18.2. Электромагнитные свойства горных пород. Геоэлектрический разрез.

Остановимся на наиболее важных электромагнитных свойствах горных пород: удельном электрическом сопротивлении, поляризуемости, диэлектрической и магнитной проницаемостях.

Удельное электрическое сопротивление горных пород. Не только различные породы, но и одни и те же их разновидности характеризуются большим диапазоном изменения удельного сопротивления, который составляет 10³-10¹⁵ Ом·м. Горные породы с удельным электрическим сопротивлением 10³—10⁷ Ом·м относят к проводникам, с сопротивлением 10²-10⁷ Ом·м - к полупроводникам, свыше 10⁸ Ом·м - к диэлектрикам. Удельные сопро­тивления некоторых минералов и горных пород приведены в табл. 18.1.

Из таблицы следует, что значения удельного сопротивления изверженных, метаморфических и сухих осадочных пород существенно различаются. В условиях естественного залегания неко­торые осадочные породы имеют низкое удельное сопротивление,

Таблица 18.1

Удельное электрическое сопротивление некоторых минералов и горных пород

Минералы, горные породы	Удельное электрическое сопротивление, Ом м
Минералы
Пирит Магнетит Графит Соль (нечистая) Серпантин Сидерит	0,1 0,6-1,0 0,03 3 103-5 105 2 104 7 103
Магматические породы
Гранит Диорит Габбро Диабаз	108 106 107-109 3,1 105
Метаморфические породы
Гранито-гнейс Сланец Биотитовый гнейс	2 107 6,4 104- 6,4 106 108-109
Осадочные породы
Глина (сухая) Галька (конгломерат) Песчаник (сухой) Известняк Нефтенасыщенный песок	2 103-2 105 2 105-2 106 7 105 104-106 4 102-2,2 104

т.е. являются хорошими проводниками для постоянного электрического тока; к ним относятся породы со значительной пористостью и водонасыщенностью, удельное электрическое сопротивление которых определяется концентрацией и химическим составом минеральных растворов, а также степенью заполнения этими растворами порового пространства горной породы. Особенно низкое удельное сопротивление в пределах 10^-2-10² Ом·м имеют песчано-глинистые породы. Однако, осадочные породы с малой пористостью и, значит, малой водонасыщенностью имеют весьма высокое удельное сопротивление - до 10⁴-10⁵ Ом·м; к таким породам, в частности, относятся ангидриты, гипсы, соль, а также плотные разности известняков, доломитов и др. Удельное электрическое сопротивление пород, насыщенных нефтью или газом, оказывается существенно более высоким по сравнению с удельным сопротивлением тех же водонасыщенных пород. Это важное свойство нефтегазонасыщенных пород используют для выявления их в разрезе при наземных электроразведочных исследованиях, а также в скважинах.

Удельное сопротивление пород с возрастанием температуры уменьшается. Сопротивление осадочных пород уменьшается примерно в 2 раза при увеличении температуры на 40-50°С. Так как с увеличением глубины возрастает и минерализация пласто­вых вод и температура, то в глубоко залегающих осадочных тол­щах предполагается уменьшение значений удельных сопротивлений.

Величина удельного сопротивления зависит от направления прохождения тока через горные породы, что объясняется их анизотропией. Обычно анизотропия вызвана тонкослоистостью разреза, причем при прохождении тока перпендикулярно к слоистости сопротивление оказывается больше, чем при прохождении тока вдоль слоистости. Степень этого различия характеризуется коэффициентом анизотропии

(18.25)

где - удельные электрические сопротивления при прохождении тока соответственно поперек и вдоль слоистости. Коэффициент анизотропии удельного сопротивления для большинства горных пород находится в пределах 1-1,5, достигая 2-3 у сильно сланцеватых пород.

Поляризуемость горных пород. Способность пород накапливать заряд при пропускании тока, а затем после отключения тока разряжаться, определяется коэффициентом поляризуемости η), который вычисляется в процентах как

(18.26)

где - напряжение, остающееся в измерительной линии по прошествии некоторого времени (обычно 0,5-1 с) после размыкания токовой цепи; - напряжение в той же линии при пропускании тока.

Поляризуемость - сложный электрохимический процесс, протекающий при прохождении тока через породу. Наибольшей поляризуемостью ( ) обладают руды (сульфиды, некоторые самородные металлы и отдельные окислы). Возникновение вызванных потенциалов в этих породах объясняется их электронной поляризацией в присутствии подземных вод. Большинство изверженных и метаморфических пород, как правило, не поляризуется, для них . Слабо поляризуются и осадочные водонасыщенные породы, однако их поляризуемость возрастает при наличии вкраплений рудных минералов.

Диэлектрическая проницаемость. При помещении любого вещества в электрическое поле имеющиеся в нем электрические заряды взаимодействуют с этим полем. В результате часть зарядов перемещается направленно, образуя электрический ток, а другая часть перераспределяется так, что центры положительных и отрицательных зарядов только смещаются относительно друг друга - происходит процесс поляризации зарядов. В средах с низким удельным сопротивлением (проводниках) преобладает процесс электропроводности, а в средах с очень высоким сопротивлением (порядка 10⁸ Ом·м и выше) - поляризации зарядов. Свойства полупроводников определяются как процессами электропроводности, так и поляризации.

(18.27)

Поляризационные свойства среды характеризуют вектором поляризации , который представляет электрический момент единицы объема среды. Величина зависит от напряженности приложенного электрического поля Е и при слабых полях равна:

(18.27)

где - коэффициент пропорциональности, называемый диэлектрической восприимчивостью.

Чаще поляризационные свойства среды характеризуют вектором электрической индукции (или, по-другому, вектором электрического смещения):

(18.28)

Коэффициент пропорциональности называется диэлектрической проницаемостью (или диэлектрической постоянной). Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз уменьшается сила взаимодействия электрических зарядов при переносе их из вакуума в данную среду.

При применении постоянного тока параметр ε не влияет на результаты наблюдений. При переменном поле диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной и зависит от частоты поля. Однако в нефтегазовой электроразведке используются переменные поля не слишком большой частоты (не более 100-1000 Гц), и при таких частотах величина ε практически не влияет на результаты наблюдений.

Для воздуха диэлектрическая восприимчивость , а диэлектрическая проницаемость . Диэлектрическая проницаемость у большинства горных пород изменяется от 1 до 100 электростатических единиц. Отметим отличие диэлектрических проницаемостей нефти (2,5-40) и воды (80).

Магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость μ связана с другой характеристикой магнитных свойств горных пород - магнитной восприимчивостью формулой (15.18). Практически магнитная проницаемость всех горных пород примерно равна магнитной проницаемости воздуха, лишь у ферромагнетиков магнитная проницаемость может на порядок превосходить магнитную проницаемость воздуха. Поэтому для нефтегазовой электроразведки μ можно принять постоянной для всего геологического разреза и не влияющей на распределение электромагнитного поля в земле.

Геоэлектрический разрез. В реальных геологических средах электрические свойства горных пород (особенно удельное электрическое сопротивление) весьма быстро изменяются в пространстве. Однако в определенных интервалах глубин электромагнитные свойства горных пород оказываются примерно постоянными. В этом случае геологическую среду можно представить в виде отдельных слоев, в каждом из которых электромагнитные свойства - удельное электрическое сопротивление ρ, диэлектрическая и магнитная μ проницаемости постоянны. Таким образом, вводится понятие геоэлектрического разреза как совокупности отдельных слоев конечной мощности с постоянными внутри каждого слоя электромагнитными параметрами.

Наиболее простой моделью геоэлектрического разреза является горизонтально-слоистый разрез. В зависимости от числа в нем толстых слоев геоэлектрический разрез называют однослойным (однородная среда), двухслойным (верхний пласт - конечной, второй - бесконечной мощности), трехслойным (первые два слоя конечной, третий слой - бесконечной мощности) и т.д.

Приведем некоторые электрические характеристики для горизонтально-слоистой среды. Вырежем в ней призму с квадратным основанием 1x1 м. Проводимость призмы в направлении, перпендикулярном к ее боковым граням (т.е. при протекании тока вдоль напластования), называется суммарной продольной проводимостью слоистого разреза и равна сумме продольных проводимостей отдельных слоев:

(18.29)

и измеряется в сименсах (1 См = 1 Ом^-1).

Если ток течет перпендикулярно к напластованию, то призму следует рассматривать как систему последовательно включенных сопротивлений. Полное ее сопротивление, называемое суммарным поперечным сопротивлением пачки слоев равно сумме поперечных сопротивлений отдельных ее составляющих:

(18.30)

Если в геоэлектрическом разрезе имеется достаточно мощный слой с аномально высоким или аномально низким значением электромагнитных параметров, то такой слой называется опорным геоэлектрическим горизонтом. Наибольший интерес представляют высокоомные опорные электрические горизонты, которыми могут быть кристаллический фундамент, мощная соленосная толща или мощный слой известняка и т.п. Низкоомным го­ризонтом может быть водоносная толща. Изучение поведения высокоомных опорных геоэлектрических горизонтов - одна из часто встречаемых задач структурной электроразведки.