10 Особые электрические свойства пород и минералов

Существуют 32 кристаллографических класса минералов. Из них 11 классов имеют центр симметрии. Эти минералы обладают особыми электрическими свойствами.

Электрострикция. Порода под воздействием электрического поля деформирмируется. Причинами электрострикции являются, с одной стороны, давление на породу заряженных частиц, создающих поле и притягивающихся друг к другу, с другой – смещение ионов и электронов в породе, вызываемое полем.

Механические напряжения, возникающие в результате электрострикции, прямо пропорциональны квадрату напряженности электрического поля. При небольших напряжениях поля величина электрострикции незначительна.

Пьезоэффект. Кристаллы поляризуются приложением к ним механических напряжений. Так, нагрузив монокристалл кварца получают разноименные заряды на противоположных плоскостях. Этот эффект, в отличие от электрострикции, обратим: приложение к кварцу электрического поля вызывает деформацию кристалла (значительно большую, чем при электрострикции.Пьезоэффект, также в отличие от электрострикции, зависит от направления поля. Подача на плоскости кристалла переменных электрических полей приводит к его вибрации.

Известно более 1200 минералов, которым в той или иной степени присущи пьезоэлектрические свойства. Обнаруживают пьезоэффект также горные породы, содержащие минералы-пьезоэлектрики.

Наиболее сильным пьезоэффектом обладает жильный кварц.

Пироэлектрики. Десять кристаллографических классов из числа пьезоэлектриков имеют особенные оси, в положительном и отрицательном направлениях которых свойства кристаллов различны. Эти кристаллы спонтанно (самопроизвольно) поляризованы. Величина их поляризации зависит от температуры. При нагреве кристалла пироэлектрика один его конец заряжается положительно, другой – отрицательно. Охлаждение кристалла ведет к изменению знака заряда.

Сегнетоэлектрики. У части пироэлектриков направление самопроизвольной поляризации можно изменить внешним электрическим полем. Эта группа минералов носит название сегнетоэлектриков.

Сегнетоэлектрики спонтанно поляризованы, даже при ничтожно малой напряженности поля величина их поляризации значительна. Они обладают большой диэлектрической проницаемостью (20 000 и более), которая сильно зависит от температуры и имеет аномальные значения в определенных температурных интервалах.

Трибоэлектрики. Практически все минералы – диэлектрики и слабые полупроводники способны поляризоваться при трении. Это явление называется трибоэлектричеством. Существует общая закономерность, согласно которой при трении двух диэлектриков друг о друга положительный заряд приобретает тот диэлектрик, у которого диэлектрическая проницаемость больше.

11 Нефтегазо и водонасыщение пород, виды проницаемости коллектора

В поровом пространстве нефтегазонасыщенных пород нефть, вода и газ могут присутствовать в различных соотношениях, Это зависит от способности поверхности твердой части породы смачиваться (гидрофильность) или не смачиваться (гидрофобность) водой.

Гидрофильная порода. При полном водонасыщении в единичной поре, поверхность которой смачивается водой, последняя занимает весь ее объем. С уменьшением водонасыщения область, занимаемая несмачивающими фазами (нефть, газ), возрастает и при незначительном водонасыщении достигает критической величины. Вода располагается в виде пленки покрывающей поверхность твердой фазы.

Гидрофобная порода. При гидрофобном коллекторе вода сосредоточивается в центральных частях пор в виде жилок, проходящих через центры пор. При уменьшении водонасыщения, прежде всего содержание воды снижается в тонких взаимосвязанных каналах, а затем в более крупных.

В природе распространены преимущественно гидрофильные коллекторы, у которых вода смачивает твердую фазу. Установлено наличие и гидрофобных коллекторов.

Гидрофобность коллекторов обусловливается содержанием в нефти несмачиваемых включений - углистых, смол и серы. На характер распределения в поровом пространстве пород воды, нефти, газа влияют их состав и свойства. Важную роль играют содержащиеся в нефтях органические кислоты, сообщающие нефти поверхностно-активные свойства – способность к смачиванию твердой фазы. Однако вопрос о природе гидрофобности коллекторов пока изучен недостаточно.

В общем случае нефтегазоводонасыщенных пород сумма объемов нефти V_н, газа V_г и воды V_в равна объему порового пространства пород V_пор:

V_н + V_г + V_в = V_пор

и, следовательно, (V_н / V_пор) + (V_г / V_пор) + (V_в / V_пор) = 1

Отношения (V_н / V_пор); (V_г / V_пор); (V_в / V_пор), выраженные в долях единицы или в процентах, обозначаются соответственно k_н, k_гk_в и называются коэффициентами нефте-, газо- и водонасыщения. Ими оценивают степень насыщения порового пространства флюидами.

В природе нефтенасыщение пород достигает 95% и более (гидрофобные коллекторы). Однако встречаются коллекторы с нефтенасыщением 50-60%, отдающие чистую нефть. Они представлены мелкозернистыми и глинистыми разностями кварцевых и полевошпатовых песчано-алевритово-глинистых пород, связывающими много воды. Значения k_нзависят от минерального состава и гидрофильности коллекторов.

Классификация пород по коэффициенту проницаемости:

По коэффициенту проницаемости породы подразделяются на проницаемые, полупроницаемые и практически непроницаемые.

К проницаемым относятся грубообломочные породы (галечники, гравий), слабо сцементированные и хорошо отсортированные песчано-алевритово-глинистые породы, кавернозные и особенно закарстованные и трещиноватые, известково-магнезиальные породы, трещиноватые магматические породы.

Поровое пространство проницаемых пород занимает, значительную часть объема породы (20-40% и более) и обычно сложено относительно небольшим числом сверхкапиллярных, крупнокапиллярных или капиллярных пор. Коэффициент проницаемости варьирует от 10^-2 до нескольких тысяч мкм².

К полупроницаемым (10^-4-10^-2 мкм²) относятся менее отсортированные глинистые пески, некоторые разновидности алевритов, песчаников и алевролитов, ряд карбонатных пород. Поровое пространство этих пород представлено субкапиллярными порами.

К практически непроницаемым относятся породы с k_по меньше 10^-4 мкм²: глины, аргиллиты, глинистые сланцы, мергели с субкапиллярными порами, сильно сцементированные пески, песчаники и алевролиты, плотные мел и меловидные известняки, невыветрелые кристаллические карбонаты и магматические породы и т. д.

Эффективная и относительная проницаемости

Эффективная (фазовая) проницаемость — это способность породы с присутствующими в порах компонентами, проводить какой-то определенный из компонентов фильтрующихся через нее смесей (газ-вода, нефть-вода, газ-нефть-вода). Эффективные проницаемости характеризуются соответствующими коэффициентами для газа (k_прг), воды (k_прв) и нефти (k_прн), которые являются коэффициентами пропорциональности в уравнениях Дарси:

ν = Q / F = k_пр(1 / μ)(Δp/l)

(Q_г, Q_виQ_н - расходы отдельных компонентов при фильтрации неоднородной жидкости; (Δp/l)- градиент давления; μ _г, μ_в, и μ - вязкости газа, воды и нефти, F - площадь фильтрации.

Коэффициентами относительной проницаемости породы К_прг,в,н соответственно для газа, воды и нефти являются соответственно отношения эффективной проницаемости компонента к абсолютной проницаемости. Их значения зависят от объемного соотношения компонентов (газа, нефти, воды) в фильтрующихся смесях, которые определяются величинами:

К_прг = k_прг/k_пр, К_прв = k_прв /k_пр ,К_прн = k_прн/k_пр