1.9. Магнитные свойства нефтесодержащих пород

Изучение магнитных свойств горных пород позволяет решать множество геологических и промысловых задач. В частности, необходимость исследования магнитных свойств нефтей обусловлена имеющейся связью между магнитными свойствами фракций нефти и особенностями их залегания. Имеется также некоторая корреляция между магнитными свойствами нефтей и их физико-химическими параметрами: плотностью, вязкостью, групповым и фракционным составами, содержанием асфальтено-смолистых компонентов, серы, металлорганических соединений и т.д. Кроме того, изучение нефтесодержащих пород связано с возможностью использования магнитных полей для добычи, подготовки и транспортировки нефти с целью предотвращения отложения солей, воздействия на водонефтяные эмульсии и др.

1.9.1. Основные магнитные характеристики горных пород.

Горные породы, как и все тела, при внесении их во внешнее магнитное поле в той или иной степени намагничиваются, создавая собственное магнитное поле, которое накладывается на внешнее. Величина собственного магнитного поля зависит от магнитных свойств вещества, которые, в свою очередь, определяются магнитными свойствами электронов и атомов этого вещества. При снятии внешнего магнитного поля собственное магнитное поле может исчезать, но может и сохраняться.

Магнитное поле вещества, как известно, определяется вектором магнитной индукции:

(1.9.1)

Здесь - вектор магнитной индукции (магнитное поле в породе), – напряженность внешнего магнитного поля, - относительная магнитная проницаемость вещества, - диэлектрическая проницаемость вакуума (магнитная постоянная =1,257·10^-6 В·c/А·м).

Или:

,

где - магнитная восприимчивость, - вектор намагниченности вещества.

Все вещества с точки зрения их магнитных свойств подразделяются на три основные группы:

• Диамагнетики (золото, серебро, медь, висмут, алмаз, ртуть, сера, свинец, графит, вода, почти все газы, кроме кислорода, кварц, полевые шпаты, кальцит, гипс).

• Парамагнетики (платина, алюминий, вольфрам, все щелочные и щелочно-земельные металлы, кислород, воздух, доломит,).

• Ферромагнетики (железо, кобальт, никель, некоторые редкоземельные металлы и сплавы).

В отличие от диа- и парамагнетиков для ферромагнетиков и являются не постоянными величинами, а функциями напряженности магнитного поля.

Диа- и парамагнетики до наложения на них магнитного поля не намагничены. Хотя каждая из элементарно движущихся частиц атомов (молекул или ионов) в них обладает собственным (спиновым) и орбитальным магнитным моментами. Магнитный момент атомных ядер, складывающийся из магнитных моментов протонов и нейтронов, очень мал.

Спиновый магнитный момент электрона (точнее, его проекция на направление магнитного поля) равна:

, [А·м²]

где - магнетон Бора (единица магнитного момента), - заряд и масса электрона, - постоянная Планка.

Орбитальный момент кругового тока для атома с одним электроном (водород) равен:

,

где - частота вращения электрона вокруг ядра, - радиус орбиты.

Диамагнитные вещества в целом до действия поля не намагничены, т.к. структура их электронных оболочек симметрична, и поэтому спин-орбитальные моменты электронов скомпенсированы.

Парамагнетики же обладают результирующим магнитным моментом, т.к. у их электронных оболочек внутренние (3d и 4f) энергетические подуровни не достроены и спин-орбитальные моменты электронов не уравновешены. Но в целом и парамагнетики до действия поля не намагничены, т.к. результирующие атомные моменты, имея любое пространственное направление, взаимно скомпенсированы.

Возникновение магнитного поля в веществе объясняется следующим образом. В магнитном поле электроны всех веществ приобретают дополнительные скорости вследствие Ларморовой прецессии (рис. 1.9.1). Она возникает в результате индукционного действия магнитного поля на электроны, и они приобретают добавочную угловую скорость, с которой их орбиты прецессируют вокруг внешнего поля.

Это ведет к появлению у диамагнетиков дополнительного магнитного момента, пропорционального напряженности магнитного поля по величине и противоположно направленному в соответствии с правилом Ленца, в результате их намагниченность отрицательна. У парамагнетиков магнитное поле ориентирует уже имеющиеся магнитные моменты диполей по направлению поля, в результате их магнитная восприимчивость положительна (рис. 9.2).

Рис. 1.9.1. Прецессия электронной орбиты вокруг вектора магнитного поля	Рис. 1.9.2. Кривые намагничивания диа- и парамгнетиков.