岩石的其它物理性质课件

第八章岩石的其它物理性质

随着对地下储层物性研究的深入，除了储层岩石的基本物性参数(粒度组成、比面、孔隙度、压缩性、饱和度、渗透率等)外，生产中还需要了解有关储层岩石的更多性质。本章将介绍储层岩石的导电特性、和核磁特性。重点阿尔奇公式第八章岩石的其它物理性质随着对地下储层物性研究的深入，18.1含流体岩石的导电特性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。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。

8.1含流体岩石的导电特性岩石的导电特性与储层岩性、储油21、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：ρ=γA/L式中ρ—电阻率，Ω•m；γ—电阻，Ω；A导体截面积，m2；L—导体长度，m。电阻率ρ仅与导体的材料性质有关，而与导体的几何形状无关。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、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3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。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4石油勘探开发所涉及的岩层主要是离子导电的沉积岩。沉积岩由造岩矿物的固体颗粒组成，这些固体颗粒称为岩石的骨架。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。石油勘探开发所涉及的岩层主要是离子导电的沉积岩。5主要岩石和矿物的电阻率。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。主要岩石和矿物的电阻率。可以看出：不同岩石及矿物的电阻率变化62、岩石电阻率与地层水性质的关系1）地层水电阻率与盐类化学成分的关系

油气储层地层水中，主要含有NaCl、KCl、Na2SO4、MgSO4、CaSO4等盐类，这些盐类具有不同的电离度，离子具有不同的离子价和不同的迁移率，使得地层水电阻率也不同。电离度大，盐的分子离解为离子的百分比高，离子数目多，地层水电阻率小；离子价高，离子携带的电荷多，地层水电阻率小；粒子迁移率大，运动速度快，地层水电阻率小。2、岩石电阻率与地层水性质的关系1）地层水电阻率与盐类化学7实际地层水所含的盐类主要为NaCl，因此可把地层水近似的认为氯化钠溶液。用总矿化度表示水中含盐量，单位是mg／L。地层水含有较多的除氯化钠以外的其它盐类，则可把每一种离子的含量乘以适当的系数，将其转化为等效的NaCl的含盐量，然后根据等效的NaCl的含盐量求地层水电阻率，实际地层水所含的盐类主要为NaCl，因此可把地层水近似的认为82）地层水电阻率与溶液浓度及温度的关系

地层水含盐浓度增加，离子数目增多，溶液导电性增强．电阻率降低。而当溶液的温度升高时，使离子的迁移率增大，溶液的导电性增加，其电阻率降低。岩层中的某些盐类由于温度升高，溶解度增大，使溶液的离子浓度增加，电阻率降低。2）地层水电阻率与溶液浓度及温度的关系地层水含盐浓度增加，93、含水岩石电阻率与孔隙度的关系沉积岩的导电能力，主要取决于单位体积岩石中孔隙体积(即孔隙度)和地层水电阻率。岩石孔隙度越大或地层水电阻率越低，岩石的导电能力就越强．电阻率就越低；反之，岩石孔隙度越小或地层水电阻率越高，岩石导电能力就越差，电阻率就越高。3、含水岩石电阻率与孔隙度的关系沉积岩的导电能力，主要取决10当砂岩的颗粒之间有胶结物存在时，因为胶结物电阻率一般比较高，对电流起阻碍作用，使电流经过的路径变得更曲折，相当于导体的长度增加，且导体横截面积变小。因而胶结砂岩的导电能力比未胶结砂岩差．胶结砂岩的电阻率增高。

从以上分析可以看出，含水砂岩电阻率取决于地层水电阻率、孔隙度、胶结情况及孔隙形状。胶结情况及孔隙形状取决于岩性。

为了找出岩石电阻率与孔隙度的关系，可先固定岩性这一因素，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。当砂岩的颗粒之间有胶结物存在时，因为胶结物电阻率一般比较高，11实验证明：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。称为阿尔奇地层因子。F=R0

/Rw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。地层因子与渗透率不相关。实验证明：对于给定的岩样，孔隙中饱和地层水岩石电阻率R0与这12电阻率与岩石物性关系A和A为盐水和含盐水单元体有效导电横截面积，L和L为导电通道长，Rw盐水电阻率。电流从A面流入，沿L方向流动，其电阻为：

电阻率与岩石物性关系A和A为盐水和含盐水单元体有效导电横截面13用R0表示100%饱和电阻率Rw的地层水时的岩层电阻率，根据电阻率的定义得：将r2代入用R0表示100%饱和电阻率Rw的地层水时的岩层电阻率，根据14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：

F＝CФ-m

式中常数C受迂曲度影响，一般C=La／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。

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。151942年，Archie提出下面的关系式

F=Ф-m

式中

：Ф—孔隙度，m—胶结系数(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)。在双对数坐标系中,F与Ф有近似直线关系，根据这条直线，可将F与Ф的关系式写成如下形式：a为比例系数，不同岩性有不同的数值.

1942年，Archie提出下面的关系式164、含油岩石电阻率与含油气饱和度关系

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。

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，即导体长度增加，导体横截而积变小。因而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。

4、含油岩石电阻率与含油气饱和度关系当砂岩的孔隙中含地层水17右图为含油水孔隙介质模型，有效导电面积减少为A’a，路径长度是La’，电阻为：饱和地层水和油的孔隙度介质的电阻率定义为

右图为含油水孔隙介质模型，有效18岩石导电性的另一个基本概念是电阻率指数(ResistivityIndex)，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：I＝Rt/Rw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。

岩石导电性的另一个基本概念是电阻率指数(Resistivit19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式中S0—含油饱和度，Sw—含水饱和度，n饱和度指数；b—系数。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S0的关系曲线．求出地层的含油气饱和度。

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20烃类(油、气)是不导电的，储层中烃类的饱和度越大，其电阻率也越大。

与地层因子（素）类似，电阻指数可写为式中C’—迂曲度函数；n—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。烃类(油、气)是不导电的，储层中烃类的饱和度越大，其电阻率也21阿尔奇（Archie）总结分析了大量实验数据，建议用下面的形式

William由胶结岩石的测试结果，得出：

电阻指数与含水饱和度关系阿尔奇（Archie）总结分析了大量实验数据，建议用下面的形22阿尔奇公式电阻率测量的实际应用是估算含水饱和度。根据地层因子和电阻指数给出饱和度与孔隙度和电阻率的关系。式中a、m和n为常数，由特定的油田或被评价的地层确定。n取2时阿尔奇公式电阻率测量的实际应用是估算含水饱和度。根据地层因子23阿尔奇公式是在实验室测试结果基础上总结出来的，是测井定量解释饱和度的理论基础。局限性和不足：油层岩石的R0值是通过孔隙度和物理意义不明确的岩电参数m转换的。其可靠性取决于样品的数量、孔隙度范围和结构等；另外参数m和n的物理意义不明确。对复杂的孔隙结构还存在多解性。阿尔奇公式是在实验室测试结果基础上总结出来的，是测井定量解释24四极测试电阻率的流程机电路示意图

四极测试电阻率的流程机电路示意图25影响岩石电学性质的几个量孔隙结构的影响：，孔隙结构指岩石孔隙的构成，如孔喉大小、孔隙分布、形态和连通程度、孔隙类型、孔壁几何形态等微观特征，其中孔喉大小、分布、连通性对导电性影响显著。高温高压的影响：对胶结指数m的影响，压力增，地层因素增加，m是压力的函数。温度的影响较复杂，有人经泥质校正后认为无影响。润湿性的影响：亲油的孔隙介质，含水饱和度降低，电阻率变高。影响岩石电学性质的几个量孔隙结构的影响：，孔隙结构指岩石孔隙268.2核磁共振的物理基础

1946年美国斯坦福大学的Bloch和哈佛大学Puccel几乎同时，用不同的方法各自独立的发现了核磁共振现象。核磁共振－－处在外加恒定磁场中的原子核系统受到电磁作用时，低能态的核磁矩将吸收交变电磁场提供的能量，跃迁到高能态，发生共振跃迁这种现象称为核磁共振。岩石中各种矿物元素具有不同的共振效应，它取决于矿物原子核的旋磁比、含量、赋存状态等。根据此原理发展了核磁共振测井。8.2核磁共振的物理基础1946年美国斯坦福大学的Bl27氢在地磁场中具有最大的旋磁比4258/2(Hz/G）和共振频率2.178kHz。又是在井中最容易研究的元素。核磁共振方法是研究包含在液体（水、油、气）中天然含赋存状态的一种测井方法。核磁共振测井以氢核与外加磁场的相互作用为基础，测量孔隙流体的特征以提供丰富的地层信息，它是通过测量核磁共振信号强度和弛豫时间来获得。是一种较新的测井方法。氢在地磁场中具有最大的旋磁比4258/2(Hz/G）和共振频28原子核的磁性核磁共振的基础是原子核的磁性及其与外加磁场的相互作用。

原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，质子与中子统称为核子。

原子核带有电荷，它们的自旋将产生磁场，像一根磁棒，该磁场的强度和方向可以用核磁矩矢量来表示:式中为原子核的磁矩；为自旋角动量；为比例因子，被称作旋磁比，是磁性核的一个重要性质。

原子核的磁性核磁共振的基础是原子核的磁性及其与外加磁场的相互29当没有外加磁场时，单个核磁矩随机取向，因此，包含大量同种核的系统在宏观上没有磁性。单个核磁矩随机取向无（无外加磁场）当没有外加磁场时，单个核磁矩随机取向，因此，包含大量同种核的30外加磁场中核磁的自旋核磁矩处于外加静磁场中时，将受到一个力矩的作用，从而会象倾倒的陀螺绕重力场进动一样，绕外加磁场的方向进动。进动频率由Larmor（拉莫尔）方程确定：式中，为外加磁场的强度；为旋磁比，由于不同的原子核，其值不一样，在相同的外加磁场中，不同原子核的进动频率也不一样。同一种原子核，在不同强度的磁场中，其进动的频率也不同。

外加磁场中核磁的自旋核磁矩处于外加静磁场中时，将受到一个力矩31核自旋在外加静磁场中的行为

核自旋在外加静磁场中的行为32自旋系统在外加磁场中的行为—宏观磁化矢量。

在外加磁场的作用下，整个自旋系统被磁化，使核磁矩排列有序，宏观上产生一个净的磁矩矢量和。单位体积内核磁矩的和叫做宏观磁化矢量，用表示

M的取向与相同，由理论证明，

式中，X为核磁化率。自旋系统在外加磁场中的行为—宏观磁化矢量。33根据量子力学可知核磁化率：式中，K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；N为单位体积中的核自旋数，I为自旋磁量子数。核磁共振的测量对象就是宏观磁化矢量及其变化过程。

对氢核磁化率中除氢核数密度N外，其它量均为常系数。核磁共振的测量对象就是宏观磁化矢量M及其变化过程。

测出宏观磁化矢量M就能确定参与作用的氢核数密度。

根据量子力学可知核磁化率：34核磁共振现象

对于被