Питомий електричний опір хімічних елементів, мінералів і гірських порід

Електричний опір хімічних елементів і мінералів. Атоми хімічних елементів характеризуються певною величиною електричного заряду, але у вільному стані є електрично нейтральними, оскільки сумарний негативний заряд електронів скомпенсований рівними за величиною позитивним зарядом протонів ядра. Кількість протонів Zі електронів збільшується від 1 до 94, а електричний заряд кожного протона й електрона дорівнює відповідно 1,6×10^-19 і —1,6×10^-19 Кл. Електричний струм виникає під дією зовнішнього електричного поля чи інших факторів унаслідок руху електронів зовнішньої електронної оболонки, що зумовлює періодичність зміни величини опору і характеру провідності.

На рисунку 4.2 приведений графік питомого електричного опору хімічних елементів, побудований за довідковими даними. Можна бачити, що елементи початку кожного періоду, що мають незаповнені зовнішні орбіти, характеризуються високою провідністю, а в кінці періодів — високим опором напівпровідників і діелектриків, що зумовлено малою рухливістю електронів заповнених орбіт. Найкращими провідниками є елементи початку других напівперіодів 3, 4, 5 і 6 великих періодів - А1, Cu, Аg, Аu (1,6¸2,3x10^-8Ом×м). Найбільш високими напівпровідниковими параметрами характеризуються германій, селен, телур і деякі рідкі елементи. Найвищий опір мають вуглець (алмаз), фосфор, силіцій.

2—6 — періоди Періодичної системи елементів Д. И. Менделєєва;

Z - порядковий номер елементів (число протонів)

Рисунок 4.2 Питомий електричний опір хімічних елементів.

Більшість рудних мінералів — галеніт, борніт, ковелін, магнетит, пірит, піротин, халькопірит і ін. (рисунок 4.3) мають електронну провідність. Їхній питомий опір 10^-6—10^-2 Ом×м. Електронну провідність має графіт (за рахунок p- електронів внутрішніх орбіт). Породотвірні мінерали гірських порід — калієві польові шпати, плагіоклази, рогова обманка, піроксени, олівін, нефелін, кварц і ін. характеризуються властивостями напівпровідників чи діелектриків і мають дуже високий опір (10⁶-10¹²Ом×м). Спостерігається зв'язок між опором і щільністю мінералів. Мінерали з найбільш високою щільністю (самородні метали, рудні мінерали) характеризуються високою провідністю в зв'язку з металевою, іонно-металевою і ковалентно-металевою формою кристаліч-ного зв'язку. Питомий опір мінералів середньої щільності може бути як дуже високим, що типово для ковалентних з'єднань, так і низьким - при змішаній формі зв'язку.

1 — діелектрики; 2 — напівпровідники; 3 — електронні провідники. Форми кристалохімічного зв'язку; 1 і 2 — ковалентна й іонна, 3 — металева, іонно-металева і ковалентно-металева.

Рисунок 4.3 Питомий електричний опір і щільність мінералів.

Мінерали відносно низької щільності, що мають іонну чи ковалентну форму зв'язку, мають найбільш високий опір. Питомі електричні опори (в Ом×м) головних породотвірних і рудних мінералів (по В. Н. Дахнову) наступні.

Ангідрит ………………………10⁷—10¹⁰

Галеніт ………………………...10^-5-10^-3

Галіт…………………………....10¹²—10¹⁴

Гематит (залізний блиск) …….10^-2—10^-1

Графіт ………………………….10^-6-10^-4

Кальцит ………………………..10⁷-10¹²

Кам'яна сіль…………………….10¹⁴-10¹⁵

Кварц …………………………..10¹-10¹⁴

Лимоніт ………………………...10⁶ 10⁸

Магнетит………………………..10^-1-10^-2 Марказит………………………..10^-2-10^-1

Молібденіт……………………...10^-1-10^-3

Мусковіт………………………...10^-1-10¹

Нафта……………………………10⁹-10¹⁶

Пірит…………………………….10^-4-10^-1

Піролюзит……………………….1-10

Піротин………………………….10^-5-10^-4

Польовий шпат………………….10¹¹-10¹²

Сірка……………………………..10¹²-10¹⁵

Сидерит………………………….10-10³

Сильвін…………………………..10¹³-10¹⁵

Слюда……………………………10¹⁴-10¹⁵

Сфалерит………………………...10⁵-10⁷

Халькопірит……………………..10^-3-10^-1

Залежність питомого електричного опору гірських порід від їх фазового, мінерального складу і структурно-текстурних особливостей. Механізм електропровідності гірських порід може бути іонний, електронний і змішаний у зв'язку з розходженням їхнього фазового складу і різною природою провідності породотвірних і акцесорних чи рудних мінералів. Питомий електричний опір твердої фази (мінералогічного скелету) перевершує опір рідкої фази на 6—8 порядків; газова фаза є діелектриком. Тому вплив різних фаз, що заповнюють поровий простір порід, і структура останнього є визначальними для питомого опору більшості гірських порід. Виключення складають глини, глинисті породи і гіпс. При розвитку акцесорних чи рудних мінералів з електронною провідністю основного значення набуває структура їхніх включень.

Залежність питомого електричного опору магматичних порід від водонасиченості приведена на рисунку 4.4. Спостерігається зниження питомого електричного опору зі зростанням коефіцієнту водонасичення, що відбувається менш різко з появою в сухих породах гігроскопічної вологи і більш різко при заповненні водою усього порового простору. Зміна опору магматичних порід від газонасичених до максимально водонасичених складає 2—4 порядки.

Розглянемо характеристику водонасичених зразків порід при максимальній капілярній вологості.

У водонасичених зразках інтрузивних і ефузивних порід (див. рисунок 4.4 і таблицю 4.2) спостерігається збільшення питомого опору від кислих різновидів до основних і ультраосновних на 2—3 порядки. При цьому r усіх різновидів порід залишається високим (10³—10⁶ Ом×м), значно перевищуючий питомий опір води насичення, (60 Ом×м). Криві , побудовані для водонасичених зразків, приведені на рисунку 10, б. При збільшенні пористості від нуля до 5 % установлюється закономірне зменшення опору від 10⁶—10⁷ до 10³—10⁴ Ом×м; градієнт зміни r,

1 - перидотит, n = 1,4 %; 2 - граніт, n = 2,8 %; 3 - габро, n = 2,8 %;

4 - діабаз, n = 0,7 %; 5 - порфірит,

n = 2,7 %; 6 - кварцовий порфір, n = 3,2 %; 7 - базальт, n = 4 %

; І - дані по окремих зразках; ІІ - середнє значення

Рисунок 4.4 Залежність питомого електричного опору інтрузивних і ефузивних порід від коефіцієнта водонасиченості (а) і від пористості (б) (по Н. Б. Дортман).

Таблиця 4.2

Питомий електричний опір (у Ом×м) газо- і водонасичених

інтрузивних і ефузивних порід

Порода	Зразки	nср	nmin-nmax
Газонасичені	Водонасичені	%
rср	rmin-rmax	rср	rmin-rmax
Граніт	—	—	7×10^3	3×10^3-1×10^4	2,8	1,1-5,2
Діорит кварцовий	—	—	4×10^4	5×10^3-7×10^4	3,3	2,8-3,7
Габро	4×10^6	1×10^6-9×10^6	7×10^4	2×10^4-2×10^5	1,6	0,6-2,5
Габро-амфіболіт	—	—	3×10^4	1×10^4-6×10^4	2,6	2,6-2,9
Перидотит слабо серпентинізований	5×10^7	4×10^7-7×10^7	4×10^5	1×10^5-1×10^4	1,4	0,7-2,0
Порфір кварцовий	2×10^7	4×10^5-6×10^7	3×10^3	1×10^3-5×10^3	3,2	—
Порфірит	1×10^6	9×10^4-2×10^6	3×10^4	1×10^4-3×10^4	2,7	—
Базальт	3×10^7	2×10^5-6×10^8	2×10^3	1×10^3-3×10^3	4,0	—
Діабаз	1×10^7	5×10^6-4×10^7	6×10^6	1×10^5-2×10^6	1,4	0,7-2,2
Гнейс	—	—	1×10^4	2×10^3-2×10^4	3,2	2,6-3,6

спочатку дуже високий, а потім поступово зменшується. Зі збільшенням обсягу провідних порових каналів (від 0 до 5%) у загальній величині опору кристалічних порід зростає роль іонної провідності водяних розчинів солей і зменшується вплив напівпровідникової провідності мінерального скелету порід.

Таким чином, підвищення опору водонасичених магматичних порід від кислих різновидів до основних і ультраосновних визначається переважно зменшенням пористості і відповідно вологості. Ті ж закономірності зміни питомого опору характерні для метаморфічних порід.

У кайнотипних ефузивних породах з пористістю вище 5—10 % спостерігається ще більш різка зміна питомого опору від газонасичених до водонасичених різновидів, і досягає 4—6 порядків; опір водонасичених порід складає 10² Ом×м, рідше 10³ Ом×м. За характером зміни опору ці породи близькі до осадового.

Залежність питомого електричного опору осадових уламкових і малоглинистих порід (пісковиків, пісків, вапняків, доломітів) від вологості і пористості однозначна. Чим більше пористість, тим вище вологість і менший опір порід. Ця залежність добре вивчена для порід різного літологічного складу, різної цементації і структури і використовується для визначення пористості по r. Для виключення впливу мінералізації вод застосовується параметр пористості P_п, який дорівнює відношенню питомого опору пористої водонасиченої породи r_вп до опору її розчину, що насичує, r_в. Для неоднорідних порід в інтервалі пористості від 3—5 до 20 - 40 %

, (4.12)

де: а_п - коефіцієнт, що змінюється від 0,4 до 1,4; m - показник ступеня, який залежить від структури порового простору і ступені зцементованості породи; k_п - коефіцієнт пористості.

Структурний показник m може змінюватися від 1,3 для пухких пісків і оолітових вапняків до 2—2,2 для сильно зцементованих пісковиків з низькою пористістю.

Усереднені криві представлені на рисунку 4.5. Для малопористих порід (k_п =0¸4%) спостерігається більш різко виражена залежність r від вологості, чим для високопористих. Низький відсоток порового розчину містять щільні пісковики, вапняки, доломіти, ангідрити.

Рисунок 4.5 Усереднені криві залежності параметра пористості від коефіцієнту пористості (об'ємної вологості) для піщаних і карбонатних порід (по В.Н. Дахнову).

Породи: а – піщано-глинисті, б — карбонатні; 1 — пухкі піски; 2 — слабосцементовані піщаники; 3 — середньосцементовані піщаники; 4 — ракушняки і пухкі вапняки; 5 — вапняки і доломіти крупнокристалічні, середньої щільності; 6 — вапняки і доломіти щільні, дрібнокристалічні.

Глинисті породи варто розглядати як трикомпонентні асоціації, оскільки поряд з високоомними мінералами і поровим розчином уних присутні мінерали груп цеолітів і глин, що мають відносно низький опір. Тому опір глинистої породи істотно залежить від кількості глинистого матеріалу і характеру його розподілу.

Залежність питомого електричного опору гірських порід від опору рідкої фази. У природних умовах залягання, нижче рівня ґрунтових вод, гірські породи обводнені поровими, пластовими, тріщинно-жильними чи карстовими водами, мінералізованими різними солями й у різній концентрації.

Питомий електричний опір води знаходиться в залежності від кількості і складу розчинених у ній солей. Як видно з рисунка 4.6, питомий опір зменшується по лінійному законі в міру зростання ступеня мінералізації води при будь-якому сольовому складі. Питомі опори найбільш розповсюджених у гірських породах натрієвих вод приведені в таблиці 4.3.

Найбільш характерна зміна ступеня мінералізації вод від 0,01 до 1 г/л може привести до зміни питомого опору вод у 100 разів, а при наявності солоних розчинів — на кілька порядків.

Залежність питомого опору води від температури в інтервалі 0 - 100 °С прямолінійна. На глибинах до 1000—3000 м температура води в більшості випадків змінюється на 40—50 °С, що може змінити опір води в 2— 2,5 рази, а при більш високих температурних градієнтах — у 4—5 разів. Таким чином, основний вплив на питомий електричний опір води робить ступінь її мінералізації. В окремих районах відіграють роль сольовий склад і температура.

На рисунку 4.7 приведені залежності r зразків малопористих порід від мінералізації води. Найбільший вплив на r порід робить зміна мінералізації від 0,01 до 0,1—0,5 %.

Залежність питомого електричного опору осадових порід від ступеня мінералізації порових і пластових вод підкоряється загальній закономірності, але трохи відрізняється для різних літологічних груп (рисунок 4.8). У глинистих породах порушується пряма залежність між опором породи і мінералізованого розчину. Опір дрібнозернистих глинистих порід при високій концентрації порового розчину завжди більше опору середньо - і грубозернистих порід, насичених цим же розчином. При низькій концентрації встановлена зворотна залежність. Зниження питомого опору глинистих порід зумовлено явищем поверхневої провідності.

Рисунок 4.6 Залежність питомого електричного опору різних розчинів від ступеня їхньої мінералізації (по В.Н.Дахнову)

Таблиця 4.3

Залежність питомого електричного опору води (в Ом×м) від концентрації NаС1 і температури

Концен-трація, г/л	rпри t, ^oC	Концен-трація, г/л	rпри t, ^oC
0,005 0,01 0,05 0,1 0,5	-		- 5,3	- 5,3		2,2 1,1 0,28 0,18	5,8 1,3 0,65 0,15 0,08	2,7 0,6 0,4 0,08 0,05	1,8 3,8 0,2 0,05 0,03

Пори осадових порід у газоносних шарах звичайно лише частково заповнені поровим розчином. У нафтоносних же шарах поряд із провідною рідиною в порах знаходиться нафта, що має високий опір. Для виключення впливу мінералізації розчину при порівнянні колекторів за ступенню їхньої газо- чи нафтонасиченості введена безрозмірна величина — параметр насичення порового розчину породи Р_н, що вказує на ступінь насиченості породи нафтою чи газом:

, (4.13)

де: k_B — частина об'єму порового простору, заповненого водою, а k_H — нафтою; a_H = 0,6, n = 2,25 для піщано-глинистих порід (при k_H <40 %); а_H = 0,4, n =2,1 для карбонатних порід (при k_H <25%).

Зі збільшенням вмісту нафти чи газу в породах зростає опір і параметр насичення, а отже й опір гідрофобного колектора може бути на порядок більше опору гідрофільного. Високим опором володіють також породи, що містять водонафтові емульсії, тому що в них диспергірована вода ізольована нафтою і практично не приймає участі в електропровідності.

1 — габро, 2 — граніт, 3 і 4 — базальт, 5 — вода;

у дужках приведена пористість, у чисельнику — відкрита,

у знаменнику - загальна.

Рисунок 4.7 Питомий електричний опір магматичних порід при різної мінералізації капілярних вод і питомий опір води (по Н. Б. Дортман).

а - для піcковиків: 1 і 2 — глинистих, 3 і 4 — слабоглинистих чи алевритистих, 5 і 6 — чистих; б — для різних аргілітів; в — для вапняків:

1 — пелитоморфних, 2 — дрібнокристалічних.

Рисунок 4.8 Залежність параметра пористості порід від концентрації розчину хлористого натрію, що насичує пори (по В. Н. Кобрановій)

Вплив включень мінералів з електронною провідністю на питомий електричний опір гірських порід. Мінерали високої провідності впливають на питомий опір порід тільки у випадку, коли зерна їх у породі контактують один з одним. Для зміни опору породи на кілька порядків досить, щоб об'єм включень складав кілька відсотків від обсягу породи.

Найбільш розповсюдженими в породах мінералами, що характеризуються електронною провідністю, є магнетит, графіт, а в межах родовищ також і сульфідні мінерали. Включення магнетиту у виді найтонших прожилок і ксеноморфних виділень, що цементують породу, особливо характерні для серпентинізованих перидотитів і піроксенітів, дунітів, зустрічаються в рудному габро й іноді в базальтах. У цих випадках зазначені високоомні породи характеризуються порівняно низьким опором, що складає десятки чи перші сотні Ом×м. Так, опір серпентинизованих ультраосновних порід (за даними електропрофілювання) складає 200—400 Ом×м. У гранітоїдах, ефузивах середнього і кислого складу й у метаморфічних породах магнетит, як правило, включений у виді ізольованих зерен і тому не робить впливу на їхній питомий опір.

Включення графіту найбільш характерні для метаморфічних сланців і гнейсів, де він у виді найтонших лусочок пронизує породу по сланцюватості. Завдяки дуже високій електропровідності графіту опір графітизованих порід коливається від одиниць до сотень Ом×м. Сульфідизація порід притаманна багатьом рудним родовищам і при відповідній структурі вкрапленості знижує питомий опір порід до сотень і одиниць Ом×м.

Дата добавления: 2015-07-12