1.2 Фізичні основи електричних методів

1.2.1 Питомий електричний опір гірських порід

Відомо, що електричний опір R провідника завдовжки l, що складається з однорідного матеріалу і має постійний поперечний перетин s, можна визначити по формулі

(1.1)

Коефіцієнт в рівнянні (1.1) називається питомим електричним опором і вимірюється в прикладній геофізиці в ом.метрах (Ом-м). Питомий електричний опір обернено пропорційний до питомої електричної провідності (електропровідності) гірських порід.

Осадкові гірські породи, що складають розрізи нафтових, газових, вугільних і багатьох рудних родовищ, складаються з породоутворюючих мінералів і пусто (пор), заповнених водою, нафтою, газом або сумішшю цих флюїдів. Більшість породоутворюючих мінералів мають дуже великий опір і практично не проводять електричного струму. Питомий електричний опір (в Ом-м) породоутворюючих і рудних мінералів:

Таблиця 1.1 Питомий опір порід, Омм

Ангідрит | 107-1010 | Кам’яне вугілля | 10-1016

Кальцит | 107-1012 | Антрацит | 10-3-1

Кварц | 1012-1014 | Пірит | 10-4-10-1

Польовий шпат | 1011-1012 | Графит | 10-6-10-4

Слюда | 1014-1015 | Магнетит | 10-4-10-2

Нафта | 109-1016

Домішок в осадковій породі високопровідних рудних мінералів (піриту, магнетиту і ін.) при вмісті, меншому 5%, робить невеликий вплив на питомий опір породи. Осадкові породи, що складають розрізи нафтових і газових родовищ, як правило, містять менше 5% розсіяних зерен рудних мінералів. Проте, не дивлячись на вельми високий опір основних породоутворюючих мінералів, питомий опір різних осадкових порід в природному заляганні змінюється в широкому діапазоні —від десятих доль ом.метра до сотень тисяч Ом.метрів. Роль провідника при проходженні електричного струму через осадкові породи грає пластова вода, що містить розчинені солі. Величина питомого опору породи в кожному окремо взятому випадку залежить від питомого опору тих, що насищають пори породи пластових вод; процентного вмісту водних розчинів і вуглеводнів в порах породи; текстурованих особливостей породи.

Питомий опір пластових вод, у свою чергу, залежить від концентрації, складу розчинених солей і температури. При рівних концентраціях (мінералізаціях) значення питомого опору водних, розчинів солей сильних кислот близькі. Найбільш високу концентрацію в пластових водах мають іони Cl-, SO42- , Na+, Ca2+ і Mg2+. У меншій колількості містяться іони І-, Вг- і ін. Сіль NаCI переважає. Тому звичайно при визначенні питомого опору пластових вод нафтових і газових родовищ по відомій мінералізації впливом складу розчинених в пластовій воді солей нехтують і умовно вважають, що в розчині є тільки одна сіль NаCI.

Загальну мінералізацію пластових вод прирівнюють до мінералізації розчину NаCI і питомий опір з урахуванням температури визначають по графіку, зображеному на Рис. 1.1

рис 1.1 Залежність питомого опору розчину хлористого натрію від його концентрації С, температури t і густини Ве

Як видно, із збільшенням температури на 1 °С питомий опір розчинів знижується в середньому на 2%. У невеликому діапазоні температур (наприклад, від нуля до 50 °С) для приведення питомого опору розчину до заданої температури можна використовувати також формулу

(1.2)

де — питомий опір розчину при t=20°C, Ом.м; - температура °С; — температурний коефіцієнт, рівний приблизно 0,0230 С-1.

Оскільки провідником електричного струму в більшості осадкових порід є пластова вода, а породоутворюючі мінерали не проводять електричного струму, питомий опір залежить не тільки від мінералізації пластових вод, але і від їх об'єму, або при 100%-вому насиченні пластовою водою — від величини коефіцієнта пористості порід. Чим вищий коефіцієнт пористості породи, тим більше в ній містяться провідного струм флюїду і тим нижче її питомий опір. При вивченні залежності питомого опору від коефіцієнта пористості порід для виключення впливу мінералізації пластових вод звичайно користуються відносним опором, який при 100%-вому насиченні пір породи пластовою водою називається параметром пористості

(1.3)

де —параметр пористості; — питомий опір породи при 100%-вому насиченні її пластовою водою, Ом.м; — питомий опір пластової води, Ом.м.

Дослідження показують, що для більшості осадових гірських порід зв'язок опору з величиною пористості виражається емпіричною формулою

(1.4)

де — коефіцієнт пористості породи; і m — постійні для певної групи порід коефіцієнти, залежні від конфігурації струмопровідних шляхів в породі (ступеню цементації породи). Коефіцієнти і m для осадкових порід можуть мати наступні значення: =1-0,8; m=1,3-2,3.

Рис 1.2 Залежність параметра пористості Рп від коефіцієнта пористості порід Кп для теригенних і карбонатних порід атмосферних умовах.

На рис 1.2 приведені узагальнені криві залежності параметра від коефіцієнта пористості породи. Ці криві рекомендується використовувати для оцінки коефіцієнта пористості за даними опору у тому випадку, коли відсутні експериментальні залежності, одержані при вивченні зразків з досліджуваних відкладень.

Залежності частіше за все будують на підставі експериментального вивчення зразків кернів породи в атмосферних умовах. Гірські породи в природному заляганні випробовують дію високого тиску і температури, в результаті чого коефіцієнт пористості зменшується, а питомий опір зростає. Ці обставини сприяють збільшенню нахилу кривих.

На мал. 4 зображені експериментальні криві, що ілюструють вплив всестороннього стиснення на вигляд . Збільшення температури веде до зростання параметра пористості для чистих або малоглинистих порід і його зниженню для глинистих порід. Спосіб введення поправок за вплив пластових умов викладений в роботах.

На питомий опір глинистих пісковиків, крім мінералізації пластової води, температури і тиску, впливає поверхнева провідність, обумовлена адсорбційною здатністю тонкодисперсної глинистої фракції. Ця додаткова провідність знижує питомий опір глинистих порід. Особливо помітним стає вплив поверхневої провідності при насиченні глинистої породи прісною або опрісненою водою. У цих умовах величина параметра пористості однієї і тієї ж породи змінюється залежно від мінералізації насиченого електроліту. Для