СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТКРЫТОГО ПОРОГОВОГО ПРОСТРАНСТВА ВЕЩЕСТВА Российский патент 1995 года по МПК G01N27/72 

Изобретение относится к петрофизическим методам изучения горных пород и предназначается для повышения эффективности изучения физических свойств при поисках месторождений нефти, газа и других полезных ископаемых. Кроме того, изобретение может быть использовано в других областях науки и техники, имеющих дело с пористыми материалами, например в строительстве, материаловедении.

Известны способы определения открытой пористости, основанные на пропитке образцов магнитной жидкостью. Способ основан на взвешивании пропитанных магнитной жидкостью образцов в неоднородном магнитном поле.

К недостаткам способа следует отнести недостаточную представительность пpоб, используемых при взвешивании (V 1-2 см³), возможность появления ошибок, связанных с расслоением магнитной жидкости в сильном неоднородном магнитном поле, сложность аппаратуры и методики проведения измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения открытой пористости неферромагнитных диэлектриков [1] основанный на измерении магнитной восприимчивости образца до κ_обри после пропитки κ_обр+жмагнитной жидкостью (с κ=κ_ж), намагниченность насыщения которой обеспечивает неизменность ее до и после контакта с горной породой (I_s > 3,5 кА/м), и вычислении К_по по формуле
K_по= · 100%
(1) Последний способ принят за прототип.

К недостаткам способа следует отнести ограничения класса изучаемых веществ диэлектрики. Это ограничение возникло, по-видимому, из-за применения авторами определенного способа измерений индукционного, для которого характерно существенное влияние проводимости. Указанное ограничение может быть снято при использовании магнитометрического способа измерений с помощью астатического магнитометра. Кроме того, при резкой анизотропии порового пространства единичное измерение магнитной восприимчивости образца, насыщенного магнитной жидкостью, может дать ошибку в определении коэффициента открытой пористости в десятки процентов.

В петрофизике широко используется способ изучения анизотропии магнитной восприимчивости горных пород (см. Л.Е.Шолпо и др. Использование магнетизма горных пород при геологической съемке. Л. Недра, 1986, с.224), основанный на измерении магнитной восприимчивости образца не менее, чем в шести разных определенным образом выбранных направлениях, и расчете по этим данным параметров магнитной анизотропии (главных восприимчивостей и их направлений) горных пород. По полученным данным судят о величине анизотропии, ее характере (линейная, плоскостная, линейно-плоскостная) и ориентировке в координатах образца, т.е. о магнитной текстуре минералов-носителей магнитных свойств.

Рассмотренные выше способы определения открытой пористости и излучения магнитной текстуры горных пород направлены на излучение совершенно разнородных физических параметров, в первом случае на изучение коэффициента открытой пористости вещества, во втором на изучение магнитной упорядоченности природных ферромагнетитов (реже парамагнетитов) в горной породе. Ни один из этих способов изучения вещества не направлен на изучение текстуры открытого порового пространства и ее ориентировки в системе координат образца.

Термин "текстура порового пространства" в литературе не встречается и вводится нами по аналогии с термином "структура порового пространства". Последний употребляется В.Н.Кобрановой (Петрофизика. Учебник для вузов. М. Недра, 1986, с.15) в сочетании "форма (или структура) порового пространства" и В. И.Старостиным (Структурно-петрофизический анализ эндогенных рудных полей. М. Недра, 1979, с.4в). В это понятие ими включаются такие характеристики, как размер и форма пор, их соотношение и распределение в объеме среды, что выражается в количественных характеристиках, отвечающих термину "структура" как "совокупность признаков горной породы, обусловленная абсолютными и относительными размерами и формой", в нашем случае пор (Геологический словарь. М. Недра, 1973, т.2, с.269). Термин "текстура" в том же словаре (Т. 2, с. 296) определяется как "совокупность признаков строения горной породы, обусловленная ориентировкой и относительным расположением составных частей породы".

Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента открытой пористости вещества и определение параметров, характеризующих текстуру открытого порового пространства и ее ориентировку в координатах образца.

Цель достигается за счет того, что в способе, включающем насыщение образца магнитной жидкостью с известной магнитной восприимчивостью и намагниченностью насыщения, превышающей величину, при которой наблюдается изменение ее параметров до и после контакта с горной породой, измерение магнитной восприимчивости ненасыщенного и насыщенного жидкостью образца, магнитную восприимчивость ненасыщенного образца измеряют не менее, чем по шести определенным образом выбранным направлениям, обеспечивающим вычисление компонент тензора магнитной восприимчивости по измеренным значениям; измеряют по тем же направлениям магнитную восприимчивость насыщенного образца и по относительному изменению восприимчивости по каждому направлению рассчитывают параметры магнитной анизотропии, характеризующие текстуру порового пространства, и коэффициент открытой пористости.

В слабом магнитном поле магнитная восприимчивость представляет собой симметричный тензор второго ранга
κ
(2) где κ_ij- компоненты тензора магнитной восприимчивости в декартовой системе координат; κ_ij= κ_ji. Магнитная восприимчивость, измеренная в некотором направлении действия магнитного поля Н и называемая направленной восприимчивостью κ', связана с тензором магнитной восприимчивости выражением
κ'= [n] _т[κ [n] (3) где [n] матрица единичного вектора, определяющего направляющие косинусы напряженности поля в координатах образца; [n]_т матрица, транспонированная от [n]
Тензор [κ содержит шесть неизвестных компонент, для вычисления которых нужно составить систему из шести независимых уравнений, каждое из которых соответствует выбранному направлению поля. Поэтому для расчета компонент тензора магнитной восприимчивости достаточно шести измерений в шести различных определенным образом выбранных позициях образца. Выбранные направления должны обеспечить вычисление компонент тензора магнитной восприимчивости по измеренным значениям направленной восприимчивости по формуле (3), которая может быть преобразована к виду, удобному для расчетов
κ _i'= κ₁₁n_1i²+ κ₂₂n_2i²+ κ₃₃ n_3i²+
+ 2κ₁₂ n_1in_2i+ 2κ₁₃n_1in_3i+
+ 2κ₃₃n_2in_3i, (4) где n_1i,n_2i,n_3i направляющие косинусы i-го положения образца. На практике проводят измерения в большем количестве направлений, что позволяет снизить влияние погрешностей измерения, статистически рассмотреть точность результатов и исключить измерения, обладающие грубой ошибкой. Вычисление в этом случае производят способом наименьших квадратов.

Недиагональные компоненты тензора магнитной восприимчивости в общем не равны нулю, но существует такая система координат, в которой недиагональные составляющие обращаются в ноль. Оси новой координатной системы называются главными осями, а значения магнитной восприимчивости, измеренные по этим осям, главными восприимчивостями, причем принимается, что κ₁≥κ₂≥κ₃. По полученным данным рассчитываются вспомогательные характеристики: среднее значение восприимчивости κ_ср= 1/3 (κ₁+κ₂+κ₃), используемое для более точного расчета коэффициента открытой пористости (по а.с. N 1260875); параметр L= κ₁/κ₂, характеризующий степень линейности; параметр Fκ₂/κ₃, характеризующий степень полосчатости; параметр Еκ₂²/(κ₁-κ₃), характеризующий форму эллипсоида восприим- чивости (при Е > 1 эллипсоид сплюснутый, при Е < 1 он сжатый); параметр Рκ₁ / κ₃, являющийся показателем степени анизотропии. Если F > L, то Е > 1 и в текстуре будут преобладать плоскостные элементы, если F<L, то Е < 1 и в текстуре будут преобладать линейные элементы. Если F≈L и Е≈1, а Р> > 1, то текстуру можно охарактеризовать как линейно-плоскостную. Направление линейности будет совпадать с направлением максимальной восприимчивости, а ориентация полосчатости будет характеризоваться направлением нормали к ней, т. е. совпадать с направлением минимальной восприимчивости. В общем виде величины этих параметров будут зависеть от восприимчивости магнитной жидкости и от текстуры порового пространства, поэтому при насыщении серии образцов жидкостью с одной и той же магнитной восприимчивостью есть возможность сравнивать элементы текстуры порового пространства образцов друг с другом.

Методика измерения магнитной восприимчивости, как тензорной характеристики, для определения анизотропии магнитных свойств образца, известна (см. например, Л.Е.Шолпо и др. Использование магнетизма горных пород при геологической съемке. Л. Недра, 1986, с.148-150), однако, в сочетании с насыщением магнитной жидкостью, это дает возможность получить новую информацию, а именно определить также и анизотропию порового пространства, по параметрам которой можно судить о виде текстуры порового пространства и ее ориентировке.

Измеряют магнитную восприимчивость ненасыщенного образца не менее, чем в шести положениях, обеспечивающих возможность вычисления компонент тензора магнитной восприимчивости по измеренным значениям направленной восприимчивости. Например, измерения в положениях, направляющие косинусы которых соответствует n₁ (1, 0, 0); n₂ (0, 1, 0); n₃ (0, 0, 1); n₄ (0, 1/, 1/); n₅ (1/, 0, 1/ ) и n₆ (1/, 1/ , 0), позволяют вычислить компоненты тензора магнитной восприимчивости из уравнений по формуле (4):
κ₁₁=κ₁^I;
κ₂₂=κ₂^I
κ₃₃=κ₃^I
κ₁₂=κ₆^I-(κ₁^I-κ₂^I)/2;
κ₁₃=κ₅^I-(κ₁^I+κ₃^I)/2;
κ₂₃=κ₄^I-(κ₂^I+κ₃^I)/2
Насыщают образец магнитной жидкостью с известной магнитной восприимчивостью, намагниченность насыщения которой обеспечивает неизменность ее параметров до и после контакта с горной породой (I_s > >3,5 кА/м по а.с. N 1260875).

Удаляют магнитную жидкость с поверхности образца и обрабатывают ее раствором, который, вступая в реакцию с частицами магнетита, окисляет его и делает слабомагнитным, например, раствором хлористого кальция.

Измеряют магнитную восприимчивость насыщенного образца по тем же направлениям, что и сухого.

Рассчитывают разностную магнитную восприимчивость по каждому из направлений:κ_i^I=κ_обр+ж^I-κ_обр^I.

По κ_i^Iрассчитывают главные значения и главные направления тензора магнитной восприимчивости и вспомогательные характеристики, отражающие тип текстуры открытого порового пространства.

По величине κ_сррассчитывают коэффициент открытой пористости по формуле (1).

В табл.1 рассмотрено изучение текстуры открытого пористого пространства искусственно приготовленных образцов с отверстиями, имитирующими открытое пористое пространство различной текстуры: линейной (образец N 1), плоскостной (образец N 2) и линейно-плоскостной (образец N 3).

Измерения магнитной восприимчивости осуществлялись с помощью цифрового моста для измерения магнитной восприимчивости КУ-2 производства ЧСФР в пятнадцати положениях. Насыщающая магнитная жидкость имела магнитную восприимчивость 0,29 ед.СИ (10³ кА/м). Расчет параметров анизотропии производился на ЭВМ по алгоритму, предложенному в работе Vit Jelinek "The statistical theory of measuring anisotropy of magnetic susceptibility of rocks and its application", Brno, 1977, p.88.

Результаты расчетов сведены в табл.2. Полученные данные свидетельствуют об однозначной интерпретации вида текстуры. Вычисленные направления текстурных элементов с точностью до 10^о совпадают с заданными, что свидетельствует о работоспособности предложенного способа.

Из результатов видно, что недоучет анизотропии при определении коэффициента открытой пористости может дать ошибку, достигающую десятков процентов.

В результате использования предлагаемого способа повышается точность определения коэффициента открытой пористости; появляется возможность изучения нового петрофизического параметра анизотропии открытого пористого пространства с количественной его оценкой; определяется тип текстуры открытого пористого пространства и ее ориентировка, что важно для изучения вопросов, связанных с миграцией газа, нефти, воды, гидротерм и более целенаправленного решения на этой основе задач прогнозирования поисков, оценки ресурсов, а также рациональной эксплуатации месторождений полезных ископаемых; открываются новые возможности для исследования закономерностей изменения и связи физико-механических и коллекторных свойств горных пород; в материаловедении изучение текстуры открытого порового пространства открывает пути целенаправленного регулирования прочностных свойств вновь создаваемых материалов.

Использование: для изучения текстуры открытого пористого пространства. Сущность изобретения: измеряют магнитную восприимчивость образца не менее, чем в шести определенным образом выбранных направлениях, до и после насыщения магнитной жидкостью. По разностным значениям рассчитывают параметры анизотропии магнитной восприимчивости, по которым определяют коэффициент открытой пористости и вид текстуры открытого пористого пространства. 2 табл.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТКРЫТОГО ПОРОГОВОГО ПРОСТРАНСТВА ВЕЩЕСТВА, включающий насыщение образца магнитной жидкостью с известной магнитной восприимчивостью и намагниченностью насыщения, превышающей величину, при которой происходит изменение ее параметров при контакте с веществом, и измерение магнитной восприимчивости до и после насыщения образца жидкостью, отличающийся тем, что магнитную восприимчивость образца до и после насыщения магнитной жидкостью измеряют по меньшей мере в шести направлениях, обеспечивающих расчет компонент тензора магнитной восприимчивости, и по разности соответствующих значений магнитной восприимчивости рассчитывают главные значения и определяют главные направления тензора магнитной восприимчивости, с помощью которых определяют коэффициент открытой пористости K_п.о, степень линейности L, степень полосчатости F, степень анизотропии E, форму P эллипсоида восприимчивости по формулам

L=κ₁/κ₂;
F=κ₂/κ₃;
E=κ22

/κ₁·κ₃;
P=κ₁/κ₃,
где κ_ср. средняя величина разностных значений магнитной восприимчивости;
κ_ж магнитная восприимчивость магнитной жидкости;
κ₁, κ₂, κ₃ главные значения тензора магнитной восприимчивости,
а также ориентировку элементов текстуры в координатах образца.