7.3 Вызванная электрохимическая активность

Проводимость среды обусловлена переносом электрических зарядов сквозным током – электронов ( металлы, графит) , ионов (диэлектрики, растворы электролитов) и дырок (полупроводники). Горные породы обладают свойством поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля, как постоянного, так и переменного. В результате, возникающей разности потенциалов происходит накопление в породе электрических зарядов и дипольного момента .

Поляризация связана с поляризующим полем соотношением:

(1.70),

где - поляризуемость среды.

Поляризация диэлектриков - это явление образования или ориентации электрических моментов молекул вещества в направлении электрического поля вследствие взаимного смещения заряженных частиц образующих молекулы. Поляризуемость диэлектриков приводит к появлению электрических зарядов противоположного знака на противоположных поверхностях непроводящих тел при помещении их в электрическое поле.

Если между двух пластин конденсатора, обладающих равными зарядами противоположного знака, находится вакуум, то замеренная разность потенциалов между ними будет максимальной (как и ёмкость нашего конденсатора) , так как вакуум является идеальным диэлектриком.

Если между этими же пластинами конденсатора поместить диэлектрик (например, образец осадочной горной породы в абсолютно сухом состоянии) то величина разности потенциалов между пластинами уменьшится, вследствие эффекта поляризации (как и ёмкость конденсатора). Диэлектрическая проницаемость будет характеризовать изменение напряжённости электрического поля между нашими пластинами (то есть изменение ёмкости конденсатора). Величина диэлектрической проницаемости определяется только свойствами диэлектрика (горной породы) и показывает, во сколько раз изменяется емкость конденсатора, если вместо вакуума между обкладками в качестве диэлектрика поместить данную породу.

Поляризуемость вещества связана с диэлектрической проницаемостью соотношением:

(711.1107133),

где — поляризуемость среды.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость определяется соотношением = D/Е, показывающим, во сколько раз напряженность электрического поля Е в данном диэлектрике меньше напряженности поля индукции D в вакууме.

Диэлектрическая проницаемость измеряется в фарадах на метр и определяется :

(17.7234),

откуда относительная диэлектрическая проницаемость:

(17.7335),

где — относительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницаемость данной среды превышает абсолютную диэлектрическую проницаемость вакуума . Вакуум обладает наименьшей диэлектрической проницаемостью.

Свойство горных пород поляризоваться в результате электрохимических явлений возникающих под действием внешнего электрического поля называется вызванной электрохимической активностью:

(7.38),

где Е — напряженность внешнего (поляризующего) поля; Е_вп — напряженность поля вызванной поляризации.

Так как и , то

(7.39)

Здесь и _вп — падения соответствующих напряжений на образце; l — длина образца.

Величина спадает после выключения тока во времени по экспоненциальному закону:

(7.40),

где - постоянная распада поля ВП.

Способность породы создавать ВП при обработке током называют вызванной электрохимической активностью.

Величина вызванной электрохимической активности Ав пород зависит от ряда факторов, основными из которых являются химико-минералогический состав, удельная поверхность составляющих зерен, минерализация и химический состав насыщающих поровых вод.

В породах с электронной проводимостью величина Ав возрастает с увеличением объемного содержания в них электропроводящих минералов. Для осадочных пород, обладающих преимущественной ионной проводимостью, при постоянстве минерализации и химического состава поровых вод, а также условий измерения (силы поляризующего тока, времени воздействия поляризующего тока и времени измерения после его отключения и др.) величина Ав в основном зависит от удельной поверхности частиц породы.

Для пород содержащих минералы с электронной проводимостью, чем выше их содержание в породе и больше поверхность частиц, тем значительнее создаваемый потенциал ВП.

Для пород с ионной проводимостью величина А_В породы растёт пропорционально удельному сопротивлению раствора.

Величина А_В терригенных пород-коллекторов при устойчивом минеральном составе скелетных зёрен и глинистой фракции, насыщенных раствором одинакового состава и концентрации, закономерно повышается с уменьшением проницаемости и среднего радиуса пор, ростом удельной поверхности поровых каналов и глинистости до определённых значений k_пр, d_П, S_П, C_гл, далее кривая становится более пологой и меняет знак на противоположный.Зона инверсии характеризует переход от хороших к плохим коллекторам [11].

При отсутствии или незначительном (доли процентов) содержании в породе минералов-проводников в коллекторах величина А_В растёт с уменьшением проницаемости и ростом глинистости коллектора, достигая максимальных значений в плохих коллекторах, близких по свойствам к границе коллектор-неколлектор.

В породах неколлекторах величина А_В падает с ростом глинистости и степенью уплотнения глинистого материала.

Для терригенных пород величина А_В составляет 0,001-0,1.

По параметрам А_В, можно проводить литологическое расчленение разреза, выделять коллекторы и оценивать их проницаемость.

В общем случае, чем больше удельная поверхность зёрен, тем выше электрохимическая активность. Последнее обусловливает наличие связи между Ав и коэффициентом проницаемости пород. Увеличение проницаемости снижает электрохимическую активность.

Применимость параметра для карбонатных пород менее эффективна. В тоже время существуют предпосылки для использования параметра для выделения трещинных зон, путём использования аномальной геометрии порового пространства трещинных коллекторов.

При воздействии высокочастотного электромагнитного поля на горную породу эффект поляризации осложняется скин-эффектом, то есть появлением вихревых токов. Последние меняют фазу исходного электромагнитного поля. Величина изменения фазы пропорциональна диэлектрической проницаемости среды и частоте исходного электромагнитного поля. При снятии воздействия внешнего поля горная порода за определенное время (время релаксации) принимает исходное состояние.

В зависимости от времени релаксации различают следующие виды поляризации: смещения, ориентационная (релаксационная, дипольная) и структурная (объемная).

Поляризация смещения вызвана электронной, ионной и атомной поляризацией, когда под действием внешнего поля происходит смещение упруго-связанных зарядов. Она характеризуется временем релаксации

- =10^-15— - 10^-11 с, .

и возникает в газах и твёрдых диэлектриках. Такая поляризация возникает в сравнительно в однородных массивах горных пород. Для них — относительная диэлектрическая проницаемость составляет 4 - 12. Проявляется при воздействии электрического поля с диапазоном частот f= 10⁶—10⁷ Гц.

Ориентационная поляризация связана с наличием в диэлектрике полярных молекул. Она характерна для воды, других полярных жидкостей, газов в которых она сопровождается ориентацией диполей в направлении поля. Для них — относительная диэлектрическая проницаемость составляет 3 - 80.

Ориентационная поляризация является наиболее значительной и снижается с повышением температуры, так как тепловое движение дезориентирует молекулы в пространстве.

Разновидностью ориентационной поляризации является ионная ориентационная поляризация, характерная для глинистых минералов, содержащих в кристаллической решетке гидроксильные группы. Для них величина относительной диэлектрической проницаемость более 10, – то есть более высокая, чем для других минералов.

Поляризация ориентационная характеризуется временем релаксации

- =10^-11— - 10^-7 с.

Проявляется при частотах электромагнитного поля f= 10⁶—10⁷ Гц.

Структурная поляризация наблюдается в неоднородных, многофазных породах и обусловлена движением ионов, накапливающихся на межфазовых границах раздела. Для проявления структурной поляризации требуется больше времени, чем для других видов поляризации.

В зависимости от состава граничащих фаз различают миграционную (характеризуется временем релаксации - =10^-6 - —10^-3 с.), концентрационно-диффузионную (характеризуется временем релаксации - =10^-1 - —10 с.), электролитическую (характеризуется временем релаксации - = от единицы, до десятков секунд).Проявляется при частотах 10 - 10³ Гц. Время релаксации =10^-6 - —10^-3 с.

Особо отметим условия возникновения электролитической структурной поляризации, которая возникает в породах содержащих включения электронно-проводящих минералов (руд, углей). Проявляется при частотах 10 - 10³ Гц. Время релаксации =10— - 10^-1 с.

Диэлектрическая проницаемость горных пород зависит от состава, содержания в них твердой, жидкой и газообразной фаз, а также от частоты поля и температуры.

Диэлектрическая проницаемость воды зависит от её минерализации. При частоте поля от единицы до десятков мегагерц величина относительной диэлектрической проницаемости прямопропорциональна корню квадратному её минерализации.

При частоте внешнего поля менее одного мегагерца для дистиллированной воды закономерно снижается.

Величина относительной диэлектрической проницаемости снижается при повышении температуры.

Для газов существует связь между и давлением ( - при повышении давлении для углеводородных газов она увеличивается, в связи с ростом плотности газа). Величина при температуре газа менее 500 с С⁰ не зависит от температуры.

Для поля низких частот величина для большинства горных пород не зависит от частоты и определяется в основном поляризацией ориентационно-дипольной и частично смещения.

Существует связь между между временем релаксации, проводимостью и электромагнитного частотой поля :

(17.7537),

где время релаксации для I i- компоненты среды, проводимость при w=0.

Для большинства минералов и особенно главнейших породообразующих изменяется незначительно – от 4 (кварц) до 8 (доломит). Резко отличную диэлектрическую проницаемость имеет вода 81 при 20 ^оC. Так как минералы с высокой диэлектрической проницаемостью (например, рутил ≈100, галенит ≈18 и др.) обычно присутствуют в горных породах в весьма малых количествах, при которых их влияние на величину ε ничтожно, то возрастание диэлектрической проницаемости горных пород в естественных условиях в основном определяется увеличением их влажности. Относительные диэлектрические проницаемости газа ( _Г≈1 - 2) и (нефти _Н≈2-3) существенно отличаются от диэлектрической проницаемости воды, что предопределяет целесообразность измерений диэлектрической проницаемости при исследовании нефтегазоносных коллекторов в скважинах.

Диэлектрическая проницаемость _1,2 двухкомпонентной смеси, например, мономинеральной водо-, нефте- или газонасыщенной породы, исходя из аналогии в распределении электростатического и электродинамического полей, достаточно хорошо аппроксимируется степенным уравнением вида [11] :

где к₁ и к₂ – объемные содержания компонент с менее или более высокими значениями ₁ и ₂; m – структурный показатель, обычно варьирующий в пределах 1,2 – 1,6.

В целом для главных породообразующих минералов []значения невелики (4-—10); для дистиллированной воды при 20 °С =80, а при 100 °С — 55, поэтому диэлектрическая проницаемость пород в большей степени зависит от их водонасыщенности. Для нефти = 2— - 6, а для нефтенасыщенной породы 6— - 10.

Величина диэлектрической проницаемости связана с коэффициентом пористости прямо пропорциональной зависимостью.

Например, для мономинеральной полностью водонасыщенной ОГП эта связь выражается соотношением [6] :

гдн- соответственно относительная диэлектрическая проницаемость скелета породы и насыщающей поровое прорстранство воды.

Контрольные вопросы.

1. Что такое удельная электропроводность и удельное электрическое сопротивление?

2. Какими параметрами определяется величина удельного электрического сопротивления?

3. Какова зависимость удельного электрического сопротивления от температуры?

4. Каково удельное электрическое сопротивление нефти и газа по сравнению с удельным электрическим сопротивлением пластовых вод?

5. От каких характеристик горной породы зависит удельное электрическое сопротивление неглинистых водонасыщенных пород?

6. От каких характеристик горной породы зависит удельное электрическое сопротивление глинистых водонасыщенных пород?

7. От каких характеристик горной породы зависит удельное электрическое сопротивление пород с трещинной и каверновой пористостью?

8. От каких характеристик горной породы зависит удельное электрическое сопротивление нефтегазонасыщенных пород?

9. Дайте определение явлению поляризации.

10. Действие, каких естественных процессов обуславливает возникновение самопроизвольной поляризации в горных породах?

11. Дайте определение окислительно-восстановительной поляризации.

12. Дайте определение диффузионно-адсорбционной поляризации.

13. Дайте определение фильтрационной поляризации.

14. Что такое диэлектрическая проницаемость горной породы?

15. Дайте определение поляризации смещения, ориентационной и структурной поляризации.

16. Что такое вызванная электрохимическая активность горной породы?