Что показывает относительная диэлектрическая проницаемость горной породы
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:
,
Выражая электрическое поле в породе через вектор электрической индукции 
(количество электричества, которое поле способно индуцировать на единицу площади), получим:
, (1.8.1)
где 
— диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная).
В переменных электромагнитных полях диэлектрическая проницаемость выражается комплексной величинойи зависит от частоты поля, т.е. наблюдается дисперсия диэлектрической проницаемости.
. (1.8.2)
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 
. Согласно уравнению Клаузиуса – Моссотти:
. (1.8.3)
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:
, (1.8.4)
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 неравновесным и сопровождается интенсивным поглощением энергии поля в виде тепловой энергии, т.е. всегда 
>0 для всех веществ и при всех частотах.
Диэлектрическая проницаемость минералов находится в пределах от 3 до 150 и выше.
Диэлектрическая проницаемость воды зависит от концентрации и состава растворенных в ней солей. Для бинарных электролитов можно воспользоваться формулой Фалькенгагена:
,
Диэлектрическая проницаемость смесей воды и нефти (у воды e=81, у нефти e=2-4) зависит от их объемного соотношения
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
«Петрофизика»
Лекционный материал по теме № 7
В лекции рассматриваются следующие темы:
Электрические свойства веществ. Электрические свойства химических элементов и минералов. Удельное электрическое сопротивление. Удельное электрическое сопротивление осадочных горных пород. Модели электропроводности осадочных пород. Параметр пористости (относительное сопротивление горных пород). Основные факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление минералов и горных пород. Влияние температуры и давления на удельное сопротивление пород. Диэлектрическая проницаемость минералов и горных пород. Диэлектрическая проницаемость водонасыщенных пород. Влияние температуры и давления на диэлектрическую проницаемость. Методы определения удельного электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости. Вызванная электрохимическая активность осадочных, магматических и метаморфических пород. Естественная электрохимическая активность. Диффузионно-адсорбционные свойства горных пород. Методы определения электрохимических свойств пород. Фильтрационные потенциалы. Пьезоэлектрический и сейсмоэлектрический эффекты. Анизотропия электрических свойств горных пород. Пределы изменения электрических параметров различных типов пород.
1. Электрические свойства веществ
К основным электромагнитным свойствам горных пород относятся:
— удельное электрическое сопротивление (или проводимость) (ρ);
— электрохимическая активность (α);
Помимо основных характеристик, при изучении электромагнитных полей используются и другие электромагнитные параметры, которые могут быть определены по числовым значениям основных характеристик. К ним относятся: волновое число среды, а также его компоненты – электромагнитный коэффициент среды, фазовая постоянная и коэффициент поглощения, волновое сопротивление (импеданс) среды, диэлектрические потери и время релаксации.
Применимость различных электроразведочных методов обуславливается разницей в электрических свойствах объектов поиска и вмещающей среды. В электроразведке используют многие электрические свойства пород, но важнейшим из них, измеряемым почти во всех методах, является удельное электрическое сопротивление ρ.
Удельное электрическое сопротивление это сопротивление, которое оказывает кубический метр горной породы электрическому току:
Способность горных пород пропускать электрический ток определяется их электропроводностью:
Процесс электропроводности обуславливается направленным движением заряженных частиц (ионов, электронов, дырок) под действием внешнего электрического поля.
Диэлектрическая проницаемость характеризует способность вещества изменять напряженность первичного электрического поля вследствие явления поляризации, т.е. упорядоченной ориентировки связанных электрических зарядов. При этом величина ε показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия (напряженность электрического поля) между электрическими зарядами уменьшается по сравнению с вакуумом.
В высокочастотном электромагнитном поле плотность полного электрического тока является суммой токов проводимости и токов смещения:
Абсолютная диэлектрическая проницаемость εа определяется отношением электрической индукции D к напряженности электрического поля E:
Если диэлектрическая проницаемость вакуума обозначить через ε0, то относительная диэлектрическая проницаемость среды:
Диэлектрическая и магнитная проницаемости играют значительную роль лишь при электроразведке на высоких частотах. Относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо воздуха в него поместить данную породу.
Под электрохимической активностью понимается свойство пород создавать естественные постоянные электрические поля. За электрохимическую активность α условно принимается коэффициент пропорциональности между потенциалом U или напряженностью естественного электрического поля и основными потенциал-образующими факторами, которыми они обусловлены.
Такими факторами являются: концентрация кислорода, водородный показатель кислотности подземных вод, отношение концентрации подземных вод, давление и др.
Коэффициент α измеряется в милливольтах.
Способность пород поляризоваться, т.е. накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после отключения этого тока оценивается коэффициентом поляризуемости η («эта»). Величина η вычисляется в процентах как отношение напряжения, которое остается в измерительной линии МN по истечении определенного времени (обычно 0,5-1 с) после размывания токовой цепи ΔUВП к напряжению в той же линии при пропускании тока ΔU, т.е.:
Диэлектрическая проницаемость минералов и горных пород
При определенной частоте электрического поля, температуре и давлении в породе (минерале) индуцируются различные виды поляризаций, которые способствуют возникновению внутреннего поля, направленного обратно к полю приложенному. Вследствие этого напряженность приложенного поля ослабляется по отношению к индуцированному полю. Это ослабление характеризует величина ε = ¯D /¯E – названная диэлектрической проницаемостью, где ¯D = электрическая индукция поля, т.е. количество электричества, которое поле способно индуцировать на единицу площади), а ¯E величина электрической напряженности поля, т.е. сила, действующая на единицу электрического заряда:
Размерность: [ε] = [D] /[E] = A/м 2 : B/м = (А×С)/(В×м)=К 2 /(Н×м 2 ) = Ф/м
Для свободного пространства этот коэффициент обозначается как eо:
Абсолютное значение диэлектрической проницаемости используется редко. Чаще и при теоретических, и при практических работах оперируют относительной диэлектрической проницаемостью, определяемой зависимостью:
Если в пустом пространстве индукция
то в пространстве с диэлектрической проницаемостью e
Величина диэлектрической восприимчивости вещества c пропорциональна числу молекул п, содержащихся в 1 см 3 вещества, и коэффициенту поляризуемости молекулы а этого вещества, т. е.
С повышением давления у большинства минералов наблюдается рост диэлектрической проницаемости. Однако есть минералы (галит, сильвин) с обратной зависимостью.
Для минералов характерна анизотропия диэлектрической проницаемости, расхождения в значениях ее по разным кристаллографическим осям могут достигать 30%.
У большинства минералов, лишенных влаги, при повышении температуры до 200-300°С диэлектрическая проницаемость остается постоянной или слабо увеличивается, а затем резко возрастает.
Диэлектрическая проницаемость горных пород в общем выше, чем у минералов (табл. 4.10). Это объясняется повышенной влагонасыщенностью горных пород по сравнению с минералами.
(4.7)
У изверженных пород, как и у минералов, диэлектрическая проницаемость растет с ростом плотности. Отмечено, что диэлектрическая проницаемость увеличивается с повышением основности пород и степени метаморфизма.
Диэлектрическая проницаемость осадочных пород определяется главным образом влагонасыщенностью. Наряду со свободной водой в процессе поляризации участвуют адсорбированный слой ионов, ориентированные молекулы воды, диффузионно-рассеянное облако ионов. На все это накладывают свой отпечаток концентрация и состав растворенных в воде веществ. В природных водах обычно преобладает хлористый натрий, который оказывает заметное влияние на диэлектрическую проницаемость пород (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Влияние концентрации NaCl на величину диэлектрической проницаемости доломитов при разных частотах (по Э. И. Пархоменко)
кварцсодержащие осадочные породы имеют меньшую диэлектрическую проницаемость, поскольку диэлектрическая проницаемость кварца значительно меньше, чем у других минералов этих пород,
Рис. 4.10. Зависимость диэлектрической проницаемости граносиенита от температуры
Глава 6 Электрические свойства минералов и горных пород
6.1 Электрические свойства веществ
К основным электромагнитным свойствам горных пород относятся:
удельное электрическое сопротивление (ρ), электрохимическая активность (α), поляризуемость (η), диэлектрическая (ε) и магнитная (μ) проницаемости.
Помимо основных характеристик, при изучении электромагнитных полей используются и другие электромагнитные параметры, которые могут быть определены по числовым значениям основных характеристик. К ним относятся: волновое число среды, а также его компоненты – электромагнитный коэффициент среды, фазовая постоянная и коэффициент поглощения, волновое сопротивление (импеданс) среды, диэлектрические потери и время релаксации.
Применимость различных электроразведочных методов обуславливается разницей в электрических свойствах объектов поиска и вмещающей среды. В электроразведке используют многие электрические свойства пород, но важнейшим из них, измеряемым почти во всех методах, является удельное электрическое сопротивление ρ.
Из электрических характеристик горных пород наиболее полно изучена удельная электропроводность среды или обратная ей величина – удельное электрическое сопротивление ρ.
Удельное электрическое сопротивление это сопротивление, которое оказывает кубический метр горной породы электрическому току:
, (6.1)
Способность горных пород пропускать электрический ток определяется их электропроводностью:
(6.2)
Диэлектрическая проницаемость характеризует способность вещества изменять напряженность первичного электрического поля вследствие явления поляризации, т.е. упорядоченной ориентировки связанных электрических зарядов. При этом величина ε показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия (напряженность электрического поля) между электрическими зарядами уменьшается по сравнению с вакуумом.
В высокочастотном электромагнитном поле плотность полного электрического тока является суммой токов проводимости и токов смещения:
, где 
. (6.3, 6.4)
Абсолютная диэлектрическая проницаемость εа определяется отношением электрической индукции D к напряженности электрического поля E:
Если диэлектрическая проницаемость вакуума обозначить через ε0, то относительная диэлектрическая проницаемость среды:
( отн. Ед), (6.6)
где диэлектрическая проницаемость вакуума 
Диэлектрическая и магнитная проницаемости играют значительную роль лишь при электроразведке на высоких частотах. Относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо воздуха в него поместить данную породу.
Под электрохимической активностью понимается свойство пород создавать естественные постоянные электрические поля. За электрохимическую активность α условно принимается коэффициент пропорциональности между потенциалом U или напряженностью естественного электрического поля и основными потенциал-образующими факторами, которыми они обусловлены.
Такими факторами являются: концентрация кислорода, водородный показатель кислотности подземных вод, отношение концентрации подземных вод, давление и др.
Коэффициент α измеряется в милливольтах.
Способность пород поляризоваться, т.е. накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после отключения этого тока оценивается коэффициентом поляризуемости η («эта»). Величина η вычисляется в процентах как отношение напряжения, которое остается в измерительной линии МN по истечении определенного времени (обычно 0,5-1 с) после размывания токовой цепи ΔUВП к напряжению в той же линии при пропускании тока ΔU, т.е.:
(6.8)
6.2. Удельное электрическое сопротивление элементов и минералов
Атомы химических элементов характеризуются определенной величиной электрического заряда. В свободном состоянии атомы являются электрически нейтральными, поскольку отрицательные заряды электронов скомпенсированы равными по величине положительными зарядами протонов ядра.
Электрический ток возникает под действием внешнего электрического поля или других факторов вследствие движения электронов, внешней электронной оболочки, что обуславливает периодичность величины сопротивления и характера проводимости.
Элементы каждого периода, имеющие незаполненные внешние орбиты, характеризуются высокой проводимостью, а в конце периода – высоким сопротивлением. По природе электропроводности выделяются проводники, полупроводники и диэлектрики. Природа полупроводников и диэлектриков, обусловлена малой подвижностью электронов заполненных орбит.
Наиболее высокими полупроводниковыми параметрами характеризуются германий, селен, теллур и некоторые редкие элементы.
Минералы по удельному сопротивлению можно разбить на три группы:
1. плохие проводники ρ> 10 8 Ом.м
Наиболее часто приходится сталкиваться с влиянием на величину удельного электрического сопротивления следующих факторов:
· водонасыщенность породы (влажность);
· минерализация поровой влаги (степень засоленности);
· пористость, структура порового пространства;
· литологический состав пород, глинистость;
Поровая влага является обязательным компонентом горных пород. Она оказывает значительное влияние на величину удельного электрического сопротивления практически всех пород. Понижающее воздействие влаги на электрическое сопротивление пород обусловлено тем, что ее сопротивление на много порядков меньше сопротивления большинства породообразующих минералов. Характер количественной зависимости электрического сопротивления от влажности определяется типом породы, пористостью, проницаемостью (рис.6.1). Даже небольшие изменения в содержании влаги (пористость колеблется от 1,4 до 2,8 %) приводят к резкому снижению величины удельного электрического сопротивления (на 2-4 порядка).
Рис.6.1. Зависимости удельного электрического сопротивления интрузивных и эффузивных пород от коэффициента водонасыщения (н.Б.Дортман)
1- перидотит с пористостью kп =1,4%; 2 – гранит, kп = 2,8%; 3 – габбро, kп = 2,8%; 4 – диабаз, kп = 2,7%; 5 – порфирит, kп = 2,7%; 6 – кварцевый порфир, kп = 3,2%; 7 – базальт kп = 4%.
Удельное электрическое сопротивление рыхлых песчано-глинистых пород плавно уменьшается с ростом влажности.
Минерализация подземных вод оказывает определяющее влияние на величину удельного электрического сопротивления. Электропроводность подземных вод зависит от их состава и, особенно, от концентрации растворенных в них солей. Значение ρв водного раствора электролита рассчитывается по формуле:
, (6.10)
где Сa и Ck – число грамм-эквивалентов анионов и катионов; Ua и Uk – подвижность анионов и катионов; fa и fk – коэффициенты электропроводности для анионов и катионов, зависящие от концентрации и химического состава растворенных солей.
Насыщенность солями природных вод, а следовательно, их сопоставление зависят от состава и генезиса, от климатических условий и рельефа местности. В платформенных областях по мере удаления на юг концентрация вод увеличивается от 0,1-0,5 г/л (Балтийский щит) до 3-5 г/л (Азовский массив).
Степень засоленности пород зоны аэрации также оказывает существенное влияние на удельное сопротивление пород. Однако теснота связи определяется колебаниями влажности пород.
Литологическое расчленение разреза, учитывая многообразие факторов, влияющих на геофизические параметры, является одной из наиболее сложных задач. В песчано-глинистых разрезах литологический состав определяется в основном степенью глинистости или дисперсности пород.
В случае сильнозасоленных пород выполнить расчленение песчано-глинистого разреза по величине удельного электрического сопротивления практически невозможно. При отсутствии засоления наблюдается хорошая дифференциация разреза по величине удельного сопротивления.
В карбонатных породах основное влияние на величину удельного электрического сопротивления оказывает водонасыщенность и трещиноватость. Наличие в трещинах глинистого материала снижает величину ρ. Наиболее высоким удельным сопротивлением характеризуются доломиты и плотнокристаллические известняки.
Глубина залегания, степень метаморфизма, структура и текстура породы также влияют на ее сопротивление, изменяя коэффициент микроанизотропии, за который принято брать:
, (6.11)
где ρn и ρl— сопротивления породы вкрест и вдоль слоистости. Чаще всего λ меняется от 1 до 1,5, достигая 2-3 у сильно рассланцованных пород. Величина λ может достигать нескольких единиц для мерзлых пород разной криогенной структуры и льдовыделения.
6.4. Электрические свойства горных пород
Несмотря на зависимость удельного электрического сопротивления от множества факторов и широкий диапазон изменения у разных пород, основные закономерности УЭС установлены достаточно четко.
Как отмечалось выше, магнитная проницаемость громадного большинства пород равна магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость может возрастать до 10 единиц.
Естественная электрохимическая активность горных пород характеризует возникшие в горных породах электрические поля под действием ряда физико-химических процессов. К числу таких процессов относятся: диффузионные, диффузионно-абсорбционные фильтрация пластовых вод в пористой среде, окислительно-восстановительные реакции, происходящие на контакте ионных и электронных проводников.
Диффузионная активность. На границе соприкасающихся водных растворов электролитов с различной концентрацией происходит диффузия ионов в направлении меньших концентраций. Анионы и катионы электролита, обладая различной подвижностью, создают асимметрию в распределении зарядов. В менее концентрированном растворе накапливается избыток зарядов со знаком более подвижного иона. И, наоборот, в более концентрированном растворе создается избыток зарядов со знаком менее подвижного иона. Вследствие этого возникает диффузионное электрическое поле, противодействующее дальнейшему процессу диффузии и разделение зарядов. В результате взаимодействия двух противоположно направленных процессов устанавливается равновесие, при котором перемещение зарядов диффузией компенсируется обратным переносом их электрическим током.
Наибольшей поляризуемостью отличаются руды с электронной проводимостью (сульфиды, сульфосоли, некоторые самородные металлы, отдельные окислы, графит, антрацит). Природа этих потенциалов связана с так называемой концентрационной и электродной поляризацией рудных минералов. Коэффициенты поляризуемости до 2-6% наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными породами, в которых имеются глинистые частицы. Поляризуемость их обусловлена деформациями внешних обкладок двойных электрических слоев, возникающих на контакте твердой и жидкой фазы. Большинство изверженных, метаморфических и осадочных пород, насыщенных минеральной водой, слабо поляризуются (меньше 2%).
6.5. Электрические свойства залежи нефти и газа
Удельное электрическое сопротивление нефтей достигает 10 16 Ом.м. Диэлектрическая постоянная равна 2. Электрическое сопротивление залежей нефти и газа ннефтегазоносных пластов может превосходить сопротивление водоносных пластов в 100 раз и более. Наиболее вероятная величина считается равной 10.
Месторождения нефти и газа характеризуются повышенной поляризуемостью пород, как в области залежи, так и выше нее. Это связано с наличием пирита, образовавшегося благодаря сложным взаимодействиям залежей нефти и газа с вмещающими породами. Поляризуемость пород в контуре залежи может увеличиваться по сравнению с законтурной залежью до5-7 раз. Отмечено, что для нефтяных месторождений поляризуемость выше чем у газовых.
6.6. Методы определения электрических свойств горных пород
Из электрических свойств наибольшее значение для электроразведки имеет удельное электрическое сопротивление ρ и вызванная поляризация η. Изучение диэлектрической проницаемости и естественной поляризации проводят в меньших масштабах.
В лабораторных условиях удельное электрическое сопротивление определяют методами сопротивлений четырехэлектродные и двухэлектродные установки, потенциалов и индукционным методом.
В естественной залегании удельное электрическое сопротивление измеряется при помощи бокового каротажного зондирования (БКЗ), микрозондов (МКЗ), кажущегося сопротивления (КС). Используется также интерпретации кривых зондирования у скважин или измерение электрического сопротивления на обнажения пород.
Контрольные вопросы к главе 6.
1. Назовите основные факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление минералов и горных пород.
2. Как влияет на величину удельного сопротивления карбонатных пород наличие глинистого материала?
3. Почему залежи нефти характеризуются повышенными значениями поляризуемости пород?