1 kHz—15 MHz岩石介电常数的实验研究

平行板电容法是低频段测量介质介电常数的一种方法，本文介绍使用ＨＰ１６４５１Ｂ低频段介电测量装置测量岩石介电特性的方法。给出岩石介电常数与岩性、孔隙度、含水饱和度矿化度和频率的关系，为进一步研究岩石低频段介电特性和机理提供依据。     

基于数字岩心的含裂隙储层砂岩介电性质研究

了解储层岩石的介电特性在石油工业的各个方面都有重要的应用.小尺度裂隙是影响岩石介电性质的地质因素之一,获得裂隙对含裂隙岩石介电性质影响的定量关系具有重要的理论和实践意义.以含裂隙人造砂岩的三维微观数字结构为基础,通过基于三维有限差分算法计算的岩石介电性质与实验数据的对比验证数值计算方法的有效性.在此基础上,通过理论模型获得不同孔隙度基质的介电性质,并在不含裂隙人造砂岩的三维微观数字结构中人为添加以裂隙密度和纵横比为定量表征参数的裂隙,应用验证后的数值算法模拟随频率变化的含裂隙砂岩的介电性质,分析和研究不同孔隙度基质中定向排列裂隙对砂岩介电性质的影响.结果表明,当裂隙孔隙度随裂隙纵横比或裂隙密度发生改变时,含裂隙砂岩的介电性质与裂隙密度以及裂隙纵横比呈正相关关系,而当裂隙孔隙度保持不变时,含裂隙砂岩的介电性质随裂隙纵横比的减小而增大;裂隙参数的改变对不同基质孔隙度的含裂隙砂岩的介电性质的影响趋势较为一致,但随着基质孔隙度的减小,裂隙对砂岩介电性质的影响逐渐增大.裂隙参数和基质孔隙度对含裂隙砂岩介电性质影响的研究结果为基于介电特性的裂缝性油气储层的定量表征提供了依据,在油气勘探开发中具有重要的应用前景.     

超声实验中谱比法衰减的散射与本征吸收特性

实际地球介质的弹性波衰减,无论是对于地球内部结构反演、含油气储层描述,还是对于地震岩石物理本身的基础研究而言,都十分重要.通过岩石物理实验测量岩石的弹性波衰减是相关研究的基本手段,而谱比法是一种最常用的测量方法.利用谱比法测量的弹性波衰减,简称谱比法衰减,由介质的本征吸收特性和非均质散射特性共同决定.然而,在谱比法理论中,没有将这两种衰减特性的作用区分对待.因此,实验室测量的谱比法衰减中是否含有散射特性,其散射特性是否可以忽略,常不明确.本文基于对岩石物理实验中样品波形特征的基本认识,通过能流理论描述了弹性波的本征吸收和非均质散射过程,以及对应的尾波形成机理.文章还应用能流理论测量岩石的弹性波衰减,即能流法衰减.无论是通过理论推导,还是通过实验验证,谱比法衰减与能流法衰减都显示出良好的一致性.这两种直达波衰减的一致性暗示了谱比法衰减中存在着两种衰减特性.文中还对比分析了谱比法衰减与喷射流本征衰减的实验结果,该结果同样展示了谱比法衰减中可能存在着散射特性.因此,通过能流理论,可以利用样品波形的尾波特征定性判断谱比法衰减中可能存在的散射特性.即异常明显的尾波振幅可能意味着强烈的直达波非均质散射,谱比法衰减中的散射特性因而不可忽略.     

甚高频时岩石介电常数的测试方法和特性

本文讨论20-200MHz频率范围内平行板电容法测量岩石介电常数和电导率的方法,指出常用的静电场公式的局限性,给出较精确的似稳场动态公式,并讨论20-50MHz频率范围内的岩石介电特性。     

甚高频时岩石介电常数的测试方法和特性

本文讨论20—200MHz频率范围内平行板电容法测量岩石介电常数和电导率的方法,指出常用的静电场公式的局限性,给出较精确的似稳场动态公式,并讨论20—50MHz频率范围内的岩石介电特性。     

高压下岩石弹性波速度几种测量方法的比较实验研究

在高压高温条件下测量岩石弹性波速是获得岩石在地球内部的各种力学和热力学数据的主要途径, 也是研究地球内部物质结构和组成的重要手段. 近年来, 用固体作为传压介质的高压高温岩石弹性波速测量方法发展较快, 然而目前各个实验室在高温高压条件下所测量出的岩石弹性波数据, 还没有进行过严格的对比. 为了对比各实验室的实验测量结果, 对3种测量方法进行了比较实验研究, 并与流体传压介质透射法的测量结果进行了对比. 实验表明, 3种测量方法在其适用压力范围内的测量结果都能相互对比. 其中Kern所使用的六面体样品脉冲透射法适用于压力温度较低的地壳类岩石样品的测量. 柱状样品脉冲反射-透射法在适用压力范围、加热温度和测量精度方面均有一定优势. 柱状样品脉冲透射法虽然在压力较低时测量精度较低, 但样品长度大, 组装简便, 适用于样品量大, 要求压力较高的实验. 因此在实际应用中, 后两种方法可进行相互校正和相互补充.     

基于电张量矩阵分析裂缝形态对页岩模型等效电特性的影响

对具有裂缝结构的各向异性页岩模型等效电特性的研究是非常规油气勘探、页岩储层评价和测井解释的重要基础.针对具有强各向异性的裂缝页岩模型,本文提出使用二阶电学张量矩阵来对裂缝模型的电各向异性进行分析.论文工作采用有限元方法对含针状裂缝和圆盘状裂缝的理想页岩模型进行数值模拟,系统地分析了裂缝的形状、体积以及在岩体中的不同位置形态对页岩等效电参数张量的影响.结果 表明:裂缝的存在是导致岩石模型表现出电各向异性的原因之一;当裂缝的体积相同时,裂缝的形状以及裂缝的位置不同,都会使页岩模型的介电张量出现较大差异,并随裂缝相对位置及角度改变而呈现一定规律.这一研究结果有望为电磁测井和页岩油页岩气参数的反演提供关键的理论参考依据.     

油井流动成像电磁测量方法研究

油井内流体的流动成像需要对非均匀介质进行动态非线性测量,基于油气与水的导电特性和介电特性差异,提出一种电磁成像测量方法,通过在井下激发电磁场对流体流动截面进行扫描测量,经过反演处理,实时成像显示流体分布及流动状况.数值模拟和物理模型实验结果表明,该方法可以获得多相流体流动截面的清晰图像.     

基于两级尺度粗化的裂缝-多孔隙介质地震响应分析方法

实际地震勘探中,储层物性参数的差异是导致地震波响应特征发生变化的根本原因,而建立储层物性参数与地震响应特征之间的联系,需要跨越微观孔隙尺度、介观测井尺度以及宏观地震尺度等三个不同尺度空间.本文基于已知井的岩石物理实验数据和测井数据,利用复杂多孔隙介质理论将微观尺度孔隙岩石粗化到介观测井尺度,利用Backus平均理论将介观测井尺度的模型进一步粗化到宏观地震尺度,最终,得到地震尺度裂缝-多孔隙介质模型.其数值计算结果与测井数据和地震数据的对比表明：基于两级尺度粗化算法的裂缝多孔隙介质模型在给定参数下是有效的,且基于该模型的地震响应特征分析方法能够对储层的地震响应特征随物性参数的变化进行分析.     

饱和多相流体岩石导电规律的数值实验

储层储量评价是石油勘探开发中的关键问题,而饱和多相流体岩石的电传输特性是储层储量评价的基础.通常这种电传输特性表现为Archie公式,但是在低孔、低渗复杂储层的研究中发现大量不符合Archie公式的非Archie现象.针对这一问题,利用数值模拟的方法,从微观角度研究孔隙结构、流体特性等因素对电传输特性的影响,揭示非Archie现象的成因.研究表明Archie公式中的饱和度指数是饱和度、孔隙度的函数,通过结合岩石物理实验,提出新的岩电关系模型,新模型与实验数据吻合得很好,表明新模型的有效性.     

基于开口同轴法的岩矿石样品介电常数测试

火成岩及变质岩找矿是金属探矿的重要组成部分,围岩与矿体之间存在的电性差别是区分二者的重要标志;另外探地雷达以高频电磁波传播为基础,决定电磁波场波速的主要因素是介电常数,因此以介电常数及电导率为内容的电性参数测试就显得尤为必要.传统岩矿石介电常数测试主要使用同轴传输/反射法,而开口同轴法在岩矿石电性测试方面的工作开展较少...     

岩芯尺度的宽频介电常数频谱实验室测量设备的误差分析及其在物质测量中的应用(英文)

宽频介电常数频谱测井技术最近被引进石油工业.这种新技术区别于传统介电常数测井技术在于多频率频谱的测定和利用.高频谱端包含介质油水饱和度信息,而低频谱端对介质中孔隙结构和水的分布形态很敏感.这种新技术可以有效地被应用于比如超淡水介质或者超黏度重油等对于常规测井来说是很困难的测量环境,而且受介质水中的含盐度影响很小.随着井下测井仪器的投入使用,相应的实验室岩芯测定设备和方法就变得重要起来.因为实验室环境相对较为稳定和可控,实验室岩芯测量结果是对井下测量的很好地验证和校订.文献中记载了许多非破坏性的实验室介电常数的测量设备,然而这些设备的共同局限性是它们对岩芯尺寸和岩芯样本的要求和限制,一般要求粉末状岩芯或者一厘米左右的小柱状岩芯.在碳酸盐介质中,非均匀性和各项异性非常普遍,小的岩芯样本能否涵盖井下设备测量尺度(1.5英寸)的特性很值得商榷.本文中介绍了一种最新设计的实验室大直径宽频介电常数测量设备.这个设备可以直接测量石油工业传统的1.5英寸岩芯样本,测量是非毁坏性的,也就是测量后的岩芯样本可以直接用于其它实验室测量设备,比如电阻率测量或核磁共振测量等.大量重复性试验测得的介电常数色散频谱的精确度对于低损耗介质在2%以内而对于高损耗介质在对孔隙度和含盐度校正以后精确度在3%.文中详细介绍了测量设备所使用的反演程序的算法模型,以及反演误差的算法.反演最后的误差可以用来做数据质量的评定.该测量装置被用于许多物质的测定.测定物质的数据库中合成石英(fused quartz),Teflon,合成陶瓷以及单晶硅的介电常数值可以在文献中找到.该设备的测量结果与文献参考值相符合,说明了该设备测量结果的可靠性.该设备还测量了矿物晶体碳酸钙,晶体白云石以及晶体硬石膏的介电常数,这是常见的碳酸盐介质的主要成分.这些测量给出了碳酸盐介质的边界成分区域值作为参考.该设备测量的两个单晶硅柱状样本的介电常数频谱特性发现退火会改变晶体的结构提高强度,同时会改变介质介电常数的特性.同时矿物晶体碳酸钙测量值高于粉末状测量结果也说明晶体结构可能会导致介电常数测量的不同.该设备具有1.5英寸的大尺度,因此具有和井下设备相仿的测量范围,因而不受介质水平各项异性的影响.但另一方面,该设备仍可以研究垂直各项异性.垂直各项异性的主要原因可能是化学成分不同,孔隙结构不对称或者温度对水分布的影响等等.在对岩石地面露头采样的研究中,宽频介电常数频谱实验室设备检测出了岩芯垂直各项异性,通过对比核磁共振一维孔隙度剖面结构发现总孔隙度不均衡以及分布不对称为该各项异性的主要来源,并且被CT图像所证实.     

1.2千巴围压下岩样破裂和摩擦滑动过程中电阻率变化h

在1.2千巴围压下进行了三种初始饱和岩样(辉长岩、花岗岩Ⅰ和Ⅱ,各以淡水和盐水饱和)的压缩实验直至破裂并继续到摩擦滑动,所有实验中测定了岩样电阻率。 以Brace等人研究表面电导的方法为基础,我们引入给定含水岩样的体电阻系数和面电导系数两个专用术语以分析实验结果。发现一旦岩样开始膨胀,其面电导系数随差应力增加都增大。结果表明:含水岩样体膨胀后电阻率下降主要是由于表面电导作用的增强。 和前人的结果不同,不同岩样摩擦滑动时电阻率变化各异。作者提出:这种差异可能与岩石中所含矿物颗粒大小有关。含大颗粒的岩石滑动时电阻率下降,而含小颗粒的岩石滑动时电阻率上升。      

Fast-decaying IP in frozen unconsolidated rocks and potentialities for its use in permafrost-related TEM studies

We investigate the early time induced polarization (IP) phenomenon in frozen unconsolidated rocks and its association with transient electromagnetic (TEM) signals measured in northern regions. The distinguishing feature of these signals is the distortion of the monotony or sign reversals in the time range from a few tens to a few hundreds of microseconds. In simulating TEM data, the IP effects in frozen ground were attributed to the dielectric relaxation phenomenon rather than to the frequency‐dependent conductivity. This enabled us to use laboratory experimental data available in the literature on dielectric spectroscopy of frozen rocks. In our studies we focused on simulating the transient response of a coincident‐loop configuration in three simple models: (i) a homogeneous frozen earth (half‐space); (ii) a two‐layered earth with the upper layer frozen; (iii) a two‐layered earth with the upper layer unfrozen. The conductivities of both frozen and unfrozen ground were assumed to exhibit no frequency dispersion, whereas the dielectric permittivity of frozen ground was assumed to be described by the Debye model. To simplify the presentation and the comparison analysis of the synthetic data, the TEM response of a frozen polarizable earth was normalized to that of a non‐polarizable earth having the same structure and resistivities as the polarizable earth. The effect of the dielectric relaxation on a TEM signal is marked by a clearly defined minimum. Its time coordinate t_min is approximately three times larger than the dielectric relaxation time constant τ. This suggests the use of t_min for direct estimation of τ, which, in turn, is closely associated with the temperature of frozen unconsolidated rock. The ordinate of the minimum is directly proportional to the static dielectric permittivity of frozen earth. Increasing the resistivity of a frozen earth and/or decreasing the loop size results in a progressively stronger effect of the dielectric relaxation on the TEM signal. In the case of unfrozen earth, seasonal freezing is not likely to have an appreciable effect on the TEM signal. However, for the frozen earth, seasonal thawing of a near‐surface layer may result in a noticeable attenuation of the TEM signal features associated with dielectric relaxation in a frozen half‐space. Forward calculations show that the dielectric relaxation of frozen unconsolidated rocks may significantly affect the transient response of a horizontal loop laid on the ground. This conclusion is in agreement with a practical example of inversion of the TEM data measured over the permafrost.     

A strategy for the determination of the dielectric permittivity of a lossy soil exploiting GPR surface measurements and a cooperative target

In this paper we deal with an indirect measure of the dielectric permittivity of the soil starting from GPR surface data collected on a buried “cooperative” target, meant as an object buried on purpose and whose extent is known a-priori. This target is exploited in order to achieve, from its image obtained from a suitable GPR data processing, an indirect measure of the dielectric permittivity of the embedding soil. GPR data processing is based on a linear microwave tomographic approach funded on the Born Approximation. Using this Born approach on two-dimensional inversion tests, we investigate the effect of the soil's electrical conductivity and permittivity on this indirect measure and demonstrate that the electrical field scattered by a spot-like buried object permits an accurate estimation of the soil permittivity even when no information of the soil conductivity is available.     

Time domain reflectometry measurement principles and applications

Time domain reflectometry (TDR) is a highly accurate and automatable method for determination of porous media water content and electrical conductivity. Water content is inferred from the dielectric permittivity of the medium, whereas electrical conductivity is inferred from TDR signal attenuation. Empirical and dielectric mixing models are used to relate water content to measured dielectric permittivity. Clay and organic matter bind substantial amounts of water, such that measured bulk dielectric constant is reduced and the relationship with total water content requires individual calibration. A variety of TDR probe configurations provide users with site‐ and media‐specific options. Advances in TDR technology and in other dielectric methods offer the promise not only for less expensive and more accurate tools for electrical determination of water and solute contents, but also a host of other properties such as specific surface area, and retention properties of porous media. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

Stick slip,charge separation and decay

Measurements of charge separation in rock during stable and unstable deformation give unexpectedly large decay times of 50 sec. Time-domain induced polarization experiments on wet and dry rocks give similar decay times and suggest that the same decay mechanisms operate in the induced polarization response as in the relaxation of charge generated by mechanical deformation. These large decay times are attributed to electrochemical processes in the rocks, and they require low-frequency relative permittivity to be very large, in excess of 10⁵. One consequence of large permittivity, and therefore long decay times, is that a significant portion of any electrical charge generated during an earthquake can persist for tens or hundreds of seconds. As a result, electrical disturbances associated with earthquakes should be observable for these lengths of time rather than for the milliseconds previously suggested.