潘保芝,栗 猛,張麗華,郭宇航,劉文斌,郭懷志

(吉林大學地球探測科學與技術學院,吉林長春130026)

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低頻條件下巖石孔隙水電容特性的蒸發(fā)實驗研究

潘保芝,栗 猛,張麗華,郭宇航,劉文斌,郭懷志

(吉林大學地球探測科學與技術學院,吉林長春130026)

從束縛水、自由水的介電特性差異出發(fā),測量相同幾何尺寸巖樣的電容值反映其介電特性,研究了一種新的巖石孔隙水分布狀態(tài)分析方法并定量確定束縛水飽和度。采用巖石質量-電性參數(shù)自動測量系統(tǒng)實現(xiàn)巖石不同質量和不同頻率下電容數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣。掃頻測量的實驗結果表明,100×103Hz是一個比較理想的測量頻率,該頻率下水的分布狀態(tài)對巖石電容-含水飽和度曲線的形態(tài)影響較大,巖石電容-含水飽和度曲線呈N形分布。將N形曲線上、下拐點作為吸附水、束縛水含量分界線來得到巖石吸附水和束縛水的飽和度。實驗結果表明,采用介電實驗研究巖石孔隙水分布狀態(tài)的方法可行,并證明了巖石吸附水、微毛細管水和自由水具有不同的介電特性,且受測量頻率和含水飽和度的影響。

巖石;電容;介電;束縛水;束縛水飽和度

由于巖石的潤濕性和毛細管力的作用,分布和殘存在巖石顆粒接觸縫和微細孔隙中的毛細管水和吸附在巖石顆粒表面的吸附水幾乎不流動,稱為束縛水,相應的飽和度稱為束縛水飽和度。隨著油田勘探開發(fā)地質對象越來越復雜,勘探開發(fā)目標逐漸轉向“三低”(低孔、低滲、低阻)油氣藏,由于這類油氣藏束縛水含量高、儲層孔隙結構和巖石導電性質復雜,使得測井定量評價飽和度、識別流體性質困難。三水模型在該類儲集層解釋上具有良好的應用效果,但應用時需要準確測量、計算束縛水飽和度等參數(shù)[1-2]。實驗室通常采用離心法、相滲法、隔板法、密閉取心測量的方法測量巖石束縛水飽和度[3]。然而這些實驗方法測量得到的束縛水飽和度并非巖石電學意義上的束縛水飽和度,應用在雙水模型、三水模型等以導電性建立的飽和度測井解釋中可能存在物理意義不一致、數(shù)值不對等的問題[4]。

國外對束縛水、自由水的介電特性研究較多,在生物、遙感、巖石、土壤領域均有研究。MEANEY等[5]研究了生物組織的介電特性,發(fā)現(xiàn)束縛水在大多數(shù)組織中廣泛存在,例如,在肌肉組織中每克蛋白質估計有0.4～0.6g束縛水,在微波成像測量組織含水量時,束縛水、自由水的介電差異明顯。BOYARSKII等[6]對巖石孔隙中不同分布狀態(tài)水的介電特性進行研究后認為,距離顆粒表面越近的水分子弛豫時間越長,對應的介電常數(shù)越小,達到十個水分子厚度后,相當于自由水。JOHNSON等[7]研究了泥質、粉砂質土壤的介電特性,按與顆粒表面的距離將孔隙水分為吸附水、毛細水、自由水。低陽離子交換量土壤(界面極化作用微弱)表面水層3種水的介電常數(shù)依次增大,巖石的頻散主要與弱束縛吸附水和內毛細管水有關。HEIMOVAARA等[8]研究時域反射方法測量土壤含水量時采用了空氣、自由水、束縛水、固體顆粒的體積模型。

國內對生物和土壤的束縛水、自由水的介電特性研究較多?？軙钥档萚9]和張俊榮等[10]認為,在輸入微波遙感參數(shù)時,需要考慮植被的束縛水、自由水比例。巨兆強[11]指出,在研究土壤介電特性時,需要考慮土壤中不同性質水分的介電差異。國內巖石介電研究大多未區(qū)分束縛水、自由水的介電差異,僅馮啟寧[12]提出在電磁波測井解釋中需考慮束縛水、自由水的介電特性差異,修正了之前的介電解釋模型。

介電常數(shù)反映了介質在外加電場下的極化能力,巖石中主要的極化類型有界面極化、轉向極化、位移極化、電化學極化。泥質砂巖的雙電層作用會增強界面極化,介電頻散與陽離子交換量有關,陽離子交換量與電化學極化和界面極化有關[13-17]。一般認為巖石在低頻段的頻散現(xiàn)象屬于Maxwel-Wagner非均質介電頻散,有別于均勻電介質的頻散特征[18-19]。肖毅等[18]研究認為,低頻下含水巖石中界面極化占主導作用,在100～15×106Hz頻段內存在兩種界面極化作用:較低頻率的巖石外表面界面極化和較高頻率的巖石內表面界面極化。

本文從束縛水、自由水的介電特性差異出發(fā),基于巖石電容實驗，研究巖石孔隙水的分布狀態(tài)。采用巖石質量-電性參數(shù)自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)巖石不同質量和不同頻率下電容數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣,考察不同頻率下自由水、束縛水的介電特性差異,并對實驗數(shù)據(jù)進行分析解釋,以期通過研究巖石介電特性,得到巖石電學意義上的束縛水飽和度。

1 實驗裝置與測量方法

直接測量巖樣的介電常數(shù)對巖樣物理加工條件及測量儀器要求高,而采用數(shù)字電橋測量巖樣的電容直觀、簡便。由于介電常數(shù)本質上是介質相對真空增加電容器電容能力的度量,故測量的介質電容越大,介電常數(shù)就越大。當圓柱狀待測量介質滿足d/h>10時,則可由(1)式計算其相對介電常數(shù)εr:

(1)

式中:h,d,C,εo分別是巖樣的高度、直徑、電容和真空介電常數(shù)。由于本文待測巖樣具有一致的幾何尺寸,因此忽略幾何尺寸的影響,認為巖樣電容的變化代表了巖樣介電常數(shù)的變化特性,(1)式計算的介電常數(shù)可以看作是巖石視介電常數(shù)。

采用巖石質量-電性參數(shù)自動測量系統(tǒng)(圖1)實現(xiàn)巖樣從全飽和狀態(tài)到干樣過程的數(shù)據(jù)密集采樣。該測量系統(tǒng)由微機、TH2829C數(shù)字電橋、梅特勒ML503天平、數(shù)據(jù)傳輸線及配套軟件組成。圖2 是測量電極,為了保證金屬網(wǎng)電極和巖樣充分耦合,巖樣夾持時在測量電極的金屬網(wǎng)和塑料墊板之間墊過濾膜。

圖1 巖石質量-電性參數(shù)自動測量系統(tǒng)

圖2 測量電極及巖樣

蒸發(fā)過程中含水飽和度Sw的計算公式為:

(2)

式中:m,md,mb分別為巖樣的即時質量、干巖樣質量、飽和0.5%NaCl溶液巖樣質量。圖3與圖4分別給出了巖樣的質量、計算得到的含水飽和度隨蒸發(fā)時間的變化曲線。

圖3 巖樣質量隨蒸發(fā)時間變化曲線

該系統(tǒng)的優(yōu)勢是:采樣密集、連續(xù),自動記錄,巖樣與電極在測量過程中耦合狀態(tài)不變。巖石電容測量頻率設置為1×103,10×103,100×103,500×103Hz,每5min掃描測量一次,記錄一次巖石質量。

圖4 巖樣含水飽和度隨蒸發(fā)時間變化曲線

2 實驗測量數(shù)據(jù)及分析

本文測量了5塊巖樣,巖樣巖性及孔隙度、滲透率等參數(shù)見表1。對5塊巖樣進行了蒸發(fā)過程質量、電容的測量,獲得了巖石電容-含水飽和度變化曲線(圖5)。由于不同頻率巖樣電容值相差很大,為了直觀顯示較高頻率的測量數(shù)據(jù),圖5中左側圖給出了5塊巖樣4種頻率(1×103,10×103,100×103,500×103Hz)的測量結果,右側圖給出了巖樣在100×103,500×103Hz的放大顯示結果。圖5右側圖中100×103Hz巖石電容-含水飽和度曲線上、下拐點位置分別用上、下箭頭表示。對于100×103Hz曲線N形特征明顯的,如d號巖樣,取點為曲線的峰和谷位置;N形特征不是很明顯的曲線,如b號巖樣,取點為曲線斜率變化明顯的位置。

表1 巖樣巖性及孔滲等參數(shù)

圖5 5塊巖樣的電容-含水飽和度變化曲線

3 實驗現(xiàn)象

以圖5中e號巖樣為例,可以看到巖石電容存在明顯的頻散現(xiàn)象,巖樣含水飽和度越大,電容數(shù)值越大,相同含水飽和度時巖石電容隨測量頻率增大而顯著減小,頻散現(xiàn)象會隨著測量頻率的增大而變弱。1×103Hz曲線在飽和度為7%以下較平緩,之后隨飽和度增大,電容迅速增大;10×103Hz曲線形態(tài)特征類似1×103Hz曲線;而100×103Hz曲線呈現(xiàn)N形特征,分別用上、下箭頭表示曲線峰值(Swo)和谷值(Swi),e號巖樣的Swo和Swi分別對應含水飽和度10.6%和20.8%。e號巖樣500×103Hz曲線形態(tài)和其它巖樣不太相同,其電容在飽和度為18%之前隨飽和度增大而增大,隨后數(shù)值降低,在飽和度為50%之后達到穩(wěn)定,而其它巖樣多是達到一個飽和度臨界值后,巖石電容就較為穩(wěn)定了。綜合來看,100×103Hz曲線形態(tài)最為特殊,我們將其作為特征曲線。

一般情況下,孔滲高的巖樣對應的低飽和度段(N曲線左段)電容增大段較短,而低孔滲巖樣對應的較長。泥質含量較低的a號和b號巖樣100×103Hz曲線N形態(tài)特征明顯弱于其它巖樣。

孔隙度、泥質含量、含水飽和度都會影響巖石的電容測量值。以100%飽和狀態(tài)為例,e號巖樣100×103Hz曲線有著最大的電容值53pF;孔隙度最小、泥質含量最少的b號巖樣為28pF。孔隙度相近的a,c,d巖樣中,泥質含量最高的d號巖樣電容測量值最大。測量的巖石電容特性與前人高頻條件下的介電測量結果符合較好[12-16]。

4 實驗現(xiàn)象解釋

巖樣在蒸發(fā)過程中,自由水先蒸發(fā),其次是弱束縛毛細水,最后為強束縛毛細水和吸附水。

1×103Hz,10×103Hz曲線高飽和度段對應的電容隨含水飽和度增大而迅速增大,而在100×103Hz曲線上這種現(xiàn)象微弱很多,在500×103Hz曲

線上幾乎不存在這一現(xiàn)象，說明存在一種截止頻率為幾百kHz的特殊極化作用?？紤]到巖樣蒸發(fā)全過程,首先蒸發(fā)的是巖樣表層的水分,因此該階段突顯的是巖石外表面的界面極化作用,這說明巖石內表面和外表面都存在界面極化作用,且外表面極化作用頻段范圍小于內表面極化作用[17-19]。

巖樣蒸發(fā)過程中溶液離子濃度增大,造成了100×103Hz低含水飽和度的電容大于高含水飽和度電容,說明溶液礦化度增大使得界面極化作用增強,礦化度增大對電容增量的影響超過了飽和度降低的影響,說明該部分的水是顆粒表面附近的。

采用500×103Hz測量頻率時,巖樣電容在一個飽和度臨界值前隨含水飽和度增大而增大,達到臨界值后較為平穩(wěn),這是由于測量頻率增大,礦化度的影響被削弱，說明500×103Hz下影響巖石電容大小的主要因素是產生界面極化的顆粒表面水,非顆粒表面水的貢獻比較小。而e號巖樣曲線異于其它巖樣,與其較高的孔隙度、滲透率有關。

泥質的雙電層作用會增強界面極化作用,且泥質顆粒越細,泥質含量越高,表面束縛水越多，所以不同泥質含量的巖樣曲線N形態(tài)明顯程度不同。

需要注意的是,采用自制電極測量時有雜散電容存在,測量的電容數(shù)據(jù)大于實際值。而巖樣測量過程耦合狀態(tài)不變,所以雜散電容的影響可看作不變。此外,由于實驗測量的是蒸發(fā)過程的數(shù)據(jù),而實際過程并非是自由水完全蒸發(fā)后束縛水才蒸發(fā),這樣就會有一定誤差。

綜合實驗現(xiàn)象和解釋,本文將N曲線分為3段,前兩段代表介電意義的束縛水,該部分對應吸附水和較靠近骨架的內毛細水。最后一段代表外毛細水、自由水、巖樣表層水。本文采用100×103Hz曲線的N型拐點確定束縛水飽和度。其結果和其它測量方法得到的束縛水飽和度如表2所示。由表2可知,采用N曲線下拐點Swi值作為巖石介電束縛水飽和度,其值接近離心束縛水飽和度,N曲線上拐點Swo代表吸附水飽和度。

本文對巖樣的Swo,Swi值和孔隙度、滲透率、泥質含量進行了線性擬合(圖6)。由圖6可知,N曲線的下拐點值Swi和孔隙度、滲透率的相關性比較好,R2分別達到了0.62和0.90,顯而易見,孔隙度、滲透率值大的巖樣束縛水飽和度較低。一般情況下,吸附水飽和度和束縛水飽和度與泥質含量正相關,而本次實驗擬合的結果發(fā)現(xiàn)泥質含量的影響不明顯,這是樣本數(shù)量較少導致。b號巖樣泥質含量最低,但同時孔隙度也最低,滲透率也很低,所以吸附水飽和度和束縛水飽和度受泥質含量影響小。剔除b號巖樣可以看到其它4塊巖樣的Swo值和Swi值與泥質含量正相關。

表2 本文方法得到的巖樣束縛水飽和度與其它方法結果對比

圖6 吸附水飽和度Swo(a)和束縛水飽和度Swi(b)與孔隙度、滲透率、泥質含量的擬合關系

5 結論

實驗采用測量相同幾何尺寸巖樣的電容來研究巖樣的介電特性,發(fā)現(xiàn)巖石孔隙中不同賦存狀態(tài)水的介電特性不同。吸附水、內毛細水與顆粒的界面極化作用受測量頻率的影響較大,這部分水在100×103Hz電容-含水飽和度曲線中對應下拐點Swi之前的一段。100×103Hz曲線N形態(tài)明顯程度和巖樣泥質含量正相關。

巖石存在內表面界面極化和外表面界面極化,且外表面界面極化導致了幾百kHz以下巖石電容的異常高值。

巖石電容值與巖石孔隙度、含水飽和度、泥質含量、測量頻率等都有關。連續(xù)測量巖石飽和狀態(tài)到完全蒸發(fā)的電容值和含水飽和度可以反映不同賦存狀態(tài)的水,得到巖石介電意義上的束縛水飽和度。

該測量方法簡單易行,還可得到離心、相滲等方法不能測量的吸附水含量數(shù)據(jù)。不同于離心、相滲、核磁等非電學物理實驗方法,本文方法提供的介電意義上的束縛水飽和度可提高雙水模型、三水模型解釋精度,更有利于當前低孔滲泥質砂巖儲集層的測井評價。

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(編輯：陳 杰)

The capacitance characteristics of porous rock with evaporationexperiment method under low frequency condition

PAN Baozhi,LI Meng,ZHANG Lihua,GUO Yuhang,LIU Wenbin,GUO Huaizhi

(CollegeofGeo-ExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China)

The irreducible water saturation is usually obtained with centrifugation method,phase permeability experiment,semipermeable membrane method and sealed coring.In the term of rock electricity,they are not bound water saturation parameters involved in double-water and three-water model in well logging interpretation.In this article,a new method is tested to get rock pore water distribution properties based on dielectric property difference of free water and bound water.Rock weight and capacitance data is continuous sampled using rock weight-electric parameter automatic measurement system.Measurement results show that 100kHz data is ideal,water distribution difference is obvious at the frequency,and the rock capacitance-water saturation curve is in the shape of N.We use up-inflection-point and down-inflection-point of N-shape curve to partition adsorption water and bound water saturation of porous rock.Our data proved that adsorption water,capillary water and free water have different dielectric properties and it’s influenced by measuring frequency and water saturation.Our data shows that this method is useful to study rock pore water distribution.Since the exploration and development target of oil field inclined to be low permeability,low porosity and low resistivity with high bound water and adsorption water saturation,complex pore texture and complex conductive properties,our experiment research will play a great role in the interpretation of low permeability,low porosity and low resistivity reservoir for three-water model.

rock,capacitance,dielectric,bound water,bound water saturation

2016-03-08;改回日期：2016-06-29。

潘保芝(1962—),女,教授,博士生導師,主要從事地球物理數(shù)據(jù)處理與儲層評價方面的研究。

栗猛(1993—),男,碩士在讀,主要從事測井數(shù)據(jù)處理與巖石物理方面的研究。

國家科技重大專項(2011ZX0504)資助。

P631

A

1000-1441(2017)02-0185-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.02.004

This research is financially supported by National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2011ZX0504).

潘保芝,栗猛,張麗華,等.低頻條件下巖石孔隙水電容特性的蒸發(fā)實驗研究[J].石油物探,2017,56(2):-191

PAN Baozhi,LI Meng,ZHANG Lihua,et al.The capacitance characteristics of porous rock with evaporation experiment method under low frequency condition[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(2):-191