Удельное электрическое сопротивление терригенных осадочных пород

ВВЕДЕНИЕ

Цель проекта будет реализована через решение следующих задач.

Атомы химических элементов характеризуются величиной электрического заряда, но в свободном состоянии являются электрически нейтральными, поскольку суммарный отрицательный заряд электронов скомпенсирован равным по величине положительным зарядом протонов ядра. Электрический ток возникает под действием внешнего электрического поля или других факторов вследствие движения электронов внешней электронной оболочки, что обусловливает периодичность изменения величины сопротивления и характера проводимости.

Горные породы, сложенные различными комбинациями минералов, в разном объемном содержании, в разных конфигурациях, обладают уникальными свойствами электрической проводимости и сопротивления.

Любая геофизика может применяться там, где разные части разреза отличаются по свойствам. При зондировании свойства должны отличаться по вертикали, т.е. некие горизонтальные слои будут различны, а при профилировании свойства должны изменяться по горизонтали, т.е. какие-то вертикальные тела. Но в любом случае нужно знать истинное сопротивление пород.

1.2 Терригенные осадочные горные породы

По происхождению все горные породы делятся на три группы: магматические (эффузивные и интрузивные), осадочные и метаморфические.

Магматические и метаморфические породы слагают около 90 % объема земной коры, однако на земной поверхности господствуют осадочные горные породы, занимающие 75 % площади. Осадочные горные породы формируются в термодинамических условиях, характерных для земной поверхности, и представляют собой последовательное переотложение продуктов механического (терригенные), химического (хемогенные) разрушения материнских горных пород либо продуктов жизнедеятельности живых организмов (биогенные). Именно осадочные горные породы, как правило, содержат нефтяные, газовые, угольные и многие рудные месторождения.

В группу терригенных осадочных входят все породы, состоящие из обломков, которые образуются при разрушении горных пород. Обломки переносятся водой или ветром, накапливаются в водоёмах и других естественных «ловушках» (т.е. тех местах, где они могут остановиться), образуя обломочные, или терригенные, осадки. Крупные глыбы и валуны часто остаются у подножия разрушающейся скалы. Они оторваны от материнской породы и, значит, также являются терригенными. В этом случае перенос обломков происходит под действием силы тяжести.

Самая распространённая терригенная порода на Земле -- песчаник, который образуется из терригенного осадка -- песка. Как бы долго ветер и вода ни перемещали песчинки, в конце концов все зёрна находят себе спокойное убежище и начинают превращаться в осадочную породу. Подобными убежищами могут служить болота, лагуны, озёра, моря -- любые места, где ничто не тревожит эти зёрна. Песчинки могут спрятаться под более молодыми осадками, застрять в вязком иле, захорониться в углублениях дна. Как только движение зёрен прекращается, поры между ними начинают заполняться любым материалом, который приносит вода в твёрдом или растворённом состоянии. Это могут быть глинистые частицы, химические соединения, выпадающие в осадок из воды, живые организмы весьма малых размеров. Весь этот материал скрепляет зёрна и поэтому называется цементом. Иногда цемент образуется из самих зёрен: края обломков растворяются, растворённые компоненты скапливаются в порах и снова кристаллизуются в виде цемента. Особенно часто это происходит с кальцитом (карбонатом кальция).

Химический состав осадка довольно часто меняется, пока все его компоненты не приспособятся друг к другу. То вода принесёт избыток солей, то какое-нибудь зерно начинает разрушаться, выпуская на свободу химические элементы, то лежащий выше или ниже слой начнёт освобождаться от каких-нибудь компонентов. Немалую роль в этой природной химической лаборатории играют и органические остатки, попавшие в осадок. Они начинают гнить, поглощая кислород и выделяя углекислый газ. А углекислый газ тут же ищет кальций, иногда «выхватывая» его прямо из зёрен. Жизнь осадочной породы -- это постоянное приспособление к меняющимся условиям: только частицы, наконец, притёрлись друг к другу, даже слиплись (сцементировались илом или солями), как происходят новые перемены -- черви переворошили весь осадок, что-то съели, а что-то извергли, сверху лёг новый слой осадка, и изменилось давление. Причины могут быть разными, а результат один -- снова породе необходимо приспосабливаться к другим условиям, до стадии перерождения породы в класс метаморфических. Современный разрез осадочных горных пород формировался на протяжении 2-2,5 миллиардов лет, и продолжает формироваться в настоящее время, претерпевая изменение пород по всей глубине вплоть до кристаллического фундамента.

Особое внимание в петрофизике уделяется глинам - осадочным терригенным породам с микроскопическим размером зерен. Если представить себе частичку меньше 10 мкм -- это и будет размер глинистого минерала. Собираясь вместе, эти крохотные минералы и образуют горную породу -- глину. Будучи не очень прочно сцепленными друг с другом, они легко отрываются и создают пыль. Поскольку частички чрезвычайно малы, расстояния между ними (которые называются порами) также невелики, и вода не может пройти через глину, как через песок. Она задерживается между глинистыми частичками, связывает их, и теперь это уже не пыль, а чавкающая грязь. Частички в обводнённой глине крепче сцеплены друг с другом, чем в сухой. Когда глинистые частицы, слагающие породу, попадут под давление слоев, лежащих выше, они лучше «притрутся» друг к другу, прочно сцепятся, и получится плотная и крепкая глинистая порода -- аргиллит. Аргиллит не боится воды, потому что она не может пройти между сцепившимися минералами, а ветер не способен вырвать из породы отдельные частички и поднять их в виде пыли. Аргиллит легко расколоть молотком на тонкие плитки.

В первом случае глинистые минералы имеют более жесткую кристаллическую структуру, то есть такую, когда молекулы воды и обменные катионы не могут проникать в межслоевое пространство кристалла. У минералов с жесткой кристаллической структурой (каолинит, гидрослюда, хлорит) внутрикристаллическое набухание (расширение межслоевого расстояния при взаимодействии с молекулами воды) отсутствует. Во втором случае глинистые минералы (монтмориллонит, нонтронит) имеют раздвижную кристаллическую структуру. При гидратации таких минералов молекулы воды и обменные катионы могут проникать в межслоевое пространство и существенно увеличивать межслоевое расстояние, обусловливая этим большое внутрикристаллическое набухание.

Помимо описанных глинистых минералов в природе также широко распространены так называемые смешанослойные минералы, образующиеся в результате упорядоченного или неупорядоченного чередования набухающих и ненабухающих структурных слоев (монтмориллонит-гидрослюда, монтмориллонит-хлорит). По своим свойствам смешанослойные глинистые минералы занимают промежуточное положение между минералами с жесткой и раздвижной кристаллическими структурами.

Глинистые минералы обладают ярко выраженными ионно-обменными свойствами, что совместно с малым размером частиц и высокой удельной поверхностью (суммарной площадью поверхности частиц в единице массы породы) определяет их повышенную адсорбционную способность. Это замечательное свойство позволяет использовать глины как природные высокоэффективные сорбенты для защиты почв, грунтов и подземных вод от техногенных загрязнений.

Чрезвычайно важным моментом при взаимодействии частиц глинистых минералов с водой является формирование вокруг их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС). Внутренняя часть ДЭС образована отрицательно заряженной поверхностью глинистой частицы, а внешняя состоит из адсорбционного и диффузного слоев гидратированных катионов. Структура ДЭС во многом зависит от pH и концентрации солей раствора, в котором он формируется. Из-за кристаллохимических особенностей строения глинистых минералов при изменении pH раствора наблюдается перезарядка торцевых участков глинистых частиц. Подобный эффект связан с амфотерными свойствами бокового скола октаэдрической сетки, который ведет себя подобно гидроокиси алюминия. В кислой среде скол октаэдрической сетки диссоциируется по щелочному типу, в щелочной среде скол диссоциирует по кислому типу. В результате этого процесса боковой скол глинистой частицы в кислой и нейтральной средах заряжается положительно, а в щелочной - отрицательно. Изменение заряда на торцевых участках глинистых частиц приводит к формированию в щелочных условиях одноименно заряженных, а в кислых и нейтральных знакопеременных ДЭС.

Толщина диффузного слоя зависит от состава и концентрации солей в водном растворе, окружающем частицы глинистых минералов. Она максимальна при отсутствии солей и резко сокращается по мере увеличения их концентрации. Подобное поведение ДЭС в различных физико-химических условиях является одним из главных факторов, регулирующих процессы структурообразования в глинистых осадках, и оно оказывает сильное влияние на формирование свойств глинистых пород в ходе их геологического развития.

1.3 Электропроводимость в осадочных горных породах

Итак, осадочные горные породы состоят из породообразующих минералов и пустот (пор), заполненных водой, нефтью, газом или смесью этих флюидов. Большинство породообразующих минералов - кальцит, кварц, полевые шпаты, слюда - имеют очень большое сопротивление и практически не проводят электрического тока. Примесь в осадочной породе высокопроводящих рудных минералов (пирита, магнетита и др.) при содержании меньшем 5%, оказывает небольшое влияние на удельное сопротивление породы. Осадочные горные породы, слагающие разрезы нефтяных и газовых месторождений, как правило, содержат менее 5 % рассеянных зерен рудных минералов. Однако, несмотря на весьма высокое сопротивление породообразующих минералов, удельное сопротивление различных осадочных пород в естественном залегании изменяется в широком диапазоне - от десятых долей Ом-метра до сотен тысяч (рис. 1.1).

Рис. 1.1 УЭС горных пород (по В.Н. Дахнову)

Нефть, заполняющая пустоты породы, также обладает очень высоким сопротивлением (109 - 1016 Ом м). Роль проводника при прохождении электрического тока через осадочные породы играет пластовая вода, содержащая растворенные соли. Размер удельного сопротивления породы в каждом отдельно взятом случае зависит от удельного сопротивления насыщающих поры породы пластовых вод; процентного содержания водных растворов и углеводородов в порах породы; текстурных особенностей породы; горного давления и температуры на глубине залегания. Удельное сопротивление пластовых вод, в свою очередь, зависит от концентрации, состава растворенных солей и температуры.

2. Изолированность модели. В природных условиях, в отличие от лабораторных, исследуемый объект занимает определенное пространственное положение среди других пород с иными литологическими и петрофизическими характеристиками, и находится с ними в физико-химическом и термодинамическом равновесии.

3. Несоответствие внутренней структуры пород первоначальной. При изменении температуры и давления от пластовых к поверхностным в образцах горной породы происходят ее изменения, связанные с дополнительной трещиноватостью, усыханием и растрескиванием глинистого материала, изменением порового объема породы за счет обратимых и необратимых деформаций ее скелета и т.д.

3. Решение обратной задачи - определение характеристик модели и сопоставление выходной информации с результатами эксперимента;

Методика работы на четырехэлектродной установке состоит в следующем. Образец породы правильной геометрической формы помещают в кернодержатель. Включают питание. По падению напряжения на эталонном сопротивлении устанавливают ток через шунт и образец в пределах 0,1-10 мА. Затем измеряют падение наряжения на контактах МN образца. Зная ток, протекающий через образец, и падение напряжения, рассчитывают сопротивление участка MN образца.

Рис. 1.2 Схема четырехэлектродной установки для измерения удельного электрического сопротивления некомпенсационным (а) и компенсационным (б) способом

Удельное электрическое сопротивление рассчитывают по формуле

=Rs / L

где - удельное электрическое сопротивление; s - площадь поперечного сечения образца; L - длина участка MN.

Для эффективного использования измерительных установок необходимо подбирать оптимальные условия измерений, частоту и питающий ток, способы надежного контакта электрода с образцом, материал электродов и т.д. Частота и плотность тока, протекающего через образец, определяются условиями, необходимыми для снижения до минимумов эффектов поляризации, электрического разложения электродов и породы, разогрева образца, электролиза на электродах.

Перед измерением УЭС образцы экстрагируют от остаточной нефти, отмывают от солей и высушивают при 1050С до постоянной массы. Затем насыщают образец под вакуумом раствором заданной минерализации. До момента измерения образцы должны храниться в насыщенном растворе в плотно закрытой емкости для исключения процессов испарения и связанного с этим изменения минерализации раствора. Перед измерением образец извлекается из раствора, обтирается с боковой поверхности влажной фильтровальной бумагой до получения матовой поверхности (для исключения поверхностной проводимости) и помещается в кернодержатель.

Устанавливается необходимый ток (0,1-10 мА) и измеряется падение напряжения на измерительных электродах MN и шунте. Сопротивление образца рассчитывается из соотношения (при постоянном токе через шунт и образец)

Uэт/Rэт = Uобр/Rобр

2.2 Математическая модель горной породы

3. Состояние внутренней структуры породы - характер пространственного распределения компонентов и фаз.

4. Физико-химические особенности компонентов - минеральный состав, количественные характеристики сред.

Горную породу следует рассматривать при моделировании, как систему с распределенными параметрами, состояние которой определяется функциями нескольких переменных, зависящих от времени и пространственных координат. Математически системы с распределенными параметрами описываются с помощью дифференциальных уравнений в частных производных с определенными краевыми условиями.

Система, моделирующая горную породу, в общем случае состоит из твердой фазы, жидкой фазы и газообразной фазы. Между отдельными фазами системы протекают химические реакции, процессы растворения и кристаллизации.

На поверхностях раздела объемных фаз могут возникать промежуточные фазы или поверхностные слои, характеризующиеся аномальными физико-химическими свойствами. Эти слои образуются в результате взаимодействия отдельных компонентов горной породы.

Твердая фаза терригенной горной породы состоит из частиц различного минерального состава и размера. К ней относится матрица (скелет) и цемент породы. Минеральный состав и количество цемента определяют сорбционные свойства горной породы и играют важную роль при формировании поверхностных водных слоев. Твердая фаза характеризуется структурой и текстурой. Структура терригенных пород определяется размером минеральных частиц, слагающих породу (крупно-, средне-, мелкозернистая) и их окатанностью.

С другой стороны, обломочная горная порода представляет собой пористую среду, которая содержит то или иное количество пор. Поры имеют малые размеры по сравнению с объемом пласта или образца породы. Поры всегда заполнены жидкой, газообразной или твердой фазами.

В качестве жидкой фазы в горной породе могут присутствовать разнообразные водные растворы различных химических соединений (пластовые воды), углеводороды (нефть) и сжиженные газы. Все они являются в общем случае многокомпонентными веществами.

Газообразная фаза, представленная обычно углеводородами предельного ряда, находится в гидрофильных породах в непосредственном контакте и взаимодействии с остаточной водой, в гидрофобных - с твердыми минеральными частицами.

Поверхностные фазы образуются на поверхностях раздела минеральная частица - пластовая вода, пластовая вода - углеводород, минеральная частица углеводород. Поверхностная фаза являет собой адсорбционный моно- и полимолекулярный водный и углеводородный слой, имеющий аномальные механические и физико-химические свойства по сравнению с их свойствами в объеме. Толщина поверхностного слоя много меньше толщины порового капилляра.

Установлено, что электропроводность водоносных и нефтегазоносных пород, содержащих глинистый материал и пластовую воду малой минерализации, определяется проводимостью именно поверхностных слоев.

Частный случай поверхностной фазы - пленка, характеризующаяся относительно малыми размерами в направлении перпендикулярном поверхности раздела фаз. Пленка по сравнению с поверхностным слоем обладает рядом специфических особенностей: она имеет большую толщину, содержит однородную область и компоненты, отсутствующие в окружающих объемных фазах. Особый интерес представляют пленки связанной воды на поверхности твердых минеральных гидрофильных частиц. Связанная вода, как выяснилось, в виде пленки толщиной менее 1 мкм обладает повышенной плотностью, в несколько раз увеличенной вязкостью, аномальной электропроводностью и пониженной диэлектрической проницаемостью, а также увеличенной теплопроводностью. Таким образом, при анализе электрических, диффузных, тепловых и других процессов в горных породах необходимо принимать во внимание изменение удельных свойств поверхностных слоев по их толщине. Это имеет важное значение при петрофизическом моделировании и в конечном итоге при интерпретации геофизических аномалий.

Глинистые частицы вследствие своих особых свойств при взаимодействии с водой также рассматриваются как самостоятельная однокомпонентная фаза.

Горные породы, залегая на определенной глубине, находятся в определенных термодинамических условиях и по отношению к окружающим телам являются системами открытыми, способными обмениваться с окружающей средой веществом, теплотой и т.д.

Таким образом, терригенный нефтегазоносный пласт в петрофизике рассматривается как пятифазная многокомпонентная термодинамическая система. УЭС горной породы определяется как сложная суперпозиция свойств фаз и компонентов, слагающих породу, учитывающая множество факторов, влияющих на каждую фазу.

электромагнитный горный пористость глинистый

3. ВЗАИМОСВЯЗЬ УЭС ГОРНОЙ ПОРОДЫ С ДРУГИМИ ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

На величину УЭС горных пород преобладающее влияние оказывают следующие факторы:

- пористость (структура породы);

- анизотропия (текстура породы);

- влагонасыщенность;

- удельное электрическое сопротивление пластовой воды, присутствующей в породе;

- глинистость;

- термобарические условия залегания породы.

Пористость.

Пористость - совокупность пустот (пор), заключенных в горных породах. Количественно пористость горных пород выражается отношением объема всех пород к общему объему горных пород, выражается в долях единицы или в процентах и называется коэффициентом пористости.

Поскольку проводником электрического тока в большинстве осадочных пород является пластовая вода, а породообразующие минералы не проводят электрического тока, удельное сопротивление зависит не только от минерализации пластовых вод, но и от их объема, или при 100 % насыщении пластовой водой - от величины коэффициента пористости пород.

Чем выше коэффициент пористости породы, тем больше в ней содержится проводящего ток флюида и тем ниже ее удельное сопротивление. При изучении зависимости удельного сопротивления от коэффициента пористости пород для исключения влияния минерализации пластовых вод обычно пользуются относительным сопротивлением, которое при 100 % насыщении породы пластовой водой называется параметром пористости,

Рп = вп/в

где Рп - параметр пористости; вп - удельное сопротивление породы при 100 % ее насыщении пластовой водой, Омм; в - удельное сопротивление пластовой воды, Омм.

Исследования показывают, что для большинства осадочных горных пород связь сопротивления с величиной пористости выражается эмпирической формулой (Дахнова-Арчи)

Рп = amkп-m,

где kп - коэффициент пористости породы; amи m - постоянные для определенной группы пород коэффициенты, зависящие от конфигурации токопроводящих путей в породе (степени цементации породы).

По В.Н. Дахнову, коэффициенты amи m для осадочных пород могут иметь следующие значения: am= 10,8; m=1,32,3. С усложнением структуры порового пространства m растет, а наклон псевдопрямой Рп=f(kп), построенной в двойном логарифмическом масштабе, увеличивается по отношению к оси абсцисс (рис. 2.1).

В случае, когда отсутствуют экспериментальные зависимости, полученные при изучении образцов из исследуемых отложений, рекомендуется использовать кривые, приведенные на рис. 2.1, для оценки коэффициента пористости по данным сопротивления.

Давление и температура.

Зависимости Рп=f(kп) чаще всего строят на основании экспериментального изучения образцов керна породы в атмосферных условиях. Горные породы в естественном залегании испытывают действие высоких давлений и температур.

Изменение физических свойств сцементированных осадочных горных пород, наблюдаемое без разрушения механических связей в скелете породы (например, при выносе керна из скважины на поверхность), обусловлено главным образом объемными деформациями порового пространства и породообразующих материалов. Величины этих объемных деформаций зависят от среднего нормального напряжения или всестороннего давления (аналог геостатического давления) , порового давления р и температуры t на глубине залегания породы.

Рис. 2.1 Зависимость параметра пористости от коэффициента пористости в зависимости от параметра m: 1 - пески; 2 - слабосцементированные песчаники; 3 - среднесцементированные песчаники; 4 - ракушечные и глинистые известняки; 5 - известняки и доломиты крупнокристаллические средней уплотненности; 6 - известняки и доломиты плотные и тонкокристаллические