Частотная зависимость диэлектрической проницаемости и удельной проводимости пород-коллекторов

Изучение частотной дисперсии является важным аспектом для развития и применения диэлектрического каротажа скважин, георадарных исследований почв, грунтов и горных пород, при дистанционном зондировании в микроволновом диапазоне. Рассмотрена частотная дисперсия диэлектрической проницаемости и удельная проводимость для песчаника и известняка в диапазоне частот от 120 Гц до 200 кГц. Установлено, что частотная зависимость значений диэлектрической проницаемости и удельной проводимости песчаника проявляется во всем исследуемом частотном диапазоне. При этом наблюдалось уменьшение диэлектрической проницаемости для образцов песчаника от значения 165,5±72,3 на 120 Гц до 19,3±2,9 на 200 кГц, а удельная проводимость изменялась от 0,45±0,39 мкСм/м на 120 Гц до 235,4±144,7 мкСм/м на 200 кГц. Для известняка данные величины изменялись в более узком диапазоне. Значение диэлектрической проницаемости для известняка при 120 Гц было равно 5,85±0,48 и 5,41±0,34 при 5 кГц. В диапазоне 5–200 кГц значения данных характеристик практически не изменяются. Поскольку основным типом поляризации гетерогенных сред, оказывающих влияние на частотную зависимость электрических свойств, является межфазная поляризация Максвелла–Вагнера–Силларса, то для песчаника, являющегося более неоднородной породой, чем известняк, дисперсия диэлектрической проницаемости и удельной проводимости проявляется сильнее.

Гапеев A. А., Черепецкая Е. Б., Кудинов И. А., Семенов Я. Г., Васильевых В. В. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости и удельной проводимости пород-коллекторов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 9. – С. 117–128. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_9_0_117.

Гапеев Артем Андреевич¹ — аспирант, e-mail: agapeev@misis.ru, ORCID ID: 0009-0001-7744-9426,
Черепецкая Елена Борисовна¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: echerepetskaya@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-9642-21492,
Кудинов Игорь Александрович¹ — инженер научного проекта, e-mail: igor@optoacoustic.ru,
Семенов Ярослав Глебович¹ — лаборант-исследователь, e-mail: y@48.org, ORCID ID: 0000-0003-0313-2714,
Васильевых Владимир Владимирович¹ — лаборант-исследователь, e-mail: vova398777@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-8128-0531,
¹ НИТУ МИСИС.

Гапеев А.А., e-mail: agapeev@misis.ru.

1. Блинов Л. М., Герасименко А. П., Гуляев Ю. В., Долголаптев А. В., Черепенин В. А. О возможности создания технологии «взрывного» разрушения массива горных пород-диэлектриков направленным электромагнитным потоком концентрированной энергии СВЧ // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. — 2019. — № 2. — 42 с. DOI: 10.30898/1684-1719.2019.2.4.

2. Мачерет Ю. Я., Сосновский А. В., Глазовский А. Ф. Диэлектрические свойства почв и грунтов и оценка их гидротермического состояния под снежным покровом по данным радиозондирования // Лед и снег. — 2022. — Т. 62. — № 2. — С. 203—216. DOI: 10.31857/S2076673422020126.

3. Сизин П. Е., Вознесенский А. С., Кидима Мбомби Л. К. Влияние длины трещин со случайными параметрами на электрическую проводимость горных пород // Горные науки и технологии. — 2023. — Т. 8. — № 1. — С. 30—38. DOI: 10.17073/2500-0632-2022-07-11.

4. Аузин А. А., Зацепин С. А. О дисперсии диэлектрической проницаемости геологической среды (применительно к интерпретации материалов георадиолокации) // Вестник ВГУ. Серия Геология. — 2015. — № 4. — С. 122—127.

5. Cai L., Deng S., Yuan X. Detection performance analysis of array dielectric dispersion logging based on sensitivity function // Sensors. 2023, vol. 23, no. 12, article 5737. DOI: 10.3390/s23125737.

6. Wang S., Sun Q., Wang N., Yang L. Variation in the dielectric constant of limestone with temperature // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2020, vol. 79, pp. 1349—1355. DOI: 10.1007/s10064-019-01647-3.

7. Chen Sh., Ke Sh., Jia J., Cheng L., Shi H., Zhang Y. A laboratory study on the dielectric spectroscopy of sandstone and the improvement of dispersion model // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2022, vol. 216, article 11065.

8. Connoly P. R. J., Josh M., O’Neill K. T., Seltzer S. J., Wigand M. O., Clennell M. B., May E. F., Johns M. L. Dielectric polarization studies in partially saturated // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2019, vol. 124, no. 11, pp. 10721—10734.

9. Зиннатуллин Р. Р., Ковалева Л. А., Султангужин Р. Ф. Исследование диэлектрических свойств водонефтенасыщенных горных пород и их нагрева в электромагнитном поле // Теплофизика высоких температур. — 2019. — Т. 57. — № 1. — С. 143—145.

10. Gonzalez-Teruel J. D., Jones S. B., Soto-Valles F., Torres-Sanchez R., Lebron I., Friedman S. P., Robinson D. A. Dielectric spectroscopy and application of mixing models describing dielectric dispersion in clay minerals and clayey soils // Sensors. 2020, vol. 20, article 6678. DOI: 10.3390/s20226678.

11. Archie G. E. The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics // Transactions of the AISME. 1946, vol. 146 , no. 1, pp. 54—62.

12. Shen L. C., Savre W. C., Price J. M., Athavale K. Dielectric properties of reservoir rocks at ultra-high frequencies // Geophysics. 1985, vol. 50, no. 4, pp. 692—704.

13. Benavides J. A. A. Dielectric response interpretation of shale rocks with low cation exchange capacity / Second International Meeting for Applied Geoscience & Energy. 2022, pp. 3568—3570.

14. Yan W., Sun J., Zhang J., Yuan W., Zhang L., Cui L., Dong H. Studies of electrical properties of low-resistivity sandstones based on digital rock technology // Journal of Geophysics and Engineering. 2018, vol. 15, no. 1, pp. 153—163. DOI: 10.1088/1742-2140/aa8715.

15. Бобров П. П., Беляева Т. А., Крошка Е. С., Родионова О. В. Связь низкочастотной диэлектрической проницаемости с проводимостью слабозасоленных образцов песка // Техника радиосвязи. — 2020. — № 3 (46). — С. 85—94. DOI: 10.33286/2075-8693-2020-46-85-94.

16. Loewer M., Günther T., Igel J., Kruschwitz S., Martin Y., Wagner N. Ultra-broad-band electrical spectroscopy of soils and sediments —a combined permittivity and conductivity model // Geophysical Journal International. 2017, vol. 210, no. 3, pp. 1360—1373. DOI: 10.1093/gji/ggx242.

17. Ramia M. E., Martin C. A. Sedimentary rock porosity studied by electromagnetic techniques: nuclear magnetic resonance and dielectric permittivity // Applied Physics A. 2015, vol. 11, no. 2, pp. 769—777.

18. Zhao P., Fu J., Shi Y., Li G., Ostadhassan M., Luo M., Mao Zh. Hydrocarbon saturation in shale oil reservoirs by inversion of dielectric dispersion logs // Fuel. 2020, vol. 266, article 116934. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.116934.

19. Kang Z., Ke Sh., Yin Ch., Wang W., Zheng Sh., Sun X., Li J. Dielectric constant measurements of sweep frequency and its effect from 20 MHz to 1000 MHz // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2018, vol. 166, pp. 602—610. DOI: 10.1016/j.petrol.2018.03.093.

20. Остертак Д. И. Анализ электростатических взаимодействий в плоскопараллельных МЭМС с учетом краевых эффектов в 3D-приближении // Доклады АН ВШ РФ. — 2017. — № 1(34). — C. 116—132. DOI: 10.17212/1727-2769-2017-1-116-132.

21. Chen S., Nguyen K. N., Afsar M. N. Complex dielectric permittivity measurements of glasses at millimeter waves and terahertz frequencies / Proceedings of the 36th European Microwave Conference. 2007, pp. 384—387.

22. Mavko G., Mukerji T., Dvorkin J. Electrical Properties. Cambridge University Press. 2020, 728 p.

23. Hongshuai Bao, Tongcheng Han, Li-Yun Fu Dielectric properties of porous rocks with partially saturated fractures from finite-difference modeling // Geophysics. 2022, vol. 87, no. 5, pp. 1—53. DOI: 10.1190/geo2022-0041.1.

24. Han Tongcheng, Yang Y. S. Numerical and theoretical simulations of the dielectric properties of porous rocks // Journal of Applied Geophysics. 2018, vol. 159, pp. 186—192.

25. Olatinsu O. B., Olorode D. O., Oyedele K. F. Radio frequency dielectric properties of limestone and sandstone from Ewekoro, Eastern Dahomey Basin // Advances in Applied Science Research. 2013, vol. 4, no. 6, pp. 150—158.

26. Lesmes D. P., Morgan F. D. Dielectic spectroscopy of sedimentary rocks // Journal of Geophysical Research. 2001, vol. 106, no. B7, pp. 13329—13346.

27. Norbisrath J. H., Weger R. J., Eberli G. P. Complex resistivity spectra and pore geometry for predictions of reservoir properties in carbonate rocks // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2017, vol. 151, pp. 455—467.