裂缝性岩石低频下复电阻率与饱和度关系研究

储层中裂缝的发育影响着油气运移和储存,因此识别裂缝以及得到裂缝性储层的表征参数与物理性质对于预测天然气的产量有重要的意义.本文主要通过实验和数值模拟研究了低频段（100 Hz~1 MHz）内均质岩样和不同裂缝参数的裂缝性岩样的复电阻率频散特性.利用有限元模拟计算简易岩样模型的复电阻率,研究了完全饱和水状态下均质岩样与裂缝岩样复电阻率频散特性的区别.并重点研究了100 Hz、1 kHz和10 kHz下均质岩样以及不同裂缝宽度、密度、倾角岩样含水饱和度S_W与电阻增大率I_R、含水饱和度S_W与介电常数变化率I_ε的变化关系.实验结果显示完全饱含水的情况下裂缝的出现,使得岩样的复电阻率实部降低,复电阻率虚部的幅值减小;不同频率（100 Hz、1 kHz和10 kHz）下I_R-S_W曲线发生分离.裂缝密度和裂缝倾角的增加,导致岩样的复电阻率实部降低,复电阻率虚部的幅值减小;并使得不同频率下的I_R-S_W和I_ε-S_W分离程度变大.讨论了阿尔奇公式中饱和度指数n与系数b以及仿阿尔奇公式中介电饱和度指数n'与系数b'与裂缝参数的关系,说明在高含水饱和度时,导电与介电的幂指数规律基本一致.通过对裂缝性岩石上述参数的研究,为多频复电阻率测井仪的研发提供理论与实验支撑,进而提高裂缝性储层含气性识别以及定量评价含气饱和度的可靠性.

     

Studies in the dielectric constant of Indian sandstones as a function of water content,part II

Summary Dielectric constants of many sedimentary and metamorphic rocks as a function of water content and frequency have been measured and represented graphically. The results are discussed in the light of known theories. The most significant part of the observations is a type of hysteresis cycle in the values of the dielectric constant for increasing and decreasing water content.     

低频含水岩石介电高值成因及改进测量方法

含水岩石在低频下常常呈现高达104以上的介电常数值,数值模拟和实测结果都表明这是由于岩石中存在着传导电流,其具有与外场同相和正交的实、虚部,这二者通过与频率成反比的关系叠加在介电常数上.提出在平行板电容器一极板与被测岩石样品间夹入不导电薄膜的办法来消除传导电流的不利影响.对标准件的测量表明该方法的最大误差在4%以内.用该方法测量淡水饱和岩石样品,结果得到合理适中的介电常数值及清晰明了的介电极化谱.除湿岩石外,该方法还适用于冰、生物肌体等固态导电介质的介电谱研究.     

岩石声频散的实验研究及声波速度的外推

对岩石声频散进行了实验研究,用不同频率的声学探头使用超声波脉冲穿透法对砂岩和泥岩样品进行了测量,并分析了两者的频散现象.结果表明：在51kHz—1MHz频率范围内,在干燥状态下岩芯有频散现象;在饱水状态下,砂岩的频散现象更明显,岩芯中流体的存在是影响纵波频散的一个重要原因.利用频散方程计算不同频率时的速度值,并与实验结果进行了比较,说明频散方程可以较好的描述砂岩与泥岩的频散关系.     

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.     

数字岩心宽频带动态应力应变模拟方法及其对含裂隙致密岩石频散和衰减特征的表征

利用数字岩石物理技术表征复杂非均质多孔岩石跨频段的频散和衰减特征对于综合利用多尺度的地球物理数据进行地层非均质性的刻画具有重要的意义.现有的描述波致流体流动引起的频散和衰减效应的数字岩心动态应力应变模拟方法主要为单频率模拟方法,需要在不同的频率进行多次模拟才能刻画频散和衰减特征.本文提出了宽频带动态应力应变模拟方法,通过给数字岩心加载一个快速趋于恒定的宏观应变,采用波场正演技术求解数字岩心内部流固耦合的应变场和应力场,模拟数字岩心内部的应力松弛过程,从而通过一次模拟计算目标频段范围内连续的频散和衰减曲线.该方法可以成功地用于刻画含裂隙致密岩石挤喷流效应引起的速度频散和衰减特征,并通过数值模拟较为系统地揭示致密地层中控制挤喷流效应的主控物理因素,这些认识也与现有挤喷流效应的理论模型有较好的吻合.

     

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.

     

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.     

岩石声频散的实验研究及声波速度的外推

对岩石声频散进行了实验研究，用不同频率的声学探头使用超声波脉冲穿透法对砂岩和泥岩样品进行了测量，并分析了两者的频散现象.结果表明：在51kHz-1MHz频率范围内，在干燥状态下岩芯有频散现象；在饱水状态下，砂岩的频散现象更明显，岩芯中流体的存在是影响纵波频散的一个重要原因.利用频散方程计算不同频率时的速度值，并与实验结果进行了比较，说明频散方程可以较好的描述砂岩与泥岩的频散关系.     

基于岩石电性参数频散特性评价润湿性的实验方法研究

岩石电性参数频散特性与润湿性之间存在着密切的关系,在油驱水、水驱油的岩石电性参频散特性的实验中,不同润湿性岩石,其复电阻率模值频散率Pρ和相位频散率Pφ随含水饱和度变化曲线的斜率k不同,亲油岩石的斜率k最大,中性润湿的岩石次之,亲水岩石的斜率k最小,其中油驱水相位频散率Pφ的斜率k与岩石润湿性的关系表现得最为明显.因此,可以利用油驱水相位频散率Pφ的斜率k定性的评价储层岩石的润湿性.     

Effect of Stress on the Magnetic Memory of Induced Magnetic Anisotropy of Rocks and Its Mathematical Model

When re-heated to temperatures below the Curie temperature and subsequently cooled in a constant magnetic field (H _T), rock samples which contain magnetic minerals can acquire an induced magnetic anisotropy (IMA). As the result of acquiring the IMA, a constriction develops in the hysteresis loop of the magnetization of these rocks at the values of the magnetizing field close or equal to the HT. Thus the IMA is capable of retaining the information on the palaeointensity of the geomagnetic field, i.e., if IMA was created in a rock in the geomagnetic field in a past geological epoch, it preserves the information on the intensity of that field. Investigations have shown, that when IMA is created in a rock under external stress, the stress has an impact on the magnetic memory. Here we also deal with the issue of how stress affects the magnetic memory of IMA. A mathematical model for the effect of stress on magnetic memory phenomena related to induced magnetic anisotropy in rocks containing multidomain magnetite and titanomagnetite grains is proposed herewith. The effect of temperature on the magnetic memory of rocks is discussed also.     

Water content and porosity estimated from ground-penetrating radar and resistivity

Both ground-penetrating radar and the resistivity method have proven to be useful tools for exploring water content variations, since related parameters such as dielectric constant and the resistivity of rocks and sediments are highly dependent on moisture content. These methods were used independently to estimate volumetric water content in the unsaturated zone and porosity in the saturated zone in a 100-m sandy section. Two sample sites along the profile were also chosen for a shallow geophysical investigation and soil sampling, to enable the calibration and verification of the indirect geophysical methods. The grain distribution at these sites is dominated by medium-sized sand (0.25–0.5 mm). The water content was 6.9 vol.% and calculated porosities are 37% and 40% respectively. At each of these sites the mean water content values calculated from resistivity are within one percentage unit of measured water content while those calculated from ground-penetrating radar give higher values by as much as 2.9 percentage units. The water contents in the unsaturated zone in the section, estimated from resistivity and ground-penetrating radar, show very similar trends, although that deduced from ground-penetrating radar is generally somewhat larger, consistent with the results from the sample sites. The mean porosity values obtained from the two methods in the saturated zone are in good agreement.     

碳酸盐岩跨频段岩石物理测量与理论建模——不同孔隙结构对碳酸盐岩频散与衰减的影响研究

碳酸盐岩孔隙结构类型复杂多样,当地震波经过含有不同孔隙结构的流体饱和岩石后往往会产生不同的波频散和衰减特征,这使得根据波的不同响应特征来推断碳酸盐岩的孔隙结构类型,甚至孔隙流体性质信息成为可能.本文针对白云岩、灰岩以及人工碳酸盐岩样品开展了跨频段（超声+低频）实验测量和理论建模,探索碳酸盐岩的孔隙结构类型和孔隙流体对模量频散和衰减的影响机制.首先根据铸体薄片、扫描电镜的图像对碳酸盐岩样品进行了孔隙结构类型分析,并将样品主要分为裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三类,然后测量了相应样品完全饱和流体后在不同围压下的模量频散与衰减.在完全饱和甘油并处于低围压时,裂缝型与孔洞型样品均出现一个衰减峰,分别位于1 Hz与100 Hz附近,而裂缝-孔隙型样品则具有两个衰减峰,一个在1 Hz附近,另一个在100 Hz附近.裂缝型样品（裂缝主导）的衰减峰相比孔洞型样品（中等刚度孔隙主导）对应的衰减峰在低围压下幅度更大,且对围压变化更敏感.在测量数据的基础上,建立了考虑纵横比分布的软孔隙和中等刚度孔隙的喷射流模型,认为该模型能一定程度上解释裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三种类型碳酸盐岩在测量频带的频散.以上研究加深了对不同孔隙类型主导的碳酸盐岩储层地震响应特征的认识,对储层预测工作的进一步精细化具有重要意义.     

碳酸盐岩跨频段岩石物理测量与理论建模——不同孔隙结构对碳酸盐岩频散与衰减的影响研究

碳酸盐岩孔隙结构类型复杂多样,当地震波经过含有不同孔隙结构的流体饱和岩石后往往会产生不同的波频散和衰减特征,这使得根据波的不同响应特征来推断碳酸盐岩的孔隙结构类型,甚至孔隙流体性质信息成为可能.本文针对白云岩、灰岩以及人工碳酸盐岩样品开展了跨频段（超声+低频）实验测量和理论建模,探索碳酸盐岩的孔隙结构类型和孔隙流体对模量频散和衰减的影响机制.首先根据铸体薄片、扫描电镜的图像对碳酸盐岩样品进行了孔隙结构类型分析,并将样品主要分为裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三类,然后测量了相应样品完全饱和流体后在不同围压下的模量频散与衰减.在完全饱和甘油并处于低围压时,裂缝型与孔洞型样品均出现一个衰减峰,分别位于1 Hz与100 Hz附近,而裂缝-孔隙型样品则具有两个衰减峰,一个在1 Hz附近,另一个在100 Hz附近.裂缝型样品（裂缝主导）的衰减峰相比孔洞型样品（中等刚度孔隙主导）对应的衰减峰在低围压下幅度更大,且对围压变化更敏感.在测量数据的基础上,建立了考虑纵横比分布的软孔隙和中等刚度孔隙的喷射流模型,认为该模型能一定程度上解释裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三种类型碳酸盐岩在测量频带的频散.以上研究加深了对不同孔隙类型主导的碳酸盐岩储层地震响应特征的认识,对储层预测工作的进一步精细化具有重要意义.

     

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.本文基于终端开口同轴探头法,利用谱域准静态模型,开发了一套岩矿石复介电常数测试系统.该系统的岩矿石样品制作简单,避免了传统方法中岩样制作困难、岩样成品率低的弊病,且算法较为成熟,满足宽频带要求.本文使用开口同轴法分别测试了几种典型的成矿火成岩及变质岩介电常数.介电常数计算结果能够较好地表征围岩与矿体的差别,这为实际金属矿钻孔探测打下了基础.     

Experimental research on the rock electrical parameter dispersion properties in the displacement process

Based on experiments on rock electrical parameter dispersion properties in both water displacing oil and oil displacing water processes, it is found that the frequency dispersion properties of electrical parameters in water-bearing rocks are quite different from those in oil-bearing rocks. Oil saturation can severely impact the rock electrical parameter dispersion properties and as the oil saturation increases, the properties are more distinguishing. The variation of formation water salinity has a significant effect on the rock resistivity, hence the modulus of the rock complex resistivity varies with water saturation and a U-shaped curve occurs over a single frequency, just like the normal resistivity. However, the effect of formation water salinity on the rock frequency dispersion is less than that of oil saturation. As a result, the rock electrical parameter dispersion properties will have a significant potential of application in the evaluation of watered-out zones as well as identification of oil-bearing zones and water-bearing zones.     

致密碳酸盐岩跨频段岩石物理实验及频散分析

致密碳酸盐岩在成岩和后成岩过程中形成了复杂的孔隙结构特征,其速度等地震弹性参数不仅与孔隙度有关,而且还与孔隙结构特征密切相关.为了进一步研究致密碳酸盐岩内部流体相关的速度频散特征,针对致密碳酸盐岩进行实验室的频散测量与频散理论分析尤为重要.本研究选用了一块典型的致密型碳酸盐岩样品,在对样品进行了精细的包括CT扫描与镜下薄片的孔隙结构描述基础上,进行了实验室跨频段（从地震频段-超声频段）的频散测量与频散响应分析.比较实验室跨频段岩石物理频散测量可以获得如下认识：1）较之于典型的"喷射流"机制,改进的"喷射流"模型可以半定量地解释频散测量的结果,这大大提高了对致密碳酸盐岩频散响应的理解与认识;2）改进的"喷射流"模型还不能完全精确地匹配实验室频散测量结果,这说明除了微观尺度下的"喷射流"机制,还存在着其他控制频散与衰减的机制;3）本项工作对研究致密碳酸盐岩储层中不同频段地震波响应以及对储层预测与流体识别提供了理论依据.     

Electrical properties and geochemistry of carbonate rocks from the Qasr El‐Sagha Formation,El‐Faiyum,Egypt

Understanding petrographical, geochemical and electrical properties of rocks is essential for investigating minerals. This paper presents a study of the petrographical, geochemical and A.C. electrical properties of carbonate rock samples. The samples collected show six lithostratigraphic rock units. Electrical properties were measured using a non‐polarizing electrode at room temperature (～20°C) and a relative atmospheric humidity of ～50% by weight in the frequency range from 42 Hz to 5 MHz. The difference in electrical properties between the samples was attributed to the change in composition and texture between the samples. Electrical properties generally change with many factors (grain size, chemical composition, grain shape and facies). The dielectric constant decreases with frequency and increases with conductor composition. The conductivity increases with the increase of conductor paths between electrodes. Many parameters can contribute to the same result of the electrical properties. The main objective of the present study is to shed more light on the relation between the texture and geochemical composition of measured samples (carbonates that contain clays and quartz grains) through electrical laboratory measurements (conductivity and dielectric constant as a function of frequency).     

Modelling of GPR waves for lossy media obeying a complex power law of frequency for dielectric permittivity

The attenuation of ground‐penetrating radar (GPR) energy in the subsurface decreases and shifts the amplitude spectrum of the radar pulse to lower frequencies (absorption) with increasing traveltime and causes also a distortion of wavelet phase (dispersion). The attenuation is often expressed by the quality factor Q. For GPR studies, Q can be estimated from the ratio of the real part to the imaginary part of the dielectric permittivity. We consider a complex power function of frequency for the dielectric permittivity, and show that this dielectric response corresponds to a frequency‐independent‐Q or simply a constant‐Q model. The phase velocity (dispersion relationship) and the absorption coefficient of electromagnetic waves also obey a frequency power law. This approach is easy to use in the frequency domain and the wave propagation can be described by two parameters only, for example Q and the phase velocity at an arbitrary reference frequency. This simplicity makes it practical for any inversion technique. Furthermore, by using the Hilbert transform relating the velocity and the absorption coefficient (which obeys a frequency power law), we find the same dispersion relationship for the phase velocity. Both approaches are valid for a constant value of Q over a restricted frequency‐bandwidth, and are applicable in a material that is assumed to have no instantaneous dielectric response. Many GPR profiles acquired in a dry aeolian environment have shown a strong reflectivity inside dunes. Changes in water content are believed to be the origin of this reflectivity. We model the radar reflections from the bottom of a dry aeolian dune using the 1D wavelet modelling method. We discuss the choice of the reference wavelet in this modelling approach. A trial‐and‐error match of modelled and observed data was performed to estimate the optimum set of parameters characterizing the materials composing the site. Additionally, by combining the complex refractive index method (CRIM) and/or Topp equations for the bulk permittivity (dielectric constant) of moist sandy soils with a frequency power law for the dielectric response, we introduce them into the expression for the reflection coefficient. Using this method, we can estimate the water content and explain its effect on the reflection coefficient and on wavelet modelling.     

10.6～1.5GPa、室温～1 200℃条件下青藏高原地壳岩石弹性波速特征

通过对采自青藏高原的六种地壳岩石，包括花岗闪长岩、混合岩、片麻岩、玄武岩、辉橄岩及斜长角闪岩等，进行高温高压纵波速度测量，发现绝大多数地壳岩石其纵波速度在压力高于0.2-0.3GPa时基本上随压力线性增加。在固定压力下随温度升高而降低，但在温度较低时这一现象并不明显，随温度的程式高波速出现明显降低。通过对实验后的样品进行显微薄片分析，发现含水矿物的脱水和部分熔融是造成岩石波迅速降低的主要原因。在实验过程中还发现高压下温度较高时，接收到的超声波振幅会增大。对实验中发现的这些现象本文进行了初步的分析和讨论。