2.5. Другие физические свойства горных пород

Диэлектрическая проницаемость. Вещества, которые поля­ ризуются в электрическом поле и обладают очень малой электро­ проводностью (практически но проводят электрический ток), на­ зываются диэлектриками. Поляризуемость вещества характеризу­ ется диэлектрической проницаемостью

е = 1 + 4 п а ,

где а - поляризуемость среды.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость е определяется соотношением DIE, показывающим, во сколько раз напряженность электрического поля Е в данном диэлектрике меньше напряженно­ сти поля индукции D в вакууме. Диэлектрическая проницаемость является одним из физических свойств горной породы и показыва­ ет, во сколько раз возрастает емкость конденсатора, если вместо вакуума между обкладками в качестве диэлектрика поместить данную породу. Она измеряется в фарадах на метр и определяется в виде произведения

£ = £OTII £о>

где Ботн - относительная диэлектрическая проницаемость, показы­ вающая, во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницае­ мость данной среды превышает абсолютную диэлектрическую проницаемость вакуума 8о. Вакуум обладает наименьшей ди­ электрической проницаемостью, равной 10-9/36 к ~ 8,85 КГ12 Ф/м.

Диэлектрическая проницаемость горных пород зависит от их состава, содержания в них твердой, жидкой и газообразной фаз, а также от частоты поля и температуры. Значения еот„ главных по­ родообразующих минералов невелики (4-10), например в отличие от воды при 20 °С, для которой бо™достигает 80. Поэтому диэлек­ трическая проницаемость пород в большой степени зависит от их водонасыщенности. Для нефти еотн = 2-6, а для нефтенасыщенной породы - 6-10.

Зависимость величины Со™от коэффициента водо- и нефтенасыщенности для пород-коллекторов почти линейно связана с ко­ эффициентом водонасыщенности Кь.

Магнитные свойства горных пород. Основными магнитными параметрами горных пород, используемыми в геофизике, являются намагниченность /, магнитная восприимчивость %и магнитная прони­ цаемость р. Намагниченность характеризует магнитное состояние на­ магниченного тела и оценивается для однородного намагниченного тела как отношение магнитного момента Ммк единице его объема V:

I= MU/V .

Вслучае неоднородного намагниченного тела / определяется для каждой точки (физически малого объема) и представляет сред­ ний магнитный момент единицы объема, равный геометрической сумме магнитных моментов отдельных атомов и молекул, заклю­

ченных в этом объеме. Единица намагниченности - 1 А/м, т. е. 1 м2 вещества обладает магнитным моментом в 1 А-м2. Магнитный момент - основная величина, характеризующая магнитные свойст­ ва вещества. Магнитным моментом определяются силы, дейст­ вующие на тело во внешнем магнитном поле.

Магнитная восприимчивость определяет связь между магнит­ ным моментом (намагниченностью) породы / и ее магнитным по­ лем Н :

х = //я .

где %- величина безразмерная; размерность Н - А/м. Различают объемную х магнитную восприимчивость, отнесенную к единице объема, и удельную хУД, рассчитанную на 1 кг вещества.

Магнитная проницаемость р характеризует связь между маг­ нитной индукцией В в породе и магнитным полем Я :

р = В/ ро Я,

где ро - коэффициент пропорциональности, принятый в качестве магнитной постоянной.

По величине магнитной восприимчивости горные породы подразделяются на четыре группы: очень сильномагнитные, силь­ номагнитные, среднемагнитные и слабомагнитные. Осадочные породы обладают слабой магнитцостью. Их магнитные свойства определяются содержанием частиц ферромагнитных минералов, сильных и темноцветных парамагнетиков и слабых парамагнит­ ных и диамагнитных минералов. Для глинистых пород %составля­ ет (10-14) 10~\ для песчаников - (14-15) 10"3, а для гидрохимиче­ ских и карбонатных пород - менее 610"3 А/м. Под действием маг­ нитного поля Земли горные породы в период своего формирования способны намагничиваться и сохранять приобретенную (остаточ­ ную) намагниченность в последующие геологические эпохи. По величине и направлению остаточной намагниченности пород оп­ ределяют магнитное поле, существовавшее в данной точке земной поверхности при образовании породы. На этом основывается па­ леомагнетизм - область знаний, занимающаяся изучением эволю­ ции геомагнитного поля во времени.

Тепловые свойства горных пород. Основными тепловыми свойствами горных пород являются теплопроводность X или теп­ ловое сопротивление породы ^ = 1/А., теплоемкость или удельная теплоемкость с и температуропроводность породы а.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность горных пород к передаче тепла и численно показывает поток тепла в ваттах в единицу времени через породу сечением 1 м2, высотой 1 м при разности температур 1 К и выражается в ваттах на метркельвин. В промысловой геофизике обычно пользуются величиной обратной теплопроводности - тепловым сопротивлением породы £ (в метр-кельвинах на ватт).

Установлено, что тепловое сопротивление пород понижается с увеличением их плотности. Поэтому изверженные и метаморфи­ ческие породы имеют меньшее тепловое сопротивление, чем оса­ дочные песчано-глинистые отложения. С глубиной плотность гор­ ных пород закономерно возрастает.

Тепловое сопротивление зависит от слоистости пород: в на­ правлении, перпендикулярном к напластованию, тепловое сопро­ тивление выше, чем в направлении напластования. Это явление известно под названием тепловой анизотропии. Понижение тепло­ вого сопротивления по напластованию связано с циркуляцией вод в этом направлении и возникающим в результате дополнительным переносом тепла - конвекцией.

Свойство среды поглощать тепловую энергию при теплооб­ мене оценивается удельной теплоемкостью (массовой См, объем­ ной Cv). Под удельной теплоемкостью понимают количество тепла в джоулях, необходимое для нагрева 1 кг данного вещества на 1 К, и выражают ее в джоулях на метр-кельвин. Изменение темпе­ ратуры различных пород при поглощении или отдаче ими тепла может происходить с различной скоростью. Эта скорость измене­ ния температуры пород характеризуется комплексным парамет­ ром, называемым температуропроводностью. Тепловые свойства основных породообразующих минералов изменяются незначи­ тельно. Несколько повышенным тепловым сопротивлением и по­ ниженной теплопроводностью обладают глинистые минералы твердой фазы. Данные о тепловых свойствах горных пород ши­ роко используются при термических исследованиях бурящихся и эксплуатационных скважин и решении задач, связанных с раз­ ведкой и разработкой месторождений нефти и газа.