ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Теоретичні основи фізичних і фізико-хімічних процесів, які обумовлюють електричні властивості гірських порід. Питомий електричний опір гірських порід та параметри, що його характеризують

Поляризація гірських порід, натуральна активність

 

2.1.1 Основні електричні параметри та властивості гірських порід. Електричні поля, які вивчає геофізика можна розділити на такі натуральні та визвані (вторинні). Для характеристики цих полів є ряд електричних параметрів, які безпосередньо зв’язані із літологічною будовою породи, її мінералогічним складом та структурою порового простору, а саме:

- питомий електричний опір гірських порід (ρп);

- електропровідність гірських порід (σп);

- параметри пористості (Рп);

- електрична звивистість.

По характеру електропровідності мінералів гірські породи поділяються на провідники, напівпровідники та діелектрики з електронною та іонною провідністю.

Електронна провідність переважає у мінералів напівпровідників (сульфіди і їхні аналоги).

Іонна провідність притаманна мінералам діелектрикам, її роль значно зростає у легко гідролізующих мінералів класу глин, де поряд з типовою іонною електропровідністю спостерігається і електронна. Іонну провідність мають водні розчини солей, які насичують поровий простір гірських порід, питомий опір, яких розраховується:

 

(2.1)

 

де , - концентрація аніонів та катіонів в розчині; , - їх рухливість; , - коефіцієнт електропровідності.

По величині питомого електричного опору мінерали поділяються:

- зверх низького електричного опору (<10-6 Ом·м) самородні метали – золото, платина , срібло і інші метали;

- дуже низького електричного опору ( від 10-6 до 10-2 Ом·м) - графіт, кобальтин, ковелін, нікелін, пірит, холькопірит, халькозин);

- низького опору ( від 10-2 до 102 Ом·м) – брауніт, магнетит, ільменіт, марказит та інші;

- середнього опору ( від 102 до 106 Ом·м) - боксит, галуазит, гематит, залізна слюда, монтморилоніт, серпентин, хроміт;

- високого опору ( від 106 до 1010 Ом·м) – ангідрит, кіновар, монацит і інші;

- дуже високого опору (від 1010 до 1014 Ом·м) кальцій, кварц, польові шпати, сірка, флюорити;

- зверх високі опори (>1014 Ом·м) – галіт, сільвін, слюди, нафта.

Приведена класифікація не є сталою і може частково переходити із групи в групу, в залежності від вмісту та розподілу пороутворюючих мінералів.

Окрім цього питомий електричний опір залежить від температури (t 0С) і частоти (ƒ ) струму, який використовується при вимірюванні електричного опору. При температурі t 0С опір визначається:

 

; (2.2)

 

де ρ0 – опір породи при нульовій температурі; Ρt – параметр температури визначається характером електропровідності. Для електронних провідників:

 

(2.3);

 

де α, δ – сталі.

Залежність Ρt від t ºС близька до лінійної

 

(2.4) ;

 

де ΔΕ – ширина ділянки між енергетичними рівнями, еВ, Κ – стала Больцмана, дорівнює 1,38·10-23 Дж/С0; Tº - абсолютна температура нуля стоградусної шкали.

Залежність питомого опору від частоти струму, оцінюється параметром частоти Pf , який визначається

 

(2.5) ;

де ρ= , ρf відповідно питомий опір мінералу (породи) при нульовій та заданій частоті струму.

Для гірських порід характерна змішана електропровідність з перевагою іонної провідності в осадових породах, тому у більшості гірських порід по електричному опору можна розділити на дві двокомпонентні системи:

1) порода складається із мінералів високого питомого опору і провідних рудних включень;

2) порода складається із породоутворюючих мінералів високого питомого електричного опору та провідних заповнювачів порового простору.

У першому випадку електричний опір породи:

 

(2.6);

 

де ρΠм - питомий опір породоутворюючих мінералів високого опору Пм=ƒ(Kмм) – параметр провідності , де Kм – вміст провідних мінералів у гірській породі.

У іншому випадку:

 

(2.7),

 

де РПН – відповідно параметр пористості та параметр насичення

Для неглинистих порід:

 

- ; (2.8)

де m0 – структурний показник який змінюється в межах від 1,3 до 2,5, чим більше зцементована порода, тим вище значення m0.

При заповнені частини порового простору глинистими частинками, що проводять струм, коефіцієнт Kп в формулі (2.8) може бути заміщений на фіктивне його значення, яке розраховується :

 

(2.9).

 

Для середнього значення пористості Кп залежність (6) приводиться до формули Арчі:

 

(2.10);

 

де ап – коефіцієнт, що змінюється від 0,4 до 1,6 і характерний для глинистих порід; m – середнє значення тангенса нахилу кривої .

Збільшення параметра пористості PП із збільшенням неоднорідності і степеня цементації породи пояснюється збільшенням довжини струмопровідних шляхів, що кількісно оцінюється таким параметром як електрична звивистість Те.

 

; (2.11)

 

де - середня статистична довжина струмопровідних шляхів зразка породи; l – довжина зразка породи.

Згідно теорії електропровідності гірських порід :

 

. (2.12)

 

Фізична суть цього показника полягає в тому, що при Kп ≤ 30 %, величина його визначається величиною електричної звивистості Τе.

Показник змочуваності n0(n) в формулі:

 

; (2.13)

 

де ан – стала близька до одиниці n змінюється в межах від 1,8 до 3,5.

Чим більш гідрофобний колектор, тим вище n0.

Поверхнева провідність зразків гірської породи (Пп)- зменшується із збільшенням відносної глинистості ηгл і відношенням питомого опору ρв до питомого опору ρгл.

Характерною особливістю більшості гірських порід є електрична анізотропія, яка кількісно оцінюється коефіцієнтом анізотропії :

 

; (2.14)

 

де ρп і ρt – питомі опори породи виміряні перпендикулярно і вздовж нашарування.

Як правило для порід теригенного розрізу λ<2 в різних випадках перевищує цю величину.

Для тонкошарових розрізів:

 

; (2.15)

 

де ha, hb – відповідно товщина прошарків та їх сумарна потужність, ρa, ρb – відповідно питомий опір прошарків та питомий середній опір сумарної пачки прошарків.

2.1.2 Полярізація гірських порід. Під дією електромагнітного поля породи здатні поляризуватись та проводити електричний струм, при цьому частина енергії губиться, переходить в теплову (джоулівські втрати в постійному полі і діелектричні втрати в змінному полі). Механізм поляризації гірських порід дуже складний та різний у порід з електронною і іонною електропровідністю. Залежить від частоти поля, температури і тиску.

Види поляризації гірських порід.

Поляризація гірських порід під дією зовнішнього електричного поля. Поляризація зміщення зарядів (електронна, іонна, атомна) в газах і твердих діелектриках f = 106÷107 Гц, τ= 10-15- 10-11с, ε = 4-12.

Поляризація гірських порід під дією зовнішнього електричного поля. Поляризація зміщення зарядів (електронна, іонна, атомна) в газах і твердих діелектриках f = 106÷107 Гц, τ= 10-15- 10-11с, ε = 4-12.

Орієнтаційна поляризація виникає у воді і в деяких газах f = 106÷107 Гц, τ= 10-11- 10-7с, ε = 3-80.

Структурна f = 10÷103 Гц, τ= 10-6- 10-3с, Ав= 2·10-2-5 %.

Електролітична поляризація виникає в породі з включеннями електропровідних мінералів f = 10÷103 Гц, τ= 10- 10-1с, Ав= 2-40 %.

Самовиникаюча поляризація виникає без впливу зовнішнього електричного поля:

а) дифузійно-адсорбційна поляризація Ада= 0-70 мВ;

б) фільтраційна поляризація Аф= 0-2 мВ;

в) окисно-відновна поляризація.

Електронно-релаксаційна поляризація виникає при наявності дефектних дірок і електронів, які активуються тепловою енергією.

Міграційна (макроструктурна об’ємна) поляризація – цей вид допускає наявність провідних компонентів, розділених непровідними. В цьому випадку за короткий проміжок часу позитивні іони, які провідних включень переміщуються по полю, а від’ємні – в протилежному напрямку і затримується в рамках включень, у міжфазній поверхні, так як другий компонент практично не проводить електричний струм. При цьому виді поляризація можлива міграція електронів до аноду і скупчення позитивних іонів на протилежному кінці зерна з електронною провідністю включеного в непровідну фазу.

Поляризація порід в електричному полі зводиться до розділення в породах носіїв заряду різного знаку і появлення в любому об’ємі порід електричного дипольного моменту. По Максвелу густина повного електричного струму в середовищі визначається виразом :

; (2.16)

 

де j¯пр , j¯зм – густина струму відповідно провідника і зміщення.

Згідно закону Ома в диференціальні формі :

 

; (2.17)

 

де σ – питома провідність середовища, Ε – напруженість електричного поля.

Величина струму зміщення j¯зм визначається

 

; (2.18)

 

де D¯ = εa·E¯ - індукція електричного поля, εa – абсолютна діелектрична проникність середовища, причому , де - відносна діелектрична проникність середовища, - 8,85 10-12 Ф/м значення її в вакуумі.

Таким чином:

 

; (2.19)

де .

В постійному і в низькочастотному змінному полях повний струм визначається цілком струмом провідності. Струм провідності виникає безпосередньо під дією електричного поля .

Електропровідність середовища – здатність пропускати електричний струм.

Електричичний опір – здатність середовища перешкоджати проходженню струму.

Питома електрична провідність середовища і її питомий електричний опір рівні відповідно електропровідності і електричному опору одиниці об’єму 1м3 породи. Розмірність відповідно См/м і Ом·м.

Електропровідність середовища обумовлена переносом електричних зарядів електронів, іонів, дірок. В речовинах з електронною провідністю струм розповсюджується завдяки руху електронів.

В діелектриках природа провідності іонна в напівпровідниках – діркова.

Розчини електронів володіють іонною провідністю. В високочастотних полях в середовищах з низкою провідністю представлених діелектриками і напівпровідниками виникає релаксаційна складова струму , яка обумовлює поляризацію порід. В результаті поляризації поряд із основним полем виникає додаткове поле направлене протилежно основному поляризуючому.

Поляризація – характерна для середовищ з низькою провідністю-діелектриків. Виділяють поляризацію наступних типів: а) зміщення; б) орієнтаційна; в) структурна.

Поляризація зміщення (пружна) – виникає в породах, які вміщають зарядженні і взаємозв’язані частинки, здатні зміщатися відносно один одного під дією поля. До цієї групи відносять: 1)електронну; 2) іонну; атомну поляризації. Електрона поляризація – виникає при зміщенні електронів атомів відносно його ядра характеризується часом τ зміщення і релаксації прядка 10-15 с, не залежать від частоти поля ω спостерігається в твердих, рідких і газоподібних речовинах можлива у неполярних атомів і молекул порід (атомів аргону, гелію, ксенону, молекул азоту, кисню водню).

Іонна поляризація – виникає в твердих тілах з іонною кристалічною решіткою, виражається в пружному зміщені іонів відносно вузлів решітки характеризується часом τ= 10-12- 10-13с.

Атомна поляризація – спостерігається в речовинах з валентними кристалами у яких атоми сполучені в молекули завдяки обмінній взаємодії валентних електронів. Час зміщення τ= 10-11- 10-13с. Речовини з поляризацією зміщення характеризуються значенням ε від 4 до 12.

Орієнтаційна поляризація (релаксаційна, дипольна) – обумовлена наявністю в діелектриках полярних молекул, які розміщаються вздовж силових ліній поляризуються поля, характерна для рідин з полярними молекулами, насамперед для води. Час 10-7- 10-10с. Значення ε для рідин від декількох одиниць до 80 (вода).

Різновидністю орієнтаційної поляризації є іонна характерна для кристалів з слабозв’язаними іонами наприклад, для глинистих мінералів, які вміщюють гідрокальну групу. ε > 10-12.

Структурна поляризація спостерігається в неоднорідних середовищах з мінефазними границями. Значення τ= 10-1- 10-6с. В залежності від складу фаз виділяють: а) міграційна (τ= 10-6- 10-3с); б) концентраційно-дифузійну (τ= 10-1- 10с; в) електролітичну. τ - одиниці, десятки секунд і більше. Структурна поляризація не грає ролі при вивчені ε в полях з частотою більш одиниць мегагерц, але є основною при формуванні полів, які вивчаються різними методами .

Атомна поляризація – спостерігається у порід з валентними кристалами із різносортних атомів, які зв’язані з молекулами силами обмінної взаємодії.

2.1.3 Діелектрична проникність ( ). Вона характеризує поляризацію порід під дією електромагнітного поля. Вона показує у скількі разів зменшилась напруженість Е електричного поля у породі по відношенню до напруженості Е0 у вакуумі та розраховується за формулою:

 

, (2.20)

де абсолютна діелектрична проникність;

-діелектрична проникність у вакуумі, рівна одиниці.

Електропровідність - властивість гірських порід проводити струм (електричні заряди), електроопір - перешкоджати його проходженню. Процес електропровідності зводиться до руху (дрейфу, міграції) носіїв зарядів (іонів, електронів, дірок) в напрямку відповідних електродів, за допомогою яких в розглядуване середовище вводиться струм. Повний струм являє собою результуючу трьох струмів: а) провідності, б) адсорбційного (пов'язаного з релаксаційними видами поляризації), в) ємнісного.

При струмі провідності вільні та слабозв'язані іони, електрони і дірки (якщо в склад породи входять напівпровідники і провідники) проходять об'єм породи між електродами і передають їм свій заряд безпосередньо (електрони і дірки) або шляхом електрохімічних реакцій (іони).

Адсорбційний не провідний струм, спадаючий в часі обумовлюється становленням всіх повільних (релаксаційних і міграційних) видів поляризації. При цьому електрони або іони, що проходять в породі деяку відстань, припиняють свій направлений рух. Адсорбційні струми сприяють нагріванню взірця і втратам енергії прикладеного поля; вони мають активну і реактивну складові.

Ємнісний струм виникає в породі внаслідок поляризації зміщення і зарядженню геометричної міжелектродної ємності.

В постійному полі стаціонарний (встановлений) струм практично не має в якості складових адсорбційного і ємнісного струмів. Втрати в цьому випадку пов'язані з наскрізною електропровідністю. Постійний струм (І) пропорційний напруженості електричного поля (Е) і січенню взірця породи (F):

 

І = σ×F×E, (2.21)

 

де σ - питома електропровідність, См/м.

В полях змінного струму так, як і в постійних полях, справедливий закон Ома, проте в диференційній формі:

 

Jп=σ×Е, (2.22)

 

де Jп - густина струму у породах, що виникає в змінному

електромагнітному полі та являється векторною сумою

активної (Jа) і реактивної (Jр) складових Jп= Jа+ Jр;

σ - величина, що враховує те, що в перемінному полі є струми

зміщення і провідності;

Е - напруженість електричного поля у породі.

Таким чином комплексна питома електропровідність σ порід визначається не тільки струмом провідності, але й струмами обумовленими всіма встигнувши розвинутись видами поляризації.

Гірським породам притаманні всі складові струмів, так як провідні компоненти змішані з ізоляторами і електролітом.

При накладанні на породу перемінного електричного поля частина його енергії втрачається (переходить в тепло). Ці втрати нерідко значно перевищують ті ж втрати в постійному полі і називаються діелектричними.

Вони поділяються на втрати від провідності, релаксації, визначені тепловою поляризацією і зв'язані з іншими видами поляризації. Діелектричні втрати характеризуються відношенням активного струму до реактивного або значенням кута δ діелектричних втрат в трикутнику струмів та напруг (рис. 2.1). Ці величини частіше використовуються в якості електричних характеристик для порід в змінних полях, чим питома комплексна електропровідність σ. Відношення активної та реактивної складових густини струму визначається тангенсом кута δ:

 

tg δ= Jа/ Jр. (2.23

 

Кут δ доповнює до 90 кут зсуву фаз між повним змінним струмом, що протікає через конденсатор з зразком діелектриком, і напругою між його пластинами.

 

Рисунок 2.2Зв’язок між повним струмом j що протікає E через конденсатор з зразком діелектриком, і напругою між його пластинами.

 

Отже, гірські породи проводять електричний струм, поляризуються під його дією та при контакті з електролітом, або при продавлюванні останнього через ці середовища. Проходження через породу струму (особливо змінного) супроводжується енергетичними втратами. Різноманітну участь гірських порід в цих процесах характеризують: питома електропровідність σ (або питомий електричний опір ρ ), діелектрична проникність ε , тангенс кута діелектричних втрат tg δ, викликана Ав, дифузійно-адсорбційних Ада і фільтраційна Аф активності. Значення всіх цих величин змінюються в широких межах, які обумовлені мінеральним складом, структурою, термобаричними умовами утворення порід, змінами цих особливостей та умовами залягання порід впродовж їх життя.

Електричні величини знаходяться в тісній залежності одна з одною і з рядом інших важливих петрофізичних величин. Тому нерідко з достатньою точністю можна оцінити по одній електричній величині іншу.

Таким чином діелектрична проникність порід є комплексною величиною, яка складається з активної і реактивної складових, перша з яких співпадає по фазі з вектором Е, друга відстає по фазі на . Виникаючі при цьому втрати електричної енергії, називають діелектричними і характеризуються кутом втрат

 

(2.24)

 

де σ1 і σ2 активна і реактивна складові електропровідності породи.

Мінерали і гірські породи в залежності від складу, структури, вологості, температури і частоти струму характеризуються наступними значеннями діелектричної проникності та tg δ,: до і до >1.

Діелектричні параметри гірських порід використовуються для вивчення структури і характеру насичення порід і рішення інших спеціальних питань, пов'язаних з характером розповсюдження електромагнітних полів, що виникають у породах.

 

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти