Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Электромагнитные явления в насыщенных горных породах в условиях упругого воздействия

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Электромагнитные явления в насыщенных горных породах в условиях упругого воздействия"

MIHICTEPCTBO ОСВ1ТИ УКРАГНИ

1ВАНО-ФРАНKIВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХН1ЧНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ НАФТИ I ГАЗУ

На правах рукопису

Ш П О Т lOpiii Андр1анович

ЕЛЕКТРОМАГН1ТН1 ЯВИЩА В НАСИЧЕНИХ ПРСЬКИХ ПОРОДАХ В УЛ\ОВАХ ПРУЖНОТ ДП

Спещальшсть 04.00.12 —Геофпичш методи пошую'в i розв1дки родовищ корисних копалин

Автореферат дисертацп на здобуття паукового ступеня кандидата геолого-мшералопчннх наук

1|»ан«-Франк1вськ — 19!)!>

РГ6 од

1 з m

Дпсартац1я е рукошс

Робота шконаза в 1нстатут1 геологи 1 геохШ! Горючи копалин Нац1онально1 АхадвмП Наук УкраНш

Еауков! K8ptBHEKE: 1. Доктор гволого-ыйервлоПчшх наук ЛЕШ Степан 0лекс1йовот 2. Кандидат АМзнко-матемавгашх наук КОНДРАТ Васнль Федорович

OCbtutBat ошненгк: 1. Доктор геолого-м!аералог1чких наук ШУЫДН Вождашр Ыиколайавкч Шстатут геоф!зшш 1м. C.I.CyöoTliia HAH Укра1ни, и.Шв) 2. Доктор геолаго-ШнералоПчша наук СЕШШН Рустем Сулейманошч (Укра!нсъкий деркавяий геолагоразв1дувалкшй

йГСГИТуТ, M.JIbBtB)

ПровШв оргзн!зац1я: ДОпрапатравська Пркича акадеьйя (м.Дй!пропетровськ)

Захист в1д0удвться "Д?" "199-Гр. о 44 гошш1

на зас1данн! спбц1вл1зовано! вчено! ради К.09.02.04 е Хвано-^раЕ-к1всъкому державному техШчкому ук!верситет1 нафти i газу

Адреса: 284019, мЛвако-Фратавсък, вул.Карпатська, 15

3 дисертяЩев кожа сзиайокитцся в 01бл1отец1 1вано-Франк1всгкого дерхавкого техШчнаго уШверситету нафти I газу (мЛЕаио-Фран-к1вськ, вул.Карпатська, 15)

Автореферат роз!слаио " 1995 р.

Вченкя сегсретар спец*ал1аовано* вчено* рада, доктор геолЬго-ийюралоПчких наук Б.И.Наевський

- 3-

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ АктуалыПсть досл!джань. У розвитку сучасно! геоф!зики важ-лква роль в!дводаться розробц! нових метод!в пошук!в нафти I газу та вивченню геолоПчноТ будови Еерхньо! частини'земно? кори, як! покликан! розв'язувати задач!, що традицШтми способами на вир1-шувалися, або вир!шуважся з недостатнъою точн!стю. Тривае йошук нових !нформаптних параметр 1в, як! дають змогу п!двищити досто-в!рн!сть геоф1з1гдап досл!даень, зокрема д!агяостшш нафтогазо-носних сб'ект1в у складах геолог !чних умовах та виявлення 1 па-раметризацП р!зного роду неоднор!дностей земно! кори. У за'язку з цш постае завдання встановлення взаемозв'язку вим!рюваних ф!-зичних величин з властивостяш досл!дауваного геолог1чкого сере-довща. Перспективною в цьому план! в розробка та вдосконалення метод!в, що Оазуються на використанн! ефект!в взаемод!! ф!зичних пол!в р1зно!-природа - в першу чергу електро?/агн1тного та поля пружних колнвань.

У зв'язку з Ш!М важливого значения набувев математичне модэ-лювання процес!в взаемодИ пол!в р!зноГ ф!зично1 природа, яке дозволяв провести оц!нку вклад!в р!зних механ!зм!в взаемовшшву мэ-хан!чного та електромагнИного пол!в в 1нт9гральшй спостерекува-ни® ефект, видшти нов! !нформативн! параметра, встановити 1х за'язок з геолог!чнши характеристиками.середавяща. Таким чином створишься передумови. для нодальшого розвитку метод!в взаемод!! пол1в та теоретичних основ !нтерпретац11 результат!в дослШень.

Мета роботи - виявлення нових 1нформатиЕОТХ параметр!в гео-Ф1зичта досл!дженъ методам взаемодИ пол!в шляхом математичвого моделювання м8ханоелектромагн!тних процес!в у пористому насичено-му середовищ! та натурна апробац!я отриманих теоретичних залежно- . стей. У зв'язку з да оули ышэтен! наступи! завдання досл!джень:"

1. 3 використаяням принцип!в та метод!в термодинам!ки незво-ротних процес!в, механ!ки i електродинам1ки сугЦльних середовищ отримати сп!вв1дношення математично! иоде л 1 для огасу взаемозв'я-заних механ1чних та електромагн!тних процес!в i процес!в теплома-сопереносу в пористая насичеяих середовщах.

2. На основ I розроблено! математично! моде л i провести вив-чення вшшву механ1чних коливань на основы! мехвн!зми утворешя потенц!ал1в спонтанно! поляризацН у флнЯдонасичених середовищах як теоретично! основа вЮрогеовлект^зитаих досл!даень.

3. Провести теоретичний ошс та досл!дження генерацН EJyB при утЕореян! подв1йного електричного шару як одного з основних механ!зм!в електромагн!тно! ем!с!Г напружених водонасичених середовищ та вшшву на не! механ!чних коливань.

4. На основ 1 -модельних уявлень розробити елеменги методики геоф!зичних досл1дкень методом вЮростимульованого електромагн!т-ного випромйювання Земл1.

Фактичний матер!ал 1 методи дослЩень. В основу дисертацИ нокладено результата теоретичних модельних дослШенъ та матерt-ал, з!браний автором в ход! польових роб!т за час робота в 1ПТК HAH Укра1ш в 199Q-1994 p.p. Теоретичн! побудови базувалися на використанн! метод!в термодинам!ки незворотних нроцес1в, мехзн!ки 1 влектродинам!ки суц!льних середовищ. Польов! робота проводшшся методом реестрацИ природного та в1бростимулъованого електромаг-н1тного випром йтвання. методика роб!т розроблялася. нами вШо-в!дно до поставлених задач. Обробка результат1в теоретичних та натурних досл1джень проводилася з вжористаипям ПЕОМ. Робота ви-конувалася в план! тематики ПТГК НйНУ, що проводилася в рамках програми HAH УкраКни "Нафтогазоутворення I нафтогазсносн!стьи. Матер1аля дисертацИ увЩдуть у к1нцевий зв!т по тем! "РозроСка

основ теорН 1 методика натрадицШюго кошлексування 1 комб!ну-вання ф!з;гтих пал1в при геоф!зичл1й розв!дц1 нафтогазоносних об'ект1в" (Л ДР ИА01001899Р).

Наукова новизна робота:

1. ПоОудована математична модель, яка описуе у взаемозв'язку механ!чн1, концентраций!, електромагн!тн! та теплев! поля в по-ристих насячених середовищах та дозЕоляе вивчати р!зн! ефвкти взаемодН щпс пол1в.

2. Запропонована дифузШш модель процесу у творения подвШ-ного елвктричного шару на меж! контакту р!дина-тверда фаза; отри-ман! сШвв!дношення опису електромагн1тного випром1нювашя, гене-рованого при становленн! подвШюго електричного шару, як одного з механ!зм!в електромагн1тно1 ем!сП водонасичених г1рсысих пор!д.

3. На основ! розв'язку модельных задач дослШено вшшв ме-хал1чних колявань у р!знжх д!апазонах частот на механ!зми форму-вагтя дифуз!йно-адсорбц!йно1 та ф!льтрац!йно1С складових потещ!а-л!в спонтанно! поляризацП у водонасичених г1рських породах.

4. В натурних умовах отрвмано широкомасштаОн! ефекти впливу мехаШчних колиеэнь на влектрамагн1тне В1тром!нювання Земл1. Результата спостережень на плотах з доброю геолог!чною вивчен1ита показали високий ступ!нь в!дпов1дност1 аномалШ спостерекуваного поля до д!лянок з аномальним мехаШчним. станом.

Положения, ио виносяться на захист:

1. Вшгав мехаШчнтос коливань та ефвкти, створен! зовн1шн!ми 'шшшкаш на потенц1али СП та елекгромагн1тну ем!с!ю насичених Прських пор!д можуть описуватися за допомогоп розроОлено! систе-уи ргвнянь механотермоелектродифузИ пористого насиченога серодо-ыпца.

2. Утворення подв'Яного електргшого шару та Кого активац1я

- б -

супроводжуеться 1мпульснш електромагн1тним вищхзм1ккванням, що дозволяа поясните природну та вМростимульовану електромагн!тну ем!с1ю напрукено-деформсваних д!лянок земыоГ кори; параметра вш-ром1нювання пов'язан! з характеристиками середовища.

3. Механ1зт формуванш П01еид1ал1в спонтанно! пощжэацП суттево залежать в1д частотного д!апазону зовн1шньо1 д11, 1х в!б-рацШа зм1на т!сно пов'язана з емн1сно-ф1льтрац1йшши характеристиками г!рсько1 порода та типом флюГду, що II насичуе.

4.Пер1одкчний вшшв прушо! енергП на поверхню геолог1чного середовища !нШюе в ньому р!зномасштабн1 ефекти, що вшшшають вторинн! геоелвктроыагн1тн1 шля в енергетично активних зонах -нафтогазових покладах' та областях з аноыальним механЛчним станом.

Практична ц!нн!сть роботи. РозроСлена математична модель мо-иэ оути вшсористана для подальиого досл1дкення широкого кола екс-периментально спостерекуваних ефект!в 1 явщ взаемовшшву стац!о-нарних та динач1чнкх цроцзс!в. деформування, тепломасопереносу, ВЛ8КТрОПрОВ1ДНОСТ1, ВИД1Л0ННЯ на Ц1Й ОСНОВ1 НОВИХ 1нфор,13ТИВШПС

параметра та розробки метод!в геоф!зичних дссл1даеш>.

Результата досл1даашя вплаву в1брац11 на ф1льтрац1йн! та дифуз!йяо-адсорбц1йн1 потенц1али кожуть бута використан! для оц!нки в10роелектромагн1тних ефектГв у р!зних д1апазонах парамет-р!в эовв1шньо! дП 1 при розробц! 1птерпретац1Аних основ вЮрое-лектричвих дослШюнь.

Отриман! спектральн! характеристики елзктромагн!тного випро-мИшвання при утворенн! та зацовненн! розчином электролиту гр1цш1 у г!рських породах можуть Оути використан! для визначення д!апа-зон!в частот, на яких доц!льно проводити вивчешя в!бростимульо-ваяого електромагн!тного вищюм1шовання Земл! та оц1нки глибин-ност! отримувано! 1нфэрмзц11.

Теоретичн! уявления про електромагн!тну ем1с!ю водонасичених г1рських пор!д стали основою для проведения польових росИт 1 раз-витку методу в1<5ростимульованого электромагнитного випром1нювання Земл1. Цима досл!дженнями було зреал!зовано принщшово новий п!д-х!д до використання 1нформац11£, яку несе з! собою електромагн1тне випром1нювання - для д!агностики наявност! вуглеводн1в 1 парамет-ризацИ неоднор1дностей типу зон з аномалышм механ!чним станом.'

Ахгробац1я робота I публ!кац11.

Основн! результата робота допов1дажся на науково-техн1чл!й конференцИ "Сейсм1чн1 метода пошуку I розв!дки родовищ корисних кспалин" (Ки1в, 1991), 2-1Й 1 3-1Й м1жнародн1й нарад! "1нженерно-Ф1зичн1 проблема ново! техн1ки" (Москва, 1992, 1994), нарад!-се-м!нар! з проблем розвитку гвологорозв1дувальних 1 вадобувних ро-б!т у Зах1дному рег!он! Укра1ни Цвано-Франкгвськ, 1992), юв!лей-н!й науков!й конференцИ. присвяченШ 40-р!ччю ф!зичного. факультету ДЦУ (Льв1в, 1993), 3-му сем!нар1 "Нетрадиц1йн! метода вивче-гая неоднор!дностей Земно! кори" (Москва, 1993), 16-му симпоз1ум! "ВКЗрацИ у ф1зичних системах" (Познань-Блакзевко, 1994), науко-во-пракигШй коиференцИ "Стан, проблема 1 перспективи розвитку нефтогазоЕОго комплексу Зах1дного реПону УкраИни" (Льв1в, 1995) ^

Освоений зм!ст робота вккладено в 13 пу0л!кац1ях.

Об'ем 1 структура роботи. Дисертац1я складаеться з вступу/ п'яти розд!л1в, васновк1в 1 списку л!тературних посилань. Текст викладений на 134 стор!нках машинописного тексту, 1люстрац11 складають 25 рисунк!в 1 1 таблицю. Список л!тературних посилань м!стать 165 назв.

Висловлюю щиру вдячн!сть за всеб!чну п!дтримку та ц1нн1 поряди при виконаня! роботи науковим кер!вникам доктору геол.-м!В. наук С.О.Лязуну та кандидату ф!з.-мат. наук В.Ф.Ксндрату.

- 8 -3MICT РОЕОТИ

Перший розд!л присвоений розгляду сучасного стану проведе-них досл!даень взаемодИ ф1зичних юл!в р!зно! природа у геоло-Пчному середовищ! та ix ф!зико-геолог!чних основ, як! зараз ста-ють особливо важливими у зв'язку з неоОх!дн!стю створення сучас-них високоефективних метод!в геоф!зичних досл!даень. Як поверхне-в!, так 1 свердловинн!, вони дають змогу розширити коло розв'язу-ваних задач прикладно! та розв!дувально1 геоф!зики.

Явища взаемодИ сейсм!чних коливань та електромагн!тного поля вивчалися ще у перш!й половин! XX стол!ття, коли було виявлеао сейсмоелектричний ефект (CEE) первого, а п!зн!ше (Г.ЯЛванов, 1940) 1 другого роду. Перша спроба посл!довного теоретичного пояснения CEE II роду була зроблена ЯЛ.Френкелем, який розглядав рух р!дини в порах при проходаенн! прукних коливань через водона-сичене пористе середовище. Надал! CEE II роду в р1зноман1тних Прсышх породах в залекност! в!д Ix властивостей, механ!чного стану, вивчалися як в лабораториях, так 1 в польових умовах ба-гатьма авторами, серед яких в!дзначимо робота м.С.Анциферова, А.А.Кокорева, О.Л.Кузнецова, Д.Н.Лящука, М.1.М!гувова, ЕЛ.Пархоменко, Г.Я.Черняка та !нших в!домих вчених. Ц! робота створили основу використання сейсмоелектричного ефекту для розв'язання ряду геоф!зичних задач.

Вивчення електромагн!тного Еипром!нювання (ЕМВ), зумовленого механоелектричшши процесами, становить самост!йний !нтерес, зо-крема у зв'язку з розвитком метод!в досл!дження напруженого стану г!рських пор!д. Ц1 питання знайшли пироке в!до0ракення в роботах М.5.Перельмана, Н.Г.Хат!ашв!л1, В.ВЛванова, Ш.Р.Ыастова та 1н. У кристал!чних породах електромагн!тна ем!с!я пов'язуеться, в основному, з релаксац!ею зарядовоГ мозайси на берегах ноЕоутвсренях

трШин, а у Еодонасичешп. - з виникненням пода Мних електричних шар1в та зм!ною 1х електричних параметр!в.

Механ!чн! коливання впливають на процеси пвреносу - ф!льтра-Щю порово! р!дяни 1 дифуз!ю 1он1в через г!рську породу. У зв'яз-ку з !снуванням пода Мних електричних шар!в на мея! контакту по-рова р!дина - твердий каркас породи це повинно привести до зм!ни Ф1льтрац1йних та дифуз!йно-адсорбц!йних потенц!ал1в у пол! меха-н!чних коливаяь (в!Сроелектричн! ефекти), що ! спостер!галося на практиц! (Д.Ы.Булошников та 1н.,1987, 1.М.Куровець та 1н.,1992).

Серед основних механ!зм!в вЮроелектричних ефект!в в!дзначи-мо зм1ну.площ1 внутр1шньо! поверхн! породи та пов'язано! з нею величина адсорбованого заряду, в!Срац!йну зм!ну стану зв'язано! вода в порах та енергП актавацП дифузИ 1ой1в, виникнення акус-тичних поток 1в та сцричлнешй ниш вшшв на коеф1ц1енти проник-кост! породи та дифузП часишок. В!дзначммо, що хоча досл1джсння впляву механ!чних коливань на процеси фШтрацП та дифузИ до-сить широко представлен! в л!тератур! (М.Е.Архангельсышй, 1967, Ю.С.Мвпкйв, 1989 тощо), вивчення впливу в!брац!1 на розпод!л електричних пол!в у породах представлено поодинокими роботами (А.Л.Колосов, А.М.Тупч!енко, 1992, Г. Л. Банкиров, Ю.Г.Соботка, 1993), в яких практ!гшо не розглядаютьоя ф!зичн! механ!зми явищ.

В1дсмо, що иафгогазоЕНй поклад характеризуемся специф1чшш' набором ф1зико-х!м1чних 1 геолог1чних умов та зм!ною ф!зичних властивостеЯ пор!д. Неоднор!дн!сть властивостей та стану пор!д меже спричшяшатись такок порушеннями суц!льност1 (розлемаш то-що) та !шшмн причинами. В таких областях формуються специф!чн! гони розпод!лу механ!чшх напружень, переток!в р!дшш, електрич-■'"ix та мапйтшх полПз. Зоен1пш! в!брац1йн! вшгави техногенного т? природного походоення на ц! зопи приводить до ?м!ня 1х стану,"

що проявиться у збуренн! в!дпов!дних геоф!зичних пол!в, зокрема електромагн!тного, в яких закладена 1нформац1я про стан 1 проце-си, що сформувалися в цих областях.

3 огляду на видесказане, вивчення вшшву механ!чних коливань на розпод!л та величину електромагн!тних пол!в у г!рсышх породах, досл!дження основних ф!зичних механ!зм!в такого впливу, роз-робка в1дпов1дних математичшп. моделей процес1в, зокрема, придат-них для 1нж8нерних розрахунк!в, в актуальною проблемою сучасно! геоф!зики.

В другому розд!л! проводиться побудова математично! модел! пористого насиченого середовища, в якому мають м!сце взаемозв'я-зан! електромагн1тн1, механ!чн!, теплов! та дифуз!йн! процеси.

Розглянемо статистично однор!днв та 1зотропне пористе наси-чене р!диною середовище. Матер!ал твердофазного каркасу е пружиим неферомапИтним п-компонентним поляризовним твердим розчином. а порова р!дина - п-компонентним розчином електрол!ту. Ввакаеться, що характерн! розм!ри пор 1 зерен так!, що для опису ф!зико-меха-н!чних процес!в у р}дин! I каркас! застосовн! наближення механ!ки та електродинам1ки суц!льних середовшц. У цьому випадку повна система сп!вв!даошень для опису у взаемозв'язку механ!чних, теп-лових, дифуз!йних та електромагн!тних процес!в у пористому середовшц! включае р!вняння балансу маси, !мпульсу, ентроп!!, р!внян-ня електромагн!тного поля, визначальн! р!вняння для кокно! з компонент'та в1дпов!дн1 контакта! умови на поверхн! розд!лу фаз I початков! умови.

Така система р!внянь дозволяе визначити вс! характеристики шуканих пол!в, однак практично знайти розв'язок ц!е1.система не-мохливо, особливо для складно! конф!гурац!1 порового простору. Кр!м того, функц!!. що входять до цих р!внянь, не вим!рюються за

допомогою традиц!йних вим!рювалышх пристрой. Вим!рювашш е велевши, усереднен! по деякШ просторов1й облает!. У зв'язку а цим отримана система р!вняиь для усереднэних величин, для чого було використано метод просторового усереднення, традацшшй для меха-н!ки гетерогенних середовшц.

+ «117 (аД^ =

а1р(,П й^'/« = (11Т 6£+- Н(3,+ а.,р^3)Е£3)- аи,8га(1 Р(П+

»=' -

р(Ят(Ла д «1Я/Й = - <цу (а«Ч1) - ц'3,+ а,р(я11(я+ + (п(3)1л(а3ё£3))ЛН; + Н(3)(7п- 7и))]з1;1+ а3р(;"Е'3) ^Р131/« + + £ «гай У(3,)/с1ф (2.1)

гогЕ + 0В/01='о; <ШВ= 0; гогн - З<3)+ бЪ/дХ = 0; сШВ = рв;(2.2) 10 = е0ё Е, В = ц0Н, е = £ а1е±, Е<3)= Е + у<3)»В;

V ^К" §0г)в(г)1 + 20г81<_24 г-£[р<1)- а<г>(Т<г)- Т<2>)+

п-1

р(3)= р«3)[1- р<3'р<3>+ а<3>(Т(3)- Т<3>) + £ Р43)(0'3)- С«31) +.

+ ь(3>(%3'-^3> ]2]; Р<2)= р<"- (1/а,^; 3(3)= [0(Я/Т(Я+ (а'3')^^'3^^3?-^31] +Ф(3)+ а<3)/р(Л"

• 1о»

п Г и I К а (1)

, (е«3>Л«3>)2+ ^р^'а«* >/р<3,](т13>- Т<3)) •+

- [тЧ>-т^>] + £р»)[с»>- + ь'^'-^']2)]; (2.3)

- аЯ'вгай Г^Ч ^ рай

- у(3,)с1ь] + у(3)] + Ь^'Е^';

+ £ ЩЯ[екЕ'л+ 8гаа ;«»)/«];

к=1 п

к"-1 ** ;и)Н+

+ 1«>(т">- у(;") + ь^'егай т(3) - ь^'е^5; (2.4)

6 = т] ъ»»<1,1,-'т(*>); * = ^(¡¡¿и- ¡¡¿л);

а<г'= 1р и(21+ ри(2))' ] (2.5)

Система р!внянь записана з використанням г!потези, до ЕП)ю

« Е(1}« Е, Н(1)« н(2)« Н. Туг 1ндекс 3=1 в!дпов1дае р!дин1, 3=2 -

тверд!й фаз1, ншш1й 1ндекс к - номер компонента; а,, р(-"- пори-

1. 5 -» -» 3

ст!сть I густина; = ^ + - повна пох1дна по часу; V -

оператор Гам1льтона; С^-"- концентрац!я; вектор густшга потоку маси; . визначае масообм!н м1к фазами; г}^швидк!сть; р(1)- тиск; густина теплових даре л; р^'- густина в1льних

електричних заряд!в; ек- питомий заряд 1он1в; Е^'- вектор напру-кеност! електричного поля у систем! в!дл!ку центра мае З-о! фазн;

тензор ефективних напружень; £ р^'у'""- гус-

тина електричного струму; Р<;", В, вектори поляризацИ, 1н-

дукцП магн1тного шля та масових сил; Т(:", Б'-"- абсолютна температура 1 штсма ентрсп!я; q(Я I С1(;,)- Еектор густини потоку

тепла та середам пот!к тепла через новерхню розд!лу фаз; П(;,)-тензор в'язких напружэнъ; ё - дев!атор тензора деформац!! е ; в - символ Кронеквра; Р(Я= Р(л/р(л; хЫ1чний потенЩал;

Е, Н, Б, В - вектори напрууеност! та 1ндукц11 електрачного та магн!тного пол!в; е0 1 ц0- електрична 1 магн!тна стал1; е - д!е-лектрична прошпш!сть; Н^, модул! стиску 1 зсуву; I - одинич-ний тензор, зцементован!сть каркасу; Р^21. Ь121 ! кон-

центрацМний, електрострикцМний I терм!чшй коеф!ц!енти оО'емно-го розпшрення; р13'- стислив!сть; а^' ! концентрац!йний ! температурний коефШенти зм!ни х!м1чного потенц!алу; Д^е-

лектрична сприйнятлив!сть; коеф!ц1ент теплопров!дност!;

ь'^'- к!нетичн! коеф!ц!енти; коеф!ц1знт дифузП; т} - кое-

43 пд

Ф1ц1ент в'язкост!; а^- коеф!ц1ент, що характеризуе перенос маси

м!а-фазами; ц^-1влектрох!м!чниЙ потенЩал; и(2)- вектор перем!-

а«1' а(2) й(1)

щення, ф - -<77 г, . ® - (2) Р, . \ - -ГГТ р ' й(2) Р Р ^ - -р(П' Кге<2)" "

Отримана система р!внянь враховуе р!зн! ефекти взаемодИ ме-хан!чних, теплових, концентрацМних та електромагн1тних пол!в 1 може бути прийнята за основу при вивченн! таких ефект!в. При роз-гляд! стац!онарних перЮдичних процес!в у яористих середовищал використовувався метод часового усереднення, який дозволяв вивча-ти як,пер!одичн! в час!, так 1 усереднен! складов! шуканих пол!в.

Надал! перейдено до розгляду конкретных задач, р!вняння для розв'язування яких в частинними випадками наЕедено! система (2.1)-(2.5).

В третьому роздШ на основ! записано! системи р!внянь . роз-глядаеться математячна модель, ¡до описув подв!йний електричшя

шар при Пого стаксвлеш! та у стэц!оиарному стан!. Утворення ПНШ

супроводауеться 1мпульсшш електромапПтним вшромШшаншш, характеристики яного залежать в!д парамэтр!в середовшц. Цей меха-н!зм електромагн!тно! ем!с1! може бути визначальним при утворенн! та рост! трйшн у напружено-деформованих масивах Еодонасичених г!рських пор!д.

3 використанням !нтегральких перетворень Лапласа одержано розв'язок поставлено! задач! 1 проведено його анал!з. Встановле-но, зокрема, що отриман! характеристики стац!онарного розиод!лу заряд!в шдв!йного електричного шару та його залеян!сть в!д кон-центрацИ електрол!ту добре корелюють з в!дсмимя в л!тератур1, цо св!дчить про коректнЮть прийнято1 континуально! модел!.

Вивчення динам!ки подв!йного електричного шару показало, що його потенц!ал росте в час!, асимптотично наближавчись до свого найб!льшого значения. Час фактичного становления шару залежить в!д складу та концвнтрацИ розчинено! речовини, а значения його електричного потенц!алу - в!д II природа та црироди I властивос-тей контактугчих т!л. При цьому суттвва в!дм1нн1сть величин кое-ф!ц!ент!в дафузИ частивок в твердому т!л! та р!дк!й фаз! 1 при-поверхневий характер розпод!лу збурення концентрацИ в тверд!й фаз! дозволяв не розглядати дифуз!» 1он!в у н!й, а частину ПЕШ в твердому т!л! трактувати як П0Евр1Н8Вий (адсорбований) шар !он!в.

Отримано та проанал!зовано вирази для вектор1в електромаг-н!тного поля в пров!дному середовщ! типу водонасичених Прських нор!д при локальному утворенн1 в ньому подв!йного електричного шару ск!нченно! площ!, зумовленому, наприклад, тр!щиноутворенням. Встановлено, що вилром1нювання носить !мпульсний характер, пара-метри якого визначаються характеристиками р!дко1 та твердо! фаз -концентрац!ями електрол!ту, р!зницею х!м!чних потенц!ал!в 1он1в, прсв!да!стю та д1електричною проникн!стго середовища. При зниженн!

шщентрацП розчину максимум !нтенсивност! випрогЛнювання зм!щу-еться в б!к 0!льших час!в, зростаз йога гривал!сть 1 зиижуеться вмшИтуда. Цз мояпа пояснити змениениям к!лькост! носПв заряду, як! приймають участь у формуванн! подв!йного електричного шару.

Алал!з ампл1тудно-частотних характеристик влектромагн1тного Еипрсм1нювання показав, що оспоений вклад у величину сигналу при зростанн! пров!дност! середовища та вШзленн! в!д дзгерела випро-м1нгоання роблять низькочастогн! складов! - до 100 кГц, тему до-слШення найдоц!льн!ше проводите в цьому д!апазон!.

Ем!с!я г!рсышх пор1д (1мпульсне електромагн!тне випромИда-вання) виникае при тр!щиноутвореня!, !нтенсивн!сть якого залетать в!д наирутаного стану. 3 використанням в 1 дека сп!вв!дношень к!нетично1 георИ мШност! отрйман! вирази для 1нтенсивност! 0® в залежност! в!д величини початкових статичних та ампл!туди в!б-рац!йних напрукень. Проведен! оц!нки енергИ в!бростимульовано1 електромагн1тно1 ем!с!1 показали, ¡но Еипром1нювана енерг!я зб!ль-шуеться з ростом статичних напружень. В1дносна зм!на енергИ при зростанн! ашл!туди колквань не залетать в!д р!вня статичних на-пружень, тотлу в облает! з виипм р!внем Бих1дгах напружзнь мае м!сце б!льший абсолптний прир!ст енергИ ЕИпром1нюваяня. Таким чином, напружено-деформовая! облает! земно! кори повинн! характе-ризуватися.п!дБищеним р!внем в!бростимульованого ЕМВ.

Четвертая розд!л присвячений досл!дхеннв впливу механ!чних коливань на ф!льтрац!йний та дафуз!йно-адсорбц!йний потенц!ал -основн! складов! природного електричного поля. Пор!вняльна к!ль-к!сна оЩнка вкладу р1зних складових в р!вняннях електромехан!ки та механоелектродифузН,- як! використовувться для ошгеу цих ефек-т!в ! одержуються як частковий вйгадок систем р!внянь (2.1) -(2.5), дозволила вид!лиги найвагигив!и! з цих складових 1, . в ре-

зулътат!, спростиги вих!дн1 р1вняння. Встановлено, що розглядува-н! вМроелектркчн! ефекти пов'язан!, в основному, з! зм!ною к!не-тачних характеристик пористого середоввда, а саме його проникнос-т1 та ефектшшх коеф!ц1ент1в дафузН 1он1в.

Використання методу часового усереднення дозволило розд!лити задач! визначэння гармон!чних та усередаених складових збудаува-ного в1брац1еп електричного поля. ДослШення останн!х е важливим при розробц! вюроелектричних свердловинних та поверхневих до-сл!даэнь, зокрема, для пошуку та розв!дки поклад!в вуглеводн!в.

Вивчеши в1броелектричшх ефект!в ф!льтрац!Шю1 та дафуз!й-но-адсорбц1йно! природа проЕодилося як для низьких, так 1 для ви-соких частот. При цьому залехност! коефШента проюшюст! середовща та дафузН частинок в!д параметра коливань отримувалися або на основ1 анал1зу в1ддов1дних експеримент1в, або шляхом роз-в'язування модельних задач.

Встановлено, що при кизьких частотах, коли мсжна знехтувати 1нерц!йшми силам, ф!лътрац1йний потенц!ал зб!льшуеться пропор-ц!йно квадрату ачпл!туди коливань. Для великих амшцтуд .(сотн! атмосфер) вШосна зм!на иф йоге складати 100% 1 б1лыае; для створювашя пэресуЕними- сейсмов!брац!ашага даерелами динам1чних напрухень така зм1на складае одиншЦ або перш! десятки в1дсотк1в.

Для високих частот, коли 1нерц!йн! ефекти суттев!, в1даосно-го зб!лъшення ф!льтрац1йлого потенц!алу на сотн! в!дсотк!в моасна досягну та, при амшИтудах коливань мешле одн!еГ атмосфера. В1бро-електричниа ефект при цьому росте з! зб!лшешшм частота 1 сутте-во залежнть в!д структури пороЕого простору. Встановлено 1снуван-ня облает! значень параметра VI1/2 (де V - частота, а I - !нтен-сивн!сть коливань), для яко" мае м!сце найб!льша зм!на Ф1льтра^-ц!Шюго поте1щ1алу-, що ваыиво при розробщ метода в.!броелек-

тричних дослШень.

Вивчення впливу низькочастотюпс мехаШчшх коливань на днфу-

з1йно-адсор0ц1йн! потзнц!али (ДАЛ) Оазуеться на вшсористанн! в1-

домих експерименталышх даних про залекн!сть дифуз!йно-адсорбц1й-

но! активност! середовшца в!д мехаШчнгос. статичних напруяень. Ек-

страполяц!я них даних на низькочастотн! коливання дозволяв вста-

новитп, що усереднена складова ДАЛ зменшуеться з ростом ашл!туди

коливань, однак II в!дносна зм!на нав!ть для о = 3-Ю7 Па складав

8

лише одиниц! процент!в. Пер!одична складова ДАЛ частота в!0рац!1 моке перэважати сейсмоелектричний потенц!ал електрок!нетично1 природа, що вказуе на ваяишв!сть його врахування при пизькочас-тотних сейсмоелектричних досл!джзннях.

Для високочастотних коливань показано, що Гх вплив на ДАП пов'язаний, в основному, з в!брозм!ною ефекгивно! рухливост! 1она в середовкщ!. Це дозволяв Еикористати для визначення усерэднено! складово! ДАП впрази, за формою аналог1чн1 там, що записуються у в1дсутн1сть коливань.

Проведен! к!лък!сн! досл!даення потенц!алу ида для систем розчин електрол!ту'- порода - розчин електрол!ту, розчин елентро-л!ту - порода, порода - порода показали, що вЮроелектричний ефект проявляеться лише для достатньо великих !нтенсивпостей (ам-пл!туд) коливань I, в залехност! в!д к!нетнчних властивостей породи, моке проявляться як в зростанн!, так 1 в зменшенн! ДАП, 1 нав!ть в зм!н! його знаку. В1дносн! зм!ни потенциалу, в залежнос-т! в!д ампл1туд коливань, мокуть складата в!д одшшць до сотень в!дсотк1в. Пор1вняння отриманих результата з в!домими з л!тера-тури даними експерименту- (Г.Л.Башкиров, Ю.Г.Соботка, 1992) вияв-ляе добре 1х узгодаення.

П'ятий розд!л- 3 метою экспериментально! перев!рки правиль-

ноет! сформовшш. модельних уявлень на,и були виконан! натурн! досл!даення природного та вторинвого електромагн!тного випром1ш)-вшшя. Джерелом 1мпульсного електромагн!тного випром1нювання Бем-л1 (Ш.ШЗ) е масиви Прських пор!д, в яких п!д д!ею механ1чних напрукень мае м!сце трНциноутворення та 1нш1 ф!зико-механ1чн1 процеси. Напряжения мокуть мати р!зну природу: л!тостатичний тиск, тектон!чн! сили, г!дродинам1чн1 1 структурн! тиски, а також техногенн! зрушення. Розпод1л електромагн!тного поля на поверхн! Земл! буде залезтти як в!д тектон1чно! будови об'ект!в досл!д-хень, так 1 в!д типу флюГдонасичення, зокрема в!д наявност! вуг-лйводн1в. Цв дае моклив1сть викрристати досл1дання 1ЕНВЗ для ви-явлення та параметризацИ тектон!чних порушень 1 для розв'язання ряду задач нафтогазово! геоф!зики.

. Нами .розроблена методика вивчення геолог1чних об'ект1в шляхом реестрацИ природного та в1бростимульованого ШВЗ, причому вид!лено так1 !нформативн1 параметри, як 1нтенсивн1сть вищхшшо-вання та характеристика I! азимутального розпод!лу. Досл1даення проводилися на площах з добре вивченою геолог!чною будовов: Угер-сько, Любеля та Лудин. Угерське газове родовище використовуеться як Шдземне газосховище з певним режимом наповнення та споживання газу, тому воно було наш використане як природна модель для ви-вчення вплиъу наявност! вуглеводн!в на розподгл природах та в!б-ростимульованих електромагн1тних пол!в. На площах Любеля та Лудин метод 1ЕМВЗ був використаний для виявлення та уточнешя локвл!за-ц11 тектон1чних порушень.

Досл1дкення 1ШВЗ на п!дземному газосхоЕищ! Угерсько проводилися при р!зн1й заповненост! газом. Вид1лено ряд аномал!й, б1льш!сть з яких припадае на заккову час тину родовита 1 лШю на' суву, В к1нд! циклу заповнагаш 1нт9нсивн1сть генерацИ в замков!й

частин! зникуеться, при цьому цей процес 1нтенсиф1куеться над пе-риклиналями: Зони актав!зац!Г випром!нювання при в!брацП добре корелюють з д!лянками проф}лю, до виниказ аномал!я IEMB3 з! зб!лыпекням газонаповненост!. Отке, мокна стверджувтги, що в!бро-стимуляц1я IEMB3 дозеоляй локал1зувати д!лянки з Шдвищеною ф!ль-трац1йного.здатн1стю, як! при нормалышх умовах не вид1ляютьсл.

На Любельськ!й площ! метод 1ЕГЛВЗ був використаний для вияв-лення м'алоампл1тудних розриЕНих порушень. Bel в!дом! на ц!й площ! розломи, вид1лен! за геолог1чними I сейсм!чними даними, в}д0иметься в пол1 IEMB3. KpîM того, вдзлося впевнено заф!ксувати к!ль-ка'розлом!в, як! не еид!ляються !шшми методаш. Оц!нюючи глибин-н!сть методу в цьому район!, можемо стверджувати, шо ввд!лен! зо-ни зномалышх механ!чних напружень, пов'язаних з розломами, про-стежуються'у товщах мезозойських в1дклад!в, чого ран1ше зробити не вдавалося. В1брзц1йна активац!я кожного з блок!в, розд!лешх розломами, супроводжувалася зм!нами параметр!в вторшшого поля, насашвред, 1нтенсивност1 його генерацН; максимальна !нтенсив-н!сть генерацП ЕМВ у кожному'з блок!в припадала на 1ший д!апа-зон частот вторинного вютром!нюванвя; для кожного блоку характерна! св!й час рэлаксацП п!сляв!брац!йного ЕМВ. Отриман! результата дозволяюгь з вдавшн!стю стверджувати, ио в!бростимульоване ЕМВ несе 1нформац1ю про мехаШчнпй стан окремих неоднор1дностей геолоПчного середоЕИща, дозволяе параметризувати 1х. Вир1шенпя цих задач лише на основ! природного ЕМВ е практично неможливим.

Розпод!л !нтенсивност! 1НЛВЗ по профШ 1-Д Лудннсько! площ! в дЮпазон! частот 2-50 кГц характеризуеться рядом локальних ч!т-ко виракених екстремум!вч деяк! з яких Шдтверджуються вим!рюван-нями, проведештеи п!д час BlOpauIï. Перех!д до нижчих частот спо-стереження (17 та 2-5 кГц) супроводкуеться виродженням окремих

екстремум!в, однак те, що деяк1 аномалII стасяльно простекуються у вс!х д!апазонах частот, св!дчить що: а) вим!рюване поле спричи-нене неоднор!дн!стю в геолог1чному середовищ!; б) частотне зонду-вання дозволяе в!дф!льтрувати псевдоаномал!!. спричинен! поверх-невими процесами, або процесами у приловерхневШ облает!.

Стаб!льн! екстремуми 1ЕМВЗ, як! спостер!галися на вс!х д!а~ пазонах чйстот, та змЩення аномалП з ПК 21 (2-50 кГц) до ПК 32 (2-5 кГц) однозначно св!дчить про И зв'язок з просторовим розта-шуванням видШного за геолог1чнга.ш дашми тектон!чного порушен-ня. Вих!д розрквного порушення до поверхн! в!дображаеться дрянною максимально! !зотроп!1 вим1рюваного поля I зм!ною напрямку максимально! 1нтенсивност1 1ШВЗ.

Таким чином, на приклад! цих польових досл1джень показано, що головним критер!ем виявлення зон наггрукеного стану Ирських пор!д методом ЕМВ е наявШсть аномал!й !нтенсивност! 1ШВЗ, гас1 збер!гаються при вЮрол!I I проявляться при спостерекеннях в р1зних д!апазонах частот. Додатковим критар!ем служить зменшення ак!зотропП 1Э.!ВЗ 1 р1зка зм!на напрямку максимально! 1нтенсив-ност! випром!1итання.

висновки

1. 3 використанням уявлень 1 сп1ввШюшень термодинам!ки незворотних процес1в, нехан1ки 1 електродина;м!ки суц1льних середовищ, методу простороЕаго усереднешш отримана повна система р!внянь математично! модол! для опису взаемозв'язоши. механ!чних, електромагШтгагс, теплових та дкфуз1йних процес!в у пористих на-сичених середовищах. Врахування р!зного рода параметр!в умоглиа-люе опис широкого кола явищ, що мають мЮце у-роальних Прських породах при р!з1мх зош1им1х та шутр1кн1х умовах. На ц!й оснор* проведено комплекс досл!даень данзм1чних ггроцесгн в скол! контак-

ту р!онор1дних середовид та вплтву механ!чшх коливанъ на елект-Р1РШ1 поля,' спричинен! процесами переносу зарядаених частинок в пористих насичених серодоЕищэх.

2. Анал1з розв'язку задач! про становле!шя подзШгаго елект-ричного шару на меж! контакту р1знор1дшос середовщ показав, що:

а).Застосований контшгуальгаЛ п!дх!д адекватно в!добрахаа основп! законсм1рност! становлстш 1 стаЩонарного розпод!лу ПЕШ.

0) Електромагн1тне поле, пов'язане з утворо!шям п -"Шного електричного шару при тр!щшгоутБоренн1 в насичених породах, в!д!~ грае суттеву роль у формуванн! Гх електромагн!тного ЕипромШкь вання.

в) Абсолютна згл1на !нтенсивност! електромагн1тного випро-м!нювзння, зумозлена в!брац!ею, б!льша в областях з Шдвгаценим р1ЕНем напружень, що дозволяе використати метод природного елект-ромагн!тного внпром1шовання для локал1зац!Г напружених д!лянок верхн!х шар1в зешоТ кори, зокрема,'пов'язаних з докладами вугде-водн1в; досл!даення доц!льно проводит на частотах менше 100 кГц.

3. Нйзькочвстотн! мэхан1чн! коливашш застосовуваних на практиц! !нтенскЕностей приводять до несуттевих зм!н усереднених складових ф!льтрац1йних та дифуз!йно-адсорбц1йних поте1щ1ал!в, натом!сть Гх гармон!чн! складов! частота зовн!иньоГ д!Г можуть переважати сейсмоелектричний потешШл електрок!нетичноГ природа.

4. В облает! частот, де важливу роль в!д!грають динам!чн! ефекти, в!дносн! зм!ни ф!льтрац!йгого та дафуз!йно-адсорбц!йного потенц!ал!в можуть досягати десятк!в 1 сотень в!дсотк!в I суттево пов'язан! з структурними характеристиками порового простору, що створюе передумова Гх практичного використання.

5. Польов! робота, проведен! на природн!й модел! - газовому схоеинЦ Угерсько, показали мокливЮть ефективного використання

методу вМростимульованого електромагн1тного випром1шовання Земл 1 при д!агностиц1 поклад1в вуглеводн!в у процес! IX експлуатацИ: 1нтенсивн!сть Ешром1нювання залакить в!д ступени газонзповненос-т! родовища в ц!лому, параметра випром1нювання дозволяють локал!-зувати зони п1двищено! ф!льтрац11 газу.

6. На п!дстав! польоеих досл!даень природного та вМростиму-льованого електромагн!тного випромИговання Земл! на площах з добра вивченою геолог!чною будовою показано, що розроблюваний метод дозволяе усп1шно вид!ляти р!зного роду д!лянки з аномалыши меха-н!чтам станом - зони п!двгеиених напрухень, тектон1чн! порушення, разломи, поклада вуглевода1в, та проЕодати 1х параметризац!ю.

ОСНОВН1 РОБОТИ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРГАЦП

1. Шпот Ю.А. Збурення концентрэцЩшх та електричного пол!в в окол1 контакту р!знор1дних середовшц //Геол. 1 геох!м. гор. копалин. - 1993. - 11 1(82). - С.79-83.

2. Шпот Ю.А. Вшмв прукних колиЕань на ф1льтрац!йн! потенц1алн /В.Ф.Кондрат //Геол. 1 геох1м. гор. копалин. - 1993.- N 2-3 (83-84). - С.130-133.

3. Шпот Ю.А. Вплив пруюшх коливань на дифузШо-адсорбцЛШ по-текц1али (висок! частота) /В.Ф.Кондрат //Геол. 1 геох!м. гор. копалин. - 1994.- N 1-2(86-87).- 0.98-101.

4. Шпот Ю.А. Електромаштне вштром1нювання г!рських пор!д як результат формування подв1йного електричного шару /В.Ф.Кондрат //Геол. 1 геох!м. гор. копылин.- 1994.- N 3-4(88-89).-С.80-87.

5. Шпот Ю.А. О влиянии внешнего електрщеского шля на распространение сейсмических волн е слонсшх средах /В.Ф.Кондрат, 0.0.Лизун //СО.тез.докл. науч.-техн.конф. "Сейсмические метода поиска и разведки местороздештй пол. иск.".- Киев,1991.- С,?Г>.

6. Шпот Ю.А. Механоелектрические эЭДпкти на границе раздела по-

ристнх насыщенных сред /В.Ф.Кондрат, с.0.Лизун, Я.И.Лопуиан-ский, Д.Н.Лящук //Тез.докл. II Всес.совет,- сем. "Инженерно-' физические проблемы новой техники". - М., 1992. - 0. 146.

7. йпог. Ю.А. Некоторые результата разработки каротажа методом "Вибро-ПС" /й.М.Куровец, Г.П.Косьшенко, D.H.Барабан //Там не, 0. 156.

8. Шпот Я.А. Вивчення ефект1в взаемодП пол!в методами ф!зичного модэлювання /Ю.Г.Соботка, Г.Л.Башк1ров //Тез. докл. Наради-со-Mínapy з проблем розвитку геологорозв!дувальних 1 видобувних роб!т у ЗахЦному períoHl УкраШ.-1вано-Франк!вськ,1992.-0.3Э.

9.'Шпот Ю.А. ЕлектродифузШ! процеси в пористих насичених т1лах в умовах д11 пруяних коливаиь /В.Ф.Нондрат //Тез. докл. Юв1л. наук, конф., приев. 40-р1чЧю ф!з. ф-ту. - Льв1в, 1993.- С.116.

10. Шпот Ю.А. Виброэлектрлческий эффект в пористнх насыщенных средах и его использование в ГИО /В.Э.Кондрат, Ю.Г.Соботка //Тез. до1сл. III семинара "Нетрадиционные методы изучения ез-однородностей Земной кори".- Москва, 1993.- С.46-47.

11. Шпот D.A. Динамика становления двойного электрического слоя и электромагнитное излучение /В.Ф.Кондрат //Тез.докл. III Мез-дунар. совзщ. "Игпхенерпо-флзлчзские проблема повой техники".-Москва, 1994.- С.162-163.

<2. Шпот Ю.А. Електромагн1тне вщзомШвашя насичених гГрських пар!д при дП вМрацП //Тез. доп. 1 пов!д. наук.-практ.конф. "Стан, проблеми 1 перспективи розвитку нефтегазового комплексу Зах1дного реПону УкраГни". - Льв1в, 1995.- С.138-139.

3. Shpot Ju. A. Vibration-electrical phenomena In the porous media contact region /Y.F.Kondrat //Vibration In physical systems. ' XVIth Symposium. Abatracta.-Poznan - Blazejewko, 1994.- P.187-183.

Шпот Ю.А. Электромагнитные явления в насыщенных горных породах в условиях упругого воздействия.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, Ивано-Франковский гос. тех. университет нефти и газа, Ивано-Франковск, 1995.

Защищается рукопись диссертации, которая содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязанных механически, электромагнитных и диффузионных процессов в пористых пасшдешшх средах. (горных породах). Разработана математическая модель для описания таких процессов. Установлено, что вибро-стимулированно8 электромагнитное излучение горных пород может Сыть использовано для локализации и параметризации зон с аномальным механическим состоянием.

Shpot Ju.A. Electromagnetic phenomena In saturated rocks in elaatlc action circumstances.

Thesis on the achievement oi geological sciences candidate scientific degree on the specialization 04.00.12 - geophysical methods or search and exploration oi fosall fields, Ivano-FranklYSk StateTechnical University of Oil and Gas, Ivano-FranKlvsk, 1995.

There ia defended manuscript oi thesis containing results of theoretical and experimental investigations of correlated mechanic, electromagnetic and diffusion processes In рогоиз saturated media (rocks). .Mathematical model describing such processes was developed. It was established that stimulated by vibration electromagnetic radiation or rocks can be used for localisation and paraff.etrization of anomalous mechanic state zones,

Юшчов! слова: електромагн1тне винром1нювання, потенШал спонтанно! поляризацп, механ1чн1 коликання.