Экспериментальные исследования комплексной диэлектрической проницаемости гранита и известняка в сухом и водонасыщенном состоянии

В результате исследования была изучена дисперсия комплексной диэлектрической проницаемости образцов гранита и известняка на частотах до 200 кГц в сухом и водонасыщенном состоянии. Полученные данные свидетельствуют о том, что наиболее сильная дисперсия действительной и комплексной частей комплексной диэлектрической проницаемости наблюдается в частотном диапазоне от 120 Гц до 10 кГц для сухих образцов обоих типов горных пород. Это связано с релаксационными процессами поляризации гетерогенных сред. Различие в пористости всего на 0,08% среди образцов гранита привело к увеличению действительной части комплексной диэлектрической проницаемости на 15%. Водонасыщенные образцы демонстрируют увеличение комплексной части комплексной диэлектрической проницаемости в диапазоне частот от 120 Гц до 1 кГц на несколько порядков в зависимости от их пористости. Дисперсия обеих частей комплексной диэлектрической проницаемости минимальна в частотной области от 10 до 200 кГц как для сухих, так и для водонасыщенных образцов. Однако при заполнении пор флюидом значение каждой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости увеличивается в несколько раз. Удельная электропроводность образцов гранита и известняка в сухом состоянии достигает своего максимума при частоте 200 кГц и составляет менее 10 мкСм/м вне зависимости от пористости для образцов гранита и около 25 мкСм/м для образцов известняка. При водонасыщении она увеличивается до 200 мкСм/м при пористости около 1% для образцов гранита и до 2200 мкСм/м при пористости порядка 25% для образцов известняка.

Гапеев А. А. Экспериментальные исследования комплексной диэлектрической проницаемости гранита и известняка в сухом и водонасыщенном состоянии // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 1. – С. 114–127. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_1_0_114.

Гапеев Артем Андреевич — аспирант, НИТУ МИСИС, e-mail: artgapeev@yandex.ru, ORCID ID: 0009-0001-7744-9426.

1. Jin Lai, Yang Su, Lu Xiao, Fei Zhao, Tianyu Bai, Yuhang Li, Hongbin Li, Yuyue Huang, Guiwen Wang, Ziqiang Qin Application of geophysical well logs in solving geologic issues: Past, present and future prospect // Geoscience Frontiers. 2024, vol. 15, no. 3, article 101779.

2. Cai L., Deng S., Yuan X. Detection performance analysis of array dielectric dispersion logging based on sensitivity function // Sensors. 2023, vol. 23, article 5737. DOI: 10.3390/s23125737.

3. Soldatov S., Umminger M., Heinzel A., Link G., Lepers B., Jelonnek J. Dielectric characterization of concrete at high temperatures // Cement and Concrete Composites. 2016, vol. 73, pp. 54—61. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2016.01.006.

4. Deyab S. M., Rafezi H., Hassani F., Kermani M., Sasmito A. P. Experimental investigation on the effects of microwave irradiation on kimberlite and granite rocks // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2020, vol. 13, no. 7, pp. 267—274. DOI: 10.1016/j.jrmge.2020.09.001.

5. 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 110655. DOI: 10.1016/j.petrol.2022.110655.

6. 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.

7. Eltsov T. I., Dorovsky V. N., Gapeev D. N. Dielectric spectra of water—oil-saturated porous media for the kHz range and determination of volume fractions of system components // Russian Geology and Geophysics. 2014, vol. 55, pp. 1009—1018. DOI: 10.1016/j.rgg.2014.07.008.

8. 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.

9. Kravcov A., Cherepetskaya E., Svoboda P., Blokhin D., Ivanov P., Shibaev I. Thermal infrared radiation and laser ultrasound for deformation and water saturation effects testing in limestone // Remote Sensing. 2020, vol. 12, no. 24, article 4036. DOI: 10.3390/rs12244036.

10. Брандт А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. — М., 1963. — 403 с.

11. Hongqi Liu, Tian Jie, Deng Youming, Qiu Chunning Study of the low-frequency dispersion of permittivity and resistivity in tight rocks // Journal of Applied Geophysics. 2017, vol. 143, pp. 141—148.

12. Toumelin E., Torres-Verdin C., Bona N. Improving petrophysical interpretation with wide-band electromagnetic measurements // SPE Journal. 2008, vol. 13, pp. 205—215.

13. Gomez-Sanchez J. A., Felice C. J. Description of corrections on electrode polarization impedance using isopotential interface factor // Journal of Electrical Bioimpedance. 2012, vol. 3, pp. 29—35.

14. Feldman Yu., Polygalov E., Ermolina I., Polevaya Yu., Tsentsiper B. Electrode polarization correction in time domain dielectric spectroscopy // Measurement Science and Technology. 2001, vol. 12, pp. 1355—1364.

15. Zheng Y. L., Zhao X. B., Zhao Q. H., Li J. C., Zhang Q. B. Dielectric properties of hard rock minerals and implications for microwave-assisted rock fracturing // Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources. 2020, vol. 6, article 22.

16. Bobrov P. P., Golikov N. A., Kroshka E. S., Repin A. V. Assessment of the permeability and pore size of quartz-based consolidated sedimentary rocks by dielectric spectroscopy in the frequency range of 1kHz — 500 MHz // Journal of Applied Geophysics. 2022, vol. 204, article 104750.

17. Shumskayte M., Mezin A., Chernova E., Burukhina A., Golikov N. Melkozerova S. Estimating water content in water—oil mixtures and porous MEDIA they saturate: Joint interpretation of NMR relaxometry and dielectric spectroscopy // Geosciences. 2022, vol. 12, article 179. DOI: 10.3390/ geosciences12040179.

18. Bona N., Rossi E., Venturini C., Capaccioli S., Lucchesi M. Characterization of rock wettability though dielectric measurements // Revue de l’Institut Français du Pétrole. 1998, vol. 53, no. 6, pp. 771—783.

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. 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.

21. 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.

22. Kremer F., Schonhals A. Broadband dielectric spectroscopy. Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH, 2003, 729 p.

23. Chelidze T. L., Gueguen Y. Electrical spectroscopy of porous rocks: a review — I. Theoretical models // Geophysical Journal International. 1999, vol. 137, no. 1, pp. 1—15.

24. Song Z., Nie L., Li Z., Zhang S., Deng Z., Li Y. Estimation of rock mass permeability using relaxation time and P-wave velocity // Geophysical Prospecting. 2024, pp. 1—10.

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