射頻段巖心介電頻散特性的實(shí)驗(yàn)研究
——實(shí)驗(yàn)用冀東油田某區(qū)塊巖心

王偉東，柯式鎮(zhèn)，李君建，張興文，張雷潔

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院； 4.山西省煤炭地質(zhì)115勘查院)

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射頻段巖心介電頻散特性的實(shí)驗(yàn)研究
——實(shí)驗(yàn)用冀東油田某區(qū)塊巖心

王偉東1,2，柯式鎮(zhèn)1,2，李君建1,2，張興文3，張雷潔4

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院； 4.山西省煤炭地質(zhì)115勘查院)

實(shí)驗(yàn)研究了不同頻率下巖心相對(duì)介電常數(shù)與礦化度、含水飽和度等影響因素之間的關(guān)系，當(dāng)含水飽和度較低時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)隨礦化度的增大而降低，當(dāng)含水飽和度增大到一定程度時(shí)，不同礦化度的巖心介電常數(shù)曲線基本重合；巖石介電常數(shù)隨含水孔隙度的升高而近于線性增大；含水飽和度越高介電常數(shù)越大，頻散程度也越大。

介電常數(shù)；頻散幅度；頻散系數(shù)；含水飽和度；礦化度

隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，低電阻率油層或高電阻率水層普遍存在，這就需要更多地依靠地層的介電特性來區(qū)分油水層，而不能僅用電阻率的特性區(qū)分油水層。在這種情況下，深入認(rèn)識(shí)地層巖石的介電特性就變得十分重要[1-3]。因此，本文在實(shí)驗(yàn)室研究條件下，通過采用帶屏蔽罩的平行板電容法[4]，對(duì)冀東油田某區(qū)塊的巖心進(jìn)行測(cè)試分析，分別飽和不同礦化度的氯化鈉溶液，然后對(duì)其進(jìn)行介電常數(shù)的掃頻測(cè)量，研究其頻散特性，進(jìn)而考察礦化度、頻率、孔隙度及含水飽和度等因素對(duì)介電常數(shù)的影響，以解決實(shí)際問題。

1 測(cè)量過程

1.1 巖心的制備

圓柱形巖心需要加工成適于夾持器測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)樣品，標(biāo)準(zhǔn)樣品的尺寸有四種(四個(gè)不同尺寸的樣品盒)：直徑38.1 mm，厚度7.6 mm和6.0 mm；直徑25.4 mm，厚度6.0 mm和4.0 mm[4]。本次實(shí)驗(yàn)所用12塊巖心物性參數(shù)見表1。

1.2 巖心的飽和

根據(jù)要求配置不同礦化度的氯化鈉溶液，放在密封的蒸餾瓶中避免水分蒸發(fā)，然后將干巖心放入相應(yīng)的氯化鈉溶液中進(jìn)行飽和。

實(shí)驗(yàn)室條件下，判斷巖心加壓飽和情況通常是將波義耳定律法測(cè)出的孔隙度同飽和液體法測(cè)出的孔隙度進(jìn)行對(duì)比，飽和液體法可用式(1)計(jì)算巖心孔隙度：

(1)

式中：φ——孔隙度，小數(shù)；ms——巖心飽和后濕重，g；mg——巖心干重，g；ρw——蒸餾水密度，g/cm3；C——所需氯化鈉溶液礦化度，g/L；V——巖心體積，cm3。

表1 12塊巖心物性參數(shù)

1.3 巖心介電常數(shù)測(cè)量

在氯化鈉溶液飽和的巖心兩端加上鋁箔，既可保證巖心與上下極板的接觸良好，又可防止測(cè)量過程中水分的蒸發(fā)導(dǎo)致含水飽和度發(fā)生變化。然后，將其放入夾持器，擰好上蓋，觀察阻抗分析儀4191A顯示器的數(shù)值，待數(shù)值穩(wěn)定后，輸入初值并初始化，起始頻率為20 MHz，終止頻率為270 MHz，步長(zhǎng)為5 MHz，最后運(yùn)行程序[2]。測(cè)量結(jié)束后，取出巖心，改變其含水飽和度，對(duì)每個(gè)含水飽和度分別測(cè)量20 MHz～270 MHz頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，再重復(fù)測(cè)量直至巖心變干為止[3]。

2 含水巖心頻散特性分析

實(shí)驗(yàn)所選用的12塊巖心均為泥質(zhì)含量較低(Vsh小于9%)的砂巖，巖心孔隙均為粒間孔隙，分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 ×10-3、2.0×10-3和2.5×10-3三種礦化度的氯化鈉溶液完全飽和，再進(jìn)行介電常數(shù)的掃頻測(cè)量。

2.1 同一礦化度下不同含水飽和度的巖心介電常數(shù)隨頻率的變化

從圖1中可以看出，在同一礦化度下巖心的相對(duì)介電常數(shù)隨著頻率的增加逐漸降低，在20 MHz～70 MHz頻率段內(nèi)相對(duì)介電常數(shù)下降較快，在70 MHz～270 MHz頻率段內(nèi)曲線趨于平緩。其原因分析可能為，當(dāng)頻率低時(shí)，離子有足夠的時(shí)間移到孔隙與骨架界面，形成堆積的界面電荷，產(chǎn)生界面極化，位移電流增大，使巖心介電常數(shù)升高；高頻時(shí)，離子沒有足夠時(shí)間到達(dá)界面，不能形成界面電荷的累積，故不存在界面極化，所以，隨頻率的降低介電常數(shù)增大。低頻時(shí)，界面極化強(qiáng)度越大，界面極化對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)越高，介電常數(shù)的頻散程度也隨之越大。同時(shí)，隨著含水飽和度的增加，巖心的相對(duì)介電常數(shù)有增加趨勢(shì)，且頻散程度也隨之逐漸增大。其原因分析可能為，當(dāng)巖石的含水飽和度較低時(shí)，鹽溶液只進(jìn)入部分孔隙中，只有這部分孔隙存在正負(fù)離子能產(chǎn)生界面極化，所以總的界面極化強(qiáng)度較小，對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)低，介電常數(shù)的頻散弱；隨著含水飽和度的升高，鹽溶液滲入越來越多的孔隙和微孔隙中，存在界面極化的孔隙數(shù)量增多，界面極化對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)升高，介電常數(shù)的頻散程度漸大。

2.2 相同飽和度下不同礦化度的巖心介電常數(shù)隨頻率的變化

從圖2中可以分析出，巖心在含水飽和度較低時(shí)，同一飽和度下的相對(duì)介電常數(shù)隨礦化度的增高而降低，當(dāng)含水飽和度增大到一定程度時(shí)，不同礦化度的巖心相對(duì)介電常數(shù)曲線基本重合。其原因分析可能為：該巖心可能為混合潤(rùn)濕體系，當(dāng)含水飽和度較小時(shí)，鹽溶液只進(jìn)入部分孔隙，離子運(yùn)動(dòng)空間尺度較小，只有部分孔隙存在正、負(fù)離子能產(chǎn)生界面極化，此時(shí)，界面極化強(qiáng)度很弱；隨著礦化度的增大，傳導(dǎo)電流也增大，傳導(dǎo)電流在所測(cè)頻段內(nèi)貢獻(xiàn)大，使得介電常數(shù)降低；隨著含水飽和度的升高，鹽溶液滲入到越來越多的孔隙和微孔隙中，存在界面極化的孔隙數(shù)量增多，界面極化對(duì)應(yīng)增大，界面電荷產(chǎn)生與電場(chǎng)方向相反的附加電場(chǎng)，阻礙其它離子沿外場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)這種動(dòng)態(tài)過程達(dá)到平衡時(shí)，堆積的電荷數(shù)量不再增加，界面極化不再增強(qiáng)，從而使得介電常數(shù)曲線重合。

圖1 2.5×10-3礦化度下不同含水飽和度的巖心介電常數(shù)與頻率的關(guān)系

2.3 含水孔隙度與相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系

目前國(guó)內(nèi)外各介電測(cè)井儀、深探測(cè)電磁波傳播測(cè)井儀DPT的工作頻率為25 MHz，阿特拉斯公司推出的雙頻電磁波測(cè)井儀的工作頻率為47 MHz和200 MHz[5]，斯倫貝謝公司推出的介電掃描測(cè)井儀ADT的兩個(gè)射頻段工作頻率為20 MHz和100 MHz[6]。由圖3可以看出，在各工作頻率下，巖石相對(duì)介電常數(shù)隨含水孔隙度的升高而近于線性增大。

根據(jù)體積混合模型[2]：

ε=εwSwφ+εa(1-Sw)φ+εm(1-φ)

(2)

水的介電常數(shù)εw比空氣的介電常數(shù)εa和骨架的介電常數(shù)εm都大很多，則可近似認(rèn)為，巖樣介電常數(shù)ε與含水孔隙度φSw成正比。綜上所述，在射頻段范圍內(nèi)，其低頻下介電常數(shù)隨含水孔隙度的變化率大于高頻下的變化率，也就是說在低頻下相對(duì)介電常數(shù)對(duì)含水孔隙度的變化更敏感。研究發(fā)現(xiàn)，在低頻情況下，25 MHz時(shí)相對(duì)介電常數(shù)的變化率大于20 MHz，但是二者的變化率差異很小。本文的研究范圍，主要研究高頻和低頻對(duì)含水孔隙度變化的影響，故此差異可忽略不計(jì)。本實(shí)驗(yàn)所采用的是冀東油田某區(qū)塊的巖心，是為了更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)該地區(qū)的淡水水淹問題，用1.5 ×10-3、2.0×10-3和2.5×10-3三種礦化度的氯化鈉溶液來模擬，由于阿爾奇公式在這種情況下并不適用，所以通過利用地層的介電常數(shù)，再結(jié)合其他方法(如密度-中子測(cè)井交會(huì))得到總孔隙度，進(jìn)而聯(lián)合求解出含水飽和度。

圖2 相同飽和度下不同礦化度的巖心介電常數(shù)與頻率的關(guān)系

2.4 巖石介電頻散特性擬合分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在20 MHz～270 MHz頻段內(nèi)，介電常數(shù)隨頻率的變化規(guī)律可用冪函數(shù)加以描述[7]：

ε=Af-a

(3)

式中：A表征介電常數(shù)的大小，稱之頻散幅度；a表征頻散程度，a越大頻散越明顯，稱之頻散系數(shù)，A、a的大小取決于巖樣的孔隙度、含水飽和度、礦化度等因素。將測(cè)量結(jié)果按式(3)進(jìn)行擬合，從圖4可看出，擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得越好。

射頻段巖石介電常數(shù)之所以會(huì)產(chǎn)生頻散，是因?yàn)樵谕怆妶?chǎng)作用下形成了位移電流和傳導(dǎo)電流，隨著電場(chǎng)頻率的變化，這兩部分離子的分配發(fā)生變化，引起界面極化和水分子轉(zhuǎn)向極化，使得射頻段巖石介電常數(shù)的大小隨頻率的變化而發(fā)生變化，并產(chǎn)生頻散現(xiàn)象[8-12]。

2.4.1 頻散幅度A、頻散系數(shù)a隨礦化度的變化關(guān)系

對(duì)于滲透率和孔隙度相對(duì)較小的8號(hào)巖心，巖心的頻散幅度A和頻散系數(shù)a隨礦化度的增大，基本呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)(圖5)。而對(duì)于滲透率和孔隙度相對(duì)較大的10號(hào)巖心，含水飽和度相對(duì)較小時(shí)，巖心的頻散幅度A和頻散系數(shù)a隨礦化度的增大而增大；在含水飽和度增大到一定程度，巖心的頻散幅度A和頻散系數(shù)a隨礦化度的增加，其增大的趨勢(shì)有所減小，如圖6所示。

圖3 含水孔隙度與介電常數(shù)的關(guān)系

圖4 含水巖樣頻散特性擬合曲線

圖5 8號(hào)巖心頻散幅度、頻散系數(shù)與礦化度的關(guān)系

2.4.2 頻散幅度A、頻散系數(shù)a隨含水飽和度的變化關(guān)系

從圖7可以看出，巖心的頻散幅度A和頻散系數(shù)a隨含水飽和度的增大而增大，當(dāng)含水飽和度較高時(shí)，其變化趨于緩慢。表明含水飽和度越高，頻散程度越大，介電常數(shù)也就越高。

圖6 10號(hào)巖心頻散幅度、頻散系數(shù)與礦化度的關(guān)系

圖7 頻散幅度、頻散系數(shù)與含水飽和度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)在同一礦化度條件下，巖心的相對(duì)介電常數(shù)隨著頻率的增加逐漸降低，且在低頻段下降較快，高頻段下降緩慢，同時(shí)隨著含水飽和度的增加，巖石的頻散程度越大。

(2)在相同含水飽和度、不同礦化度條件下，當(dāng)含水飽和度相對(duì)較低時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)隨礦化度的增大而降低，當(dāng)含水飽和度增大到一定程度時(shí)，不同礦化度的相對(duì)介電常數(shù)曲線基本重合。

(3)分析各介電測(cè)井儀的工作頻率可知，巖石介電常數(shù)隨含水孔隙度的升高而近于線性增大，在低頻下相對(duì)介電常數(shù)對(duì)含水孔隙度的變化更敏感，并結(jié)合其他孔隙度測(cè)量方法，確定地層含水飽和度。

(4)巖心的頻散幅度和頻散系數(shù)隨含水飽和度的增大而增大，說明含水飽和度越高，介電常數(shù)就越高，頻散程度也就越大。

[1] 尚作源,馮啟寧.三種頻帶的巖石介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量結(jié)果[J].地球物理學(xué)報(bào),1995,38(SI),253-259.

[2] 楊虹.20 MHz-270 MHz介電常數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量[D].北京：中國(guó)石油大學(xué),1992.

[3] 趙成剛.砂泥巖剖面巖心介電實(shí)驗(yàn)研究[J].石油儀器,2014,28(6)：57-59.

[4] 李琪.普通巖心分析技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社,1993：50-70.

[5] 李傳偉.雙頻介電測(cè)井方法與實(shí)現(xiàn)[J].地球物理進(jìn)展,2007,22(6)：1862-1866.

[6] 雷林林.貼壁式多頻電磁波測(cè)井設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)研究[D].吉林：吉林大學(xué),2015.

[7] 謝然紅.射頻段巖石介電頻散特性[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào),2001,25(1)：90-92.

[8] 陳季丹,劉子玉.電介質(zhì)物理學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1986：110-130.

[9] 馮啟寧.巖石介電常數(shù)的頻散特性[C]//石油地球科學(xué)技術(shù)進(jìn)展論文集,北京：石油工業(yè)出版社,1996：117-125.

[10] 施咸迪,沈良璣.甚高頻時(shí)巖石介電常數(shù)的測(cè)試方法和特性[J].地球物理學(xué)報(bào),1989,32(1)：99-110.

[11] 馮啟寧,趙健,尚作源.泥質(zhì)砂巖中束縛水的介電特性[J].測(cè)井技術(shù),1993,17(6)：415-421.

[12] 楊永飛,姚軍.油藏巖石潤(rùn)濕性對(duì)氣驅(qū)剩余油微觀分布的影響機(jī)制[J].石油學(xué)報(bào),2010,31(3)：467-470.

編輯：王金旗

1673-8217(2016)06-0081-05

2016-07-13

王偉東，1990年生，地球物理測(cè)井專業(yè)在讀碩士研究生，現(xiàn)從事電法測(cè)井巖石物理實(shí)驗(yàn)研究。

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