§ 9. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД И ПРИНЦИП ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ

При помещении любого вещества в электрическое поле электрические заряды, составляющие вещество (электроны, атомные ядра), испытывают влияние этого поля. В результате часть зарядов начинает направленно перемещаться, образуя электрический ток. Другие заряды будут перераспределяться так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов сместятся друг относительно друга, произойдет поляризация вещества. Соответственно по этим двум процессам вещества делятся на проводники электрического тока (металлы, электролиты, плазмы) и диэлектрики. Горные породы под действием электрического поля поляризуются и относятся к диэлектрикам. При наличии поляризации напряженность поля Е в веществе отличается от напряженности Е0 первичного поля Е = Е0/(1+χ), где χ— диэлектрическая восприимчивость, безразмерная величина, характеризующая способность диэлектрика к поляризации.

Для характеристики диэлектрических свойств среды — ее реакции на электрическое поле,— вводится понятие диэлектрическая проницаемость εп=1+χ, измеряемая в фарадах на метр. В вакууме диэлектрическая восприимчивость χ = 0, а диэлектрическая проницаемость ε0=1Ф/м. Диэлектрическая проницаемость εп является одним из физических свойств горной породы и показывает, во сколько раз возрастает емкость конденсатора, если вместо вакуума между обкладками в качестве диэлектрика поместить ту или иную породу. На практике пользуются безразмерной относительной диэлектрической проницаемостью ε = εп0, показывающей, во сколько раз диэлектрическая проницаемость вещества εп больше диэлектрической проницаемости вакуума ε0.

Диэлектрическая проницаемость горных пород зависит от их состава, содержания в них твердой, жидкой и газообразной фаз, а также от частоты электрического поля и температуры. Главные породообразующие минералы имеют малую ε = 4÷10, а вода при 20 °С —80.

Диэлектрическая проницаемость пород в большой степени зависит от их водонасыщенности. Экспериментально установлено, что εв воды мало зависит от минерализации, а следовательно, и от удельного сопротивления воды ρв и снижается с увеличением температуры. С ростом температуры от 0 до 100 °С εв падает с 88 до 55 отн. ед. Для нефти εн=2÷3, соответственно диэлектрическая проницаемость нефтенасыщенной породы εн = 6÷10. В нефтегазонасыщенных коллекторах εн определяется в основном содержанием остаточной воды, так как εв воды во много раз превышает εн нефти, газа и скелета породы. В первом приближении считают, что

Картинка

На рис. 59, а иллюстрируется линейное увеличение ε с ростом коэффициента водонасыщенности kв для песка, известняка и глин. Высокие значения ε глин (до 50—60) объясняются наличием в них значительного количества связанной воды. Для чистых неглинистых водонасыщенных коллекторов существует также линейная зависимость между ε и kп (рис. 59,б). Таким образом, значения ε, измеренные в скважине, могут быть использованы для прогнозирования характера насыщения коллектора, а при благоприятных условиях — для определения коэффициентов пористости и нефтегазонасыщенности.

Картинка

Для исследования высокочастотного электромагнитного поля, применяемого при диэлектрическом каротаже, используют трехкатушечный зонд, состоящий из генераторной Г и двух измерительных И1 и И2 (или двух генераторных и одной измерительной) катушек (рис. 60). Расстояние между одноименными сближенными катушками зонда является базой зонда Δz, середина этого расстояния соответствует точке записи; расстояние от удаленной катушки до точки записи называют длиной зонда L. С помощью генераторной катушки в скважине возбуждается высокочастотное электромагнитное поле. Волна, распространяющаяся от источника, частично отражается от стенки скважины, а частично проникает1 во вмещающие породы.

Волна, распространяющаяся по скважине, быстро затухает, что обусловлено малым диаметром скважины по сравнению с длиной волны (0,3—0,5 м), а также относительно низким удельным электрическим сопротивлением промывочной жидкости (0,7—1 Ом·м). В породах, окружающих источник, волна распространяется на значительное расстояние, которое возрастает с увеличением удельного сопротивления породы. Проходящая волна, скользя по породе вдоль стенки скважины, образует в скважине преломленную (боковую) электромагнитную волну. Скорость ее распространения соответствует скорости распространения колебаний во вмещающих породах.

Для зондов, длина которых в несколько раз превышает диаметр скважины, поле в точке измерений определяется боковой волной. Путь волны от источника до измерительной катушки слагается из участков АВ, ВС, CD и EF. На участках АВ, CD и EF происходят затухания и фазовый сдвиг колебаний, обусловленные электрическими параметрами скважины, а на участках ВС, СЕ — параметрами пород. Наличие двух измерительных катушек при измерении относительных характеристик обеспечивает исключение влияния скважины. Электромагнитное поле в каждой точке пространства характеризуется фазой φ и амплитудой h, которые зависят от частоты электромагнитного поля ω, типа и размеров зонда, а также от электрических свойств ρп и ε окружающей среды. ЭДС, индуцируемая в измерительных катушках зонда, пропорциональна магнитной компоненте поля. При этом могут регистрироваться следующие характеристики высокочастотного поля в точках расположения измерительных катушек зонда, свободные от влияния скважины: Δφ = φ1—φ2, |hz1—hz2|/hz1 |hz1—hz2|/hz2 и др., где hz — амплитуда суммарного поля; z1 и z2 — расстояние до первой удаленной от непарной и второй ближайшей к непарной измерительных катушек; |hz1—hz2| — разностная амплитуда вторичного поля; Δφ — разность фаз первой φ1 и второй φ2 измерительных катушек.

Влияние среды на поле в сильной мере зависит от отношения ωε/σ, т. е. от соотношения между токами смещения и токами проводимости. С повышением частоты влияние проводимости на фазу снижается и при очень высоких частотах практически исключается даже в породах малого сопротивления. Амплитуда в отличие от фазы испытывает влияние проводимости и на высоких частотах.

В приближенных расчетах разность фаз

Картинка

где aф — фазовая постоянная: aф = ω√εμ (ω= 2πf — частота поля; μ — магнитная проницаемость среды), или

Картинка

где с = 3· 103 м/с.

При ωε/σ≥1 (породы высокого сопротивления), когда токи смещения преобладают над токами проводимости, фазовая постоянная aф не зависит от проводимости среды, и выражение (III.2) с учетом (III.3) записывается следующим образом:

aф=ω√ε/с) Δz, соответственно

Картинка

т. е. для определения ε в заданных условиях достаточно измерить величину aф.

При ωε/σ ≤1 (породы малого сопротивления), когда токи проводимости значительно преобладают над токами смещения, диэлектрическая проницаемость ε среды слабо влияет на характеристики высокочастотного поля; амплитуда и фаза поля зависят в основном от электропроводности среды σ.

В зависимости от измеряемых величин ε или σ различают соответственно два вида электрического каротажа: волновой диэлектрический каротаж — ВДК и диэлектрический индуктивный каротаж — ДИК. Диэлектрический индуктивный каротаж не получил пока промышленного применения.

 

1 В установившихся гармонических колебаниях нет фронта волны, перемещающегося в пространстве, и выражения «волна распространяется», «волна проникает» означают перемещение в пространстве некоторой синфазной поверхности.

Комментариев к статье: 9..
[ Добавить ] комментарий
Поля с пометкой * обязательны для заполнения

*Ваше имя
  Ваш сайт  
  Ваш город
*Ваше сообщение

Код подтверждения
*Код с картинки   @
код на картинке содержит только цифры (0..9) и буквы англ. алфавита (A..Z)