03岩石的电磁学性质 4

F C
m
• 式中常数C受迂曲度影响，一般C=l／L，其值等于1或 大于1，理论上在1到2之间；m与孔隙空间减少或电流 通道减少有关，称胶结指数。对胶结岩石来讲，m在 1.8～2.0之间，非胶结介质大约为1.3。
3、含油岩石电阻率与饱和度关系
• 当砂岩的孔隙中含地层水和油时，在存连通的条件 下．水处于颗粒表面(亲水砂岩)，油处于孔隙的中央 部位，四周被水包围着。
• 电阻率测井之所以能成为应用最广泛、也是最重要的 测井方法，主要依赖于建立在岩石物理实验基础上的 阿尔奇(Archie)公式。
二、含流体岩石导电特性的实验定律
• 石油勘探开发所涉及的岩层主要是离子导电的沉积岩。 • 砂岩固相物质除个别粘土矿物外，都不导电，电阻率 很高。 • 孔隙性岩石的导电性取决于其孔隙的几何形态和其中 的流体特性。 • 油、气不导电，而溶有盐类的地层水具有导电性。水 中盐离子的运动起导电作用，这是电解质导电。 • 沉积岩的导电能力，主要取决于岩石孔隙中地层水的 导电能力。
（1）Homble （2）Dachnov(1959) （3）Kermabon(1969)
F
F
0.62
2.15
a
m
F
a (a ) m
2、岩石导电的理论模型
• 阿尔奇公式及其的修正形式都描述了砂岩的电阻率和 孔隙度及其饱和度之间的关系。 • 这种关系可以利用岩石的孔隙模型来解释，由此可推 导出岩石的电性与其物性参数间的关系。
I Sw2
I S w2.7
胶结岩石 William
4、阿尔奇公式
• 在实际应用中地层因子和电阻指数公式经常用有常数 的普遍形式
F C
m
• 含水量和矿化度的影响：地下水及天然水的电阻率较 低，一般在100Ω• m以下。当水中含有盐分时，电阻 率会急剧降低。因此，岩矿石中的含水量及其水的矿 化度对岩矿石的电阻率有很大的影响。
• 由于岩石中的水是储存在孔隙中的，所以岩石的孔隙 度和孔隙结构决定了岩石的含水量大小。 • 如果孔隙是连通的，则其中的水对岩石的电阻率有很 大的影响。否则，如果孔隙是不连通的，则其中的水 对岩石的电阻率只有很小的影响。
R0
rw A Rw La A L LAa
• 注意，这是水饱和岩石的电阻率，电流通过的面积和长度是岩石 的截面积A和长度L。
R0 La A La A F Rw LAa L Aa Aa / A
式中τ为岩石的曲折度。
孔隙度和曲折度之间的关系
Aa La Aa A L A
• 另外，由于沉积岩具有明显的成层性，所以其电阻率
具有显著的各向异性。
3、岩石的电阻率及其影响因素
• 影响岩石电阻率的因素很多。在实际状态下，岩石具 有很复杂的成份和结构：固体矿物、孔隙、裂隙、石 油及天然气、重新沉积的物质等。
• 成分和结构的影响：大多数岩石和矿石由均匀或不均 匀的颗粒组成，而颗粒与颗粒之间由胶结物黏结在一 起。因此，岩石和矿石的电阻率取决于这些胶结物和 矿物颗粒的电阻率及其含量。
在含油和水的毛细管模型中， 当电流通过时的电阻为：
rt Rw Lt At
饱和地层水和油孔隙岩石的电阻率为
rt A Rw Lt A Rt L LAt
• 此式表明，电阻指数是电流流经的有效路径和有效截面 积的函数，它既取决于孔隙结构参数，又与饱和度有关。 • 采用比值的方法，电阻指数消除了地层水电阻率、岩石 孔隙度和孔隙形状等因素的影响，当岩性一定时，它只 与岩石含油饱和度有关。
• 潜水面以下时，岩石的含水量主要取决于其中的束缚 水(毛细管水)和自由水(重力水)。
• 沉积岩的特点是离子导电。由于沉积岩的含水量主要 由层间地下水决定，所以地下水的矿化度、动态和水 文化学特点对岩石的电阻率有很大的影响。
• 在众多的沉积岩中，白云岩和致密结晶灰岩的电阻率
最高，可达到106Ω• m，而砂岩的电阻率在几十到 100Ω• m之间。
电阻率指数I
• 岩石导电性的另一个基本概念是电阻率指数 (Resistivity Index)，亦称电阻指数I。 • 它表示含油岩石的电阻率Rt与该岩石完全充满地层水 时的电阻率Rw的比值
• 与地层因子和孔隙度相似，通过实验可以给出电阻率 指数与饱和度之间的关系。
• 在实验室通常选取具有代表性的岩石，先测出岩石含 水时的电阻率R0，然后对全饱和水岩石逐步挤入油， 同时测出在不同含油饱和度So时相应的岩石电阻率Rs， 则可得到不同饱和度时的电阻指数。
②含有离子导体及有强烈的孔隙(裂隙)水极化效应的岩 石。这种岩石主要是含水的孔隙性沉积岩，尤其是碎 屑岩、裂隙发育的岩浆岩及变质岩。
一、岩石的导电性与电阻率
• 各种岩石具有不同程度的导电能力。岩石的导电能力 可用电阻率来是表示。
• 由物理学已知，均质材料的电阻率由下式确定： R= r S/L
式中R—电阻率(Ω• m)；γ—电阻(Ω)；S-导体截面积(m2) ； L—导体长度(m)。电阻率R仅与导体的材料性质有关，而与导体 的几何形状无关。
• 岩石骨架可以认为是不导电的，纯砂岩地层的导电机 理主要是离子导电，离子导电岩石的电阻率主要取决 于孔隙中流体的导电能力。 • 因为石油和天然气的电阻率值要比地层水的电阻率值 大得多，因此，当岩石孔隙中含油气饱和度比较高时， 地层的电阻率值就比较高，这是电阻率测井方法评价 地层含油饱和度的物理基础。
2、岩石电阻率变化的一般规律
• 在天然状态下岩石的电阻率与很多因素有关，岩性是 其中的一个。 • 火成岩和变质岩，这两类岩石均为结晶岩，内部结构 致密，而且它们的组成矿物几乎全部为绝缘体，其导 电性主要取决于岩石的含水量。 • 这些岩石位于潜水面以上时，其导电作用主要取决于 岩石内的吸附水，电阻率在103～106Ω · m之间。
2 F Aa / A

2 F m
1

(
1m ) 2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 上式为孔隙度和曲折度之间的关系。
• 孔隙介质的导电特性和岩石本身的物性参数之间存在 一定关系。地层因子F是岩石孔隙度和孔隙几何形状的 参数。不同的研究者建立不同的孔隙结构模型，得到 不同的公式，但可概括为下面的一般形式：
• 可以看出：不同岩石及矿物的电阻率变化范围很大； 除金属矿物电阻率极低外，主要造岩矿物(如石英、长 石、云母、方解石等)电阻率都很高； • 按岩石成因看，大部分火成岩(如玄武岩、花岗岩等) 电阻率都很高，而沉积岩的电阻率则比较低。 • 沉积岩的特点是离子导电，沉积岩中地下水的矿化度、 动态和水文化学特点对岩石的电阻率有很大的影响。 • 在众多的沉积岩中，白云岩和致密结晶灰岩的电阻率 最高，可达到106Ω •m ，而砂岩的电阻率在几十到 100Ω •m 之间。 • 另外，由于沉积岩具有明显的成层性，所以其电阻率 具有显著的各向异性。
• 从研究导体性质的角度来看，测量电阻这个物理量显 然是不确切的，而反映材料导电能力的量应当是电阻 率，因此实际应用上不是测量地层电阻的大小，而是 测量反映岩层导电性的电阻率。
1、主要矿物和岩石的电阻率
• 岩石电阻率主要取决于岩性、岩石孔隙度、岩石孔隙 中的流体饱和度、导电流体矿化度、泥质含量以及温 度等。
• 在油气勘探中常常利用岩石的电学和磁学和核等特性了解岩石和 流体的性质。
• 从岩石物理实验来看，岩石的电磁学特性是测井诸多方法的基础。 本章主要介绍储层岩石的导电特性和核磁特性。
3.1 岩石的导电特性
• 岩石的电学特性反映在导电特性上。
• 岩石的导电特性与储层岩性、储油物性或含油饱和度
有着密切的关系。 • 研究导电特性的目的是根据测量的岩层电阻率来判断 岩性，划分油气水层，研究储集层的含油性、渗透性 和孔隙性等。
第三章 岩石的电磁学性质
• 对于地球物理来讲，岩石电学是一门必不可少的专业基础学科。 它不仅为地电探测提供理论基础和解释依据，也为关于地球内部 物质科学的研究提供理论基础、探测手段和解释方法。 • 岩石电学是直流电法、电磁法、激发极化法、地面和井中无线电 波法、地面和井中雷达法以及震电法的理论基础。 • 岩石磁学也已形成了独立的理论体系，其有关结果已经为地磁(磁 法)和地电(直流电法和交流电磁法)探测提供了坚实的理论基础和 可靠的解释依据.
1、含水岩石导电性的实验定律
• 已有许多人研究含水岩石电阻率与地层水电阻率、岩 石孔隙度之间的关系。其中最著名一个是由阿尔奇 (Arehie)于1942年完成的。 • 阿尔奇通过对实验数据的分析发现，对于给定的岩样， 孔隙中饱和地层水岩石电阻率R0与这种地层水电阻率 Rw有正比关系，即R0／Rw为一常数为，称为阿尔奇地 层因子。
• 对不同岩性的岩石研究的结果，都可得到电阻指数与 饱和度的公式
Rt b b I n R0 S w (1 S o ) n
• 式中So—含油饱和度， Sw—含水饱和度，n饱和度指数； b—系数。饱和度指数n和系数b与岩性有关，不同地区 地层的n和b值不同，可用实验方法确定。 • 当知道n和b之后，可利用公式或I与So的关系曲线．求 出地层的含油气饱和度。
岩石一端的截面积为A，边长为 L；毛细管的截面积为Aw，毛细 管的长度不La（La>L）。孔隙 中全饱和水的电阻率为Rw，考 虑岩石骨架不导电，在模型中 有效导电的截面为Aw。
• 当电流通过充满水的毛细管孔隙时的电阻
rw
Rw La Aa
• 用R0表示全饱和电阻为Rw的水岩石的电阻率，
r A R0 w L
饱和岩石的导电性
• 孔隙性岩石由骨架及孔隙空间组成。按导电机理的不 同，可把岩石大致分为两大类：离子导电的岩石和电 子导电的岩石。 • 离子导电的岩石，主要靠岩石连通孔隙中所含溶液的 正负离子导电，如沉积岩属于这种类型的岩石。它的 电阳率的大小，主要决定于岩石孔隙中所含溶液的性 质和浓度等。
• 电子导电的岩石靠组成岩石颗粒本身的自由电子导电， 大部分火成岩属于这一类岩石，其电阻率主要由所含 导电矿物的性质和含量来决定。
• 经验证明，F与下列因素有关：①孔隙度；②孔隙的结 构和几何形状；③孔隙的连通情况。
阿尔奇地层因子公式
• 阿尔奇通过分析实验数据发现：
F 1
m
• 式中Φ为孔隙度；m为胶结指数，对胶结岩石m在 1.8～2.0之间，非胶结岩石大约为1.3。根据此定义， 孔隙度Φ是岩石参数，R是岩石电学物理参数，地层 因子F则是将两者联系在一起来。 • 阿尔奇公式改进 ：
• 可以把电阻指数公式写成与地层因子公式类似的一般 形式：
I C ' Swn
式中C’为曲折度函数；n为饱和度指数。 • 电阻指数公式是电测井方法中一个十分有用的公式， 它是一个表示岩石电阻率与含水饱和度关系的经验公 式。表明了电阻指数是含永饱和度及电流路径的函数。 • 阿尔奇（Archie）总结分析了大量实验数据，建议用下 面的形式：
R0 FRw
R0 F Rw
• 式中F为地层因子或地层电阻率因子。
地层因子
• 这个比值只与岩石的孔隙度和胶结情况、孔隙形状有 关，而与饱和在岩样中的地层水电阻率无关，通常称 R0／Rw比值为岩石的地层因子或相对电阻。 • 在物理上，F代表当骨架不导电时，岩石的电阻率相对 于地层水的电阻率的放大倍数。 • 当骨架不导电时，岩石的电阻率要大于地层水的电阻 率，而F则代表增大的倍数。
• 该方法和原理一方面可应用于实验室内测定岩心的流
体饱和度，另一方面用于电阻率测井。
• 岩石的电性由导电矿物的相对含量及岩石中所含的流 体决定。 • 按其导电特性可将岩石分成两类： ①没有离子导体(电解液)和没有孔隙(裂隙)水极化效应 的岩石。这类岩石主要是致密岩石，有孔隙及裂隙； 但在孔隙和裂隙中没有水的岩石具有非常高的电阻率。
• 油的电阻率很高(109～1016Ω·m)，岩性相同的含油岩石 与含水岩石相比，电流的路径更曲折，即导体长度Lt 增加，有效导体横截而积变小为At。 • 含油岩石电阻率比含水岩石大，岩石含油越多(即含油 饱和度越高)。
• 岩石电阻率，除了与岩石的孔隙度、胶结情况及孔隙 形状有关外，还与油水在孔隙中的分布状况及含油饱 和度和含水饱度有关。