油水饱和泥质砂岩流动电位的频散特性

油水饱和泥质砂岩中流动电位的研究对于揭示含油储层震电勘探和动电测井的机理有着重要的意义.本文首先从岩石孔隙的微观结构出发,构造了描述水润湿条件下油水饱和泥质砂岩储层的毛管模型.在模型中依据油水流动遵守的Navier-Stokes方程和电化学传质动力学理论,建立了描述油水饱和泥质砂岩流动电位的数学方程,并数学模拟了岩石储渗参数对流动电位频散特性的影响规律.研究结果表明:储层孔隙内流体受到的粘滞力与惯性力控制着水相和油相的流动,从而决定了流动电位的频散特性.随着孔隙度的增大,油水两相各自的有效渗透率均增大;而含水饱和度的升高使得水相有效渗透率增大,油相有效渗透率减小.在水润湿条件下,流动电位耦合系数随含水饱和度升高而增大,随束缚水饱和度的升高而减小.另外,流动电位相对耦合系数也随含水饱和度的升高而增大,但无频散现象.     

基于电震耦合理论研究电极法储层岩石复电阻率频散特性

复电阻率测井在识别油水层的能力上优于常规电阻率测井,然而储层岩石复电阻率特性的微观机理还没有统一完整的解释和数学模拟方法,致使复电阻率测井技术的开发缺乏足够的理论基础.本文基于孔隙介质Pride电震耦合理论,结合谐变信号激励下渗流场与电流场的耦合理论,推导出一级近似条件下的Pride电震耦合理论.采用格林函数方法建立了一维电震波场的波动方程及其解.构造了双电极法测量储层岩石复电阻率的物理模型和数学模型,从理论上阐明了岩石复电阻率频散特性的微观机制与电震效应的关系,定量分析了储层岩石复电阻率频散特性的影响因素.数学模拟结果表明:储层岩石复电阻率的频散现象是在电震快纵波和电震慢纵波的共同作用下,由孔隙介质中的电渗流机制形成的;储层岩石的复电阻率随孔隙度的增大而减小,随渗透率的增大而增大,地层水矿化度的增加或阳离子交换量的增大使得同频率的复电阻率减小.慢纵波界面极化频率受孔隙度、渗透率和地层弹性模量的影响较大,而快纵波界面极化频率受地层弹性模量的影响较大.     

水饱和孔隙介质中平面震电波电磁特性的定量模拟

震电效应在地球物理测井和勘探领域拥有十分广阔的前景.为了研究孔隙介质中的震电效应,本文基于毛管模型中渗流场和电流场耦合理论,利用Pride震电理论对震电耦合波传播特性进行了定量模拟;对震电横波、震电快纵波、震电慢纵波的传播速度、衰减常数、电场强度、电流密度以及电荷密度进行了比较,定量分析了其随孔隙度、离子浓度、阳离子交换量的变化规律.分析结果表明:随着频率增大,三种震电耦合波波速、衰减常数以及电流密度与固相速度比值的模值增大,震电横波电场强度与固相速度比值的模值减小,震电快纵波、慢纵波电场模值增大.当频率相同时,震电快纵波波速最大、衰减常数最小,震电慢纵波波速最慢、衰减常数最大,震电横波的波速和衰减常数大小居于快、慢纵波之间;频率不变时,震电慢纵波电场强度与固相速度比值的模值最大,快纵波次之,横波最小;中低频时,震电横波电流密度与固相速度比值的模值略大于慢纵波;高频时,震电慢纵波略大于横波,快纵波一直最小.溶液浓度和阳离子交换量对三种震电波的波速和衰减常数影响很小;溶液浓度越大或阳离子交换量越小,三种震电波电场强度、电流密度与固相速度比值的模值越小,震电快纵波和慢纵波电荷密度与固相速度比值的模值也越小,但是相位几乎都不变.     

不同物性参数的岩石电性参数频散特性实验

岩石电性参数的频散特性不仅受孔隙流体性质及其分布的影响,与岩石的物性参数也关系密切.本文通过不同孔隙度、不同渗透率的岩石电性参数频散特性的实验研究,依据Maxwell-Wagner界面极化理论,分析了岩石物性参教对岩石频散特性的影响规律及物理机理,同时建立了岩石电性参数频散特性与孔隙度和渗透率的关系模型,验证了利用岩石的电性参数频散特性评价储层物性参数的可行性.     

利用毛管模型研究泥质砂岩电化学测井响应机理

自然电位和激发极化电位测井响应所涉及的离子导体激发极化电位的微观机理解释,主要依据双电层形变假说和浓差极化假说,缺少定量描述的数学模型和理论体系.本文利用孔隙介质的微观毛管模型,给出了毛管模型中双电层理论和阳离子交换量与Zeta电位的关系,推导出毛管中离子流量和电流强度表达式.由电荷守恒定律和物质守恒定律,推导出毛管中离子浓度分布的解析表达式,建立了描述含水泥质砂岩激发极化电位和自然电位的数学模型.从而系统地严格证明了含水泥质砂岩激发极化现象是在电流场和浓度梯度场的共同作用下,由孔隙中离子浓度浓差极化电位和双电层形变电位形成的.并且证明了描述泥质砂岩自然电位的数学方程和描述激发极化电位的数学方程及形成机理是一致的.计算结果表明：激发极化极化率随孔隙度和渗透率的增大而减小;极化率随溶液浓度的增加而减小,随阳离子交换量的增加而增加;证明了地层水浓度、阳离子交换量是影响自然电位大小的主要因素.     

饱和岩石的动态渗透率和动电耦合系数解析式

动态渗透率和动电耦合系数是描述岩石中渗流波动和弹性-电磁耦合波效应的重要参数.本文基于毛细管束模型,提出了流体饱和孔隙介质的动态渗透率和动电耦合系数的解析表达式和简化表达式,并通过与前人近似式结果的对比,分析了不同表达式的合理性和适用性.在此基础上,理论分析了孔隙几何形状和孔径分布对渗透率和动电耦合系数的频率响应以及井孔震电耦合波场的影响.研究结果表明:当认为孔道均匀且达西渗透率、孔隙度和弯曲度恒定时,孔隙几何形状的影响很小,可以忽略,而前人的近似式高估了孔隙几何形状的影响;孔径分布的影响显著,随着孔径分布的增大,渗透率的临界频率显著减小,动电耦合系数的临界频率显著增加,震电测井的斯通利波及其伴随电场幅度显著增大.     

孔隙岩样动电特性的实验研究

本文针对流体饱和孔隙介质的动电效应,在实验室内进行了小岩样的动电实验(流动电势实验)测量,获得了10块岩样在6种不同饱和浓度下的流动电势系数,进而分析了饱和溶液浓度、岩样渗透率和泥质含量对流动电势系数的影响,探讨了流动电势系数对上述参数的敏感性,并进一步给出了流动电势系数随这些参数的变化规律.实验结果表明:前人流动电势系数频响曲线中的凹点现象是由实验装置的共振引起,并非岩样动电效应的自身特性.实验还发现:孔隙介质的动电耦合能力与溶液浓度有关,流动电势系数随溶液浓度增大而减小,但在很高浓度溶液中,动电现象依然存在,流动电势系数趋于常数.此外,流动电势系数对地层参数(渗透率和泥质含量)的敏感性受溶液浓度影响较大,随着溶液浓度增大,敏感性降低.因此,可在低浓度饱和情况下(低于0.4mol/L),利用流动电势系数的幅度对地层渗透率进行直接评价.本文结果对动电测井的可行性及应用条件给出了实验说明.     

有效应力变化对致密砂岩孔隙结构及弹性波响应的影响规律

致密砂岩气藏具有裂缝发育和有效应力高的特征,研究不同有效压力下孔、裂隙介质地震波传播特征,有利于地震解释与地下储层的识别.但是前人的研究较少考虑岩石内部微观孔隙结构特征与孔隙、裂隙间流体流动的关系.本文首先通过选取四川盆地典型致密砂岩岩样,在不同有效压力下对岩石样本进行超声波实验测量.然后基于实验测得的纵、横波速度进行裂隙参数反演,得到不同有效压力下致密砂岩样本的裂隙孔隙度.再将裂隙孔隙度和样本岩石物理参数代入双重孔隙介质模型,模拟得到不同有效压力下饱水致密砂岩样本纵横波速度频散和衰减的变化规律.结果表明模型预测的速度频散曲线与纵波速度实验测量结果能够较好的吻合.最后统计分析了致密砂岩裂隙参数,得到了致密砂岩储层裂隙参数随有效压力及孔隙度变化特征.依据实际岩石物理参数建立模型,其裂隙参数三维拟合结果能够较好描述致密砂岩裂隙结构与孔隙度、应力的关联,可为实际地震勘探中预测储层裂缝性质提供基础依据.     

含流体致密砂岩的纵波频散及衰减:基于双重双重孔隙结构模型描述的特征分析

致密砂岩普遍具有低孔、低渗及微裂缝发育的地质特征,并且呈现出很强的非均匀性.致密砂岩储层与常规砂岩储层比较,具有明显的岩石物理性质、渗流力学性质方面的差异.致密砂岩内部的非均匀性对弹性波频散、衰减有显著影响,其中包括孔隙结构的非均匀性,即岩石内部孔隙参数的不均一性,以及孔隙内部不相混溶流体的非均匀分布;此外,非均匀性的尺度也决定了波出现显著频散与衰减的频段.综合考虑致密砂岩孔隙结构非均匀性及流体斑块状饱和的非均匀性,本文采用双双重孔隙介质结构模拟了致密砂岩的弹性波响应,分析了同时具备两类非均质性岩石中的波传播特征.调查分析了两组分别来自中国鄂尔多斯盆地苏里格气田及四川盆地广安气田的不同类型致密砂岩储层的岩芯超声波实验数据,给出了岩石样本的弹性波速度频散与衰减曲线.结果显示理论模型预测结果与完全饱和、部分饱和岩石的实验数据吻合良好.对两个地区致密砂岩岩芯数据进行对比分析,苏里格致密砂岩样本总体上比广安致密砂岩渗透率高,在各孔隙度范围内,特征模拟显示苏里格样本的裂隙尺寸明显大于广安样本.广安致密砂岩在低孔隙度范围内发育了更多、更小的颗粒裂隙/接触.致密砂岩的速度频散与衰减结果受流体黏度、晶体破裂及流体斑块状饱和的共同影响.此外,孔隙度越大,部分饱和岩石中斑块状饱和机制对总衰减的贡献越低,与之相对,结构非均质性所占的比重则有所增强.     

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.     

A fractal model for streaming potential coefficient in porous media

Streaming potential is the result of coupling between a fluid flow and an electric current in porous rocks. The modified Helmholtz–Smoluchowski equation derived for capillary tubes is mostly used to determine the streaming potential coefficient of porous media. However, to the best of our knowledge, the fractal geometry theory is not yet applied to analyse the streaming potential in porous media. In this article, a fractal model for the streaming potential coefficient in porous media is developed based on the fractal theory of porous media and on the streaming potential in a capillary. The proposed model is expressed in terms of the zeta potential at the solid?liquid interface, the minimum and maximum pore/capillary radii, the fractal dimension, and the porosity of porous media. The model is also examined by using another capillary size distribution available in published articles. The results obtained from the model using two different capillary size distributions are in good agreement with each other. The model predictions are then compared with experimental data in the literature and those based on the modified Helmholtz–Smoluchowski equation. It is shown that the predictions from the proposed fractal model are in good agreement with experimental data. In addition, the proposed model is able to reproduce the same result as the Helmholtz–Smoluchowski equation, particularly for high fluid conductivity or large grain diameters. Other factors influencing the streaming potential coefficient in porous media are also analysed.     

平面S波在饱和多孔热弹性介质边界的反射问题研究

针对饱和多孔介质中热弹性波的传播特性问题,基于多孔介质理论和广义的热弹性模型,研究平面S波在饱和多孔热弹性介质边界上的反射问题。以考虑流-固耦合的饱和多孔介质波动方程和热-弹耦合的广义热弹性基本方程出发,建立饱和多孔介质的热-流-固耦合弹性波动模型。通过引入势函数并考虑自由透水和绝热的边界条件,经过理论推导最终给出在饱和多孔热弹性介质边界上的四种反射波的振幅反射率的理论表达式。在此基础上进行数值计算,分别讨论平面S波的入射频率、入射角和热膨胀系数等参数对四种反射波的振幅反射率的影响情况。结果表明:各反射波的振幅反射率分别随频率和热膨胀系数的增大而增大,同时也受到平面S波入射角变化的影响。该结论对于土动力学的理论研究及其相关的工程勘探具有一定的指导意义。     

含孔隙、裂隙致密介质中多极子声波的传播特征

非常规油气藏（如致密性地层及蕴藏油气的页岩地层）的重要特征是低孔、低渗,但裂隙或裂缝比较发育.为满足非常规勘探的需求,本文将孔、裂隙介质弹性波传播理论应用于多极子声波测井的井孔声场模拟,重点研究了致密介质中裂隙发育时多极子声波的传播机理以及衰减特征.井孔声场的数值计算结果表明裂隙的存在明显改变了弹性波和井孔模式波的频散、衰减和激发强度,尤其是井壁临界折射纵波的激发谱的峰值随着频率的增加逐渐降低,这与应用经典的Biot理论下的计算结果相反,且裂隙的存在也使得饱含水和饱含气时临界折射纵波激发强度的差异变大.井孔模式波的衰减与地层横波衰减和井壁流体交换有关,井壁开孔边界下致密地层裂隙发育还使得井孔斯通利波和艾里相附近的弯曲波对孔隙流体的敏感性增强,在井壁闭孔边界条件下引起井孔模式波衰减的主要因素是裂隙引起的地层横波衰减造成的,且在截止频率附近弯曲波的衰减与地层的横波衰减一致.数值计算结果为解释非常规油气地层的声学响应特征提供了参考.     

Experimental measurements of the streaming potential and seismoelectric conversion in Berea sandstone

The streaming potential across a porous medium is induced by a fluid flow due to an electric double layer between a solid and a fluid. When an acoustic wave propagates through a porous medium, the wave pressure generates a relative movement between the solid and the fluid. The moving charge in the fluid induces an electric field and seismoelectric conversion. In order to investigate the streaming potential and the seismoelectric conversion in the same rock sample, we conduct measurements with Berea sandstone saturated by NaCl solutions with different conductivities. We measure the electric voltage (streaming potential) across a cylindrical sample in NaCl solutions with different conductivities and under different pressures to determine the DC coupling coefficients. We also measure the seismoelectric signals induced by acoustic waves with a Berea sandstone plate at different frequencies and solution conductivities. The pressures of the acoustic waves are calibrated with a standard hydrophone (Brüel & 8103) at different frequencies (15–120 kHz). We calculate the quantitative coupling coefficients of the seismoelectric conversion at DC and at high frequencies with samples saturated by solutions with different conductivities. When the Berea sandstone sample is saturated by the NaCl solution with 0.32 mS/m in conductivity, for example, the DC and seismoelectric coupling coefficients at 15 kHz are 0.024 μV/Pa and 0.019 μV/Pa, respectively. The seismoelectric coupling coefficient is an important and helpful parameter for designing a seismoelectric tool. More experimental measurements of seismoelectric coupling coefficients in the frequency range of 100 Hz to 15 kHz are needed in the future.     

The Dual-Domain Porosity Apparatus: Characterizing Dual Porosity at the Sediment/Water Interface

The characterization of pore-space connectivity in porous media at the sediment/water interface is critical in understanding contaminant transport and reactive biogeochemical processes in zones of groundwater and surface-water exchange. Previous in situ studies of dual-domain (i.e., mobile/less-mobile porosity) systems have been limited to solute tracer injections at scales of meters to hundreds of meters and subsequent numerical model parameterization using fluid concentration histories. Pairing fine-scale (e.g., sub-meter) geoelectrical measurements with fluid tracer data over time alleviates dependence on flowpath-scale experiments, enabling spatially targeted characterization of shallow sediment/water interface media where biogeochemical reactivity is often high. The Dual-Domain Porosity Apparatus is a field-tested device capable of variable rate-controlled downward flow experiments. The Dual-Domain Porosity Apparatus facilitates inference of dual-domain parameters, i.e., mobile/less-mobile exchange rate coefficient and the ratio of less mobile to mobile porosity. The Dual-Domain Porosity Apparatus experimental procedure uses water electrical conductivity as a conservative tracer of differential loading and flushing of pore spaces within the region of measurement. Variable injection rates permit the direct quantification of the flow-dependence of dual-domain parameters, which has been theorized for decades but remains challenging to assess using existing experimental methodologies.     

泥质砂岩液相渗透率计算新方法

液相渗透率描述了岩石的渗流特性,是评价储层与预测油气产能的重要参数.液相渗透率是指盐水溶液在岩石孔隙中流动且与岩石孔隙表面黏土矿物发生物理化学作用时所测得的渗透率;液相渗透率的实验测量条件更加接近实际地层泥质砂岩的条件,使得液相渗透率更能反映地层条件下泥质砂岩的渗流特性;然而,现有的液相渗透率评价模型较少,且模型未能揭示液相渗透率与溶液矿化度之间的关系.基于此,开展了液相渗透模型推导与计算方法研究;文中首先将岩石等效为毛管束模型,推导建立了液相渗透率与比表面、喉道曲折度、总孔隙度、黏土束缚水孔隙度等参数之间的关系;其次,根据岩石物理体积模型,推导建立了黏土束缚水孔隙度与阳离子交换容量、溶液矿化度等参数的关系;最终,将黏土束缚水孔隙度引入液相渗透率计算公式,建立了基于总孔隙度、阳离子交换容量、溶液矿化度、比表面、喉道曲折度等参数的液相渗透率理论计算模型.液相渗透率计算模型与两组实验数据均表明,液相渗透率随阳离子交换容量的增大而降低,随溶液矿化度的增大而增大.然而,液相渗透率理论计算模型的实际应用中喉道曲折度、比表面等参数求取困难,直接利用理论模型计算液相渗透率受到限制.在分析液相渗透率与孔隙渗透率模型的基础上,建立了液相渗透率与空气渗透率之间的转换模型,形成了利用转化模型计算液相渗透率的新方法.为进一步验证液相渗透率与空气渗透率转化模型的准确性,基于两组实验数据,利用转换模型计算了液相渗透率;液相渗透率计算结果与岩心测量液相渗透率实验结果对比显示,液相渗透率计算结果与实际岩心测量结果吻合较好,文中建立的液相渗透率与空气渗透率转化模型合理可靠.     

非饱和土中剪切S波的传播特性分析

基于对非饱和多孔介质的研究成果,考虑孔隙中的液相和气相的相互影响,研究非饱和土地基中剪切S波的传播特性。通过非饱和土中固相、液相和气相的质量平衡方程、动量平衡方程和非饱和土有效应力原理,建立问题的弹性波动方程,经过理论推导给出非饱和土中剪切S波的弥散特征方程。通过数值算例分析剪切S波的波速和衰减系数随饱和度、频率和固有渗透系数等因素的变化规律。结果表明,剪切S波的波速几乎不受饱和度的影响,但其随着频率的增大而减小,随着固有渗透系数的增大先不变后增大;剪切S波的衰减系数随着饱和度和频率的增加均增大,而随着固有渗透系数的增大先不变后增大最后减小。