Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор состояния вопроса 8
2. Модели ВП ионопроводящих пород 18
2.1. Общая теория 18
2.2. Элементарные капиллярные модели ВП ионопроводящих пород и их временные характеристики 27
2.3. Модель осреднения и распределение времени релаксации 36
3. Оценка распределения времени релаксации 42
3.1. Алгоритм инверсии спадов поляризуемости в распределение времени релаксации 42
3.2. Алгоритм сглаживания и вычисления дифференциальной поляризуемости 54
4. Экспериментальные исследования распределения времени релаксации ионопроводящих пород 63
4.1. Описание лабораторной установки 63
4.2. Измерения на образцах просеянного песка 72
4.3. Измерения на образцах песчаников 79
4.3. Измерения на образцах синей кембрийской глины 93
Заключение 101
Литература 104
Приложение 109
- Элементарные капиллярные модели ВП ионопроводящих пород и их временные характеристики
- Алгоритм инверсии спадов поляризуемости в распределение времени релаксации
- Описание лабораторной установки
- Измерения на образцах синей кембрийской глины
Введение к работе
Актуальность проблемы
Структура порового пространства горных пород контролирует такие важные в гидрогеологии и нефтепромысловом деле параметры, как коэффициент фильтрации пластов и емкостные свойства нефтегазовых коллекторов. Поэтому создание методов, позволяющих дистанционно изучать структуру порового пространства, является актуальной задачей. Метод вызванной поляризации (ВП) имеет существенные перспективы в этом направлении, поскольку явление ВП в ионопроводящих породах (породы, не содержащие электропроводящие минералы) связано с протеканием диффузионно-концентрационных процессов в поровом пространстве породы.
В середине прошлого века было показано, что скорость релаксации поля ВП определяется именно структурой порового пространства. Однако из-за низкой амплитуды поля ВП в ионопроводящих породах и недостаточного развития измерительной техники использовать возможности явления ВП было практически невозможно, что сдерживало и теоретические исследования. Бурное развитие измерительной и вычислительной техники в последние два десятилетия привело к существенному увеличению чувствительности измерительной аппаратуры и расширению изучаемого частотно-временного диапазона. В результате большого количества исследований был получен обширный и разнообразный экспериментальный материал, требующий теоретического объяснения.
До настоящего времени при обработке экспериментальных данных ВП преобладал эмпирический подход, основанный на использовании формальной релаксационной модели Коула-Коула, описывающей релаксацию с помощью трех параметров: поляризуемость, время релаксации и параметр, определяющий дисперсию времени релаксации. Однако модель Коула-Коула не всегда адекватно описывает экспериментальные данные, что приводит к ошибочной петрофизической интерпретации данных ВП.
В тоже время, в методе диэлектрической спектроскопии, который феноменологически во многом схож с методом ВП, в качестве интерпретируемой характеристики используется распределение времени релаксации (РВР) элементарной релаксационной модели Дебая, где РВР непрерывная и гладкая функция, отражающая весовой вклад разномасштабных молекулярных структур. Подобный подход, основанный на получении непрерывного РВР, можно использовать и для оценки распределения пор по размеру на основе данных ВП, но в качестве элементарной релаксационной модели следует использовать модель диффузионно-концентрационной поляризации элементарной структурной ячейки породы, например, модель сочленения двух капилляров.
Данная работа посвящена развитию подхода к интерпретации измерений ВП во временной области, основанного на использовании РВР.
Цели работы
-
Выяснение связи РВР со структурными характеристиками порового пространства горной породы на основе капиллярной модели.
-
Разработка эффективных процедур предварительной обработки данных ВП во временной области и алгоритма формализованной инверсии спадов поляризуемости в РВР.
-
Экспериментальное выявление связи РВР со структурой порового пространства горных пород на основе лабораторных исследований образцов.
Научная новизна
-
Предлагаемая модель осреднения электрических свойств породы методом последовательно-параллельного соединения капилляров позволила установить связь РВР с объемным распределением пор по размеру.
-
Создан алгоритм устойчивого сглаживания временных спадов поляризуемости и вычисления дифференциальной поляризуемости.
-
Создан алгоритм формализованной инверсии для определения РВР по данньш ВП во временной области.
-
Получены новые экспериментальные данные о ВП водонасыщенных песков, песчаников и глин в широком временном диапазоне.
Практическая значимость исследования
-
Показана возможность оценки распределения пор в породе по размеру на основе РВР, что открывает перспективу дистанционного определения проницаемости пород на основе наземных или скважинных наблюдений методом ВП.
-
Разработанный алгоритм устойчивого сглаживания экспериментальных спадов ВП и вычисления дифференциальной поляризуемости реализован в программе, которая используется для массовой обработки данных ВП при решении различных геологических задач.
-
Созданная лабораторная установка и уточненная методика измерений могут быть использованы для дальнейших петрофизических исследований методом ВП.
Личный вклад
-
Разработаны и программно реализованы алгоритмы восстановления РВР, адаптивного устойчивого сглаживания и вычисления дифференциальной поляризуемости на основе теории регуляризации А.Н. Тихонова. Исследована устойчивость и разрешающая способность алгоритмов на математических моделях.
-
Создана модель осреднения ВП на основе капиллярной элементарной ячейки, позволившая получить выражения связи между РВР и объемным распределением пор по размеру.
3. Создана эффективная методика лабораторных измерений, позволившая достичь высокой точности измерений ВП во временной области. Выполнены все лабораторные измерения ВП и получены РВР исследуемых образцов.
Апробация результатов исследования
Основные результаты работы были представлены на международном школе-семинаре (NATO Advanced Study Institute in Hydrogeophysics, Чехия, 2002) на международной конференции молодых ученых «Геофизика 2003» (Петергоф, 2003 г.), на международной конференции-выставке SEG «Geophysics of the 21st Century - The Leap into the Future» (Москва, 2003).
Автор имеет на данную тему 9 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, подготовленных лично и в соавторстве.
Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю К. В. Титову за поддержку и ценные советы по работе, а также глубокую признательность за всестороннюю помощь в работе над диссертацией [В. А. Комарову!, Н. ШерешевскомуІ, В. Ю. Чернышу, Ю. Т. Ильину, Л. И. Бытенскому, В. В. Пищику.
Защищаемые положения
-
Алгоритм сглаживания временных спадов и вычисления дифференциальной поляризуемости устойчив при подавлении высокочастотных помех и одиночных высокоамплитудных выбросов и позволяет правильно восстановить форму дифференциальной поляризуемости.
-
Алгоритм инверсии данных вызванной поляризации во временной области позволяет устойчиво определять распределение времени релаксации.
-
Распределение времени релаксации вызванной поляризации тесно связано со структурой порового пространства ионопроводящих пород и позволяет выявить его существенные особенности.
Струюура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников (94 наименования). Работа изложена на 112 страницах, включая 37 рисунков.
Элементарные капиллярные модели ВП ионопроводящих пород и их временные характеристики
Математическое моделирование поляризации делится на описание собственно процесса поляризации и описание поля, связанного с ней. Б. И. Геннадиник предложил разделить модели поляризации на два уровня «низкий» и «высокий» [6]. Модели «низкого» уровня обеспечивают построение моделей «высокого» уровня, которые уже непосредственно применяются на практике.
Выделение моделей «низкого» уровня обусловлено следующими обстоятельствами. Макрооднородность гетерогенной среды предполагает наличие повторяющихся по структуре элементарных ячеек. В моделях «низкого» уровня рассматриваются электрохимические процессы в элементарных ячейках. Использование таких элементарных ячеек позволяет: упростить описание процесса (в пределах ячейки электрическое поле можно считать потенциальным, используя особенности строения среды свести задачу массопереноса к одномерной или осесимметричной); стандартизировать описание, сведя все многообразие условий протекания процессов электропроводности и диффузии и форм их проявления к набору однотипных ячеек, характеризуемых минимальным числом параметров (чередующиеся щели, включения правильной формы определенного размера и формы). В моделях «высокого уровня» поляризацию рассматривает как свойство горной породы. Модель представляется композицией элементарных ячеек и учитывает их взаимодействие. Модель основана на осреднении поля ВП в гетерогенной макрооднородной среде, в результате чего получают осредненньш параметр, характеризующий поляризационные свойства горный породы. Осреднение проводится, как правило, двумя способами: методом самосогласованного поля [6] или способом цепей с сосредоточенными элементами [66]. При этом структура распределения элементарных ячеек определяется статистически. В настоящее время существует два класса теоретических моделей «низкого» уровня, описывающих явление ВП в ионопроводящих породах — капиллярные и гранулярные. В капиллярных моделях два капилляра различного сечения, насыщенные электролитом, образуют элементарную поляризующуюся ячейку. В этом случае осреднение удобно выполнять с помощью теории цепей. В гранулярных моделях в качестве элементарной структуры рассматривается зерно твердой фазы в электролите, окруженное двойным слоем. Осреднение для гранулярных моделей выполняется методом самосогласованного поля [2, 80]. В данной работе рассматриваются только капиллярные модели, которые, на взгляд автора, более реалистичны при описании низкочастотной электрохимической поляризации ионопроводящих пород. Описание многочисленных гранулярных моделей, которые больше подходят для описания ВП суспензий, можно найти в работах [38, 50, 65] Наиболее теоретически проработана и проверена экспериментально модель Фридрихсберга-Сидоровой [30], описывающая теорию стационарной поляризуемости. В основу теории положено диффузионное представление о природе ВП. Возникновение ВП связано с разностью чисел переноса между «узкими» и «широкими» капиллярами, за счет развития двойного электрического слоя (ДЭС) у отрицательно заряженных стенок капилляров (Рис.2.3). Ранее подобная модель была предложена А. Ф. Постельниковым [23], но не столь детально проработана и не проверена экспериментально. Также отметим работу Маршалла и Мадена [67], где впервые была предложена теоретическая модель сформулированная в частотной области, объясняющая ВП ионопроводящих пород мембранной поляризацией. щ ,= а. Раствор Ключевым понятием в модели Фридрихсберга-Сидоровой является число переноса в капилляре, характеризующее долю электрического тока, переносимого ионами одного типа. В случае бинарного электролита рассматриваются числа переноса катионов и анионов. На рис. 2.3. представлена схема, поясняющая модель Фридрихсберга-Сидоровой. Данная модель состоит из периодической системы последовательно соединенных капилляров двух типов с различными сечениями и длинами. Капилляры представляют собой полости-щели или цилиндры, что вполне правомерно при рассмотрении порового пространства пород и грунтов. Узкие капилляры представляют собой «активные» слои, поскольку перенос тока в них осуществляется главным образом катионами. Широкие капилляры называются «пассивными». При переходе от пассивного» капилляра к «активному» наблюдается скачек чисел переноса, связанный с различной степенью влияния отрицательно заряженных стенок капилляра: +/-где и, - числа переноса катионов и анионов, соответственно в «пассивном» капилляре, а п2 - числа переноса катионов и анионов в «активном» капилляре. В стационарном состоянии, когда при пропускании тока увеличение концентрации электролита у края «активного» капилляра и уменьшение концентрации у края «пассивного» капилляра уравновешивается встречным диффузионным потоком, в обоих капиллярах устанавливаются постоянные градиенты концентраций (рис. 2.3), а концентрация в середине капилляра (начало координат на Рис. 2.3 б) равна равновесной.
После выключения тока возникает диффузионный потенциал, обусловленный неравенством анионных и катионных потоков. Уменьшающийся по мере снижения градиента концентрации диффузионный потенциал является причиной ЭДС ВП.
Величина стационарной поляризуемости описывается следующим выражением [30]: поры, соответственно, V, и v2 - коэффициенты эффективности (отношение электропроводности раствора в капилляре с учетом поверхностной проводимости и электропроводности свободного раствора).
Алгоритм инверсии спадов поляризуемости в распределение времени релаксации
В первом численном эксперименте (Рис. 3.1.2) восстановленное РВР по форме и амплитуде соответствуют теоретическим. Расхождение восстановленного и теоретического РВР увеличивается с ростом дисперсии наложенного шума. Погрешность оценки Z(r) увеличивается по мере увеличения г; что связано с увеличением относительной погрешности исходных данных с увеличением времени. Необходимо отметить, что даже при сравнимом с амплитудой сигнала уровне шума, восставленное распределение правильно отражает характер исходного РВР.
Во втором численном эксперименте (Рис. 3.1.3) при уровне шума 10"4, восстановленное распределение практически совпадает с теоретическим. При возрастании шума до 10" , наблюдается расхождение восстановленного и теоретического РВР в области левого и среднего максимумов. При этом происходит сглаживание распределения при правильном восстановлении положения максимумов. Далее, увеличение уровня шума до 10"2 приводит к усилению эффекта сглаживания. Левый максимум на восстановленном распределении исчезает (Рис. 3.1.3(e)). В интервале РВР 100 -1000 с появляется ложный максимум, кроме того, резко возрастает дисперсия оценки Z(r).
По результатам первой части третьего численного эксперимента (Рис.3.3.4(а),(б)) на РВР выделяются три пика. Положения максимумов практически совпадают с истинными, тогда как их амплитуда последовательно увеличивается со временем, что не отвечает истинному РВР. Разрешение РВР, полученное во второй части эксперимента (Рис.3.3.4(B), (г)), оказалось хуже, чем в первой. Выделяется пик с координатой 3 с, тогда как другие два пика на 0.3 с и 1 с сливаются и образуют гладкое распределение с максимумом, соответствующим 0.5 с. Результаты второй части третьего численного эксперимента подтверждают тот факт, что при использовании комбинации нескольких токовых режимов можно увеличить разрешение данных при восстановлении РВР. Оценивая результаты численных экспериментов, можно считать, что алгоритм позволяет получить точные и устойчивые оценки Z(T) по отношению к погрешностям в исходных данных. При возрастании уровня шума на порядок происходит увеличение сред-неквадратического отклонения оценки Z(r) в 2-3 раза.
Известно [12], что дифференциальная характеристика более наглядно отражает временной ход процесса релаксации ВП по сравнению с характеристикой спада, поскольку имеет экстремальный характер. Максимум дифференциальной характеристики соответствует характерному времени релаксации ВП. Если таких характерных времени несколько, то дифференциальная характеристика будет иметь также несколько максимумов. Ширина максимума указывает на дисперсию характерного времени релаксации. Непосредственно из измерений спада дифференциальную характеристику получить трудно. Для вычисления дифференциальной характеристики необходимо учесть форму тока, т.е. привести наблюдаемый спад поляризуемости к единичной ступеньке тока. Наиболее простым способом расчета дифференциальной поляризуемости из наблюдений спада ВП является способ, предложенным В.А. Комаровым [12]. В данном способе предлагается рассматривать одиночный импульс тока. Тогда спад в паузе после импульса является разностью характеристик спада, сдвинутых друг относительно друга на время длительности импульса Т. Если принять, что форма спада ВП логарифмическом масштабе времени близка к линейной, тогда дифференциальная характеристика вычисляется по формуле где t = ґл/l + Т It - время, к которому относится дифференциальная поляризуемость, P(t,T) = ln(l+ ТIt) - коэффициент времени. На рис.3.2.1 изображены три спада для трех различных длительностей импульса (Т=1, 10, 100 с), отвечающие модели Коула-Коула (770 = .01, х = 1 с, с = 0.4). Для каждого спада были вычислены кривые дифференциальной поляризуемости по формуле (3.2.1). Сплошной линией на графике показана истинная дифференциальная поляризуемость. Как видно из рисунка, кривые дифференциальных поляризуемостей, вычисленные по формуле Комарова, лишь приблизительно соответствуют истинной кривой. К достоинствам формулы В.А. Комарова можно отнести простоту расчета, позволяющую оперативно, например, во время измерений оценить характерное время релаксации. Кроме того, шумовая компонента сигнала не увеличивается из-за отсутствия операции дифференцирования. Однако, временной интервал, на котором оценивается дифференциальная поляризуемость, уже исходного интервала измерений спада и формула не позволяет в полной мере совместить результаты измерений при использовании различных длительностей импульсов.
В настоящем разделе рассматривается алгоритм, позволяющий вычислить дифференциальную поляризуемость со строгим учетом токового режима и одновременным сглаживанием наблюденного спада. В основе алгоритма лежит, описанный в предыдущем разделе, алгоритм вычисления распределения времени релаксации.
Описание лабораторной установки
На всех шести образцах компанией Шлюмберже были проведенных исследования по-рового пространства методом ртутной порометрии и газовой абсорбции. Кроме того, были измерены гидравлическая проницаемость образцов Кпр, ионно-обменная способность (Qv), специфическая площадь пор (S), характерные времена релаксации ядерно-магнитного резонанса тг (ЯМР) и электрический формационный фактор F. В результате ртутной порометрии были получены размеры доминирующих пор dmax.
Проницаемость была измерена газовым методом с помощью аппаратуры разработанной компанией Шлюмберже (US Patent #5832409). Прибор позволяет измерять проницаемость в диапазоне 0.1 мД до 10 Д с точность 0.5 %.
Специфическая площадь пор была получена газово-адсорбционным методом с помощью анализатора Micromeritics Gemini 2360.Основные петрофизические характеристики приведены в таблице 4.7, а на рис. 4.12. представлены корреляционные зависимости между различными петрофизическими параметрами. Отмечается отчетливая зависимость между проницаемостью и размером доминирующих пор, которая хорошо степенной зависимость с показателем степени близкой к 2 (Рис. 4.12 (а)), что хорошо согласуется с моделью Козени-Кармана (Рис. 4.12 (б)).
Между проницаемостью и площадью пор существует менее четкая обратная экспоненциальная зависимость (Рис. 4.12 (в)). В свою очередь специфическая площадь пор уменьшается с увеличением диаметра доминирующих пор (Рис. 4.12 (г)). На рис. 4.12(д) представлена зависимость между размером доминирующих пор и временим релаксации ЯМР Т2 Данная зависимость практически линейная, что является основанием для использования каротажа ЯМР для определения проницаемости нефтегазовых коллекторов. Отсутствует корреляция между размером доминирующих пор и формационным фактором (Рис. 4.12(e)).
Оценку распределения пор по размеру позволяет получить метод ртутной порометрии [10]. Метод основан на явлении поверхностного натяжения. Предварительно очищенный от нефти и высушенный образец породы помещают в порометр и под давлением начинают продавливать ртуть. В результате получают получить зависимость объема ртути, поглощенной образцом от приложеного давления. Каждая точка на кривой показывает объ-ем пор, занятый ртутью при приложении текущего давления. Давление Рс [дин/см ] обратно пропорционально диаметру пор в образце г в сантиметрах [10]
Данные порометрии представляют в виде зависимости относительного объема поглощенной ртути от диаметра пор: VHs(d). Разностные кривые расхода AVHg(d)показывают, какой процент от общего объема пор занимают поры текущего диаметра. На рис 4.13 приведены разностные кривые расхода ртути AVHg (d) для каждого образца. Положение максимума на разностной кривой указывает на доминирующий размер пор в образце dmax. Данные по доминирующим размерам пор приведены в таблице 4.8. Кривая разностного расхода ртути являются аналогом гранулометрической кривой. Из рис. 4.13 видно, что распределения пор по размеру близки по форме к логнормальпому распределению. Для образца Portland 55 наблюдается ассиметрия распределения в сторону малых размеров. Образцы для проведения измерений ВП образцы были подвергнуты процедуре глубокой очистки Soxhlet с помощь насыщения раствором толуол, ацетона и хлороформа для удаления углеводородов. Затем образцы сушились в течение 24 часов при температуре 60 С. Очищенные, таким образом, образцы были насыщены раствором NaCl с удельной электропроводностью 5 См/м вакуумным способом. Было выполнены две серии исследований ВП. Первая серия была выполнена на образцах насыщенных соленой водой (5 См/м). Вторая серия была выполнена после опреснения. Опреснение проводилось следующим образом. Каждый образец был помещен в отдельный контейнер (около 200 мл), заполненный дистиллированной водой. После выдерживания образов в течение нескольких дней измерялась электропроводность воды, и вода в контейнере заменялась снова заменялась на дистиллированную. Всего было выполнено три цикла смены воды. После последней смены воды образцы в течение месяца приводились в полное равновесие с раствором в контейнере. В результате электропроводность равновесной воды достигла значения 0.15 См/м. Результаты первой серии измерений ВП (соленая вода) приведены на рис.4.14. Для некоторых образцов, из-за низкого уровня сигнала на поздних временах, не удалось получить спад при 100 с зарядке. Поэтому использовалась более короткая зарядка 30 с. Результаты второй серии измерений (пресная вода) представлены на рис. 4.15. Как видно, из рисунков амплитуда поляризации с уменьшением электропроводности возрастает в среднем для всех образцов в 5 раз. На кривых дифференциальной поляризуемости на поздних временах (1-20 с) наблюдается широкий максимум. Причем максиму имеет явно не симметричный характер, что делает анализ временных характеристик с помощью эмпирической модели Коула-Коула затруднительным. Формула Коула-Коула имеет симметричную кривую дифференциальной поляризуемости. Поэтому аппроксимации наблюденных спадов с помощью одной функции Коула-Коула может привести к существенным погрешностям при определении доминирующей постоянной времени.
Измерения на образцах синей кембрийской глины
Глинистые породы широко распространены на земной поверхности и слагают около 60 % от всего объема осадочных пород и, вследствие этого, играют важную роль во многих областях деятельности человека, строительство зданий, разведка месторождений углеводородов и питьевой воды и т.д. Глину образуют минералы, относящиеся к группе слоистых и слоисто-ленточных силикатов: гидрослюда, каолинит, галлуазит, монтмориллонит.
Специфические кристаллохимические особенности глинистых минералов и их высокая дисперсность (очень малые размеры частиц от 0.1 до 1.0 мкм) во многом определяют свойства глинистых пород. Также свойства глинистых пород определяются их микроструктурой. Под микроструктурой понимается размер и форма минеральных частиц микроагрегатов их взаимное расположение и тип структурных связей. Отдельные минеральные частицы в глинистых породах объедены в ультрамикроагрегаты и микроагрегаты, которые в свою очередь образуют агрегаты большего размера.
Благодаря наличию в глинистых породах структурных элементов различных размерных уровней, в глине существуют несколько видов пор. Выделяют межчастичные, ме-жультрамикроагрегатные, межмикроагрегатные, межагрегатные, межзернистые [22].
Среди большого многообразия глинистых пород можно выделить пять основных типов микроструктур - ячеистую, скелетную, матричную, турбулентную и ламинарную [22]. Каждая микроструктура отражает условия накопления минерального осадка и его последующее геологическое преобразование. Изучение микроструктуры глинистой породы дает важную информацию о прочности и деформационном поведении породы, о возможном характере изменения под действием тех или иных условий. Количественное определение соответствующих микроструктурных параметров может предсказать многие механические свойства глинистых пород, что очень важно при проведении инженерно-геологических изысканиях под строительство и при решении природоохранных задач.
Из-за малых размеров минеральных частиц изучение глинистых пород с помощью оптического микроскопа невозможно. Поэтому исследования проводятся просвечивающим электронным (ПЭМ) и растровым электронным (РЭМ) микроскопом. При этом подготовка образца чрезвычайно трудоемка и, как следствие, - дорога. Поэтому применение метода ВП для изучения микроструктуры глинистых пород представляется перспективной и важной задачей.
В данной работе были выполнены исследования на образцах широко распространенной в окрестностях Петербурга и хорошо изученной синей кембрийской глины. Синяя кембрийская глина представляет собой плотную иногда комковатую породу характерного серовато-зеленоватого цвета. Основным минералом синей кембрийской глины является гидрослюда. Кроме того, имеется незначительное содержание микрозерен кварца. Частицы гидрослюды имеют вид удлиненных пластинок. Длина кристаллов изменяется от 0.1 до нескольких микрометров, а толщина - от 3 нм до долей микрометров.
По данным В. И. Осипова [22] в естественном залегании синяя кембрийская глина имеет турбулентную микроструктуру (Рис.4.21). Турбулентная мирострутура характерна для глинистых пород подвергшихся воздействию высокого уплотняющего давления и температуры. В результате этого глинистые частицы переориентируются в направлении перпендикулярном действующему напряжению. Микроагрегаты существенно уплощаются и сближаются, приобретая высокую степень ориентации. Свое название турбулентная микроструктура получили из-за сходства расположения листообразных микроагрегатов глинистых частиц с картиной течения жидкости в турбулентном потоке. Пористость пород с такой микроструктурой обычно не превышает 20%.
Глина, отобранная из карьера с. Никольское (Ленинградская область), тщательно переминалась до однородной тягучей массы. Затем полученная масса была разделена на семь образцов. Объем каждого образца составлял около 500 мл. Каждый образец был помещен в контейнер с водой разной минерализации (NaCl). В течение нескольких месяцев велись наблюдения электропроводности раствора насыщающих глину, до достижения равновесного состояния в системе раствор-глина.
В результате переминання и вымачивания глины первичная турбулентная микроструктура была разрушена, и глина приобрела вид глинистого рыхлого осадка. Известно, что на стадии осадконакопления образуется ячеистая микроструктура. Ячеистая структура (Рис.4.22) образуется крупными уплощенными микроагрегатами. Длина микроагрегатов от 3-7 мкм, а толщина составляет 0.4 - 2 мкм. Микроагрегаты в свою очередь имеют сложное строение и состоят из вытянутых ультра-микроагрегатов, длина которых 0.5- 2 мкм, а толщина 0.1-0.3 мкм. Межультрамикроагрегатные поры имеют щелевидную форму и ширину до 0.3 мкм. Микроагрегаты образуют относительно крупные замкнутые изометричные поры с характерным размером 2-12 мкм. Крупные поры распределены равномерно, что придает микроструктуре породе отчетливый ячеистый вид. Первичные песчаные и пылеватые зерна покрыты глинистыми рубашками и равномерно распределены в микроструктуре. 2000 раза. (б) - модель ячеистой структуры по А. Ревилю [76] Поровое пространство глинистых пород с ячеистой микроструктурой, как следует из данных количественного анализа изображений электронного микроскопа (Рис.4.11.), представлено четырьмя категориями пор со средним эквивалентным диаметром 0.06; 0.22; 5.5 и 11.6 мкм (рис 4.23). Последние две категории можно объединить в одну со средним диаметром 8 мкм. Причем количество пор резко падает с увеличением размера пор. Глинистый осадок с ячеистой микроструктурой отличается высокой пористостью (до 80%), полным водонасыщением и отсутствием анизотропии физических свойств. Основной объем пор составляют большие межагрегатные поры. Оценка пористости в 80%±2 % была получена путем взвешивания при табличной плотности минеральной фазы 2.68 г/см [10]. Указанное высокое значение пористости подтверждает правильность выбора модели ячеистой микроструктуры. Ввиду малых размеров структурных элементов глин ожидаемые характерные времена релаксации ВП не должны были превышать первых секунд. Поэтому измерения проводились в диапазоне времени от ЗОмкс до Юс, с использованием двух длительностей импульсов тока, 2 с и 10 с.
На рис.4.24. приведены кривые спада поляризуемости и дифференциальная поляризуемости образцов глины, насыщенных водой различной минерализации. Средняя квадратичная погрешность измерений поляризуемости составила 0.005%, поэтому данная погрешность не видна в масштабе графиков. Дифференциальная поляризуемость монотонно спадает со временем. При этом увеличение минерализации приводит к сдвигу вниз всей кривой вдоль логарифмической оси поляризуемости, т.е. уменьшается амплитуда поляризации.
Похожие диссертации на Распределение времени релаксации вызванной поляризации ионопроводящих пород
