Электропроводность минералов, жидких и газовых сред.

Минералы

По величине и природе проводимости и диэлектрической проницаемости выделяют три группы минералов.

1. Самородные металлы и их природные образования, гра­фит - вещества с электронной проводимостью; их удельное со­противление ρ составляет 10^-8 ÷ 10^-5 Ом·м, значение диэлект­рической проницаемости ε стремится к бесконечности.
2. Большая часть оксидов, сульфидов, арсенидов, селенидов - минералы с электронной и дырочной проводимостью, в основном полупроводники; ρ этой группы 10^-6 ÷ 10⁸ Ом·м, ε нередко больше 80, например у арсенопирита, галенита, мо­либденита, рутила, пирротина. Высокие значения ε обусловле­ны наличием в этих минералах высокополярных ионов атомов кислорода, серы, меди, железа, свинца и др. Однако в этой группе присутствуют также минералы с небольшими значения­ми ε и высоким ρ (сфалерит, киноварь, антимонит).
3. Большая часть минералов третьей группы - типичные ди­электрики с удельным сопротивлением от 5·10^-7 до 3·10¹⁶ Ом·м (чаще всего ρ>10¹¹ Ом·м) и диэлектрической проницаемостью ε = 4 ÷ 12, причем для большинства минералов характерны ε = 4 ÷ 8. Проводимость минералов третьей группы — ионная, для них характерны различные виды поляризации смещения. К этой группе относится большинство породообразующих минералов осадочных пород — кварц, полевые шпаты, кальцит, доломит, гипс, ангидрит, галит, сильвин. Отдельные минералы этой груп­пы отличаются повышенными значениями ε: алмаз - 16, сери­цит (гидрослюда) – 19 - 25.

Влияние температуры Т на параметры ρ и ε различных ми­нералов неодинаково. Удельное сопротивление проводников (минералы первой группы) с ростом Т растет благодаря воз­растанию интенсивности колебаний ионов кристаллической ре­шетки, препятствующих перемещению электронов; ρ полупро­водников и диэлектриков напротив уменьшается с ростом Т благодаря: возрастанию концентрации свободных электронов вблизи дырок и росту числа дырок (полупроводники); увеличе­нию числа подвижных ионов в решетке (диэлектрики). Величи­на ε минералов вначале с ростом Т не меняется или растет не­значительно, а затем, начиная с некоторого значения Т, харак­терного для данного минерала, возрастает интенсивно до опре­деленного значения ε.

Влияние давления р на параметры ρ и ε минералов незна­чительно.

Жидкая фаза

Рассмотрим электрические свойства водных растворов электролитов и углеводородных жидкостей.

Вода, насыщающая породу в условиях естественного зале­гания, является обычно водным раствором солей, среди кото­рых наиболее распространены NaCl, КС1, MgCl₂, СаСl₂, NaHCO₃, Na₂SO₄. Удельное сопротивление водного раствора сильного одновалентного бинарного электролита, полностью диссоциирующего в воде, при постоянной, например комнатной температуре t = 20 ⁰С, определяется выражением

где u, v — подвижности катиона и аниона; Λ—эквивалентная электропроводность электролита при t = 20 ⁰С, выраженная в Ом^-1·см²; Св — концентрация электролита, г-экв/л.

Величины u, v, Λ являются функциями Св, что необходимо учитывать при расчете ρ_B. Для большинства электролитов, в частности для типичных солей пластовых вод, характерно уменьшение u, v и Λ с ростом Св, что обусловли­вает отклонение зависимости ρ_B = f(C_B) от линейной в области высоких Св. Уменьшение u, v, Λ с ростом Св вызвано усилением взаимодействия между ионами при движении их в растворе с ростом концентрации раствора.

При температуре раствора T, отличной от 20°С, ρ_B опреде­ляется выражением

где α_T - температурный коэффициент электропроводности, из­меняющийся для рассматриваемых электролитов в пределах 0,021 - 0,023 [1/°С].

Величину ρ_B раствора со сложным составом электролитов рассчитывают по формуле

где Λ_i и C_i - эквивалентные электропроводность и концентра­ция i-гo электролита в растворе, содержащем n электролитов. Величину Λ_i определяют для каждого электролита по данным справочника или экспериментальным кривым Λ_n = f(C_B) для заданной суммарной концентрации с учетом температуры раствора. Приближенную оценку ρ_B раствора сложного состава выполняют, определяя ρ_B по графикам ρ_B = f(C_B) для растворов NaCl, используя в качестве Св суммар­ную концентрацию раствора сложного состава C_BΣ = ΣC_i в г-экв/л. Удельное сопротивление нефтей составляет 10¹⁰ ÷ 10¹⁴ Ом·м.

Газовая фаза

Проводимость газов имеет ионную природу и определяется уравнением того же типа, что и проводимость растворов элект­ролита. Удельное сопротивление ρ смеси газообразных углево­дородов, так же как и воздуха у поверхности Земли, составля­ет 10¹⁴ Ом·м. Величина ε воздуха при t = 0 – 20 ⁰C и давлении p = 1 – 2 МПа равна 1 ÷ 1,01. Величина ε углеводородных газов с ростом давления увеличивается, изменяясь от 1 до 2 в связи с увеличением плотности газа. Удельное сопротивление газов с ростом температуры незначительно уменьшается, величина ε газов практически не зависит от температуры при T ≤500 ⁰C.