岩石复电阻率频散特性的机理研究_肖占山

岩石复电阻率频散特性的机理研究
肖占山
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, 徐世浙 , 罗延钟 , 王
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东 , 朱世和
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( 1. 浙江大学 地球科学系 , 浙江 杭州 310027; 2. 中国地质大学 , 湖北 武汉 430074; 3. 辽 河石油勘探局测井公司 , 辽宁 盘锦 124011) 摘 要 : 复电阻率测井是基于岩石频散特性发展 起来的一种 新的测 井方法 , 目前 对于复 电阻率测 井的岩 石频散 机
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物理基础, 选择辽河油田不同层段的十几块渗透性 泥质砂岩岩心进行实验研究 , 这些岩心包括粗砂岩、 中砂岩、 细砂岩、 粉砂岩、 泥质粉砂岩 , 泥质质量分数 为 5% ~ 15% , 孔隙度为 4% ~ 30% . 对岩心进行洗 油、 洗盐、 烘干等常规实验预处理, 并把岩心真空饱 和 . 用矿化度为 2 103 ~ 2 105 mg m - 3 的氯化钠 溶液模拟地层水, 而用变压器油模拟地层中的原油, 进行不同矿化度下的水驱水、 油驱水、 水驱油的实验 研究. 在 12 H z~ 100 kH z 频率范围内 , 采用两电极 法 , 利用 Z L5- L CR 型智能阻抗测 量仪, 测量不同 频率下 , 泥质 砂岩的 复电阻 率幅值 ( 简称 复 电阻 率 ) 和复电阻率相位( 简称 相角 ) ; 然后 , 换算出同 相电阻率( 复电阻率的实部 ) 和异相电阻率 ( 复电阻 率的虚部) . 图 1 给出了一块岩心复电阻率频散特性的实验 观测结果. 总的看来, 复电阻率幅值和同相电阻率无 论在数值上或是随频率的变化上 , 都很接近; 而相角 和异相电阻率虽然数值不同 , 但其随频率的变化特 性基本上是一致的 . 在测量频率范围 ( 12 H z~ 100 kH z) 内 , 复电阻率幅值和同相电阻率频散特性的总
对于油气储层来说, 一般不含有金属矿物 , 因此 其低频的激发极化主要是由薄膜效应引起的, 薄膜 极化与黏土颗粒表面的阳离子交换有关, 并受孔隙
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浙 江 大 学 学 报 ( 理学版 )
第 33 卷
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次实验观测的 最低频点上 ( 12 H z) , 复电阻 率幅值 随频率变化最快 , 相角和异相电阻率绝对值最大; 在 复电阻率幅 值 随频 率 变化 趋 缓的 频段 上 ( 1 ~ 10 kH z) , 相角和异相电阻率绝对值变小 , 并取得极小 值; 此后, 随频率增高, 复电阻率幅值随频率变化再 次加快时 , 相角和异相电阻率绝对值随之增大 . 初步 判断 , 频率低于 10 kH z 的频散现象主要是与电化 学起因的激电效应有关; 而 10 kH z 以上频段的频 散现象主要反映电磁感应效应 . 此外, 根据激电频谱 特性的规律 和现有实测资料推测 , 如果将频率 降低到 12 H z 以下, 仍能观测到 ( 甚至更强的 ) 激电 频散效应 . 由图 2 所示, 从同相电阻率和异相电阻率交会 图中也可以看出 , 以 10 kH z 为界点分成两个区域 : 在低频区域中, 同相电阻率和异相电阻率 ( 绝对值 ) 都随频率增高而降低 ; 但在高频区域 , 随着频 率增 高, 同相电阻率减小 , 而异相电阻率 ( 绝对值 ) 增大 . 这两个不同的区域对应着两种不同的频散特性机理, 即激发极化效应和电磁效应. 在所做的实验中, 临界 频率点大致都出现在 5~ 10 kHz 这个频段上.
收稿日期 : 2005- 05- 31. 收稿日期 : 浙江省院士基金项目 . 作者简介 : 肖占山 ( 1973- ) , 男 , 博士 , 主要研究方向: 测井方法的理论研究及其数值模拟 .
第5期
肖占山 , 等 : 岩石复电阻率频散 特性的机理研究
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岩石频散特性的理论分析
流体性质的影响. 在利用复电阻率测井评价油气储 层时, 当频率小于 10 kH z 时, 其测井理论应该是建 立在激发极化效应基础之上的. 在交变电场的作用 下 , 难免有不同程度的电磁感应效应的干扰, 一般随 着频率的增加, 电磁效应会逐渐增强 , 这种效应也能 引起电场随频率的变化 , 并且在低频段和激电效应 一样满足柯尔- 柯尔模型[ 11~ 16] . 对于岩石的频散现 象 , 一般可认为是由低频的激发极化和很高频的介 电极化引起的, 在两个频率范围之间的中等偏高的 频段上 , 电磁感应效应的影响会起主要作用. 由于每 个频段对应的频散机理不同 , 因此其测量方式也各 不相同 , 这一点对复电阻率测井仪器电极系结构的 选择和测井频率的选取都十分重要. 对于低频时的 复电阻率测井, 可采用电极型电极系结构 , 利用两个 或多个测量频率测量地层的复电阻率, 通过不同频 率下复电阻率的差异, 对油气储层进行测井评价 .
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对一般含水岩石, > 0 . 01 s m 和 / 0 < 15, = 8. 854 10- 12 F m- 1 , 即使在频率 f 高达 105 H z
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泥质砂岩的频散特性实验
为了给复电阻率测井资料的合理解释提供岩石
时, 也有 / < 0. 01. 可见 , 在低频电法测井中, 与 介电极化相关的位移电流可以忽略 [ 6] . 复电阻率 测井和 作者的实 验结果 ( 见图 1) 表 明, 在频率低于 10 H z 时 , 实测的电阻率仍为复数 , 且显著地随测量频率而发生变化 . 这种与介电极化 无关的复频散现象 , 可归因于电化学起因的激发极 化( IP ) 效应和电磁感应 ( EM ) 效应. 从物理学看 , 前 者产生 有源的 伽伐尼电流 , 而后者引起 无源的 ( 闭合的) 涡旋电流 . 两者都是带电粒子定向运动的 传导电流 .
中图分类号 : P584; P631. 811
XIA O Zhan- shan 1, 3 , X U Shi- zhe1 , L U O Y an- zhong2 , W AN G Dong 3 , Z HU Shi- he3 ( 1. D ep ar tment of Earth Sciences, Zhej iang Univ er sity , H angz hou 310027, China; 2. China Univer sity o f Geosciences , W uhan 430074, China; 3 . W ell L ogging Co. , L iaohe P etr oleum A dministr ation, P anj in 124011, China) Study on mechanisms of complex resistivity frequency dispersion property of rocks. Journal o f Zhejiang U niv ersity ( Sci ence Edition) , 2006, 33( 5) : 584~ 587 Abstract: Complex resistiv ity log g ing ( CR L) is a newly dev eloped lo gg ing technique based on fr equency disper sion pr operties of ro cks. H ow ever, ther e is no unanimo us understanding to war ds the frequency dispersio n mechanisms o f CRL . T hro ug h theo retical calculatio ns, ro ck disper sion ex periment analysis, and the experimental data fitting by using Cole- Co le M odel, it was prov ed that the induce polarization effect is the main factor o f causing ro ck disper sion wit hin the fr equency r ang e of 10 kH z. It also pr oved t he possibility to a pply electro de- ty pe logg ing instr ument for CRL method base o n the disper sion propert y ex per imenta l resear ch w hen simulating the do wnhole environment. Key words: co mplex r esist ivity log g ing; fr equency dispersio n propert y; experimental analy sis; induce polar izatio n; Co le- Cole model
图1
: 复电阻率幅值 ;
岩石的频散特性曲线
: 异相电阻率; : 相同角
Fig. 1 F requency disper sion pr operty cur ve of rocks
Z I
: 同相电阻率 ;
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的规律是随电流频率增大而减小 . 细分析发现, 在低 频段较 快减小之 后, 于 1 ~ 10 kH z 频段上变 化趋 缓 , 而后又随频率增大明显下降. 某一频点的相角 和异相电阻率值大体和该频点上复电阻率幅值频散 特性曲线的斜率成正变关系 , 即复电阻率幅值随频 率变化愈快 , 相角和异相电阻率的绝对值愈大. 在本
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近几年来, 频率域复电阻率测井 ( Complex Re sist ivit y L ogg ing: CRL ) 已成为国内测井界讨 论的 一个热点问题, 复电阻率测井是基于岩石频散特性 发展起来的一种新的测井方法[ 1] . 岩石的频散机理 是复电阻率测井技术的理论基础, 不同的频率范围 , 岩石的频散机理和所研究的电场性质各不相同 , 对 于不同的电场, 测井仪器所采用的测量方式和电极 系结构是不同的 , 因此明确岩石频散的物理机理, 对 复电阻率测井仪器的开发研制具有重要的意义 . 目
理还没有一个统一的认识 , 通过理论和岩石频散 实验数据的 分析以 及柯尔 - 柯尔模 型对实 验数据 的拟合 , 初步 明 确了在小于 10 kHz 的频率范围内 , 激发极化效应是引起岩石频散的主要因素 , 通过模拟井眼环境的 岩石频散实 验 研究 , 验证了采用电极型电极系结构进行复电阻 率测井的可行性 . 关 键 词 : 复电阻率测井 ; 频散特性 ; 实验分析 ; 激发极化 ; 柯尔 - 柯尔模型 文献标识码 : A 文章编号 : 1008- 9497( 2006) 05- 584- 04
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引
言
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前 , 对于岩石复电阻率频散的物理机理还没有一个 统一的认识 , 岩石的频散被认为与岩石介质的极化 有关. 有的学者认为, 岩石的频散主要与电化学效应 引起的激发极化有关 ; 也有的学者认为 , 岩石的 频散主要与位移电流引起的介电极化有关[ 8~ 10] . 岩 石的复电阻率频散特性受测量频率、 孔隙流体的性 质、 骨架颗粒表面的电化学性质、 以及黏土量等多方 面因素的影响, 情况非常复杂, 目前还没有给出定量 的解释 . 本文通过理论研究和岩石频散实验数据的 分析, 初步明确了低频时引起岩石复电阻率频散的 主要因素, 并对复电阻率测井仪器的电极系结构的 选择进行了探讨.
由物理学的基本知识可知 , 在交变电磁场中存 在两种电流, 即传导电流和位移电流. 前者系由带电 粒子 ( 电子 , 离子等) 的定向运动所引起 ; 而后者为极 化分子定向排列 ( 介电极化 ) 所致 , 相位与前者相差 / 2. 在导电介质中 , 总电流密度 j 为 j = jC + j D = E + i E = ( + i ) E, ( 1) 其中 , j C 和 j D 分别是传导 电流密度和位移电 流密 度; E 是电场强度 ; 是表征导电介质对传导电流导 电性的电导率; 是表征电介质介电极化特 性的介 电常数; = 2 f 是角频率 . 式( 1 ) 表明, 当同时存在传导电流和位 移电流 时, 联系电流密度和电场强度关系、 表征介质导电特 性的电导率为复数, 且随频率的变化而变化. 通常称 此为 复( 电导率 ) 频散特性 [ 11~ 15] .
第 33 卷第 5 期 2006 年 9 月
浙 江 大 学 学 报 ( 理学版 ) Journal of Zhejiang University( Science Edition) http: / / www. journals. zju. edu. cn/ sci
Vol. 33 No . 5 Sep. 2006