ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Проводимость среды — способность пропускать электрический ток, сопротивление — способность препятствовать прохождению тока. Удельная электрическая проводимость среды σ и ее удельное электрическое сопротивление ρ1 равны соответственно проводимости Σ и сопротивлению R единицы объема (1 м3) среды. Размерность σ и ρ соответственно Сим/м и Ом∙м.
Проводимость среды обусловлена переносом электрических зарядов сквозным током — электронов, ионов, дырок. В веществах с электронной проводимостью (металлы, графит) ток распространяется благодаря движению электронов. В диэлектриках природа проводимости ионная, в полупроводниках — дырочная. Растворы электролитов обладают ионной проводимостью.
В высокочастотном поле в средах с низкой проводимостью, представленных диэлектриками и полупроводниками, наряду со сквозным током jскв появляется релаксационная составляющая тока jрел, обусловленная поляризацией частиц среды. В результате поляризации наряду с основным полем возникает дополнительное, направленное противоположно основному, поляризующему. Поляризация Р пропорциональна поляризующему полю: Р = άЕ, где ά —поляризуемость среды. Поляризуемость характерна, как правило, для сред с низкой проводимостью — диэлектриков. Любое вещество способно быть проводником и поляризоваться; в общем случае его относительная диэлектрическая проницаемость определяется как ε=1+4πά. Различают поляризации смещения, ориентационную, структурную.
1. Поляризация смещения состоит в упругом смещении зарядов под действием внешнего поля. К этой группе относят электронную, ионную и атомную поляризацию.
Электронная поляризация заключается в смещении электронов атома относительно его ядра, характеризуется временем т смещения и релаксации порядка 10-15 с, не зависит от частоты поля со вплоть до оптических частот, наблюдается в твердых, жидких и газообразных веществах.
Ионная поляризация происходит в твердых телах с ионной кристаллической решеткой, выражается в упругом смещении ионов относительно узлов решетки, характеризуется τ 10-12—10-13 .
Атомная поляризация наблюдается в веществах с валентными кристаллами, у которых атомы соединены в молекулы благодаря обменному взаимодействию валентных электронов. Времена смещения и релаксации τ=10-11 - 10-13 с. Вещества с поляризацией смещения характеризуются за редким исключением значениями ε от 4 до 12.
7.3. УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД
Поскольку удельное сопротивление большинства породообразующих минералов осадочных пород на 5—10порядков выше удельного сопротивления пластовой воды рв, то удельное сопротивление породы зависит в основном от рв, насыщающей, породу, объемной влажности wB и геометрии пространства, занимаемого в породе водой.
7.3.1. УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОЛНОСТЬЮ ВОДОНАСЫЩЕННОЙ ПОРОДЫ
Чистые (неглинистые) породы. Рассмотрим удельное сопротивление рв.ппороды, полностью насыщенной водой, с простейшей геометрией пор, представленных пучком параллельных цилиндрических капилляров постоянного сечения. В направлении», совпадающем с направлением осей капилляров, удельное сопротивление составит:
где Тэл — отношение длины капилляра к кратчайшему расстоянию между соответствующими гранями куба породы.
Аналогично выражение для удельного сопротивления ρв.п породы с извилистыми капиллярами (рис. 36), длина которых в Тэл раз больше длины капилляров с прямой осью. Величину Тэл называют электрической извилистостью капилляров в отличие от извилистости гидродинамической, рассматриваемой при течении жидкости и газа. Всегда Тэл≥1. Для породы с простейшей геометрией пор Тэл=1; с усложнением геометрии пор Тэл растет, при этом ρв.п при неизменной пористости возрастает пропорционально Т2 эл.
Соотношения (7.16), (7.17) можно записать в виде
где Рп — электрический параметр пористости, или просто параметр пористости, предложенный В. Н. Дахновым, который зависит от коэффициента пористости и геометрии пор.
Для пород с размером пор больше 0,1 мкм, когда можно пренебречь влиянием ДЭС на поверхности твердой фазы на электропроводность поровых каналов, параметр пористости Рп является константой данной породы:
которая не зависит от минерализации Св и удельного сопротивления ρв воды, насыщающей породу.
Для параметра Рп пористых сред с различной геометрией порового пространства получены теоретические выражения [1].
Однако геометрия порового пространства реальных осадочных пород настолько сложна и разнообразна, что целесообразность применения теоретических выражений для описания характера связи между Рп и kn весьма ограничена. Для практических целей удобнее выражать связь между Рп и kn эмпирическими формулами
где а и т — константы, которые определяют экспериментально для коллекции образцов, представляющей изучаемый геологический объект.
Величину т называют показателем цементации породы. При а=1 и т=1 выражения (7.20), (7.27) тождественны (7.16). С усложнением геометрии пор т становится больше 1; отличие m от 1 тем больше, чем сложнее геометрия пор.
Зависимости, описываемые выражениями (7.17) и (7.21) изображают прямыми в двойном логарифмическом масштабе. Наклон прямых растет с усложнением геометрии пор, т. е. с ростом т и Т. Зависимости Pn = f(kn), описываемые формулами (7.17) и (7.21), образуют пучок прямых, проходящих через, точку с координатами Рп=1, kn=1.
На практике чаще используют зависимость Pn = f(kn) в виде (7.21). При отсутствии влияния глинистости наиболее характерными являются следующие значения т: для хорошо отсортированных песков и слабосцементированных песчаников т=1,3--1,4; для терригенных и карбонатных пород с межзерновой пористостью хорошо сцементированных т=1,8--2; для пород с каверново-межзерновой пористостью m>2, причем величина т тем больше, чем выше каверновая составляющая величины ka и чем больше размеры каверн; для плотных сцементированных пород, содержащих трещины, величина т существенно ниже значения т=1,8--2, характерного для таких пород при отсутствии трещин, в пределе т→1.
Удельное сопротивление воды, насыщающей породу, находят, используя зависимости и приемы, изложенные в подразделе 7.2, для известных минерализации, химического-состава растворенных солей и температуры раствора.
Минерализация пластовых вод в разрезах нефтяных и газовых месторождений изменяется от 5 до 400 г/л. Низкие концентрации характерны для районов, разрезы которых представлены отложениями эоценового возраста при активном питании их атмосферными водами (эоценовые отложения Восточной Грузии).
Средние концентрации 15—50 г/л типичны для обширных территорий Западной Сибири, частично Якутии, Северного Кавказа, Средней Азии, где основную часть разреза представляют мезозойские, частично кайнозойские отложения. Высокие концентрации (более 100 г/л) характерны для палеозойских отложений на территории Русской и Сибирской платформ. Основным компонентом пластовых вод при любой их минерализации является NaCl. Для вод небольшой концентрации характерно также наличие NaHC03 и Na2S04. В водах средней и высокой концентрации появляются СаС12, MgCl2, абсолютное и относительное содержание которых тем больше, чем выше общая минерализация.
Температура пластовых вод изменяется в пределах 10— 230 °С, удельное сопротивление от 0,01 до 1 Ом-м. Примерно в тех же пределах изменяется ρк в разрезах угольных месторождений.
Глинистые породы. Породы, содержащие глинистые и другие минералы, находящиеся в высоко дисперсном состоянии в природе, например, лимонит, цеолиты и др., характеризуются наличием в общем объеме пор субкапиллярных поровых каналов, радиус г которых соизмерим с толщиной ДЭС на поверхности пор. Поэтому удельное сопротивление полностью водонасыщенных глин и глинистых пород зависит не только от рассмотренных выше факторов, но и от величины адсорбционной поверхности породы S и соотношения удельных электропроводностей ДЭС σсл и свободного раствора σв (рис. 37).
Удельная электропроводность цилиндрического канала σКан, заполненного водой с удельной электропроводностью σв, определяется выражением
где ξ— доля объема канала, занимаемая свободным раствором (рис.37).
Величина σв= {u+v)CB. Величина σсл подобно σв определяется как произведение средней эффективности подвижности uдэс катионов ДЭС на концентрацию поглощенных катионов в объеме ДЭС q/{1—ξ):
которое не является константой породы и зависит от величины ρв. Отношение фиктивного параметра пористости Рп.ф к истинному Рп
называют коэффициентом поверхностной проводимости. Величина П зависит от соотношения значений σв и σсл и от доли объема пор, занимаемой ДЭС. Рассмотрим частные случаи.
1. Чистая неглинистая порода, размер пор намного больше σдэс, поэтому ξ=1, Рп.ф=Рп, П=1, поверхностная проводимость отсутствует.
2. Глина, поровое пространство которой представлено капиллярами с r≈δдэс. ДЭС целиком заполняет капилляры, ξ = 0, Рп.ф = Рп σв/σсл, П= σв/σсл - В этом случае П=1 только при σв=σсл , при σв > σсл П>1; при σв < σсл П<1.
В электрохимии ДЭС дисперсных систем рассматривается только условие σв < σсл, когда наличие ДЭС создает дополнительную проводимость поровых каналов; в этой области влияние ДЭС приводит только к снижению удельного сопротивления пористой среды. Существуют две области значений концентрации растворов, в которых соотношение σсл и σв различно [8].
Назовем условно точку пересечения графиков оДэс = /(Св) и σв=f(Св) инверсионной с координатами σин и Син (рис. 38). Область Св<Син соответствует σсл> σв, при котором справедливы закономерности, установленные в электрохимии дисперсных систем. В области СВ>СИН справедливо соотношение осл<ов, при котором наличие ДЭС на поверхности каналов, заполненных свободной водой, приводит к снижению их проводимости σкал и росту удельного сопротивления по сравнению со значениями σв и рв соответственно. Эта закономерность соотношения св и σсл была в дальнейшем подтверждена рядом исследователей
Удельное сопротивление в точке инверсии по данным различных авторов составляет 0,2—0,8 Ом-м, поэтому можно говорить о наличии зоны инверсии отношений ρв/ρДэС и σв/σДэс.
При температуре 20—100 С, характерной для разрезов-большей части известных месторождений нефти и газа, указанная область значений рсл соответствует удельному сопротивлению растворов NaCl с концентрацией Св = 0,2—0,5 н (примерно 10—25 г/л). Таким образом, области СВ>Син, σсл<σв, ρсл>ρв
соответствуют условия, характерные для пород нефтяных и газовых месторождений, насыщенных пластовыми водами, минерализация которых обычно выше 20 г/л. Следует отметить, что для значительной части продуктивных отложений Западной Сибири характерны условия, соответствующие инверсионной зоне, когда можно принять σсл≈σв, ρсл≈ρв . Для зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости в породах-коллекторах при бурении скважин на пресном глинистом растворе напротив будут типичны условия, характерные для «классической» области поверхностной проводимости: Сф<Сич, σсл> σв, ρсл<ρв.
Особенности поведения удельного сопротивления ρп.гл и фиктивного параметра пористости Рп.ф глинистых пород и суспензий при изменении в широких пределах коэффициента пористости kn (для суспензий — объемной влажности), концентрации свободного раствора Св, размера частиц а и, следовательно, адсорбционной способности глинистого материала Q рассмотрим на примере расчетных графиков Рп.ф=f(kп) для различных Св = = const при а = const для каждого семейства и Рп.ф=f(kп) для. различных a = const при CB = const для каждого семейства (рис.39).
Расчетные графики Рп.ф=f(kп) получены для модели «мономинеральной глины», образованной кубическими частицами по-
стоянного размера а, расположенными по кубической сетке с постоянной шириной щелевидных пор, разделяющих слои кубиков. Величина kn изменяется в пределах 1>kп>kп min, Где kп min — предельно уплотненная «глина», для которой ширина щелей h между рядами кубиков уменьшаясь достигает двойной толщины монослоя hmin=2δсл- Изменение kn в таких пределах охватывает весь спектр глинистых дисперсных систем, включающий глинистые суспензии, глинистый неуплотненный осадок, уплотненные в разной степени глины. Величина kп min, определяемая отношением hmin/a, тем больше, чем меньше размер частиц а. Изменение а в пределах 5<а<5000 нм позволяло имитировать глинистые минералы с различной дисперсностью и обменной адсорбционной способностью твердой фазы 2,3<Q< <23 мг-экв/r. Модели «насыщались» раствором NaCl, концентрация которого изменялась в пределах 0,001—4 н., а значе-
ния ρв и σв при Т=20°С соответственно в пределах 0,05— 94 Ом•м и 0,106—200 Ом-1•см-1.
Значение ρп.гл рассчитывалось по формуле
Величина Рп вычислялась в соответствии с заданным kп по формуле В. Н. Дахнова для модели пористой среды с кубическими зернами [1, 13]. Величина ρКАН рассчитывалась по формуле (7.25), в которую подставлялось значение ξ, вычисленное в соответствии с отношением σсл/h. Величина σсл определялась по графику σсл = f(Св) (см. рис. 38).
Значение Рп.ф вычислялось по формуле
Несмотря на упрощающие предположения о форме глинистых частиц, геометрии порового пространства и т. д., расчетные графики Рп.ф = f(kп) находятся в удовлетворительном соответствии с экспериментальными, полученными различными исследователями на искусственных образцах мономинеральных глин (см. рис. 39 и 40).
Анализ расчетных кривых позволяет отметить следующее.
1. Во всем диапазоне изменения kn с уменьшением концентрации Св свободного раствора, насыщающего глину или являющегося водной фазой суспензии, величина Рп.ф уменьшается. Степень снижения Рп.ф тем больше, чем выше дисперсность глины.
2. Большая часть кривых Рп.ф = f(kп) характеризуется монотонным ростом Рп.ф с уменьшением kn при Св = const. Кривые
3. Рпф = f(kп) для значений Св≤0,002 н и глин низкой дисперсности, для значений Св≤0,02 н и глин высокой дисперсности имеют аномальную форму: в области высоких kп (суспензии и глинистые неуплотненные осадки) с уменьшением kп значение Рпф уменьшается, достигая минимума, после чего растет. При этом значительная часть кривой расположена в области Рпф <1. Такое явление «сверхпроводимости» глинистых частиц в пресных растворах объясняется тем, что при определенных соотношениях дисперсности глины и концентрации свободного раствора снижение удельного сопротивления дисперсной системы за счет высокой электропроводности σсл>>σв ДЭС на поверхности частиц преодолевает противоположное влияние, обусловливающее рост удельного сопротивления системы по сравнению с рв благодаря замещению части объема практически непроводящими частицами глины.
4. 3. Закономерность изменения Рпф с изменением дисперсности глины при Св = const различна в зависимости от области концентрации Св. Так, при Св = 4н и 1н графики зависимости Рпф = f(kп) для глины с меньшей дисперсностью располагаются ниже зависимости Рпф = f(kп) для глины с большей дисперсностью. При Св≤0,1 н., напротив, графики Рпф = f(kп) для высокодисперсных глин расположены ниже графиков для глин меньшей дисперсности. При Св≈0,2 н. значения Рп.ф≈Рп. Поэтому для глин любой дисперсности график Pn = f(k„) практически один и тот же. Вид его определяется влиянием только геометрии пор, влияние электрохимического фактора отсутствует.
5. Получены также расчетные графики для модели глинистой породы, в частности глинистого коллектора с рассеянной глинистостью. Параметр Рпф рассчитывали по формуле
6. где Рп.ск — параметр пористости чистого минерального скелета, не содержащего глинистых частиц; р3 — удельное сопротивление среды, заполняющей неактивный скелет, образованной смесью агрегатов глинистых частиц (глинистый цемент) и свободной воды. Величина р3 зависит от удельного сопротивления глинистых агрегатов и свободного раствора рв, степени заполнения глинистым материалом пространства между скелетными зернами, а также от геометрии участков, занимаемых глиной и водой, и их взаимного расположения.
7. В качестве модели чистого скелета принят трехмерный идеальный грунт с расположением капилляров в трех взаимно-перпендикулярных направлениях; величину Рп.ск рассчитывали по соответствующей формуле для заданных kп.ск. Модель заполнения скелета представлена обособленными участками, занимаемыми глинистыми агрегатами и свободной водой; часть
8. глинистого материала расположена параллельно участкам, за нимаемым водой, часть — последовательно с ними (рис. 41). Величину р3 рассчитывали по формуле
9.
10.где α — доля глинистого материала, размещенного последовательно с раствором; а — степень заполнения глинистым материалом пустот чистого скелета. В формулу (7.30) подставляли
11. расчетные или экспериментальные значения ρгл для заданных ρв, kп.гл, Qгл
12.Величина коэффициента пористости модели глинистого коллектора с рассеянной глинистостью
13.
14.Расчетные зависимости Рпф= f(kп) для kп.ск=0,3 и глинистого материала различной дисперсности, полученные при различных ρв = const, охватывают интервал kп=0,18--0,3 для пород-коллекторов с различным содержанием глинистого материала, которое имитируется изменением а в пределах 0—1, соответствующих чистому коллектору и глинистой породе-неколлектору.
15.Зависимости Рпф= f(kп) характеризуются следующими особенностями (рис. 42).
16.Наблюдается закономерное снижение Рпф с уменьшением Св при постоянной дисперсности глинистого материала, как и для моделей чистых мономинеральных глин. Степень снижения тем больше, чем больше активность Q глины. В области Св> >0,2н. дисперсия зависимостей Pn = f(k„) для различных Св и Q невелика. Эта дисперсия существенно возрастает при Св< <0,2н., а при Св<0,01 н. величина Pn уменьшается при снижении kn, что объясняется рассмотренным выше эффектом сверхпроводимости глинистых частиц в пресных растворах. В области Св>0,2н. значения Рпф>Рп.ск, в области Св<0,2н. значение Рпф<Рп.ск Следовательно, при Св>0,2 н. присутст-
вие в породе глины вызывает увеличение Рпф по сравнению с Рп.ск для чистой породы, а при Св<0,2н — уменьшение РПф по отношению к Рп.ск. Влияние глинистости тем больше, чем выше ее дисперсность.
Рассмотренные закономерности поведения зависимостей Рпф= f(kп) подтверждены обширным фактическим материалом, полученным для реальных глинистых пород-коллекторов. Инверсионное значение Св и соответствующее ему рв для коллекторов с различным составом глинистого цемента, обменного катионного комплекса глин и при различной температуре меняются в пределах: Св = 0,24-0,5 н. и ρв= 0,2—0,8 Ом-м [8, 25, 36].
Учитывая это обстоятельство, рекомендуется в качестве коэффициента поверхностной проводимости породы как характеристики влияния глинистости на связь Рпф= f(kп) использовать параметр П:
П = Рпф /Рп.пред(7.32)
где Рп.пред — предельное (максимальное) значение параметра пористости, соответствующее удельному сопротивлению породы при насыщении ее высокоминерализованной водой. Рассчитанная по формуле (7.32) величина П≤1. Значение П тесно связа-
но с приведенной емкостью обмена qn и диффузионно-адсорбционной активностью Ада породы (рис. 43).
Все три параметра характеризуют адсорбционную способность породы. Для пород с различным содержанием глинистого материала постоянного минерального состава наблюдается также тесная связь П и ηгл. Для определения величины П составлены палетки в виде семейства кривых П = f(ρв) для различных qn = const или ηгл = const, позволяющие найти П при известных ρв и характеристиках глинистости породы qn или ηгл (рис. 44). Для использования при интерпретации материалов ГИС удобны палетки, представленные семейством графиков П = f(ρв) для различных αсп = const, где относительная амплитуда αсп играет роль параметра глинистости.
Трещиноватые, кавернозные и трещиновато-кавернозные породы. Рассмотрим породу, где все трещины имеют границы в виде гладких параллельных плоскостей. Если блоки породы, между которыми расположены трещины, представлены непроводящим минеральным скелетом, коэффициент пористости такой породы равен отношению суммарного объема трещин к объему породы, т. е. коэффициенту трещиноватости kт. Удельное сопротивление полностью водонасыщекной трещиноватости породы с одной системой параллельных трещин, расположенных по направлению тока,
Расчет Рпт по формуле (7.38) для 0,5<А<1показывает, что графики зависимостей Рпт = f (kп) для различных kT = = const располагаются ниже графиков зависимостей Рп.бл = f(kп.мз)-Причем отличие Рп.т от Рп.бл тем больше, чем выше kT. Величина kT реальных трещиноватых пород не превышает 0,01.Поэтому расчеты выполнены для 0<kт<0,01.Влияние трещин существенно для низкопористых пород при kп<0,1и при kT = const возрастает с уменьшением kn. В породах средней и высокой пористости влияние трещин при реальных значениях kr пренебрежимо мало (рис. 45).
При заполнении трещин водным раствором более пресным, чем вода, насыщающая блоки, так, что удельное сопротивление раствора в трещинах ρф ≥10ρв,величина рп.т определяется выражением
Влияние трещин на величину рп.т уменьшается и при ρф →ρп.бл исчезает. Те же закономерности справедливы и при заполнении трещин смесью воды и углеводородов с удельным сопротивлением ром.
Породу с каверновой пористостью можно представить как минеральный скелет, в котором регулярно по определенной системе или хаотически распределены каверны, заполненные раствором с удельным сопротивлением рв. Такая порода имеет рпк = ∞, поскольку проводящие участки среды — каверны — разобщены непроводящим материалом. В геологических разрезах присутствие такой породы маловероятно. Реальные каверновые породы представлены обычно блоками с межзерновой пористостью kп.мз содержат каверны различного размера, большего размеров межзерновых пор. Каверны и межзерновые поры насыщены водным раствором с удельным сопротивлением рв. Удельное сопротивление такой породы определяется выражением
где kкав — коэффициент каверновой пористости или кавернозности, равный суммарному объему каверн в единице объема породы.
поскольку коэффициент межзерновой пористости блоков указывается по отношению к объему блоков, а не к всему объему по-
Коэффициент общей пористости такой породы
роды. При малых значениях kп величина Рп.к>>1 и величине ρв.п.к применимо приближенное выражение:
Параметр пористости кавернозной породы Рп.к = ρп.к/ρв выше значения Рп для породы с межзерновой пористостью, значение kn которой определяется выражением (7.41). Расчетные кривые Рп.к =f(kп) для различных kкав = const располагаются выше зависимости Рп.бл = f (kп.мз)- При ПОСТОЯННОМ ЗНЭЧеНИИ kкав отличие Рп.к от Рп возрастает с уменьшением kn. Такое влияние каверн на величины ρв.п.к и Рп.к объясняется усложнением геометрии токовых линий в каверне и, следовательно, возрастанием их извилистости Тэл по сравнению с извилистостью линий тока в межзерновых порах.
Расчеты зависимостей Рп.кт = !(кп) с использованием выражений (7.44) или (7.45) для рвп.ктпоказывают, что одновременное присутствие в породе трещин и каверн уменьшает влияние каждого из этих видов пустот на величину Рп.т.Поэтому отличие зависимости Рп.кт=/(&н)от Pn=f{kn) для породы с меж-зерновой пористостью становится менее значительным. Заметное влияние трещин на величину Рп.ктнаблюдается лишь при &кав/&т<2 (снижение Рп.ктпо сравнению с Рп),а влияние каверн преобладает над влиянием трещин при &кав/&т>10. При изменении отношения kKab/kT в диапазоне 2—10, типичном для каверново-трещинной породы, расчетные графики Рп.кт = /Ч&п)мало отличаются от Рп=/(йп). Втех случаях, когда на величине Рп.ктсказывается в большей степени влияние каверн или трещин, это влияние, как и прежде, тем больше, чем меньше kn (см. рис.45).
1 Величина kп.мз берется по отношению к объему блоков. |
УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЧАСТИЧНО ВОДОНАСЫЩЕННОЙ ПОРОДЫ
Дата добавления: 2015-05-26; просмотров: 2018;