Другие физические свойства горных пород

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

ε = 1 + 4 π а,

где а – поляризуемость среды.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость ε определяется соотношением D /E, 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

ε = ε_отн ε₀,

где ε_отн – относительная диэлектрическая проницаемость, показы- вающая, во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницае- мость данной среды превышает абсолютную диэлектрическую проницаемость вакуума ε₀. Вакуум             обладает   наименьшей ди- электрической проницаемостью, равной 10^–9/36 π» 8,85 10^–12 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 ε_отн главных по- родообразующих минералов невелики (4–10), например в отличие от воды при 20 °С, для которой ε_отн достигает 80. Поэтому диэлек- трическая проницаемость пород в большой степени зависит от их водонасыщенности. Для нефти ε_отн = 2–6, а для нефтенасыщенной

породы – 6–10.

Зависимость величины ε_отн от коэффициента водо- и нефтена- сыщенности для пород-коллекторов почти линейно связана с ко- эффициентом водонасыщенности K _в.

Магнитные свойства горных пород. Основными магнитными параметрами горных пород, используемыми в геофизике, являются намагниченность I, магнитная восприимчивость χ и магнитная прони- цаемость µ. Намагниченность характеризует магнитное состояние на- магниченного тела и оценивается для однородного намагниченного тела как отношение магнитного момента М _м к единице его объема V:

I = М _м / V.

В случае неоднородного намагниченного тела I 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 I и ее магнитным по- лем Н:

χ = I / H,

где χ – величина безразмерная; размерность Н – А/м. Различают объемную χ магнитную восприимчивость, отнесенную к единице объема, и удельную χ _уд, рассчитанную на 1 кг вещества.

Магнитная проницаемость µ характеризует связь между маг- нитной индукцией В в породе и магнитным полем Н:

µ = В/ µ_о H,

где µ_о – 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 магнитностью. Их магнитные свойства определяются содержанием частиц ферромагнитных минералов, сильных и темноцветных парамагнетиков и слабых парамагнит- ных и диамагнитных минералов. Для глинистых пород χ составля- ет (10–14) 10^–3, для песчаников – (14–15) 10^–3, а для гидрохимиче- ских и карбонатных пород – менее 6×10^–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 λ или теп- ловое сопротивление породы ξ = 1/λ, теплоемкость или удельная теплоемкость с и температуропроводность породы a.

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 метр- кельвин. В промысловой геофизике обычно пользуются величиной обратной теплопроводности – тепловым сопротивлением породы ξ (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 С _м, объем- ной С_v). 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.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ