Учебное пособие (курс лекций)


НазваниеУчебное пособие (курс лекций)
страница9/12
Дата публикации03.05.2013
Размер1.35 Mb.
ТипУчебное пособие
userdocs.ru > География > Учебное пособие
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

3.3 Методы определения электрических свойств пород

Существуют методы, позволяющие определять только удельное электрическое сопротивление пород и способы совместного определения их сопротивления и диэлектрической проницаемости.

1. Метод вольтметра и амперметра. Его используют в лабораторных условиях для определения удельного сопротивления породы по образцам правильной геометрической формы. При этом измеряются: сила тока, проходящего по образцу, падение напряжения на образце, геометрические размеры образца (площадь поперечного сечения s и длина l). По этим данным вычисляется удельное сопротивление:

.

(3.12)

2. Электролитический метод с использованием двух жидкостей. Метод применим для определения удельного сопротивления породы по образцу произвольной формы (рис. 3.7).



Рисунок 3.7 – Схема установки для определения удельного электрического сопротивления пород с использованием двух жидкостей
В этом случае измеряется падение напряжения между точками MN в каждой ванночке, когда в них нет образца (V01 и V02) и с образцом (V1 и V2). Удельное сопротивление образцов рассчитывается по формуле:

,

(3.13)

здесь 01 и 02  удельные сопротивления жидкостей, в качестве которых целесообразно использовать воду (=1030 Омм) и глицерин (104 Омм).

3. Метод резистивиметра. Его применяют для определения удельного сопротивления природных растворов. Прибор представляет собой сосуд любой формы из материала, не проводящего электрический ток. В стенку сосуда вмонтированы четыре электрода. Исследуемую жидкость наливают в сосуд, затем производят измерение силы тока, пропускаемого через два электрода, и напряжения между другой парой электродов. Удельное сопротивление жидкости рассчитывают по формуле:

.

(3.14)

Коэффициент К находят путем градуировки резистивиметра с помощью жидкости, удельное сопротивление которой известно. Чаще всего это водный раствор поваренной соли, удельное электрическое сопротивление которой определяется по концентрации соли (см. рис. 3.4).

4. Определение удельного сопротивления по данным каротажа скважин. На диаграмме КС (кажущегося сопротивления), где предварительно намечается местоположение пластов, производится осреднение значений кажущегося сопротивления в преде­лах каждого интересующего пласта. Для пластов, мощность которых значительно превосходит длину зонда, а длина зонда, в свою очередь, много больше диаметра скважины плюс мощности зоны проникновения бурового раствора в пласт, определенное среднее значение кажущегося сопротивления можно принять за истинное удельное сопротивление породы пласта. Во всех других случаях для определения удельного сопротивления пород необходимо располагать данными бокового каротажного зондирования, по результатам которого с помощью палеток или ЭВМ находится истинное удельное сопротивление породы.

5. Определение удельного сопротивления пород с помощью вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ). В наиболее простом случае (двухслойный геоэлектрический разрез) удельное сопротивление пород можно определить по кривой ВЭЗ с помощью палетки. Когда породы в своем залегании образуют в совокупности трех- и более слойный геоэлектрический разрез, определение удельного сопротивления пород промежуточных слоев в большей части случаев по данным только ВЭЗ из-за проявления принципа эквивалентности становится невозможным. В такой ситуации необходимо привлекать дополнительную информацию – обычно о мощности слоев, слагающих разрез. Поэтому параметрические ВЭЗ проводят, как правило, на точках, где пробурены скважины, т. е. где известны мощности слоев. Поданным каротажа скважин и ВЭЗ получаются наиболее достоверные данные об удельном электрическом сопротивлении пород.

6. Мостиковый метод. Он применяется для определения диэлектрической проницаемости горных пород и удельного электрического сопротивления. Схема установки показана на рис. 3.8. В одно из плеч мостика включен испытуемый образец в виде пластины, зажатой между двумя металлическими электродами, образующими конденсатор емкостью Сх и сопротивлением утечки Rх. Процесс измерения заключается в подборе сопротивления R0 и емкости C0 выравнивающих напряжения в плечах мостика. Определив Rх и Сх, которые при балансе мостика равны Rх=R0, Cх=C0, можно найти удельное электрическое сопротивление и ди­электрическую проницаемость образца по формулам:

, .

(3.15)

Здесь l – толщина образца (расстояние между пластинами);

S – площадь пластины.



Рисунок 3.8 – Мостиковая схема для определения диэлектрической

проницаемости и удельного электрического сопротивления
В качестве индикатора баланса моста при звуковых частотах используется ламповый вольтметр или осциллограф, при высоких частотах  радиокомпаратор.

8. Определение  и  образцов горных пород с помощью серийных приборов типа ИЭМС-1 или ИЭМС-3. Эти приборы представляют собой высокочастотные автокомпенсаторы, измеряющие активную (ваттную) и реактивную составляющие сигнала. Разделение на составляющие измеряемого напряжения производится путем синхронного детектирования, регистрация компонентов осуществляется по отдельным каналам. В качестве источника переменного гармонического напряжения используется автогенератор с триггерным делителем частоты. Диапазон рабочих частот ИЭМС-1 составляет 152500 кГц, ИЭМС-3 – 20 Гц10кГц. Аппаратура может быть использована в стационарных и полевых условиях, порядок работы с ней детально изложен в инструкции.

^ ЛЕКЦИЯ 4 УПРУГИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

4.1 Упругие параметры

Упругость характеризует свойство веществ сопротивляться изменению их объема и формы (твердые тела) или только объема (жидкости, газы) под воздействием внешних факторов (поверхностные силы, объемные силы, нагрев), что обусловливается возрастанием внутренней энергии веществ.

Деформация, т. е. изменение размеров и формы пород, является результатом относительного смещения атомов, молекул или ионов узлов кристаллической решетки минеральных зерен твердой фазы, молекул или ионов жидкой и газовой фаз. Деформации пород препятствуют внутренние силы – силы взаимодействия между их различными частицами.

Горные породы подразделяют на идеально и дифференциально упругие.

Идеально упругие горные породы – это те, которые полностью восстанавливают свои первоначальные размеры и форму после снятия напряжения внешних сил, не превышающих пределов упругости для данного тела. К ним относятся большинство минералов, магматических и метаморфических и некоторых осадочных горных пород, так как они, как правило, малопористые, а, следовательно, содержание жидкой и газообразной фаз в них невелико.

Дифференциально упругие породы – это те, которые не восстанавливают своей формы и размеров после приложенных воздействий. К ним относятся породы с большой величиной пористости, содержащие воду, газ (гравий, песок и другие горные породы, насыщенные нефтью, газом, водой).

Нагруженная порода находится в напряженном состоянии. Если в какой-то ее небольшой области действует изменяющаяся по величине и направлению сила, то в непосредственной близости от нее возникают изменяющиеся по величине и направлению смещения частиц, а также напряженные состояния породы. Таким образом, частицы рассматриваемой области приходят в колебания. Эти изменения напряженного состояния и колебания частиц распространяются на соседний и от него на последующие объемы породы, т. е. в породе проходят продольная и поперечная волны упругости. При этом в связи с поглощением и рассеянием энергии упругости в породе амплитуды распространяющегося в ней колебания уменьшаются, колебательный процесс затухает.

Для большинства горных пород, минералов и элементов в общем случае справедлив закон Гука, на котором основана теория упругости. Согласно этой теории малые деформации пропорциональны приложенной нагрузке. Для характеристики свойств идеально упругих тел используется одна из пар констант: модуль Юнга Е (модуль продольной упругости) и коэффициент Пуассона (коэффициент поперечного сжатия); константы Ламе и G (G модуль сдвига); скорость продольных vp и поперечных vs волн.

Линейные деформации, возникающие по направлению действующей силы F (рис. 4.1, а), называются продольными, перпендикулярно ему – поперечными. Деформации, соответствующие касательным напряжениям (рис. 4.1, б), выражаются через угол сдвига граней образца. Количественно величина деформации сдвига оценивается по величине tg. При небольших величинах углов tg.



Рисунок 4.1 –Деформация образца породы под действием

нормальных (а) и касательных (б) сил:

d – исходный поперечный размер образца; d – уменьшение поперечного размера образца; l – исходный продольный размер образца;

l – увеличение продольного размера образца;  –угол сдвига;

S – поперечное сечение, на которое передается усилие
Относительные изменения длин соответствующих ребер образца выражаются через относительные изменения е линейных размеров

,

(4.1)

.

(4.2)

Коэффициент пропорциональности между продольным (сжимающим или стягивающим) напряжением р и соответствующей ему относительной деформацией е1 называется модулем упругости или модулем Юнга Е. Единицей измерения модуля Юнга в СИ является паскаль (Па).

.

(4.3)

Модуль Юнга характеризует способность тел сопротивляться деформации растяжения или сжатия.

Связь между относительными продольными и поперечными деформациями сжатия (растяжения) устанавливается коэффициентом Пуассона:

.

(4.4)

Модуль сдвига определяет способность тел сопротивляться изменению формы при сохранении их объема

,

(4.5)

где касательное напряжение;

  угол сдвига.

Этот показатель используется при расчете устойчивости сооружений и массивов пород, давлений пород на ограждения и подземные сооружения.

Модуль Юнга и модуль сдвига связаны с коэффициентом Пуассона зависимостью:

.

(4.6)

Для характеристики упругих свойств используются также технические упругие постоянные коэффициента Ламе – и G, определяется следующим соотношением:

.

(4.7)

Под действием равномерного трехосного сжатия изменяются не только линейные размеры и форма тела, но и его объем. При этом объемная деформация пропорциональна среднему напряжению:

,

(4.8)

где kвст – модуль всестороннего объемного сжатия;

^ V – изменение объема элементарного куба под действием внешней нагрузки;

V – начальный объем элементарного куба.

Модуль всестороннего сжатия связан с Е и пород соотношением:



(4.9)

Единицей измерения модулей E, G и kвст в системе СИ является Паскаль. Модуль сдвига G всегда меньше модуля Юнга для соответствующих пород. Значения kвст могут быть как меньше, так и больше значений модуля Юнга.

Для горных пород величина ^ Е изменяется от 0,1510-4 до 0,610-5 МПа, для твердых тел изменяется от 0 до 0,5, в среднем близок к 0,25.

Возникающие в телах под действием механического напряжения деформации имеют различный характер и вызывают разные по природе волны – продольные р (от латинского prima – первый, поскольку они являются самыми быстрыми и приходят от источника к любой точке наблюдений первыми) и поперечные s (от латинского secunda – второй).
Продольные волны являются следствием деформаций растяжение-сжатие, поперечные  деформаций сдвига. В свободных газах и жидкостях возникают продольные волны и отсутствуют поперечные.



Рисунок 4.2 – Схема смещения частиц среды при распространении

продольных (а) и поперечных (б) волн.

1 – направление движения волн, 2 – частиц
Продольные и поперечные волны распространяются по всему объему. Кроме них существуют поверхностные волны. Частицы на поверхности горной породы находятся в особом состоянии, так как встречают меньшее сопротивление своему перемещению в сторону свободной поверхности. В результате на ней возникают плоские поверхностные волны, называемые волнами Релея и Лява. Они присущи только твердым телам. Колебания, вызванные этими волнами, распространяются в слое мощностью порядка длины волны. Волны Релея vR характеризуются движением частиц по эллипсоидальной траектории в вертикальной плоскости вдоль луча. Они имеют вертикальную и горизонтальную составляющие. Волны Лява вызывают поперечные горизонтальные смещения (перпендикулярно лучу). Этот тип поверхностной волны возникает в слое, характеризующемся скоростью vSL, залегающем на полупространстве со скоростью vS2 при условии vSL<vS2. Фазовая скорость волны Лява vL зависит от частоты и располагается в пределах vSL< vL<vS2.

Соотношение скоростей упругих волн с другими константами упругости и с плотностью характеризуется следующими формулами:

- для скорости продольных волн:

;

(4.10)

- для скорости поперечных волн:

;

(4.11)

- для скорости поверхностной волны Релея:

;

(4.12)

- для отношения скоростей продольных и поперечных волн:

.

(4.13)

Данное отношение лежит в пределах vp/vs1,62,2 и в среднем равно 1,73.

При решении геологических задач применяется комплекс методов в широком частотном диапазоне: от сейсмических (низкочастотных с частотой до 500 Гц) до акустических с частотами 0,510 кГц и ультразвуковых на частотах свыше 10 кГц (табл. 4.1).
Таблица 4.1 – Основные виды сейсмоакустических исследований

Вид исследований

Частоты для

р-волн, Гц

Сейсмические профильные и площадные наблюдения

30100

Акустический и ультразвуковой каротаж

20 00050 000

Ультразвуковые исследования образцов

20 00050 000


Скорости волн в идеально упругой однородной среде не зависят от частоты колебаний.

Однако в реальных породах наблюдается частотная дисперсия – зависимость скорости распространения упругих волн от частоты. Обычно расхождения в значениях скоростей, измеренных в сейсмоакустическом и ультразвуковом диапазонах частот не превышают 510 %, но в таких средах как слоистые песчано-глинистые породы или сильно трещиноватые массивы, величины скоростей продольных и поперечных волн измеренных на ультразвуковых частотах, могут в 1,52 раза превышать соответствующие значения для сейсмического диапазона. Это явление получило название квазидисперсия.

Величина скорости зависит от минералогического состава скелета и для конкретных типов отложений является постоянной. В породах с мономинеральной твердой фазой она соответствует скорости распространения упругих волн в породообразующем минерале (кварце, кальците, доломите и т. д.). При содержании в скелете породы нескольких минералов, отличающихся по своим упругим свойствам, скорость определяется как средняя взвешенная величина. Среднее значение скорости распространения волн в осадочных породах составляет 25004000 м/с.

Основными факторами, влияющими на скорость распространения упругих колебаний в горных породах, являются литолого-минералогический состав, поровое пространство, заполненное жидкостью (форма и размер пор играют меньшую роль), степень насыщения пор жидкостью или газом, степень цементации, текстурные и структурные особенности, разность горного и пластового давлений (эффективное давление) и др.

Скорость распространения упругих волн в нефти и газе меньше, чем в воде. Это объясняется большей сжимаемостью углеводородов, чем воды. Так, скорость распространения волн в песке, полностью насыщенном нефтью, на 1520 % меньше, чем в песке, заполненном водой.

Распространение упругих волн в горных породах сопровождается постепенным уменьшением их интенсивности по мере удаления от источника возбуждения.

Уменьшение интенсивности упругих колебаний в основном связано с поглощением части энергии упругих колебаний породой и превращением ее в тепловую вследствие взаимного трения частиц породы, совершающих колебательные движения, с рассеиванием акустической энергии и неоднородностями породы.

Амплитуда ^ А упругих колебаний связана с пройденным волной расстоянием l экспоненциально:

,

(4.9)

где А0 амплитуда упругих колебаний вблизи источника возбуждения;

аккоэффициент поглощения упругих волн.

Размерность ак выражают в децибелах на 1 м или м-1, относя величину ослабления к единице длины. Перевод величины затухания, измеренной в дБ/м, в м-1, производится по формуле

.

Величина ак в горных породах зависит от монолитности их скелета, пористости, трещиноватости, вещественного состава заполнителя пор и других параметров и вместе со скоростью широко используется при изучении пород.

Поглощающие свойства пород связаны с литологией еще более тесно, чем скорость распространения упругих волн. Интенсивность поглощения породой упругих колебаний зависит также от характера жидкости, заполняющей поровое пространство. В слабосцементированных нефтеносных и газоносных породах с хорошей пористостью затухание колебаний происходит более интенсивно, чем в таких же породах, но водоносных. Это особенно заметно в газоносных породах из-за большой разницы скоростей распространения упругих волн в минеральном скелете породы и заполняющем поровое пространство газе. Наибольшее затухание претерпевают упругие волны в трещиноватых и кавернозных породах.

Для характеристики поглощения используют также безразмерных параметр – декремент поглощения , равный произведению коэффициента поглощения на длину волны колебания :

,

(4.10)

где f – частота упругих колебаний.

Декремент поглощения характеризует уменьшение амплитуды на расстоянии, равном длине волны колебаний.

При сейсмических исследованиях широко применяется акустическая жесткость Z или удельное волновое сопротивление, характеризующее способность среды отражать и преломлять упругие волны:

.

(4.11)

На скорость и поглощение упругих волн в породах существенно влияет эффективное давление. Его увеличение приводит к сжатию скелета породы, уменьшению ее пористости и увеличению контактной упругости между зернами, а, следовательно, к возрастанию скоростей упругих волн и уменьшению коэффициентов их поглощения.

С увеличением эффективного давления скорость в породах возрастает сначала быстро. По мере сближения и переукладки зерен породы под действием давления и улучшения акустического контакта между ними рост скорости замедляется. Дальнейшее ее увеличение определяется контактной упругостью зерен и при давлении, превышающем некоторое предельное, растет очень медленно.

При низком давлении даже незначительное содержание газа в жидком заполнителе пор приводит к резкому уменьшению скорости упругих волн в пласте. С ростом давления наблюдается ее плавное увеличение. В воде, находящейся под давлением около 60 МПа, скорость увеличивается примерно на 57 % по сравнению со скоростью в воде, находящейся при атмосферном давлении.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

Похожие:

Учебное пособие (курс лекций) iconУчебное пособие Курс лекций Для студентов высших учебных заведений...
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, но может быть полезно и тем, кто самостоятельно изучает экономическую теорию
Учебное пособие (курс лекций) iconЛитература: Философия: Курс лекций: учебное пособие для студентов./...
Философия: Курс лекций: учебное пособие для студентов./ Под общей ред. В. Л. Калашникова. М. 1999. с. 6 – 17
Учебное пособие (курс лекций) iconКурс лекций для иностранных студентов харьков
К 78 Политология: курс лекций для иностранных студентов. Учебное пособие. – Харьков: хнму, 2012. – 154 с
Учебное пособие (курс лекций) iconУчебное пособие по дисциплине «Экономика»
В. В. Янова. — 4-е изд., стереотип. — М: Издательство «Эк­замен», 2008. — 382, [2] с. (Серия «Курс лекций»)
Учебное пособие (курс лекций) iconУчебное пособие 032700 «Филология»
История зарубежной литературы Средних веков и эпохи Возрождения. Конспекты лекций: Учебное пособие / Авт сост. Я. В. Погребная. –...
Учебное пособие (курс лекций) iconКраткий курс менеджмент а. Большаков учебное пособие санкт-Петербург...
Б79 Менеджмент / Учебное пособие. — Спб.: «Издательство "Питер"», 2000. — 160 с.: ил. — (Серия «Краткий курс»)
Учебное пособие (курс лекций) iconКонспект лекций по дисциплине: «методика преподавания театральных дисциплин»
Учебное пособие предназначено для студентов Театрального отделения локкиИ. Это учебное пособие представляет собой очень очень краткое...
Учебное пособие (курс лекций) iconМареев С. Н., Мареева Е. В. История философии (общий курс): Учебное пособие
История философии (общий курс): Учебное пособие. — М.: Академический Проект, 2004. — 880 с. — («Gaudeamus»)
Учебное пособие (курс лекций) iconКраткий курс лекций по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии...
Рудаков Н. В. Краткий курс лекций по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии. Часть Частная микробиология и вирусология:...
Учебное пособие (курс лекций) iconКурс лекций по древней философии
Фрагменты публикуются по источнику: Чанышев А. Н. Курс лекций по древней философии: Учеб пособие для филос фак и отделений ун-тов....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница