ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, РАДИОАКТИВНЫЕ, АКУСТИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

2.1. Удельное электрическое сопротивление

Свойство горных пород проводить электрический ток харак­ теризуется их удельной электропроводностью о или величиной ей обратной - удельным электрическим сопротивлением р

р = 1 / с = RS / L ,

где R - полное электрическое сопротивление образца породы (Ом); S и L - площадь поперечного сечения (м2) и длина (м) образца.

Из формулы следует, что величина р измеряется в оммометрах. Удельное электрическое сопротивление в 1 Ом м равно полному со­ противлению 1 м3 породы с основанием 1 м2 и высотой 1 м, измерен­ ному перпендикулярно к плоскости куба. Удельное сопротивление горной породы определяется удельным сопротивлением твердой фазы, жидкостей и газов, насыщающих поровое пространство, их объемным соотношением, характером распределения в породе и температурой.

Удельное сопротивление твердой фазы пород зависит от ее минералогического состава и температуры. Минералы весьма разно­ образны по своему удельному сопротивлению, которое изменяется в широких пределах (10'6-1015 Ом м). Однако основные минералы, образующие скелетную часть твердой фазы осадочных пород (кварц, полевые шпаты, кальцит, слюды и др.), характеризуются удельным электрическим сопротивлением от Ю10 до Ю130 м м и практически не проводят электрического тока [40, 88].

Присутствие в скелетной части твердой фазы полупроводящих минералов (графит, пирит, магнетит и др.) снижает ее удельное со­ противление в зависимости от их количественного содержания и ха­ рактера распределения. В природных условиях содержание в осадоч­ ных породах минералов повышенной электропроводности невелико и, как правило, не приводит к существенному изменению удельного сопротивления скелетной части. В связи с этим ее р принято считать практически бесконечным.

Пластовые поровые воды представляют собой растворы солей (электролиты) и относятся к классу ионных проводников. Их удельное сопротивление зависит от химического состава растворенных солей, концентрации и температуры. С увеличением общей концентрации солей удельное сопротивление растворов уменьшается. При этом электропроводность раствора приблизительно равна сумме электро­ проводностей, обусловленных каждой из солей в отдельности. В пла­ стовых водах обычно преобладает содержание хлористого натрия, которое достигает 70-95 %. Если содержание других солей не превы­ шает 10 %, то для практических целей удельное сопротивление пласто­ вой воды оценивается по общей концентрации, приравненной к кон­ центрации NaCl. Следует отметить, что удельное сопротивление вод­ ных растворов с увеличением температуры закономерно уменьшается.

Для определения рв обычно используется номограмма зависимо­ сти удельного сопротивления растворов NaCl от концентрации

итемпературы (рис. 3). Удельное сопротивление природных нефтей

игазов во много раз превосходит удельное сопротивление пластовых вод и соизмеримо с р скелетной части твердой фазы пород. Практи­ чески электропроводность нефтей и газов принимается равной нулю.

Удельное сопротивление неглинистых пород. Горные породы проводят электрический ток в основном за счет наличия в их поровом пространстве водных растворов солей. В связи с этим удельное со­ противление неглинистой породы рвп гранулярного строения, поры которой полностью насыщены водой, зависит от рв этой породы, ее количества и характера распределения в породе, определяемых соот­ ветственно коэффициентом пористости Кп и структурой порового

пространства.

Для исключения влияния удельного сопротивления пластовой воды вместо рвп для водонасыщенных пород принято рассматри­ вать величину

Р ц = Рвп / Рв >

называемую относительным сопротивлением. Для чистых (неглини­ стых) пород Рп не зависит от удельного сопротивления насыщающих вод, а связано с величиной пористости и структурой порового простран­ ства. В связи с этим его называют также параметром пористости.

Внефтегазонасьпценной породе нефть или газ, частично замещая

впоровом пространстве воду, повышают ее удельное сопротивление. В этих условиях ршзависит от содержания в ее порах нефти, газа и во­ ды, характера их распространения в поровом пространстве, минерали­ зации пластовой воды, пористости и структуры порового пространства и т. п. Для полного или частичного исключения этих факторов, влияющих на величину рш-, вместо него рассматривают отношение

Р* = Рнг I рвп > 1»

где рш- - удельное сопротивление породы, поры которой заполнены нефтью (газом) и остаточной водой; рвп - удельное сопротивление той же породы при условии 100%-ного заполнения ее пор водой.

Величина Р„ показывает, во сколько раз увеличивается удель­ ное сопротивление породы, насыщенной нефтью или газом, при частичном заполнении ее пор водой, и называется коэффициентом увеличения сопротивления.

Для неглинистых пород Рн зависит не только от степени их насыщения водой, но и от характера распределения в поровом пространстве воды, нефти и газа. В связи с этим величина Ри часто называется параметром насыщения. Между Рп и Кв существует обратная степенная зависимость.

Так как Кв = 1-К„г (где Киг- коэффициент нефтегазонасыщенности), то

Кт = 1 / ( 1 - К т )п

Удельное сопротивление глинистых пород. Для глинистой водонасыщенной породы пропорциональность между ее удельным сопротивлением pBn.ra и удельным сопротивлением насыщающей во­ ды рв нарушается. Это связано с тем, что электропроводность такой породы определяется не только проводимостью воды, но и поверхно­ стной проводимостью глинистых частиц, точнее, гидратационной пленки, покрывающей их поверхность. Поверхностная проводимость проявляется тем значительнее, чем выше глинистость породы и мень­ ше минерализация насыщающей воды. Вследствие этого относитель­ ное сопротивление глинистых пород, в отличие от неглинистых, за­ висит не только от их пористости и структуры пор, но и от их глини­

стости и минерализации насыщающих вод. Относительное сопротив­ ление глинистой породы, соответствующее насыщению высокомине­ рализованной водой, при которой поверхностная проводимость ми­ нимальна, называют предельным /V

Удельное сопротивление пород с трещинной и каверновой пористостью. Породы с трещинной и каверновой пористостью весь­ ма разнообразны по составу и строению. Наряду с межзерновой (пер­ вичной) пористостью Кп ызначительную роль играют поры вторично­ го происхождения Кп т- трещины, каверны и другие пустоты выще­ лачивания. Каверны (изолированные и полуизолированные пустоты) заметного влияния на удельное сопротивление пород не оказывают. Наличие трещин, заполненных электролитом, вызывает существен­ ное снижение сопротивления по сравнению со снижением сопротив­ ления, обусловленным межзерновой пористостью такого же объема.

2.2. Электрохимическая активность

Электрохимические процессы, протекающие в горных породах, вызывают их поляризацию. К ним относятся диффузионно-адсорбци­ онные, фильтрационные, окислительно-восстановительные процессы

ипроцессы, связанные с действием внешнего электрического поля.

Взависимости от фактора, вызывающего поляризацию, различают диффузионно-адсорбционную, фильтрационную, окислительно-вос­ становительную и вызванную электрохимически активность пород.

2.3. Радиоактивность горных пород

Под радиоактивностью понимают самопроизвольное превраще­ ние неустойчивых изотопов химических элементов в другие, более устойчивые, которое сопровождается выделением энергии с испуска­ нием а-, Р- и у-лучей. Различают естественную и искусственно вы­ званную радиоактивность горных пород, результаты измерений ко­ торых широко используются для изучения геологических разрезов скважин. Самопроизвольное превращение одного изотопа в другой называется радиоактивным распадом [40,53, 88].

Естественная радиоактивность. В естественных радиоактив­ ных превращениях основными видам распада являются: а- и p-pacna- ды, захват ядром электрона одной из оболочек атома, самопроиз­ вольное деление некоторых тяжелых ядер и др. При распадах радиоактивных ядер и их переходах из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или основное возникает у-излучение.

Все виды радиоактивных излучений, попадая в материальную среду, испытывают в той или иной мере поглощение. Наибольшему поглощению подвержены а-лучи. Поток а-лучей почти полностью поглощается даже листом бумаги или слоем пород толщиной в не­ сколько микронов. Поток р-лучей обладает большей проникающей способностью и полностью поглощается слоем алюминия толщиной 8 мм или слоем породы в несколько миллиметров, у-излучение пред­ ставляет собой высокочастотное коротковолновое электромагнитное излучение, граничащее с жестким рентгеновским. Оно возникает в результате ядерных процессов и рассматривается как поток дис­ кретных частиц у-квантов; у-лучи не отклоняются ни в электриче­ ском, ни в магнитном поле. Благодаря своей высокой проникающей способности у-излучение имеет практическое значение при исследо­ вании разрезов скважин.

Для количественной оценки радиоактивности пользуются соот­ ветствующими единицами измерений. Чаще всего на практике за та­ кую единицу принимают весовую или объемную единицу эквива­ лентной концентрации радия по у-излучению - г-эквивалент радия на 1 г породы (г-экв Ra/r). Такая единица соответствует концентрации радиоактивных элементов в горной породе, при которой возникает у-излучение такой же интенсивности, как при распаде 1 г радия.

Радиоактивность пород в основном связана с содержанием в них таких радиоактивных элементов, как уран, торий, актиноуран, продуктов распада и изотопа калия I^K . Кроме этих элемен­ тов, источниками радиоактивных излучений, составляющих мень­ шую долю, чем вышеназванные, являются изотопы рубидия, цир­ кония, индия, лантана, самария, лютеция, рения, висмута и др.

В литосфере известно более 200 минералов, в состав которых входит уран, торий, радий и калий. Радиоактивность горных пород зависит от радиоактивностей их твердой, жидкой и газообразной фаз. В большинстве случаев пластовые воды и нефти характери­ зуются незначительной радиоактивностью, а у природных углево­ дородных газов она практически равна нулю. Радиоактивность твердой фазы обусловлена наличием в ее составе собственно ра­ диоактивных минералов и минералов, содержащих адсорбирован­ ные радиоактивные элементы. Обычно глинистая составляющая твердой фазы, особенно в кварцевых песчаниках и карбонатных породах, обладает значительно большей удельной радиоактивно­ стью, чем ее собственно твердая фаза (скелетная часть). Поэтому для конкретных типов пород характерно наличие однозначной свя­ зи между их радиоактивностью и глинистостью, что широко ис­ пользуется при интерпретации результатов гамма-каротажа.

Искусственная радиоактивность. Нейтронные свойства гор­ ных пород (искусственная радиоактивность) связаны с радиоак­ тивным распадом искусственных радиоактивных изотопов хими­ ческих элементов, образующихся при облучении их элементарны­ ми частицами (электронами, протонами, нейтронами, у-частицами и др.) в результате изменений в ядре, происходящих вследствие проникновения в него заряженной частицы или нейтрона.

Нейтроны, получаемые при помощи нейтронных источников, распространяются в окружающей среде и взаимодействуют с яд­ рами ее химических элементов. При этом наиболее существенны­ ми процессами являются рассеяние и поглощение (захват).

Рассеяние нейтронов может быть упругим и неупругим. Сущ­ ность этого процесса состоит в изменении направления движения и уменьшении кинетической энергии нейтронов при их столкновении с ядрами элементов окружающей среды. При упругом рассеянии происходит перераспределение энергии между налетевшим нейтро­ ном и неподвижным ядром в соответствии с их массами и углом рас­ сеяния по принципу соударения упругих шаров. При неупругом рас­ сеянии нейтрон сначала захватывается, а затем выбрасывается ядром, но уже с меньшей энергией и под некоторым углом к направлению

начального движения. Ядро же, захватившее и потерявшее нейтрон, остается на некоторое время в возбужденном состоянии и затем воз­ вращается в основное, испуская у-квант.

Быстрые нейтроны, распространяясь в окружающей среде, в процессе неупругого и упругого рассеяний сравнительно быстро теряют свою энергию и скорость и превращаются в тепловые. По­ следние поглощаются ядрами вследствие реакции радиационного захвата с образованием на первой стадии составных ядер, которые затем переходят в основное состояние с испусканием у-квантов. Распределение нейтронов в среде (породах), т. е. плотность ней­ тронов на различном расстоянии от источника, зависит от ней­ тронных свойств этих пород, в основном связанных с химическим составом последних. Для большинства горных пород поглощаю­ щие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием: чем оно выше, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.

Вероятность той или иной реакции взаимодействия нейтронов с веществом количественно характеризуется нейтронным эффектив­ ным сечением, численное значение которого выражается в метриче­ ских единицах. Поэтому интенсивность поглощения тепловых ней­ тронов зависит от содержания в породах элементов с высоким эф­ фективным сечением захвата, основным из которых в осадочных породах является хлор. Замедляющая и поглощающая способности горных пород определяют пространственное распределение нейтро­ нов на различных стадиях их взаимодействия с породами, на изуче­ нии которого основаны нейтронные методы исследования скважин.

2.4. Упругие свойства горных пород

Компоненты горных пород - твердая фаза, жидкость и газы - обладают резко отличными упругими свойствами. В породе, на кото­ рую действуют внешние силы, стремящиеся к восстановлению ее начальной формы и размеров, величина последних сил, приходящая­ ся на единицу площади сечения тела, измеряемая в паскалях, называ­ ется напряжением, которое является векторной величиной, завися­

щей от действия внешних сил, внутренних свойств и формы образца породы. В зависимости от характера приложенных внешних сил образец породы может испытывать линейное, плоскостное и объем­ ное напряженное состояние. Под воздействием внешних сил изменя­ ются линейные размеры, объем или форма горной породы. Эти изме­ нения называются деформацией [40,53, 88].

При увеличении напряжений можно наблюдать три вида дефор­ мации породы - упругую, пластическую и разрушающую. Для каж­ дого из приложенных напряжений существует свой коэффициент пропорциональности между напряжениями и упругими деформация­ ми, являющийся упругим параметром породы. Коэффициент про­ порциональности между продольным (сжимающим или стягиваю­ щим) напряжением р и соответствующей ему относительной дефор­ мацией е называется модулем упругости или модулем Юнга Е:

р = Е е.

Коэффициентом пропорциональности тк между касательным напряжением и соответствующей деформацией сдвига ес является модуль сдвига G:

Хк= G 8С.

При объемном напряженном состоянии породы, что соответст­ вует действию всестороннего гидростатического давления, связь ме­ жду величиной р и относительным изменением объема AVI V выра­ жается через модуль всестороннего сжатия Ксили сжимаемость рс:

Связь между относительными продольными и поперечными деформациями сжатия (растяжения) устанавливается коэффициен­ том Пуассона v:

v = - K M lL L = h . ,

с А/, / /, ех

где 1\ и /2 —начальные продольный и поперечный размеры образца;

1\ и 1г - то же, при одностороннем сжатии, Al\ = l[ - l\\ Al2- - h\ е\ ——Al\U{; e-i —Al-Jh-

Скорость распространения упругих волн. Смещение одной частицы горной породы под действием внешних сил вызывает сдвиг других, более удаленных, а распространение упругой деформации происходит с определенной скоростью. Если на породу действуют кратковременные силы, то в ней возникают упругие колебания.

Процесс последовательного распространения в породе дефор­ маций (упругих колебаний) называется упругой волной. В зависимо­ сти от вида деформации в породе возникают различные типы волн, основными из которых являются продольные и поперечные.

Продольные волны связаны с объемной деформацией среды, а их распространение представляет собой перемещение зон растяже­ ния и сжатия, при котором частицы среды совершают колебания око­ ло своего первоначального положения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Продольные волны распро­ страняются в любой среде - твердых телах, жидкостях и газах, т. к. все вещества обладают сопротивлением объемному сжатию.

Поперечные волны обусловлены деформациями сдвига в сре­ де и присущи только твердым телам, т. к. в жидкостях и газах от­ сутствуют сопротивления сдвигу. Их распространение представля­ ет собой перемещение зоны скольжения слоев среды относительно друг друга; частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в плоскости, перпендикулярной к на­ правлению распространения волны.

Одним из важных кинематических параметров упругих волн является скорость их распространения Vn. Для идеально упругих изотропных горных пород скорости продольных Vp и поперечных

Vs волн определяются по формулам:

Vp = jE (l- v )/8 na+vXl-2v)

и VS= J E / 25n(l+v).

где 5Пплотность породы; Е и v - соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуассона.

Осадочные горные породы в большинстве своем являются диф­ ференциально упругими и не обладают совершенной связью между

фазами. Вследствие этого скорости распространения в них упругих волн отличаются от скоростей, вычисляемых по формулам. Известен ряд уравнений, с помощью которых устанавливается зависимость скорости продольных волн в породах от скоростей их распростране­ ния в отдельных фазах и коэффициента пористости. Наиболее про­ стым из них и широко применяемым на практике является уравнение Вилли (уравнение среднего времени), согласно которому Vn в порис­ той породе рассчитывается по времени ее прохождения через мине­ ральный скелет /„ и жидкость /ж, заполняющую поры:

/„ = *« + тж или — = — — —

VM

где К„ - коэффициент пористости; К, и V* - скорости продольных волн соответственно в минеральном скелете и насыщающей жид­ кости. В последнем уравнении вместо скорости целесообразнее использовать соответствующее ей интервальное время (величину, обратную скорости)

Atn= (1 - ЛТп) Д?м + Кп Д /ж ,

где AtM, At„ и Д/ж - интервальное время соответственно в мине­ ральном скелете, породе и насыщающей ее жидкости.

Величина Дгм зависит от минералогического состава скелета и для конкретных типов отложений является постоянной. Среднее значение скорости распространения волн в осадочных породах составляет 2500-4000 м/с.

Основными факторами, влияющими на скорость распростра­ нения упругих колебаний в горных породах, являются: литолого­ минералогический состав, поровое пространство, заполненное жидкостью, степень насыщения пор жидкостью или газом, степень цементации, текстурные и структурные особенности, разность горного и пластового давления (эффективное давление) и др.

Часто возникает необходимость в определении AtMдля кон­ кретного интервала геологического разреза. В этом случае сопос­ тавляются показатели времени, отсчитанные по диаграмме акусти­ ческого каротажа Д/п, со значениями пористости Кп, установленны­ ми по керну или одному из геофизических методов. Полученные

данные используются для построения графика зависимости Дt„ от К„. Осредненная прямая, проведенная через нанесенные точки, отсекает на оси времени значение Д/п при К„ = 0. Если пористость по разрезу изменяется слабо, то значение AtMдля каждого одно­ родного пласта рассчитывают по формуле

и определяется на практике с помощью номограммы. Скорость распространения упругих волн в нефти и газе меньше, чем в воде, так как сжимаемость углеводородов больше, чем сжимаемость во­ ды. На величину скорости влияет также тип цемента.

Распространение упругих волн в горных породах сопровождает­ ся постепенным уменьшением их интенсивности по мере удаления от источника возбуждения. Уменьшение интенсивности в основном свя­ зано с поглощением части энергии упругих колебаний породой и превращением ее в тепловую вследствие взаимного трения час­ тиц породы, совершающих колебательные движения; с рассеива­ нием акустической энергии и неоднородностями породы.

Коэффициент поглощения упругих волн аак характеризует ин­ тенсивность поглощения энергии волн в среде и может быть опре­ делен по формуле

где А хи А2- амплитуды волн, регистрируемые приемниками, распо­ ложенными на расстоянии / друг от друга. Размерность ОаКвыража­ ют в децибеллах на 1 м или м"1. Величина в горных породах за­ висит от монолитности их скелета, пористости, трещиноватости, вещественного состава заполнителя пор, литологии и других пара­ метров.

При геофизических исследованиях скважин изучаются диэлек­ трические, магнитные и термические (тепловые) свойства.