научная статья по теме ПРИЛИВНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ДВУХСЛОЙНОЙ ПОРОНАСЫЩЕННОЙ СРЕДЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПРИЛИВНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ДВУХСЛОЙНОЙ ПОРОНАСЫЩЕННОЙ СРЕДЕ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 8, с. 85-89

УДК 550.37

ПРИЛИВНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ДВУХСЛОЙНОЙ ПОРОНАСЫЩЕННОЙ СРЕДЕ

© 2007 г. М. Б. Гохберг, Н. И. Колосницын, А. И. Николаев

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 20.06.2006 г.

Рассчитывается обусловленная электрокинетическим эффектом вертикальная компонента электрического поля в многослойной поронасыщенной среде, вызываемая приливными деформациями земной коры. На границе сред происходит скачкообразное изменение петрофизических свойств среды. Градиент порового давления на границах скачком достигает максимума и затем спадает по экспоненте, образуя своеобразный гидродинамический скин-слой. В силу электрокинетического эффекта, таким же образом ведет себя электрическое поле. По наблюдениям вертикального электрического поля, в принципе, можно определить механические свойства деформируемой среды. Величины эффектов лежат в диапазоне, доступном измерению.

Ключевые слова: электрокинетический эффект, многослойная среда, электрическое поле, лунно-солнечный прилив.

РАС8: 91.10.Tq

Наблюдения за деформациями позволяют судить о процессах, происходящих в земной коре до и после землетрясений. Прямые измерения деформаций достаточно сложны, поэтому представляют интерес наблюдения за порождаемыми ими вариациями электромагнитного поля, формирующимися в результате перетоков флюида в деформируемой поронасыщенной среде. Для калибровки таких измерений можно воспользоваться анализом порового давления и его градиентов, вызываемых приливными (объемными) деформациями. Исследование приливных деформаций представляет также и самостоятельный интерес.

Уравнение, определяющее динамику избыточного давления р флюида в упругой пористой изотропной среде, насыщенной жидкостью, предложено Я.И. Френкелем [Френкель, 1994] (см. также [Сурков, 2000; Gershenson, Bambakidis, 2001]). Это уравнение является гиперболическим, но при условии, что частота деформаций (ю) много меньше некоторой характерной частоты ю0:

ю ^ Юо = |/(кр„),

(1)

оно переходит в параболическое уравнение ^ага-gash et а1., 2005]

Юо Р

Эр Эе

_____ Ур = -а«ор„ Э7.

(2)

Здесь М =

20(чи - V)

а2 (1-2 Vu)(1-2 V)

1 к

а =1-к?

к=|г^а,в=(1- к/ко) т

к2

(3)

в' = 1+(в-1)

к о

М - модуль Био, к0, к, к2 - объемные модули сжимаемости твердой фазы, сухой пористой породы и воды, соответственно; т - пористость среды; р„, к - динамическая вязкость, плотность флюида и проницаемость материала, соответственно; е = = иш - объемная деформация; ик - компоненты вектора перемещения. Условие (1) для реальных сред выполняется в широком диапазоне частот, включая лунно-солнечные приливы, сейсмические и акустические волны до частот порядка 104-105 Гц.

В общем случае избыточное давление поровой жидкости р зависит от величины е. При этом для большинства горных пород изменения избыточного порового давления р не влияют на объемную деформацию [Сурков, 2000]. Поэтому полагаем что е = е(^, г) и не зависит от р. В качестве источника периодических возмущений объемной деформации е^, г) рассматриваем лунно-солнечную приливную волну, имеющую, как известно, масштаб порядка 10 тыс. км. В этом случае влиянием градиентов объемных деформаций, как и градиентов гравитационного поля приливной волны в приповерхностных слоях до реальных глубин

(в пределах 10 км) можно пренебречь, считать £ = е(0, а приповерхностную среду рассматривать как полупространство.

Рассмотрим двухслойную поронасыщенную среду. На границе сред происходит скачок их пет-рофизических характеристик - плотности, модулей упругости, динамической вязкости, пористости, проницаемости и т.д. На границе, конечно, происходит разрыв и электрофизических параметров сред, но поскольку обратное влияние электрического поля на гидродинамику поровой жидкости мало, то разрыв в электрических параметрах в явлениях электрокинетики обычно не учитывается. С учетом этого замечания уравнения для каждого слоя имеют вид (2), которые переписываем следующим образом: для первого слоя имеем

д Р\ К 2

___ М\ V р\ = -а\М\д-

(4)

На границах сред избыточное давление непрерывно. На свободной поверхности (^ = 0) давление отсутствует: р1 = 0. Аналогичное уравнение выполняется для второго слоя

д Р2 дг

К2

д£

- —М2 V2р2 = -а2М2-^, ^ П2 2 2 2д^

(5)

при граничном условии: г = Ь, р1 = р2. В обоих случаях объемная деформация

£( t) = £0\ехр (1 ю t) + с. с.

(6)

Уравнения типа (4) и (5) с условием (6) встречаются для описания физических полей разной природы, например, электромагнитной волны, проникающей в проводник [Ландау, Лифшиц, 1982], поля скоростей вязкой жидкости, возбуждаемого колебаниями стенки [Ландау, Лифшиц,1986], или, как в данном случае, избыточного порового давления на границе двух сред, генерируемого лунно-солнечными приливами. Общим во всех случаях является экспоненциальное затухание колебаний физического поля при удалении от границы в глубь среды. В случае электромагнитной волны это явление носит название скин-эффекта. При переходе к избыточному поровому давлению в водонасыщенной среде аналогия со скин-эффектом относится к градиенту порового давления -именно оно, как будет показано ниже, при удалении от границы затухает по экспоненте. Характерное расстояние, на котором происходит это затухание, глубина скин-слоя ("глубина проникновения" по терминологии [Ландау, Лифшиц, 1986]) - 5, во всех случаях определяется частотой и коэффициентом при пространственной производной. Для градиента порового давления имеем

5=

2К-М-.

(7)

Оценим глубину скин-слоя для суточной и полусуточной приливных волн. В качестве среды рассмотрим песчаник с параметрами: О = 4 х 109 Па, К = 10-12 м2, V = 0.23 [Кобранова, 1962]. Имеем также п = 10-3 Па сек, а = 0.5 ^е^ешоп, ВатЬак-idis, 2001], значение Vu зададим равным vu = 0.33. Согласно формуле (3) М1 = 1.74 х 1010 Па. Для суточной приливной волны ю = (час)-1 находим

51Л = 690 м. Для полусуточной волны имеем: 50.5Л = = 490 м. Наиболее варьируемым параметром горных пород является проницаемость, которая для песчаников, глин и известняков в нефтяных месторождениях может быть ниже 0.01 мд (песчаники) и даже менее 0.001 мд (менее 10-18 м2) [Кобра-нова, 1962]. Для этих пород толщина скин-слоя может снизиться в 10 - 100 раз до величин порядка десяти - одного и менее метра. Рассмотрим известняк с упругими константами О = 3 х 1010 Па, V = 0.20 и vu = 0.30 (см. [8]). При а = 0.5 по формуле (6) получаем М2 = 1011 Па. Полагаем, что известняк расположен в нефтяной залежи и обладает проницаемостью к1 = 0.1 мд = 10-16 м2. В этом случае для толщины скин-слоя получаем следующие оценки 51сП = 16.6 м и 50.5^ = 11.7 м.

Решение уравнения (4) ищем в виде р\(г, t) = \ [ А\( г) - а \ М\ £0 ] ехр (iюt) + с .с. (8) Для функции А1(г) получаем уравнение:

А'\'(2) - 1ЮК\М\А\(2) = °.

(9)

Решение этого уравнения представляем в следующей форме:

А\(2) = А\0ехр (1к\2) + с.с.

(10)

Подстановка (10) в (9) приводит к соотношению, которое определяет волновое число кх\

к\ + 1ю

П _

К\ М\

= 0.

(11)

Отсюда находим

к ■ = ''<1+1 УйЮМт1 (1+1 > 5\. (12)

Из условия на границе 2 = 0, р = 0 следует

А\0 = а\М\£,. (13)

В результате решение приводится к виду:

Pi(t, z) = ajMjeq^ exp

-(1+i) 6J

-1 г X

(14)

X 2- exp (i ю t) + c. c.

Переходя к действительным величинам, для порового давления в первом слое получаем:

X

Pi (t, z) = aM^o X

exp I -z I cos ( J- - rot I - cos (rot)

8i

(15)

Другой важной характеристикой изменений порового давления является его градиент. Дифференцируя (15), находим градиент порового давления

^f-1 = -72 a^^exp I-1-) sin I J--rot + . (16)

M1

д z

8i

P2 = 1[Л2(z) - a2M2Eoexp(-i'9)]x x exp[i(rot) + ф] + c.c.

(17)

Л2'(z) - i ю к—- Л2(z) = 0.

Так же как и выше решение ищется в виде: Л2 (z) = A20exp (ik2z) + c.c.

(18)

(19)

Волновое число k2 определяется формулой, такой же, что и (12):

k 2 = i ( 1+ i ) i [62 =

2K2 M2

(20)

'V П2Ю

В действительных переменных решение имеет вид:

P2 = Л 20 exp [ -— cos [rot

ф-66-J -

(21)

- a2M2e0cos ю t.

Параметры

Л20, ф определяем из условия на границе z = L, p1 = p2. Имеем

a^.M1e0[ exp (- L/61)(cos юt cos (L/61) + + sin юt sin (L / 61) -cos ю t)] =

= Л20exp(-L/62)(cosюtcos(L/62 - ф) + + sinюtsin(L/62 - ф)) - a2M2e0cosюt.

Приравнивая коэффициенты при sin^t) и cos^t) в правой и левой частях уравнения, получаем два соотношения для определения двух величин Л20, ф:

Л20exp(-L//62)sin(L/62- ф) =

= a1M1e0exp (-L/61) sin (L/61),

Л20exp (-L/62)cos (L/62 - ф) - a2M2£0 = = a1M1 £0 [ exp (-L/61) cos (L/61) - 1 ]. Отсюда находим

exp (- L / 61) sin (L/61)

Л20 = a1 M1 £0-

sin(L/62 - ф) tg (L/62- ф) =

a1 M1 exp (-L / 61) sin (L/61)

exp (L/62), (22)

(23)

Как видно из этой формулы, градиент избыточного порового давления затухает по экспоненте, а максимальное значение градиента достигается на границе.

Рассмотрим уравнение (5). Для второго слоя решение ищем в следующей форме:

a1 M1[ exp (-L/61) cos (L/61) - 1 ] + a2M2 Решение (21) принимает вид

P2( z, t) = a1 M1 £

exp (-L / 61) sin (L/61)

sin(L/62 - ф) X exp(-(z - L)/62)cos(юt + ф - z/62) -- a2M2£0cos ю t.

X

(24)

Здесь в решение введен фазовый множитель ехр(/ф). Для функции Л2(г) получаем уравнение, повторяющее (9):

Если скачок параметров на границе двух сред г = Ь отсутствует, то есть ах = а2, Мх = М2, 5Х = 52, из (23) следует, что фаза ф = 0, а решение (24) переходит в решение (14) для однородной среды, заполняющей полупространство 0 < г <

Дифференцируя (24) по г, находим градиент:

dP2 3z

72 a1 M1 £0 exp (-L/61) sin (L/61)

X

(25)

52 sin(L/52- ф)

х exp(-(z - L)/52) sin(rot - z/52 + ф - п/4).

Заметим, что обобщение двухслойной задачи на многослойную структуру не представляет принципиальных трудностей.

В электрокинетическом эффекте напряженность электрического поля определяется формулой

E = CVp. (26)

Здесь C - локальный коэффициент потокового потенциала. Градиент в данном случае сводится к вертикальной производной, найденной выше.

На рис. 1а и рис. 16 показан электрический профиль, возникающий в двухслойной среде вследствие электрокинетического э

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком