岩石的电磁学性质

第三章岩石的电磁学性质•对于地球物理来讲，岩石电学是一门必不可少的专业基础学科。它不仅为地电探测提供理论基础和解释依据，也为关于地球内部物质科学的研究提供理论基础、探测手段和解释方法。•岩石电学是直流电法、电磁法、激发极化法、地面和井中无线电波法、地面和井中雷达法以及震电法的理论基础。•岩石磁学也已形成了独立的理论体系，其有关结果已经为地磁(磁法)和地电(直流电法和交流电磁法)探测提供了坚实的理论基础和可靠的解释依据.•在油气勘探中常常利用岩石的电学和磁学和核等特性了解岩石和流体的性质。•从岩石物理实验来看，岩石的电磁学特性是测井诸多方法的基础。本章主要介绍储层岩石的导电特性和核磁特性。3.1岩石的导电特性•岩石的电学特性反映在导电特性上。•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。•岩石的电性由导电矿物的相对含量及岩石中所含的流体决定。•按其导电特性可将岩石分成两类：①没有离子导体(电解液)和没有孔隙(裂隙)水极化效应的岩石。这类岩石主要是致密岩石，有孔隙及裂隙；但在孔隙和裂隙中没有水的岩石具有非常高的电阻率。②含有离子导体及有强烈的孔隙(裂隙)水极化效应的岩石。这种岩石主要是含水的孔隙性沉积岩，尤其是碎屑岩、裂隙发育的岩浆岩及变质岩。一、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：R=rS/L式中R—电阻率(Ω•m)；γ—电阻(Ω)；S-导体截面积(m2)；L—导体长度(m)。电阻率R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、主要矿物和岩石的电阻率•岩石电阻率主要取决于岩性、岩石孔隙度、岩石孔隙中的流体饱和度、导电流体矿化度、泥质含量以及温度等。•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。•沉积岩的特点是离子导电，沉积岩中地下水的矿化度、动态和水文化学特点对岩石的电阻率有很大的影响。•在众多的沉积岩中，白云岩和致密结晶灰岩的电阻率最高，可达到106Ω•m，而砂岩的电阻率在几十到100Ω•m之间。•另外，由于沉积岩具有明显的成层性，所以其电阻率具有显著的各向异性。2、岩石电阻率变化的一般规律•在天然状态下岩石的电阻率与很多因素有关，岩性是其中的一个。•火成岩和变质岩，这两类岩石均为结晶岩，内部结构致密，而且它们的组成矿物几乎全部为绝缘体，其导电性主要取决于岩石的含水量。•这些岩石位于潜水面以上时，其导电作用主要取决于岩石内的吸附水，电阻率在103～106Ω·m之间。•潜水面以下时，岩石的含水量主要取决于其中的束缚水(毛细管水)和自由水(重力水)。•沉积岩的特点是离子导电。由于沉积岩的含水量主要由层间地下水决定，所以地下水的矿化度、动态和水文化学特点对岩石的电阻率有很大的影响。•在众多的沉积岩中，白云岩和致密结晶灰岩的电阻率最高，可达到106Ω•m，而砂岩的电阻率在几十到100Ω•m之间。•另外，由于沉积岩具有明显的成层性，所以其电阻率具有显著的各向异性。3、岩石的电阻率及其影响因素•影响岩石电阻率的因素很多。在实际状态下，岩石具有很复杂的成份和结构：固体矿物、孔隙、裂隙、石油及天然气、重新沉积的物质等。•成分和结构的影响：大多数岩石和矿石由均匀或不均匀的颗粒组成，而颗粒与颗粒之间由胶结物黏结在一起。因此，岩石和矿石的电阻率取决于这些胶结物和矿物颗粒的电阻率及其含量。•含水量和矿化度的影响：地下水及天然水的电阻率较低，一般在100Ω•m以下。当水中含有盐分时，电阻率会急剧降低。因此，岩矿石中的含水量及其水的矿化度对岩矿石的电阻率有很大的影响。•由于岩石中的水是储存在孔隙中的，所以岩石的孔隙度和孔隙结构决定了岩石的含水量大小。•如果孔隙是连通的，则其中的水对岩石的电阻率有很大的影响。否则，如果孔隙是不连通的，则其中的水对岩石的电阻率只有很小的影响。•岩石骨架可以认为是不导电的，纯砂岩地层的导电机理主要是离子导电，离子导电岩石的电阻率主要取决于孔隙中流体的导电能力。•因为石油和天然气的电阻率值要比地层水的电阻率值大得多，因此，当岩石孔隙中含油气饱和度比较高时，地层的电阻率值就比较高，这是电阻率测井方法评价地层含油饱和度的物理基础。•电阻率测井之所以能成为应用最广泛、也是最重要的测井方法，主要依赖于建立在岩石物理实验基础上的阿尔奇(Archie)公式。二、含流体岩石导电特性的实验定律•石油勘探开发所涉及的岩层主要是离子导电的沉积岩。•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。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。1、含水岩石导电性的实验定律•已有许多人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。其中最著名一个是由阿尔奇(Arehie)于1942年完成的。•阿尔奇通过对实验数据的分析发现，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为一常数为，称为阿尔奇地层因子。•式中F为地层因子或地层电阻率因子。wFRR0wRRF0地层因子•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。•在物理上，F代表当骨架不导电时，岩石的电阻率相对于地层水的电阻率的放大倍数。•当骨架不导电时，岩石的电阻率要大于地层水的电阻率，而F则代表增大的倍数。•经验证明，F与下列因素有关：①孔隙度；②孔隙的结构和几何形状；③孔隙的连通情况。阿尔奇地层因子公式•阿尔奇通过分析实验数据发现：•式中Φ为孔隙度；m为胶结指数，对胶结岩石m在1.8～2.0之间，非胶结岩石大约为1.3。根据此定义，孔隙度Φ是岩石参数，R是岩石电学物理参数，地层因子F则是将两者联系在一起来。•阿尔奇公式改进：（1）Homble（2）Dachnov(1959)（3）Kermabon(1969)mF115.262.0FmaFmaaF)(2、岩石导电的理论模型•阿尔奇公式及其的修正形式都描述了砂岩的电阻率和孔隙度及其饱和度之间的关系。•这种关系可以利用岩石的孔隙模型来解释，由此可推导出岩石的电性与其物性参数间的关系。岩石一端的截面积为A，边长为L；毛细管的截面积为Aw，毛细管的长度不La（LaL）。孔隙中全饱和水的电阻率为Rw，考虑岩石骨架不导电，在模型中有效导电的截面为Aw。•当电流通过充满水的毛细管孔隙时的电阻•用R0表示全饱和电阻为Rw的水岩石的电阻率，•注意，这是水饱和岩石的电阻率，电流通过的面积和长度是岩石的截面积A和长度L。LArRw0式中τ为岩石的曲折度。aawwLAALRLArR0aawwALRrAAAALLLAALRRFaaaaaw/0孔隙度和曲折度之间的关系•上式为孔隙度和曲折度之间的关系。21mF)21(mAALLAAaaa2/AAFa•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：•式中常数C受迂曲度影响，一般C=l／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。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。mCF3、含油岩石电阻率与饱和度关系•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Lt增加，有效导体横截而积变小为At。•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。电阻率指数I•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•与地层因子和孔隙度相似，通过实验可以给出电阻率指数与饱和度之间的关系。•在实验室通常选取具有代表性的岩石，先测出岩石含水时的电阻率R0，然后对全饱和水岩石逐步挤入油，同时测出在不同含油饱和度So时相应的岩石电阻率Rs，则可得到不同饱和度时的电阻指数。•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So—含油饱和度，Sw—含水饱和度，n饱和度指数；b—系数。饱和度指数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So的关系曲线．求出地层的含油气饱和度。nonwtSbSbRRI)1(0•此式表明，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。饱和地层水和油孔隙岩石的电阻率为在含油和水的毛细管模型中，当电流通过时的电阻为：ttwttLAALRLArRttwtALRr•可以把电阻指数公式写成与地层因子公式类似的一般形式：式中C’为曲折度函数；n为饱和度指数。•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。•阿尔奇（Archie）总结分析了大量实验数据，建议用下面的形式：nwSCI'2wSI7.2wSI胶结岩石William4、阿尔奇公式•在实际应用中地层因子和电阻指数公式经常用有常数的普遍形式nwSCI'mCFmwaRRF0nwtSbRRI0式中F为地层的电阻率因子，也称相对电阻率；I为地层的电阻增大系数；Rt为地层的真电阻率，R0为地层100%含水时的电阻率，Rw为地层水的电阻率，m是地层胶结指数，慢地层的饱和度指数，a,b为常数。•阿尔奇公式的建立是以纯砂岩地层为基础的，适用于地层较纯(含泥少)、孔隐分布均匀、地层水矿化度相对高以及离子导电是唯一的导电方式的条件下。•在这种条件下，m和n值都近似等于2，a和b值都近似等于1。wRRF021F201wtSRRI)(12twwRRS)(twmnRRaSw推广为一般形式阿尔奇公式优点•阿尔奇公式是利用测井资料定量计算饱和度的基础，是通过实验得到的客观规律。•阿尔奇公式能够将测井信息转换成地质参数(储层参数)，同时也能将地质参数转换成测井信息。阿尔奇公式局限（1）由R0到