Файл: Даев Д.С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.06.2024
Просмотров: 83
Скачиваний: 0
где а — поляризуемость среды, Е — напряженность электрического поля.
Вещества, которые поляризуются в электрическом поле, назы ваются диэлектриками. Часто этот термин используется в более узком смысле: для характеристики веществ и тел, не обладающих сколько-нибудь заметиоіі проводимостью. В общем случае всякое вещество характеризуется некоторой способностью проводить электрический ток и поляризоваться, т. е. является и проводником и диэлектриком.
Диэлектрические свойства вещества, его поляризуемость, ха рактеризуются обычно диэлектрической проницаемостью:
s = l -f- 4ла. |
(1.2) |
Если диэлектрическую проницаемость |
вакуума обозначить so, |
то |
|
8 = 8%, |
(1.3) |
где 8* — относительная диэлектрическая |
проницаемость, показы |
вающая, во сколько раз диэлектрическая проницаемость данной среды превышает проницаемость вакуума.
Различают несколько видов поляризации: электронную, ион
ную, |
атомную, |
ориентационную (релаксационную), объемную и |
т. д. |
Все виды |
поляризации можно объединить в три основные |
группы: 1) поляризация смещения; 2) ориентационная (релакса ционная, дипольная) поляризация; 3) структурная (объемная) поляризация.
Характерным для всех типов поляризации, входящих в первую группу (электронная, ионная, атомная поляризация), является смещение упрутосвязанных зарядов под действием внешнего поля. В результате этого действия нейтральный ранее элемент объема вещества приобретает дипольный момент. Поляризация электрон ного смещения связана с упругим смещением электронов относи тельно ядра атома. Диэлектрическая проницаемость среды, обу словленная этим типом поляризации, обычно невелика. Время ■смещения — около К Н 5 с. Поэтому поляризация электронного смещения не зависит от частоты поля во всем диапазоне, вплоть до оптических частот. Она наблюдается в твердых, жидких и га зообразных веществах.
Поляризация ионного смещения состоит в смещении относи тельно друг друга ионов разного знака, связанных силами упру гого притяжения. Поляризация этого вида проявляется в твердых телах с ионной решеткой. Диэлектрическая проницаемость, обу словленная ионным смещением, составляя обычно 4—15 оти. ед., у некоторых кристаллов, например титаната бария, достигает очень больших (до 300 оти. ед.) значений. Время смещения номов составляет 10~12—ІО-13 с.
Атомная поляризация проявляется в веществе с валентными кристаллами, в котором атомы связаны в молекулы путем обмеи-
10
ного взаимодействия валентных электронов. В этом виде поляри зации происходит упругое смещение валентных электронов отно сительно ядер атомов. Диэлектрическая проницаемость диэлек триков с подобной поляризуемостью достигает 15 отн. ед. Атомная поляризация, так же как и два предыдущих вида, является быстрой.
Ориентационная поляризация связана с наличием в диэлек трике полярных молекул. Она характерна для воды и других по лярных жидкостей. При поляризации в этих жидкостях происхо дит ориентация диполей в направлении поля. Ориентационная поляризация по величине намного превосходит поляризацию сме щения. Например, диэлектрическая проницаемость воды при тем
пературе 20° С равна 80 отн. ед. Поскольку |
тепловое движение |
дезориентирует молекулы, ориентационная |
поляризация зависит |
от температуры, уменьшаясь с повышением последней. Разновид ностью ориентационной поляризации является особый вид — ион ная поляризация, при которой происходит упорядочение распре деления ионов, совершающих тепловое движение. Она наблюдается у кристаллов со слабо связанными ионами.
Структурная поляризация наблюдается в основном в неоднород ных материалах, например в многофазных породах, Появление структурной поляризации связано с движением ионов, накапливаю щихся у межфазовых границ раздела. В отличие от других, этот вид поляризации является медленным. Он требует для своего развития гораздо большего времени, чем предыдущие виды. При радиочастотах структурная поляризация практически не наблюда ется. Напротив, на частотах, равных десяткам и сотням герц, она может играть основную роль.
Диэлектрическая проницаемость минералов
Диэлектрическая проницаемость минералов меняется в доволь но широких пределах. Высокими значениями е характеризуется вода, обладающая ярко выраженной ориентационной поляриза цией, а также некоторые соединения титана и марганца, напри мер рутил (до 170 отн. ед.). Однако подавляющему большинству минералов свойственна поляризация смещения — электронная и ионная. Их диэлектрическая проницаемость сравнительно невели ка и составляет 4—12 отн. ед. Основные породообразующие мине ралы имеют е порядка 4—7 отн. ед.
Как отмечает В. Н. Кобранова [55], диэлектрическая прони цаемость минералов зависит от их плотности. Если учесть, что поляризация вещества повышается с увеличением числа поляри зующихся частиц в единице объема, то эта зависимость представ ляется вполне закономерной. В табл. 1 приведены данные о диэлектрической проницаемости ряда минералов. Следует отме тить, что цифры, разных авторов, иногда сильно различаются, что объясняется трудностью определения е образцов в лабораторных
Та б л и и а 1
Минерал |
е, отн. ед. |
Мпнсрал |
е, отн. ед. |
К в а р ц ..................................... |
4,0—5,0 |
|
Калиевые полевые шпаты . . |
4,5—6,0 |
|
Мусковит................................. |
6,2—8,0 |
|
Б и о т и т ..................................... |
4,8—6,0 |
|
Тальк . . . ......................... |
4,5—6,0 |
|
Кальцит ................................. |
7,5 |
—8,0 |
Д о л о м и т ................................. |
6,8 |
—10,0 |
Сидерит..................................... |
7,0—7,5 |
|
Гипс . . . . |
..................... |
4, 2 |
|
А н г и д р и т |
......................... |
5,7 |
—6,3 |
Га л и т ................................. |
|
5,6 |
—6,4 |
Сильвин ............................. |
|
4,7 |
—4,8 |
Лимонит............................. |
|
10,0—11,0 |
|
Апатит ................................. |
|
7,4 |
— 10,5 |
Галенит ............................. |
|
18,0 |
|
Сфалерит............................. |
|
7,8 |
—8,3 |
Р у т и л ................................. |
|
90,0 |
—170,0 |
Н еф т ь ................ .... |
|
2,0 |
—3.0 |
условиях, в частности, сильным влиянием влаги в образце на ре зультаты измерении, зависимостью результатов от методики изме рении и т. п.
Диэлектрическая проницаемость минералов в определенной, степени зависит от температуры. Особенно резко эта зависимость выражена у воды, что вполне понятно, поскольку с ростом темпе ратуры тепловое движение все больше препятствует ориентации дипольных молекул по направлению поля.
Изменение диэлектрической проницаемости воды с температу рой показано в табл.2.
|
<■4. |
О |
|
о |
Г
s, отн. ед.
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2 |
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
88 |
80 |
73 |
67 |
61 |
55 |
Диэлектрическая проницаемость воды слабо зависит от кон центрации растворенных в ней солей. В простейшем случае бинар ного электролита эта зависимость имеет вид
Бр = 8в -{- 3,79 ]/х , |
(1.4)> |
где е* — относительная диэлектрическая проницаемость раствора;
е* — относительная диэлектрическая |
проницаемость чистой воды; |
|
у, — концентрация раствора в молях на литр. |
||
В соответствии с формулой |
(1.4) |
при концентрации водного |
раствора NaCl, равной 1 моль/л, |
т. е. |
57 г/л, диэлектрическая про |
ницаемость возрастает всего лишь на 5% по сравнению с е дис тиллированной воды.
Интересно отметить, что при температуре от 0 до —2° С лед имеет высокие значения е (79 отн. ед.).
12
Диэлектрическая проницаемость горных пород
Горная порода обычно является сложной системой, состоящей
.из разных компонентов. Ее диэлектрическая проницаемость зави сит от состава и процентного соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз, участвующих в строении породы. На величину е влияют также частота поля и температура. Как отмечалось выше, диэлектрическая проницаемость главных породообразую щих минералов равна 4—8 отн. ед., а воды — 80 оти. ед. Поэтому
диэлектрическая |
проницаемость пород, обладающих значитель |
ной пористостью |
(чаще всего осадочных пород), сильно зависит |
от их влажности. |
Минералогический состав скелета этих пород |
влияет на величину s в меньшей мере, чем в малопористых поро дах. Исключение составляют породы, содержащие заметные коли чества глинистого материала, в которых диэлектрическая прони цаемость существенно зависит от глинистости. Диэлектрическая проницаемость многих изверженных пород, пористость которых часто составляет доли процента, в основном зависит от е породо
образующих |
минералов и обычно колеблется в |
пределах 6— |
|
12 отн. ед. В случае, |
когда жидкая фаза, насыщающая породу, |
||
представлена |
нефтью |
(е* = 2,5), диэлектрическая |
проницаемость |
породы также невелика и составляет 6—8 отн. ед.
Рассмотрим подробнее зависимость диэлектрической проницае мости от содержания влаги в горной породе. При этом, в основ ном, будем опираться на результаты исследований Г. Я. Черняка [80J и С. М. Аксельрода [7].
В лабораторных опытах Г. Я. Черняка изучалась связь между пористостью и диэлектрической проницаемостью водонасыщенного песка при полном насыщении пор пресной водой. Можно считать, что пористость в данном случае равна объемной влажности песка. Измерения проводились на частоте 12 МГц в специальном кон денсаторе. На рис. 1 изображены результаты измерений е при разной пористости образцов. На рисунке видно, что имеется ли нейная зависимость е от коэффициента пористости &н. Интересно отметить, что экспериментальные данные неплохо согласуются с расчетными значениями е. Расчеты выполнены по формуле Оделевского [62], рекомендуемой для случаев, когда электрические параметры компонентов смеси сильно различаются. Формула по лучена в предположении, что порода представляет собой стати стическую смесь, в которой частицы и поры расположены хаотич но. Для двухфазной смеси формула имеет вид
6с = |
В + ]/"В2+ (еI s2/2) . |
(1.5) |
Здесь |
|
|
В = [(ЗѲХ— 1) е[ + (ЗѲа— 1)е’]/4, |
|
|
где вс — относительная |
диэлектрическая проницаемость |
смеси; |
13
