39231

Электрические свойства

Лекция

Физика

Удельная электрическая проводимость среды σ и ее удельное электрическое сопротивление ρ равны соответственно проводимости Σ и сопротивлению R единицы объема среды. У типичных проводников с электронной проводимостью металлов удельное сопротивление весьма мало ρ=104 ÷ 108 Омм. Наличие их в породах при ковалентнометаллической или ионнометаллической форме кристаллической связи существенно увеличивает электропроводность минералов удельное сопротивление которых изменяется в пределах 103 ÷ 106 Омм. Самородные металлы и их...

Русский

2013-10-01

2.68 MB

7 чел.

Электрические свойства

По Максвеллу плотность полного электрического тока в среде определяется выражением

где jпр, jсм — плотности тока проводимости и смещения, σ – удельная электрическая проводимость среды, εа - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, причем εа = εε0 , где ε - относительная диэлектрическая   проницаемость   среды;   ε0 = 8,85·10-12 Ф/м — значение ее в вакууме.

В поле, гармонически изменяющемся во времени с частотой ω

В постоянном и низкочастотном переменном полях полный ток определяется целиком током проводимости. В высокочастотном переменном поле полный ток является суммой токов проводимости и смещения.

Ток проводимости возникает непосредственно под действием электрического поля Е.

Величина j определяется значением σ=1/ρ.

Проводимость среды — способность пропускать электрический ток, сопротивление - способность препятствовать прохождению тока. Удельная электрическая проводимость среды σ и ее удельное электрическое сопротивление ρ равны соответственно проводимости Σ и сопротивлению R единицы объема среды.

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  пропорциональна поляризующему полю:

= αЕ,

где α — 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+4πα.

Различают поляризации упругую, релаксационную и структурную поляризации.

  1.  Упругая поляризация заключается в смещении упругосвязанных зарядов (электронов, ионов) вещества в электрическом поле. Она протекает быстро (время установления совпадает с периодами колебаний, соответствующих инфракрасному излучению, т.е. 10-12 ÷ 10-14 с). Относительная диэлектрическая проницаемость у диэлектриков с упругой поляризацией обычно составляет 4 - 15, но у некоторых ионных кристаллов она достигает нескольких сотен (до 300 у титаната стронция, например).
  2.  Релаксационная (тепловая) поляризация характерна для веществ, содержащих слабосвязанные частицы, способные менять равновесие при тепловом движении. Поляризация этого типа вызывается тем, что приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц определенную упорядоченность.

Различают две разновидности поляризации: ориентационную дипольную тепловую и ионную тепловую.

  1.  Дипольная поляризация возникает в полярных жидкостях (в том числе и в воде) за счет преимущественной ориентации слабосвязанных дипольных молекул в электрическом поле. Время релаксации полярной жидкости пропорционально ее вязкости. В сложных полярных молекулах может также наблюдаться внутримолекулярное вращение различных частей молекулы относительно друг друга.
  2.  Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабосвязанные ионы, появление которых обусловлено дефектами кристаллической решетки. Ионы при тепловом движении перемещаются, преодолевая потенциальные барьеры. Электрическое поле формирует преимущественное направление их переходов. В результате дипольный момент единицы объема породы становится отличным от нуля и поддерживается этим электромагнитным процессом.
  3.  Наконец, в многофазных горных породах наблюдается структурная (объемная) поляризация, связанная с захватом носителей тока микродефектами кристаллической решетки, замедлением их передвижения у межфазовых границ раздела или с застреванием свободных зарядов на макронеоднородностях кристаллов. Это сравнительно медленный тип поляризации, период ее становления находится в пределах радиочастот (10-4 ÷ 10-10 с).

Диэлектрическая проницаемость минералов обусловлена главным образом упругой поляризацией (ионной и электронной). Относительная величина диэлектрической проницаемости большей части минералов находится в пределах 4 - 12, основных породообразующих минералов – 4 - 7. Наименьшее значение имеет нефть (2 - 4), наибольшее  - рутил (90 - 170).

Основы теории электропроводности вещества

Процессы электропроводности в кристаллах, как известно из курса физики, подчиняются законам квантовой механики. Согласно этим законам в каждом отдельно взятом атоме кристалла имеются лишь определенные значения энергии электронов, характеризуемые дозволенными уровнями. Эти значения энергии обусловлены взаимодействием электрона с ядром атома. На каждом энергетическом уровне может находиться один или два электрона (принцип Паули). В последнем случае электроны должны отличаться квантовыми состояниями (направлениями спинов). При отсутствии возбуждения электроны занимают самые низкие уровни, а при подаче веществу дополнительной энергии могут переходить на более высокие уровни. Изменение энергии электронов при этом происходит определенными порциями — квантами. Электроны наружной оболочки атома (валентные) связаны с ядром слабее, и для их возбуждения требуется меньше энергии. В кристалле, в котором атомы сближены, электроны взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и со всеми остальными атомами, поэтому каждый энергетический уровень расщепляется на такое число уровней, сколько атомов в кристалле. В результате образуются зоны близко расположенных энергетических уровней, которые могут взаимно друг друга перекрывать или между ними может иметь место перерыв, так называемая запрещенная зона Δw.

У проводников зоны перекрываются (рис. а), часть электронов вследствие этого имеет многоцентровые орбиты, охватывающие весь кристалл проводника. Эти нелокализованные вокруг конкретного ядра электроны слабо связаны с ядрами, и поэтому они, даже при слабом электрическом поле, приобретают направленное перемещение, т.е. создают электрический ток. Чем больше нелокализованных электронов, тем выше проводимость проводника. У типичных проводников с электронной проводимостью — металлов — удельное сопротивление весьма мало (ρ=10-4 ÷ 10-8 Ом·м). Наличие их в породах при ковалентно-металлической или ионно-металлической форме кристаллической связи существенно увеличивает электропроводность минералов, удельное сопротивление которых изменяется в пределах 10-3 ÷ 10-6 Ом·м.

Для проводников с электронной проводимостью характерно увеличение сопротивления с увеличением их температуры, что связано с возрастанием хаотического движения электронов.

В кристаллах полупроводников и диэлектриков заполненная зона w2 и зона проводимости w1 разделены запрещенной зоной Δw. Величина запрещенной зоны в полупроводниках составляет от 0,1 до 1,5 эВ, в диэлектриках - до 10 эВ. В этом и состоит основное отличие полупроводника от диэлектрика.

При Т = 0 0К в полупроводниках и диэлектриках все энергетические уровни в заполненной зоне заняты электронами . Поэтому электроны не могут перемещаться от атома к атому, они являются связанными. С увеличением температуры часть электронов может быть заброшена из заполненной зоны в зону проводимости . Переход электрона в зону проводимости соответствует рождению пары электрон-дырка, т. е. появляются «свободный» слабосвязанный с ядром электрон и освободившееся в этом атоме место (дырка). Процесс рождения пар электрон-дырка сопровождается обратным процессом рекомбинации таких пар. В кристалле под действием электрического поля свободные электроны перемещаются, одновременно происходит движение дырок в противоположную сторону, так как на свободное место в атоме, потерявшем электрон, будет переходить электрон из соседнего атома. В результате в кристалле возникает упорядоченное движение электронов и дырок, т.е. течет электрический ток.

Такую электропроводность называют смешанной, она характерна для чистых полупроводников, в которых число свободных электронов равно числу дырок.

Существенное влияние на тип и величину электропроводности полупроводников и диэлектриков оказывают примеси. Наличие примесей создает преобладание электронной или дырочной проводимости. Примеси, создающие электронную проводимость, называются донорами, а дырочную - акцепторами. Для 4-валентного кремния, например, донорными примесями являются 5-валентные мышьяк, сурьма, акцепторными - 3-валентные индий, галлий. Атомы-доноры в полупроводниках с электронной проводимостью имеют энергию валентного электрона, немного меньшую нижнего уровня зоны проводимости, благодаря чему они при малой энергии возбуждения забрасываются в зону проводимости. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда. Сами доноры, теряя электрон, становятся положительными ионами, но участия в электропроводности не принимают, так как обладают весьма малой подвижностью. Атомы-акцепторы имеют энергию валентного электрона, немного большую верхнего уровня заполненной зоны. Тепловое движение забрасывает на эти уровни электроны из заполненной зоны. Акцепторы при этом превращаются в отрицательные ионы, не принимающие участия в электропроводности. Ток в этом случае обусловлен перемещением дырок.

У полупроводников и диэлектриков с повышением температуры увеличивается концентрация свободных носителей электричества (электронов, дырок) и, соответственно, увеличивается электропроводность. Зависимость эта у полупроводников и диэлектриков проявляется по-разному. При температуре, близкой к абсолютному нулю, они являются изоляторами тока. Повышение температуры их до нескольких десятков градусов по Цельсию не приводит к существенному изменению электропроводности диэлектриков. Они остаются изоляторами тока (ρ = 1012 - 1017 Ом·м), у полупроводников же сопротивление заметно уменьшается. Это обусловлено тем, что кристаллы-диэлектрики имеют ковалентную форму кристаллической связи с наиболее плотной упаковкой атомов в решетке (цепочечные и островные структуры), обусловливающей широкую запрещенную зону, которая в обычных условиях электронами не может быть преодолена. Наблюдаемая на практике незначительная собственная, не связанная с примесями электропроводность диэлектриков обусловливается перемещением «вырванных» из решетки ионов. Электронная же проводимость диэлектриков может наблюдаться при очень сильных электрических полях, когда наступает пробой диэлектрика. При этом в переносе зарядов (при определенной температуре и напряженности электрического поля) могут участвовать ионы и электроны одновременно.

Вторая составляющая породы - жидкость - представляет собой (за исключением нефти) проводник с ионной формой проводимости. Такая проводимость обусловливается переносом зарядов ионами, которые образуются при отрыве электронов от атомов или их присоединении к атому. Движение ионов под действием электрического поля сопровождается переносом вещества. Сопротивление ионных проводников уменьшается с повышением температуры. Газовый компонент породы чаще всего представляет собой изолятор тока, так как все газы в нормальных условиях не проводят ток. Электропроводность у них возникает, как и у жидкого компонента породы, при ионизации - отщеплении от атомов и молекул газов электронов.

Электропроводность минералов, жидких и газовых сред.

Минералы

По величине и природе проводимости и диэлектрической проницаемости выделяют три группы минералов.

  1.  Самородные металлы и их природные образования, графит - вещества с электронной проводимостью; их удельное сопротивление ρ составляет 10-8 ÷ 10-5 Ом·м, значение диэлектрической проницаемости ε стремится к бесконечности.
  2.  Большая часть оксидов, сульфидов, арсенидов, селенидов - минералы с электронной и дырочной проводимостью, в основном полупроводники; ρ этой группы 10-6 ÷ 108 Ом·м, ε нередко больше 80, например у арсенопирита, галенита, молибденита, рутила, пирротина. Высокие значения ε обусловлены наличием в этих минералах высокополярных ионов атомов кислорода, серы, меди, железа, свинца и др. Однако в этой группе присутствуют также минералы с небольшими значениями ε и высоким ρ (сфалерит, киноварь, антимонит).
  3.  Большая часть минералов третьей группы - типичные диэлектрики с удельным сопротивлением от 5·10-7 до 3·1016 Ом·м (чаще всего ρ>1011 Ом·м) и диэлектрической проницаемостью ε = 4 ÷ 12, причем для большинства минералов характерны ε = 4 ÷ 8. Проводимость минералов третьей группы — ионная, для них характерны различные виды поляризации смещения. К этой группе относится большинство породообразующих минералов осадочных пород — кварц, полевые шпаты, кальцит, доломит, гипс, ангидрит, галит, сильвин. Отдельные минералы этой группы отличаются повышенными значениями ε: алмаз - 16, серицит (гидрослюда) – 19 - 25.

Влияние температуры Т на параметры ρ и ε различных минералов неодинаково. Удельное сопротивление проводников (минералы первой группы) с ростом Т растет благодаря возрастанию интенсивности колебаний ионов кристаллической решетки, препятствующих перемещению электронов; ρ полупроводников и диэлектриков напротив уменьшается с ростом Т благодаря: возрастанию концентрации свободных электронов вблизи дырок и росту числа дырок (полупроводники); увеличению числа подвижных ионов в решетке (диэлектрики). Величина ε минералов вначале с ростом Т не меняется или растет незначительно, а затем, начиная с некоторого значения Т, характерного для данного минерала, возрастает интенсивно до определенного значения ε.

Влияние давления р на параметры ρ и ε минералов незначительно.

Жидкая фаза

Рассмотрим электрические свойства водных растворов электролитов и углеводородных жидкостей.

Вода, насыщающая породу в условиях естественного залегания, является обычно водным раствором солей, среди которых наиболее распространены NaCl, КС1, MgCl2, СаСl2, NaHCO3, Na2SO4. Удельное сопротивление водного раствора сильного одновалентного бинарного электролита, полностью диссоциирующего в воде, при постоянной, например комнатной температуре t = 20 0С, определяется выражением

где u, v — подвижности катиона и аниона; Λ—эквивалентная электропроводность электролита при t = 20 0С, выраженная в Ом-1·см2; Св — концентрация электролита, г-экв/л.

Величины u, v, Λ являются функциями Св, что необходимо учитывать при расчете ρB. Для большинства электролитов, в частности для типичных солей пластовых вод, характерно уменьшение u, v и Λ с ростом Св, что обусловливает отклонение зависимости ρB = f(CB) от линейной в области высоких Св. Уменьшение u, v, Λ с ростом Св вызвано усилением взаимодействия между ионами при движении их в растворе с ростом концентрации раствора.

При температуре раствора T, отличной от 20°С, ρB определяется выражением

где αT - температурный коэффициент электропроводности, изменяющийся для рассматриваемых электролитов в пределах 0,021 - 0,023 [1/°С].

Величину ρB раствора со сложным составом электролитов рассчитывают по формуле

где Λi и Ci - эквивалентные электропроводность и концентрация i-гo электролита в растворе, содержащем n электролитов. Величину Λi определяют для каждого электролита по данным справочника или экспериментальным   кривым Λn = f(CB) для заданной суммарной концентрации    с учетом температуры раствора. Приближенную оценку ρB раствора сложного состава выполняют, определяя ρB по графикам ρB = f(CB) для растворов NaCl, используя в качестве Св суммарную концентрацию раствора сложного состава C = ΣCi в г-экв/л. Удельное сопротивление нефтей составляет  1010 ÷ 1014 Ом·м.

Газовая фаза

Проводимость газов имеет ионную природу и определяется уравнением того же типа, что и проводимость растворов электролита. Удельное сопротивление ρ смеси газообразных углеводородов, так же как и воздуха у поверхности Земли, составляет 1014 Ом·м. Величина ε воздуха при t = 0 – 20 0C и давлении p = 1 – 2 МПа равна 1 ÷ 1,01. Величина ε углеводородных газов с ростом давления увеличивается, изменяясь от 1 до 2 в связи с увеличением плотности газа. Удельное сопротивление газов с ростом температуры незначительно уменьшается, величина ε газов практически не зависит от температуры при T ≤500 0C.

Удельное электрическое сопротивление горных пород

Поскольку горные породы представляют собой, за небольшим исключением, совокупность трех фаз - твердого вещества, жидкости и газа, механизм электропроводности их является суммарным, включающим электронную, ионную и смешанную проводимости. Вместе с этим у каждой конкретной горной породы обычно доминирует какой-то один тип электропроводности, чаще ионный.

Величина и тип электропроводности горных пород определяются рядом факторов, решающими среди которых являются: фазовый и минеральный составы породы, ее текстурно-структурное строение, температура, а также давление, которое испытывает порода.

Влияние фазового и минерального составов на удельное электрическое сопротивление горных пород весьма существенно. Породообразующие минералы, из которых состоит скелет породы, являются диэлектриками; газовая фаза также представляет собой изолятор электрического тока. Поэтому любая порода, лишенная влаги и не содержащая в значительных количествах углистого вещества, рудных и акцессорных минералов-проводников или полупроводников, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, близким по величине к удельному сопротивлению породообразующих минералов. Однако породы с такой ничтожно малой электропроводностью в естественном залегании встречаются весьма редко. Это связано с тем, что в породе, как правило, содержится в той или иной мере жидкая фаза, удельное сопротивление которой на несколько порядков меньше породообразующих минералов.

Жидкая фаза представляет собой чаще всего минерализованную воду Она содержится в породе в виде прочно связанной, рыхлосвязанной и свободной воды. Кроме того, в некоторых минералах может содержаться химически связанная вода. При тех напряжениях электрического поля, которые имеют место в электроразведке, электропроводность пород определяется главным образом свободной и рыхлосвязанной водой. Последняя образует тонкие пленки на поверхности кристаллов и удерживается в породе силами поверхностного натяжения. В этой воде (гигроскопическая вода) концентрация ионов повышена и электропроводность ее в несколько десятков раз больше, чем у свободной воды. Ясно, что фактор водонасыщенности играет главнейшую роль в формировании удельного электрического сопротивления горной породы.

На рисунке показаны результаты экспериментальных работ с малопористыми интрузивными и эффузивными породами, известняками и доломитами. Пористость их варьирует от 0,7 до 4 %, влагонасыщенность пор (Кв) изменяется от 0 до 100 %.

Из приведенного материала видно, во-первых, что с увеличением водонасыщенности сопротивление всех пород существенно снижается и, во-вторых, что на величину сопротивления, характер его изменения с наполнением пор водой значительное влияние оказывает коэффициент пористости. Это отчетливо видно на следующем рисунке.

Характерным в приведенной зависимости является то, что при малых значениях коэффициента пористости незначительные изменения его приводят к резкому изменению сопротивления породы, когда коэффициент пористости больше 2 %, градиент сопротивления заметно снижается, а при более высокой пористости пород (свыше 5—10 %) он становится в первом приближении постоянным.

Удельное сопротивление осадочных пород, Эл. параметр пористости и пр.

Чистые (неглинистые) породы. Рассмотрим удельное сопротивление ρВ.П породы, 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 ρВ - удельное сопротивление воды, насыщающей породу; кП - коэффициент пористости в долях единицы.

Если направление, в котором измеряют удельное сопротивление, и направление капилляров не совпадают,

где Тэл— отношение длины капилляра к кратчайшему расстоянию между соответствующими гранями куба породы.

Аналогично выражение для удельного сопротивления ρВ.П породы с извилистыми капиллярами, 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 Т2эл.

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:

РП = ρВ.П/ ρВ

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 .

Однако геометрия порового пространства реальных осадочных пород настолько сложна и разнообразна, что целесообразность применения теоретических выражений для описания характера связи между РП и kП весьма ограничена. Для практических целей удобнее выражать связь между РП и kП эмпирическими формулами

где а и m — константы, которые определяют экспериментально для коллекции образцов, представляющей изучаемый геологический объект.

Величину m называют показателем цементации породы. При a = 1 и m = 1 приходим к формуле «идеальных» капилляров. С усложнением геометрии пор m становится больше 1; отличие m от 1 тем больше, чем сложнее геометрия пор.

Эти зависимости изображают прямыми в двойном логарифмическом масштабе. Наклон прямых растет с усложнением геометрии пор, т. е. с ростом m и Т. Зависимости Pп = f(kп), образуют пучок прямых, проходящих через точку с координатами РП = 1, kП=l.

На практике чаще используют зависимость PП = f(kП) при а = 1. При отсутствии влияния глинистости наиболее характерными являются следующие значения m:

  1.  для хорошо отсортированных песков и слабосцементированных песчаников m = 1.3 ÷ 1.4;
  2.   для терригенных и карбонатных пород с межзерновой пористостью хорошо сцементированных m = 1.8 ÷ 2;
  3.  для пород с каверново-межзерновой пористостью m>2, причем величина m тем больше, чем выше каверновая составляющая величины kП и чем больше размеры каверн; для плотных сцементированных пород, содержащих трещины, величина m существенно ниже значения m = 1.8 ÷ 2, характерного для таких пород при отсутствии трещин, в пределе m→1.

Удельное сопротивление воды, насыщающей породу, находят, используя эмпирические зависимости полученные ранее, 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.

Влияние глинистости сильно усложняет картину, сейчас на ней останавливаться не будем.

Частичное водонасыщение

Удельное сопротивление ρН.П породы с частичным водонасыщением объема пор определяется выражением

где РН — параметр насыщения, предложенный В. Н. Дахновым, показывающий, во сколько раз возрастает величина ρН.П частично водонасыщенной породы по сравнению с ее удельным сопротивлением ρВ.П при полном насыщении водой объема пор.

Величина РН зависит от объемной влажности ω или коэффициента водонасыщения кВ, а также от геометрии объема, занимаемого в порах остаточной водой. Для идеального грунта, в котором остаточная вода образует цилиндрическое кольцо постоянной по длине капилляра толщины, тогда как центральную часть капилляра занимает нефть или газ.

При усложнении геометрии токопроводящего пространства за счет появления извилистости капилляров, шероховатости поверхности твердой фазы, прерывистости слоя пленочной воды и т. д. величина РН описывается выражением

где Тэл — электрическая извилистость токопроводящих путей в рассматриваемом объекте.

Как и для параметра Рп были получены теоретические выражения параметра Рн, справедливые для конкретных простых моделей пористой среды с частичным водонасыщением. Однако практической ценности эти выражения не представляют, поскольку реальные модели нефтегазонасыщенных коллекторов значительно сложнее использованных при теоретических расчетах. Поэтому связь между параметрами РН  и kB выражают эмпирическими формулами

где а и n константы, характеризующие определенный класс продуктивного коллектора.

Рассмотрим наиболее характерные виды связей и их особенности, установленные различными исследователями для реальных коллекторов нефти и газа на обширном экспериментальном материале.

  1.  Для межзерновых гидрофильных коллекторов, терригенных и карбонатных, в значительном диапазоне изменения kB зависимости PH=f(kB) характеризуются указанными уравнениями. Значения 1,3<n<1,6 типичны для глинистых терригенных коллекторов, значения 1,8<n<2 - для хорошо сцементированных слабоглинистых карбонатных и терригенных пород.
  2.  В коллекторах со сложной геометрией пор зависимости PН = f(kB) существенно отличны от зависимостей для межзерновых коллекторов. Так, для кавернозной породы 1<n<1,3, а для трещиноватой n >> 2. Для трещиновато-кавернозной породы возможны различные n в зависимости от того, какое влияние преобладает на величину ρН.П — трещин или каверн. При взаимной компенсации этих влияний наиболее вероятно п = 2.
  3.  В гидрофобных коллекторах с межзерновой пористостью, а также смешанного типа (межзерновые поры, каверны, трещины) n>2, причем отличие n от 2 тем больше, чем выше степень гидрофобизации коллектора. Это объясняется резким увеличением извилистости токовых линий благодаря прерывистости пленки воды на поверхности пор, вызванной гидрофобизацией.

Удельное сопротивление полностью водонасыщенной породы при пластовых условиях ρп(р, pпл, Т) - горном давлении р, пластовом давлении рпл, пластовой температуре Т — отличается от удельного сопротивления той же породы при атмосферных условиях рп(0). При насыщении породы водой с минерализацией, отвечающей диапазону минерализации пластовых вод большинства нефтяных и газовых месторождений Св = 20 - 200 г/л, величина рп при пластовых условиях выше, чем при атмосферных. Для оценки величины рп(р, рпл, Т) при известных значениях рп(0), р, рпл, Т пользуются уравнением

В правой части уравнения - три множителя, которые характеризуют следующее:

изменение ρП с ростом рэф при рпл = const, Т=const;

изменение ρП с ростом рпл при p = const, Т = const;

изменение ρП с ростом Т при р = const, рпл = const.

Методы измерения

Есть методы, позволяющие определять только удельное электрическое сопротивление пород и способы совместного определения их сопротивления и диэлектрической проницаемости.

  1.  Метод вольтметра и амперметра. Его используют в лабораторных условиях для определения удельного сопротивления породы по образцам правильной геометрической формы. При этом измеряются: сила тока, проходящего по образцу, падение напряжения на образце, геометрические размеры образца (площадь поперечного сечения S и длина L). По этим данным вычисляется удельное сопротивление:

  1.  Электролитический метод с использованием двух жидкостей. Метод применим для определения удельного сопротивления породы по образцу произвольной формы. В этом случае измеряется падение напряжения между точками MN в каждой ванночке, когда в них нет образца (ΔV01 и ΔV02) и с образцом (ΔV1 и ΔV2). Удельное сопротивление образцов рассчитывается по формуле

здесь ρ01 и ρ02 - удельные сопротивления жидкостей, в качестве которых целесообразно использовать воду (ρ=10 - 30 Ом·м) и глицерин (р≈104 Ом·м).

  1.  Метод резистивиметра. Его применяют для определения удельного сопротивления природных растворов. Прибор представляет собой сосуд любой формы из материала, не проводящего электрический ток. В стенку сосуда вмонтированы четыре электрода. Исследуемую жидкость наливают в сосуд, затем производят измерение силы тока, пропускаемого через два электрода, и напряжения между другой парой электродов. Удельное сопротивление жидкости рассчитывают по формуле

Коэффициент К находят путем градуировки резистивиметра с помощью жидкости, удельное сопротивление которой известно. Чаще всего это водный раствор поваренной соли, удельное электрическое сопротивление которой определяется по концентрации соли.

  1.  Определение удельного сопротивления по данным каротажа скважин. На диаграмме КС (кажущегося сопротивления), где предварительно намечается местоположение пластов, производится осреднение значений кажущегося сопротивления в пределах каждого интересующего пласта. Для пластов, мощность которых значительно превосходит длину зонда, а длина зонда, в свою очередь, много больше диаметра скважины плюс мощности зоны проникновения бурового раствора в пласт, определенное среднее значение кажущегося сопротивления можно принять за истинное удельное сопротивление породы пласта. Во всех других случаях для определения удельного сопротивления пород необходимо располагать данными бокового каротажного зондирования, по результатам которого с помощью палеток или ЭВМ находится истинное удельное сопротивление породы.
  2.  Определение удельного сопротивления пород с помощью вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ). В наиболее простом случае (двухслойный геоэлектрический разрез) удельное сопротивление пород можно определить по кривой ВЭЗ с помощью палетки. Когда породы в своем залегании образуют в совокупности трех- и более слойный геоэлектрический разрез, определение удельного сопротивления пород промежуточных слоев в большей части случаев по данным только ВЭЗ из-за проявления принципа эквивалентности становится невозможным. В такой ситуации необходимо привлекать дополнительную информацию - обычно о мощности слоев, слагающих разрез. Поэтому параметрические ВЭЗ проводят, как правило, на точках, где пробурены скважины, т.е. где известны мощности слоев. По данным каротажа скважин и ВЭЗ получаются наиболее достоверные данные об удельном электрическом сопротивлении пород.
  3.  Мостиковый метод. Он применяется для определения диэлектрической проницаемости горных пород и удельного электрического сопротивления. Схема установки показана на рисрисунке. В одно из плеч мостика включен испытуемый образец в виде пластины, зажатой между двумя металлическими электродами, образующими конденсатор емкостью Сх и сопротивлением утечки Rx. Процесс измерения заключается в подборе сопротивления R0 и емкости С0, выравнивающих напряжения в плечах мостика. Определив Rx и Сх которые при балансе мостика равны Rx=R0, Сх0 можно найти удельное электрическое сопротивление и диэлектрическую проницаемость образца по формулам:

Здесь L - толщина образца (расстояние между пластинами); S— площадь пластины.

В качестве индикатора баланса моста при звуковых частотах используется ламповый вольтметр или осциллограф, при высоких частотах — радиокомпаратор. В области частот 105 - 108 Гц для определения ρ и ε применяют резонансный метод, элементами которого являются эталонная катушка и испытуемый конденсатор; на более высоких частотах используют коаксиальную линию, волновод или объемный резонатор, в которых определяют изменения стоячей волны при замене в них воздуха испытуемой породой.

PAGE  9


а

б

Энергетические уровни в атоме и их распределение в кристаллах:

а - с перекрытием; б - без перекрытия зон


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58986. Вечір зустрічі випускників 46.5 KB
  Лютий знов запросив у ліцей І теплом у душі зустрічає. Ведуча: Так змужніли і так підросли Не впізнати з ліцейної парти Ви у пошуках мрії йшли бо її пошукати варто. Ведучий: Чи збулися надії чи ні Вам про це турбуватись не треба...
58987. Вивчаємо Чарльза Діккенса 62.5 KB
  Charles Dickens began to write at a time when the labour movement, known as the Chartist movement, was at its height. Continuous demonstrations in defense of workers rights took place in many manufacturing towns and in London as well.
58988. Вивчення новели на уроках зарубіжної літератури в школі 30.5 KB
  Новела як прозовий жанр близька до оповідання. Але якщо оповідання дає ширшу й докладнішу картину життя, наближаючись до повісті, а події розвиваються порівняно спокійно й у хронологічній послідовності, то новела - це дуже короткий твір переважно про одну якусь надзвичайну подію, що стала поворотною в долі персонажа чи кількох головних персонажів.
58989. Види мистецтва та специфіка їх художньо-образної мови 34 KB
  Мета: ознайомити учнів з поняттями мистецтво про просторові часові та просторовочасові синтетичні види мистецтв; поняттям образ у мистецтві Обладнання: презентація Види і мова мистецтва ОСК Тип уроку: засвоєння нового матеріалу.
58991. Урок виховання любові до природи. Вмійте природу любити 55.5 KB
  Тож давайте за розум візьмемося ми Чисте повітря і воду живу Будемо завжди берегти. Сьогодні ми поговоримо про нас людей які нищать природу: зривають квіти руйнують пташині гнізда ламають дерева забруднюють водойми повітря щоб тільки задовольнити свої забаганки збагатитися.
58992. Воєнно-політичні події 1650-1653 рр 64 KB
  Після укладення угоди з поляками татари почали вимагати від Хмельницького припинення воєнних дій а від короля виконання умов Зборівської угоди. Уже втретє хан зрадив Хмельницького. Лупул звернувся по допомогу до Хмельницького.
58993. Голодомор в Україні. Позакласний захід вшанування памяті тих, хто загинув в 1932-1933 роках 60.5 KB
  Радянський уряд, яким керував Йосиф Сталін, вимагав від робочих все більше хліба, мяса, молока. Бідні селяни перебивались з хліба на картоплю, але згодом і цього не стало. Люди ховали картоплю, зерно в ями, де тільки можна, та нічого не втаїли від ока збирача.
58994. Голодомор в Україні 1932-1933 рр. Причини, наслідки 53 KB
  Ініціаторами знищення непокірних українців були Ленін і Сталін. Саме Сталін і його прибічники наказали відібрати в українських селян усе, що вони виростили на полях, щоб людям зимою не було чого їсти. І цей наказ старанно виконали...