании h1 и h2 справедливы выражения

Методы определения диэлектрической проницаемости

Диэлектрическая проницаемость е характеризует бестоковую поляризацию пород под воздействием электромагнитного поля. Такая поляризация создается как в природных, так и искусственных конденсаторах и вызывает уменьшение напряженности приложенного поля.

Основные способы определения е ? мостовой и резонансный.

Мостовой способ

Одна из модификаций - трансформаторный мост, где два плеча: 1 - конденсатор с помещенным образцом; 2 - комплексное сопротивление, состоящее из емкости и сопротивления (рис. 59).

При измерениях е добиваются равновесия схемы, когда С1 = С2 и R1 = R2. Получаемая величина относится к кажущимся значениям (ек), так как влияют приэлектродные заряды в образце и электрохимические процессы на электродах. Формула для вычисления ек следующая:

Где С0 - емкость измерительного конденсатора в безвоздушном пространстве.

Рис. 59. Блок-схема определения диэлектрической проницаемости на образцах горных пород мостовым способом: С1, R1 - емкость и сопротивление конденсатора и образца; С2, R2 - емкость и сопротивление сравнения

Для получения истиной еист применяют специальную методику, включающую расчеты по формулам.

Резонансный способ

Применяется воздушный конденсатор с регулируемой емкостью (рис.60).

Рис. 60. Измерительный конденсатор

Эквивалентная схема измерительного конденсатора приведена на рис. 61.

Рис. 61. Эквивалентная схема измерительного конденсатора: Собр - емкость образца; Свз1 - емкость воздушных прослоев над и под образцом; Свз2 - емкость кольцевидного прослоя объемом (r2 - r1) lк

Принципиальная схема измерения е резонансным способом представлена на рис. 62.

Рис. 62. Принципиальная схема измерения е резонансным способом: С - настроечный конденсатор; С1 - измерительный конденсатор

1) Регулировкой С добиваются резонанса напряжений контура и питающего генератора Г. Момент резонанса устанавливают по вольтметру. 2) Образец удаляют из конденсатора и вновь добиваются резонанса напряжений.

Диэлектрическую проницаемость е рассчитывают по формуле

Где r1 и r2 - радиусы образца и пластины конденсатора;

Lk и lkx - расстояние между пластинами конденсатора в присутствии и без образца в момент резонанса;

Lвз - суммарное расстояние зарядов между гранями образца и пластинами конденсатора.

Электрохимическая активность

1. Естественная поляризуемость

Естественная электрохимическая активность (поляризуемось) - результат электрохимических и электродинамических процессов в среде, вследствие чего горные породы электрически поляризуются. Различают активности:

1) диффузионно-адсорбционную; 2) фильтрационную; 3) окислительно-восстановительную.

Диффузионно-адсорбционная активность возникает при различных концентрациях и химическом состоянии солей, насыщающих воды контактирующих пластов. Процесс описывается формулой Нернста:

Где Ед - диффузионная ЭДС,

Kд - коэффициент диффузии ЭДС, мВ,

C1,C2 - концентрация растворов 1 и 2.

Величина Ед может достигать несколько десятков мВ в зависимости от концентрации электролитов. Знак и величина Ед зависят от глинистости и влажности пород (рис.58).

Рис. 58. Графики зависимости диффузионной ЭДС от глинистости Сгл и влажности W пород

Окислительно-восстановительная активность значительно выше диффузионно-адсорбционной и фильтрационной активности и может достигать 1000 мВ.

Сущность окислительно-восстановительных реакций, которые приводят к появлению и образованию двойных электрических слоев, легко пояснить на примере рудных тел, находящихся в разрезах водонасыщенных пород.

При окислительной реакции порода заряжается отрицательно, а раствор положительно. При восстановительной реакции наоборот: порода заряжается положительно, а раствор отрицательно.

Максимальные потенциалы естественной поляризации возникают в рудных телах и пластах высокометаморфизированных углей (антрациты).

Фильтрационная активность возникает при фильтрации подземных вод через поры в породе. В коллекторах нефти и газа на глубинах 1-3 км фильтрационная компонента ЭДС составляет 110-30 мВ, а в глинистых растворах достигает 100 и более мВ.

Фильтрационные поля относятся к классу электрокинетических явлений, известных в физической химии под названием потенциалов течения.

2. Вызванная поляризуемость

Вызванная поляризуемость (ВП), или поляризация, - свойство пород поляризоваться при прохождении электрического тока и создавать в окружающем пространстве электрическое поле после выключения тока.

Способность породы создавать ВП называется вызванной электрохимической активностью, которая характеризуется показателем АВ, как отношение разностей потенциалов на измерительных электродах при пропускании тока заряда (?Uпер) и в некоторый момент времени t после его выключения (?UВП):

Этот же показатель АВ, выраженный в процентах, носит название коэффициента поляризуемости

Вызванная поляризуемость возникает в гетерогенных средах при пропускании через них как постоянного, так и переменного токов. Величина ВП - ?UВП спадает во времени t по экспоненциальному закону

Где ?UВП(0) - максимальное значение напряженности первичного поля в момент выключения поляризующего тока;

Лв - постоянная спада поля ВП.

Кристаллические породы при отсутствии минералов-проводников (электропроводящих минералов) имеют электрохимическую активность в пределах АВ = 0,0010,4. В зонах оруденения показатель АВ увеличивается и составляет АВ = 0,10,6. То есть, чем больше рудоносность, тем выше АВ.

В осадочных терригенных отложениях электрохимическая активность падает с увеличением глинистости и составляет АВ = 0,0010,1. В породах-коллекторах наоборот АВ растет с увеличением глинистости.

Электропроводящие пласты угля (антрациты) и породы с содержанием пирита, магнетита и других рудных минералов характеризуются повышенными значениями АВ. Для них электрохимическая активность находится в пределах АВ = 0,06 0,6.

Методы определения естественной электрохимической активности

В лабораторных условиях наиболее доступны способы определения диффузионно-адсорбционной активности. Используются специальные электрохимические цепи, сущность которых в создании контакта двух электролитов различной концентрации на образцах породы.

Типовая схема измерения диффузионно-адсорбционных ЭДС приведена на рис. 63.

Применяемые для измерений электроды каломельные, хлорсеребряные, потенциалы которых устойчивы, легко воспроизводимы и точно известны относительно стандартного водородного электрода. Контакт электродов с исследуемым раствором осуществляется через раствор NаCl. Агаровые мостики представляют собой стеклянные трубки, заполненные проводящим агаровым студнем.

Диффузионно-адсорбционная активность вычисляется по формуле

Где ?е1 и ?е2 - приращения ЭДС в цепях с образцом и без него;

С1 и С2 - концентрации электролитов.

Рис. 63. Схема измерения диффузионно-адсорбционных ЭДС:

1 - образец; 2 - напорные емкости; 3 - приемные емкости; 4 - агаровые мостики; 5 - емкости буферных растворов; 6 - емкости с электродами; 7 - резиновая обойма; 8 - каломельные электроды

Определение вызванной электрохимической активности

Определение значений ВП пород в лабораторных условиях производится с использованием специального станка для установления образца горной породы. Последний предварительно обрабатывается на камнерезном станке для установления параллельности контактных граней. Измерения выполняются специальной электроразведочной аппаратурой, предназначенной для производства работ методом вызванной поляризации. Схема лабораторной установки ВП показана на рис. 64.

Рис. 64. Схема лабораторной установки для измерения поляризуемости пород:

ИТ - источник тока; ИП - измерительный прибор

ЭДС измеряется как в процессе пропускания поляризующегося тока, так и после его выключения. Время ф должно быть достаточным, чтобы получить (выйти на) асимптотические значения. Для возбуждения поляризующего тока используются специальные резисторные коммутаторы. Временные интервалы:

- ионопроводящие породы - десятые доли секунд; - магматические и метаморфические породы - первые секунды; - рудные тела - десятки, сотни и тысячи секунд.

Объемная поляризуемость з вычисляется по формуле

Где - объемная концентрация включения;

ЕВП - стационарное значение ЭДС;

Е0 - напряженность первичного поля.

Осадочные породы - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Похожие статьи