岩石的电磁学性质解析PPT学习教案

1、会计学1 岩石的电磁学性质解析岩石的电磁学性质解析 2 第1页/共82页 3 究储集层的含油性、渗透性究储集层的含油性、渗透性 和孔隙性等。和孔隙性等。 n该方法和原理一方面可应用该方法和原理一方面可应用 于实验室内测定岩心的流体于实验室内测定岩心的流体 饱和度，另一方面用于电饱和度，另一方面用于电阻阻 率测井。率测井。 第2页/共82页 4 石，靠组成岩石的颗粒本身石，靠组成岩石的颗粒本身 的的自由电子导电自由电子导电，这类岩石，这类岩石 主要是致密岩石。主要是致密岩石。 含有含有离子导体离子导体及有强烈的及有强烈的 孔隙孔隙(裂隙裂隙)水极化效应的岩石。水极化效应的岩石。 这种岩石主要是含

2、水的孔隙这种岩石主要是含水的孔隙 性沉积岩，尤其是碎屑岩、性沉积岩，尤其是碎屑岩、 裂隙发育的岩浆岩及变质岩。裂隙发育的岩浆岩及变质岩。 第3页/共82页 5 测量电阻这个物理量显然是测量电阻这个物理量显然是 不确切的，而反映材料导电不确切的，而反映材料导电 能力的量应当是电阻率，因能力的量应当是电阻率，因 此实际应用上不是测量地层此实际应用上不是测量地层 电阻的大小，而是测量反映电阻的大小，而是测量反映 岩层导电性的电阻率。岩层导电性的电阻率。 第4页/共82页 6 第5页/共82页 7 阻率则比较低。阻率则比较低。 n沉积岩的特点是离子导电，沉积岩的特点是离子导电， 沉积岩中地下水的矿化度

3、、沉积岩中地下水的矿化度、 动态和水文化学动态和水文化学特点对岩石特点对岩石 的电阻率有很大的影响。的电阻率有很大的影响。 n在众多的沉积岩中，白云岩在众多的沉积岩中，白云岩 和致密结晶灰岩的电阻率最和致密结晶灰岩的电阻率最 高，可达到高，可达到10106 6m m ，而砂岩，而砂岩 的电阻率在几十到的电阻率在几十到100m 100m 之间。之间。 第6页/共82页 8 n这些岩石位于潜水面以上时，这些岩石位于潜水面以上时， 其导电作用主要取决于岩石其导电作用主要取决于岩石 内的吸附水，电阻率在内的吸附水，电阻率在103 106m之间。之间。 n潜水面以下时，岩石的含水潜水面以下时，岩石的含水

4、 量主要取决于其中的束缚水量主要取决于其中的束缚水 (毛细管水毛细管水)和自由水和自由水(重力水重力水)。 第7页/共82页 9 以其电阻率具有显著的各向异性。以其电阻率具有显著的各向异性。 第8页/共82页 10 因此，岩石和矿石的电阻率因此，岩石和矿石的电阻率 取决于这些胶结物和矿物颗取决于这些胶结物和矿物颗 粒的电阻率及其含量。粒的电阻率及其含量。 n含水量和矿化度的影响：地含水量和矿化度的影响：地 下水及天然水的电阻率较低，下水及天然水的电阻率较低， 一般在一般在100 m以下。当水中以下。当水中 含有盐分时，电阻率会急剧含有盐分时，电阻率会急剧 降低。因此，岩矿石中的含降低。因此，岩

5、矿石中的含 水量及其水的矿化度对岩矿水量及其水的矿化度对岩矿 石的电阻率有很大的影响。石的电阻率有很大的影响。 第9页/共82页 11 第10页/共82页 12 层的电阻率值就比较高，这层的电阻率值就比较高，这 是电阻率测井方法评价地层是电阻率测井方法评价地层 含油饱和度的物理基础。含油饱和度的物理基础。 n电阻率测井之所以能成为应电阻率测井之所以能成为应 用最广泛、也是最重要的测用最广泛、也是最重要的测 井方法，主要依赖于建立在井方法，主要依赖于建立在 岩石物理实验基础上的阿尔岩石物理实验基础上的阿尔 奇奇(Archie)(Archie)公式。公式。 第11页/共82页 13 n沉积岩的导电

6、能力，主要取决于岩石孔隙沉积岩的导电能力，主要取决于岩石孔隙 中地层水的导电能力。中地层水的导电能力。 第12页/共82页 14 率的大小，主要决定于岩石率的大小，主要决定于岩石 孔隙中所含溶液的性质和浓孔隙中所含溶液的性质和浓 度等。度等。 n电子导电电子导电的岩石靠组成岩石的岩石靠组成岩石 颗粒本身的自由电子导电，颗粒本身的自由电子导电， 大部分火成岩属于这一类岩大部分火成岩属于这一类岩 石，其电阻率主要由所含导石，其电阻率主要由所含导 电矿物的性质和含量来决定。电矿物的性质和含量来决定。 第13页/共82页 15 0w 有正比关系，即有正比关系，即R0Rw为一为一 常数为，称为常数为，称

7、为阿尔奇阿尔奇地层因地层因 子。子。 n式中式中F为地层因子或地层电阻为地层因子或地层电阻 率因子。率因子。 w FRR 0 w R R F 0 第14页/共82页 16 地层水的电阻率的放大倍数。地层水的电阻率的放大倍数。 n当骨架不导电时，岩石的电当骨架不导电时，岩石的电 阻率要大于地层水的电阻率，阻率要大于地层水的电阻率， 而而F则代表增大的倍数。则代表增大的倍数。 n经验证明，经验证明，F与下列因素有关：与下列因素有关： 孔隙度；孔隙的结构和孔隙度；孔隙的结构和 几何形状；孔隙的连通情几何形状；孔隙的连通情 况。况。 第15页/共82页 17 系在一起来。系在一起来。 n阿尔奇公式改进

8、阿尔奇公式改进 ： （1）Homble （2）Dachnov(1959) （3）Kermabon(1969) m F 1 15. 2 62. 0 F m a F m a a F )( 第16页/共82页 18 岩石一端的截面积为岩石一端的截面积为A A，边长为，边长为L L；毛细管的截面积为；毛细管的截面积为AwAw，毛细管的长度为，毛细管的长度为LaLa（L LaLL）。孔隙中全饱和水的电阻率为）。孔隙中全饱和水的电阻率为RwRw，考虑岩石骨架不导电，在模型中有效导电的截面为，考虑岩石骨架不导电，在模型中有效导电的截面为AwAw。 第17页/共82页 19 L Ar R w 0 式中式中为岩

9、石的曲折度。为岩石的曲折度。 a aww LA ALR L Ar R 0 a aw w A LR r AAA A L L LA AL R R F aa a a a w / 0 第18页/共82页 20 2 1 m F ) 2 1 ( m A A L L A A aaa 2 / AA F a 第19页/共82页 21 n式中常数式中常数C C受迂曲度影响，一受迂曲度影响，一 般般C=lC=lL L，其值等于，其值等于1 1或大于或大于 1 1，理论上在，理论上在1 1到到2 2之间；之间；m m与与 孔隙空间减少或电流通道减孔隙空间减少或电流通道减 少有关，称胶结指数。对胶少有关，称胶结指数。对

10、胶 结岩石来讲，结岩石来讲，m m在在1.81.82.02.0之之 间，非胶结介质大约为间，非胶结介质大约为1.31.3。 m CF 第20页/共82页 22 t 加，有效导体横截而积变小加，有效导体横截而积变小 为为At。 n含油岩石电阻率比含水岩石含油岩石电阻率比含水岩石 大，岩石含油越多大，岩石含油越多(即含油饱即含油饱 和度越高和度越高)。 n岩石电阻率，除了与岩石的岩石电阻率，除了与岩石的 孔隙度、胶结情况及孔隙形孔隙度、胶结情况及孔隙形 状有关外，还与油水在孔隙状有关外，还与油水在孔隙 中的分布状况及含油饱和度中的分布状况及含油饱和度 和含水饱度有关。和含水饱度有关。 第21页/共

11、82页 23 数与饱和度之间的关系。数与饱和度之间的关系。 n在实验室通常选取具有代表在实验室通常选取具有代表 性的岩石，先测出岩石含水性的岩石，先测出岩石含水 时的电阻率时的电阻率R0，然后对全饱，然后对全饱 和水岩石逐步挤入油，同时和水岩石逐步挤入油，同时 测出在不同含油饱和度测出在不同含油饱和度So时相时相 应的岩石电阻率应的岩石电阻率Rs，则可得，则可得 到不同饱和度时的电阻指数。到不同饱和度时的电阻指数。 第22页/共82页 24 数数b与岩性有关，不同地区地与岩性有关，不同地区地 层的层的n和和b值不同，可用实验值不同，可用实验 方法确定。方法确定。 n当知道当知道n和和b之后，可

12、利用公之后，可利用公 式或式或I与与So的关系曲线求出的关系曲线求出 地层的含油气饱和度。地层的含油气饱和度。 n o n w t S b S b R R I )1 ( 0 第23页/共82页 25 度和孔隙形状等因素的影响，度和孔隙形状等因素的影响， 当岩性一定时，它只与岩石含当岩性一定时，它只与岩石含 油饱和度有关。油饱和度有关。 饱和地层水和油孔隙岩石的电阻率为饱和地层水和油孔隙岩石的电阻率为 在含油和水的毛细管模型中，在含油和水的毛细管模型中， 当电流通过时的电阻为：当电流通过时的电阻为： t twt t LA ALR L Ar R t tw t A LR r 第24页/共82页 26

13、 水饱和度关系的经验公式。水饱和度关系的经验公式。 表明了电阻指数是含永饱和表明了电阻指数是含永饱和 度及电流路径的函数。度及电流路径的函数。 n阿尔奇（阿尔奇（Archie）总结分析了）总结分析了 大量实验数据，建议用下面大量实验数据，建议用下面 的形式：的形式： n w SCI 2 w SI 7 . 2 w SI 胶结岩石胶结岩石 WilliamWilliam 第25页/共82页 27 n w SCI m CF m w a R R F 0 n w t S b R R I 0 式中式中F为地层的电阻率因子，也称相对电阻率；为地层的电阻率因子，也称相对电阻率；I为地层的电阻增大系数；为地层的电

14、阻增大系数；Rt为地层的真电阻率，为地层的真电阻率，R0为地层为地层100%含水时的电阻率，含水时的电阻率，Rw为地层水的电阻率，为地层水的电阻率，m是地层胶结指数，是地层胶结指数，n是地层饱和度指数，是地层饱和度指数，a,b为常数。为常数。 第26页/共82页 28 w R R F 0 2 1 F 2 0 1 w t SR R I )( 1 2 t w w R R S )( t w m n R Ra S w 推广为一般形式推广为一般形式 第27页/共82页 29 第28页/共82页 30 出的出的R0来计算饱和度还存在来计算饱和度还存在 着多解性。着多解性。 （3）阿尔奇公式要求的条件限）阿

15、尔奇公式要求的条件限 制了它在一些地质环境下使制了它在一些地质环境下使 用，如碳酸盐岩储层和含泥用，如碳酸盐岩储层和含泥 质多的泥质砂岩储层等。质多的泥质砂岩储层等。 第29页/共82页 31 之间的关系呈线性。在双对之间的关系呈线性。在双对 数坐标系中可建立数坐标系中可建立lgF与与lg 之间和之间和lgI与与lgSw的关系，在的关系，在 双对数坐标系中它们的直线双对数坐标系中它们的直线 斜率分别是斜率分别是m和和n，截距分别，截距分别 是是lga和和lgb。 lglglgmaF w SnbIlglglg 第30页/共82页 32 第31页/共82页 33 阳离子，而这些被吸附的阳阳离子，而

16、这些被吸附的阳 离子可以和孔隙流体中的阳离子可以和孔隙流体中的阳 离子交换位置。离子交换位置。 n粘土导电对岩石电导率的贡粘土导电对岩石电导率的贡 献与可交换阳离子的数量有献与可交换阳离子的数量有 关。关。 n由此建立了含油泥质砂岩的由此建立了含油泥质砂岩的 导电模型（导电模型（WS模型）。模型）。 第32页/共82页 34 )( 1 * 0vw QBC F C )( * * w v w n w t S Q BC F S C 含水泥质砂岩电导率为含水泥质砂岩电导率为 含油泥质砂岩率为含油泥质砂岩率为 式中式中 C C0 0完全饱和水泥质砂岩的电导完全饱和水泥质砂岩的电导 率；率； CtCt含油

17、泥质砂岩的电导率；含油泥质砂岩的电导率； F F* *泥质砂岩的电阻率因数；泥质砂岩的电阻率因数； CwCw地层水电导率；地层水电导率； n n* *泥质砂岩的饱和度指数；泥质砂岩的饱和度指数； B B可交换阳离了的等效电导率可交换阳离了的等效电导率 ； QvQv阳离子交换量。阳离子交换量。 第33页/共82页 35 n因此因此ws模型是对阿尔奇公模型是对阿尔奇公 式的补充和发展。式的补充和发展。 n在实际应用中，在实际应用中，WS模型遇模型遇 到的突出问题是到的突出问题是Qv和和B的确定的确定 问题，这些参数需要靠精确问题，这些参数需要靠精确 的实验室资料来确定。因此的实验室资料来确定。因此

18、 WS模型的应用受到了限制。模型的应用受到了限制。 ) / ( * wvw vw n w SQBC QBC SI 第34页/共82页 36 第35页/共82页 37 式中：式中：d岩心直径；岩心直径； L岩心长度；岩心长度； I一通过岩心的电流强度；一通过岩心的电流强度； V岩心两端电位差。岩心两端电位差。 I V d l R 2 4 第36页/共82页 38 、 度不易计量。度不易计量。 第37页/共82页 39 干）、离心法和半渗透隔板干）、离心法和半渗透隔板 法。法。 3）油、水两相驱替法）油、水两相驱替法 借助于压力设备。借助于压力设备。 第38页/共82页 40 第39页/共82页

19、41 4、 、 4 盐类具有不同的电离度，离盐类具有不同的电离度，离 子具有不同的离子价和不同子具有不同的离子价和不同 的迁移率，使得地层水电阻的迁移率，使得地层水电阻 率也不同。率也不同。 n电离度大，盐的分子离解为电离度大，盐的分子离解为 离子的百分比高，离子数目离子的百分比高，离子数目 多，地层水电阻率小；离子多，地层水电阻率小；离子 价高，离子携带的电荷多，价高，离子携带的电荷多， 地层水电阻率小；粒子迁移地层水电阻率小；粒子迁移 率大，运动速度快，地层水率大，运动速度快，地层水 电阻率小。电阻率小。 第40页/共82页 42 系数，将其转化为等效的系数，将其转化为等效的 NaCl的含

20、盐量，然后根据等的含盐量，然后根据等 效的效的NaCl的含盐量求地层水的含盐量求地层水 电阻率。电阻率。 第41页/共82页 43 的影响与岩性有关，孔渗越的影响与岩性有关，孔渗越 高其影响程度就越大。高其影响程度就越大。 n对于泥质砂岩储层，由于有对于泥质砂岩储层，由于有 粘土的附加导电作用，影响粘土的附加导电作用，影响 因素会更加复杂。因素会更加复杂。 第42页/共82页 44 增高会略有增高、增高会略有增高、m m值会略有值会略有 增大。增大。 n当地层水矿化度较高时，矿当地层水矿化度较高时，矿 化度对化度对R R0 0的影响要大于对的影响要大于对R Rt t的的 影响，使影响，使I I

21、值随着矿化度增高值随着矿化度增高 略有增高、略有增高、n n值略有增大。值略有增大。 n使使F F和和I I值开始出现增高趋势值开始出现增高趋势 的矿化度界限由于岩性不同的矿化度界限由于岩性不同 会有所不同。会有所不同。 第43页/共82页 45 含水饱和度增加而使其电阻含水饱和度增加而使其电阻 率降低的趋势逐渐地被由于率降低的趋势逐渐地被由于 盐水变淡而使其电阻率增高盐水变淡而使其电阻率增高 的趋势所掩盖了，的趋势所掩盖了， n到达一定的含水饱和度之后，到达一定的含水饱和度之后， 岩心电阻率的变化开始平缓、岩心电阻率的变化开始平缓、 然后上升因此出现了然后上升因此出现了“U” 字型。字型。

22、第44页/共82页 46 都重现了这一现象。都重现了这一现象。 淡水驱岩心的淡水驱岩心的RtSw关系关系 第45页/共82页 47 岩石电导率与温度的关系岩石电导率与温度的关系 岩石电导率与温度的关系岩石电导率与温度的关系 第46页/共82页 48 第47页/共82页 49 生影响。生影响。 岩心孔隙度随压力变化曲线 岩心电阻率随压力变化曲线 第48页/共82页 50 分选性好的岩石孔喉半径对分选性好的岩石孔喉半径对n值的影响不大值的影响不大 第49页/共82页 51 油膜，水主要分布在孔隙喉油膜，水主要分布在孔隙喉 道中间。道中间。 岩石亲水和亲油性示意岩石亲水和亲油性示意 第50页/共82

23、页 52 连续的导电通道，对岩石的连续的导电通道，对岩石的 导电性没有贡献，此时岩石导电性没有贡献，此时岩石 的电阻率值将会很高。的电阻率值将会很高。 n在低含水饱和度时，有时会在低含水饱和度时，有时会 因为水的导电通道被油隔断因为水的导电通道被油隔断 而导致其电阻率值迅速增高。而导致其电阻率值迅速增高。 第51页/共82页 53 原有的润湿性遭到破坏；如原有的润湿性遭到破坏；如 果用油藏流体在油藏条件下果用油藏流体在油藏条件下 饱和岩芯，并且滞留一段时饱和岩芯，并且滞留一段时 间，岩芯原有的润湿性会得间，岩芯原有的润湿性会得 到一定程度的恢复，这一过到一定程度的恢复，这一过 程称为程称为“老

24、化老化”。 n岩芯老化前后的实验结果，岩芯老化前后的实验结果， 饱和度指数饱和度指数n n值由老化前的值由老化前的 1.691.69变化到老化后的变化到老化后的2.122.12。 第52页/共82页 54 岩石润湿性对n指数的影响 不同饱和度史的n指数对比 第53页/共82页 55 情况下各情况下各 种影响因种影响因 素是同时素是同时 存在的，存在的， 因此需要因此需要 具体情况具体情况 做具体分做具体分 析。左表析。左表 为单一影为单一影 响因素下响因素下 的实验结的实验结 果的小结。果的小结。 第54页/共82页 56 n在外电场的作用下，原来存在外电场的作用下，原来存 在于原子之中互相抵

25、消的电在于原子之中互相抵消的电 性中心将发生分离，形成一性中心将发生分离，形成一 定的电偶极矩。定的电偶极矩。 n在外电场的作用下出现附加在外电场的作用下出现附加 电偶极矩的现象叫极化。电偶极矩的现象叫极化。 n有不同的极化机制：电子极有不同的极化机制：电子极 化、离子极化、分子极化、化、离子极化、分子极化、 固有电偶极矩转向、界面极固有电偶极矩转向、界面极 化等。化等。 第55页/共82页 57 Ep 41 0 r 第56页/共82页 58 义上，只要是相对介电常数义上，只要是相对介电常数 大于大于1的物质，都是电介质。的物质，都是电介质。 n介电常数理论主要研究介质介电常数理论主要研究介质

26、 内部束缚电荷在电场的作用内部束缚电荷在电场的作用 下的电极化过程和规律，并下的电极化过程和规律，并 阐明电极化过程和规律与电阐明电极化过程和规律与电 介质结构之间的关系，解释介质结构之间的关系，解释 物质的宏观介电性质和微观物质的宏观介电性质和微观 介电机制。介电机制。 第57页/共82页 59 第58页/共82页 60 n 随温度变化较大，因此岩石随温度变化较大，因此岩石 的介电常数受温度影响；的介电常数受温度影响； n虽然水的介电常数随温度变虽然水的介电常数随温度变 化，但不会影响到它相对于化，但不会影响到它相对于 岩石骨架和油、气在介电常岩石骨架和油、气在介电常 数数值上的优势。数数值

27、上的优势。 n温度的变化不会影响到电磁温度的变化不会影响到电磁 波测井在识别油水层方面的波测井在识别油水层方面的 优势，而且温度的影响是可优势，而且温度的影响是可 以校正的。以校正的。 第59页/共82页 61 3）在）在l00MHz2GHz频段内频段内 可以采用反射法、传输法和可以采用反射法、传输法和 谐振腔法。谐振腔法。 n电容法和同轴线法，是目前电容法和同轴线法，是目前 国际上普遍使用的方法。国际上普遍使用的方法。 第60页/共82页 62 同轴线的外导同轴线的外导 体，下极板接体，下极板接 同轴线的内导同轴线的内导 体。体。 通过测量平行板电容器的电抗，即可求出岩心的介电常数和电导率。

28、通过测量平行板电容器的电抗，即可求出岩心的介电常数和电导率。 第61页/共82页 63 测量过程中，沿同轴线测量过程中，沿同轴线 传播的电磁波遇到岩心传播的电磁波遇到岩心 时，波的能量一部分被时，波的能量一部分被 传输、一部分被反射、传输、一部分被反射、 还有一部分被吸收。记还有一部分被吸收。记 录反射波和传输波的相录反射波和传输波的相 位和幅度位和幅度( (散射参数，散射参数， 也称也称S S参数参数) )，即可求出，即可求出 岩心的介电常数和电导岩心的介电常数和电导 率。率。 第62页/共82页 64 高孔渗岩心的介电常数随高孔渗岩心的介电常数随SwSw的的 增加增大很快，在增加增大很快，

29、在SwSw小于小于7070 范围内几乎呈线性关系；当范围内几乎呈线性关系；当SwSw 大于大于7070时，岩心介电常数随时，岩心介电常数随 SwSw的变化曲线比线性曲线略低的变化曲线比线性曲线略低 。 孔隙壁起到了限制水分子极化孔隙壁起到了限制水分子极化 的作用，使其极化能力不如自的作用，使其极化能力不如自 由水。由水。 低孔渗岩心的孔隙空间小，介电常数随低孔渗岩心的孔隙空间小，介电常数随Sw的变化缓慢，线性关的变化缓慢，线性关 系比高孔渗岩心差。相对地，介电测井在高孔渗地质条件下的应系比高孔渗岩心差。相对地，介电测井在高孔渗地质条件下的应 用效果要比低孔渗时好。用效果要比低孔渗时好。 第63

30、页/共82页 65 好些。好些。 第64页/共82页 66 lm 孔隙度增加而增大；反之，孔隙度增加而增大；反之， 当孔隙流体的介电常数小于当孔隙流体的介电常数小于 骨架的介电常数时，即当骨架的介电常数时，即当 lm时，岩石介电常数随孔时，岩石介电常数随孔 隙度增加而减小。隙度增加而减小。 )()1 ( mlmlmr 第65页/共82页 67 100含水岩心的介电常数随孔隙度的增加而明显增加含水岩心的介电常数随孔隙度的增加而明显增加 第66页/共82页 68 矿物名称矿物名称不含孔隙水不含孔隙水100%含孔隙水含孔隙水 蒙脱石蒙脱石11.063.53 高岭石高岭石9.540.24 水云母水云母

31、7.025.84 红色泥岩红色泥岩8.1333.29 灰黑色泥岩灰黑色泥岩7.0824.71 灰绿色泥岩灰绿色泥岩6.3922.29 第67页/共82页 69 态对岩石介电常数的影响。态对岩石介电常数的影响。 第68页/共82页 70 第69页/共82页 71 量，跃迁到高能态，发生共量，跃迁到高能态，发生共 振跃迁这种现象称为核磁共振跃迁这种现象称为核磁共 振。振。 n岩石中各种矿物元素具有不岩石中各种矿物元素具有不 同的共振效应，它取决于矿同的共振效应，它取决于矿 物原子核的旋磁比、含量、物原子核的旋磁比、含量、 赋存状态赋存状态等。等。 n根据此原理发展了核磁共振根据此原理发展了核磁共振

32、 测井。测井。 第70页/共82页 72 n核磁共振测井以氢核与外加核磁共振测井以氢核与外加 磁场的相互作用为基础，测磁场的相互作用为基础，测 量孔隙流体的特征以提供丰量孔隙流体的特征以提供丰 富的地层信息，它是通过测富的地层信息，它是通过测 量核磁共振信号强度和弛豫量核磁共振信号强度和弛豫 时间来获得。时间来获得。 n是一种较新的测井方法。是一种较新的测井方法。 第71页/共82页 73 该磁场的强度和方向可以用该磁场的强度和方向可以用 核磁矩矢量来表示核磁矩矢量来表示: : n式中为原子核的磁矩；为自式中为原子核的磁矩；为自 旋角动量；为比例因子，被旋角动量；为比例因子，被 称作旋磁比，是磁性核的一称作旋磁比，是磁性