鄒德鵬, 柯式鎮(zhèn), 李君建, 賀秋利, 馬雪瑞

(1.中國石油大學(xué)(北京), 北京 102249; 2.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心, 陜西 西安 710077)

0　引　言

復(fù)電阻率測(cè)井作為一種新的測(cè)井方法,在低孔隙度、低滲透率、低電阻率和水淹油藏等復(fù)雜油藏的評(píng)價(jià)中顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。在含黏土礦物較高的非常規(guī)油氣儲(chǔ)層,開展黏土礦物對(duì)巖心復(fù)電阻率頻散的影響實(shí)驗(yàn)研究顯得十分必要。李建軍等[1-2]研究了礦化度、含水飽和度、CEC對(duì)巖心復(fù)電阻率頻散的影響;關(guān)繼騰等[3]模擬計(jì)算了儲(chǔ)層巖石的孔隙度、陽離子交換量(CEC)、離子濃度與復(fù)電阻率頻散特性的關(guān)系;李建軍等[4]利用公式推導(dǎo)說明了巖心電容隨泥質(zhì)含量和礦化度的增大而增加,且?guī)r心電容的增大趨勢(shì)造成巖心復(fù)電阻率隨溶液礦化度和泥質(zhì)含量的增大而減小的結(jié)論。本文在不同黏土礦物含量巖心的測(cè)量中觀察到了與前人不同的現(xiàn)象,利用薄膜極化假說給出了解釋;同時(shí)也分析了黏土礦物種類對(duì)復(fù)電阻率頻散的影響。

1　電阻率頻散理論基礎(chǔ)

由物理學(xué)的基本知識(shí)可知,在交變電磁場(chǎng)中存在2種電流,即傳導(dǎo)電流和位移電流。前者是由帶電粒子(電子、離子等)的定向運(yùn)動(dòng)所引起;而后者為極化分子定向排列(介電極化)所致,相位與前者相差π/2。在導(dǎo)電介質(zhì)中,總電流密度j為

j=jC+jD=σE+iωεE=(σ+iωε)E

(1)

式中,jC和jD分別為傳導(dǎo)電流密度和位移電流密度;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;σ為表征導(dǎo)電介質(zhì)對(duì)傳導(dǎo)電流導(dǎo)電性的電導(dǎo)率;ε為表征電介質(zhì)介電極化特性的介電常數(shù);ω=2πf為角頻率[2]。

泥質(zhì)砂巖復(fù)電阻率特性的微觀機(jī)理是諧變電流場(chǎng)激發(fā)泥質(zhì)砂巖孔隙中離子流和電流出現(xiàn)周期性波動(dòng)現(xiàn)象,致使孔隙中離子濃差極化和雙電層形變也出現(xiàn)周期性波動(dòng)特性,從而在宏觀上產(chǎn)生泥質(zhì)砂巖復(fù)電阻率的頻散特性[2]。

2　不同黏土礦物的電化學(xué)特性

地層中最常見的黏土礦物包括高嶺石、蒙脫石、伊利石3種(見表1)。在高嶺石的結(jié)構(gòu)中,晶層的一面全部由氧組成,另一面全部由羥基組成。晶層之間通過氫鍵緊密聯(lián)結(jié),很少發(fā)生晶格取代,可交換陽離子很少,水不易進(jìn)入其中,屬于非膨脹性黏土礦物,CEC最小。蒙脫石的晶層間引力以分子間力為主,引力弱,存在晶格取代,導(dǎo)致表面負(fù)電荷較多,吸附水化陽離子給黏土帶來厚的水化膜,使蒙脫石水化膨脹,CEC最大。伊利石存在晶格取代且取代數(shù)目比蒙脫石多,產(chǎn)生的負(fù)電荷由K+平衡,K+的大小剛好嵌入晶層間氧離子網(wǎng)格形成的空穴中,通過強(qiáng)大的靜電力連接,水分子不易進(jìn)入晶層,因此伊利石不易水化膨脹,也屬于非膨脹性黏土礦物,CEC大小介于蒙脫石和高嶺石之間。

表1　3種黏土礦物的電化學(xué)特性

3　含黏土礦物人工巖心的電阻率頻散實(shí)驗(yàn)

為了方便進(jìn)行各種影響因素尤其是黏土含量和種類對(duì)電阻率頻散的對(duì)比分析,采用人工巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。共制作4種共16塊人工巖心,每種4塊。分別為純砂巖巖心,含蒙脫石、高嶺石、伊利石砂巖,添加的黏土礦物純度達(dá)到90%以上,含量分別為10%、20%、30%、40%。巖心的各項(xiàng)參數(shù)見表2。

對(duì)制作完成的人工巖心進(jìn)行烘干,然后向巖心真空加壓飽和礦化度2.5×103mg/L的CaCl2溶液。將飽和好的巖心放入巖心夾持器,利用手動(dòng)加壓泵加圍壓,并保持圍壓在10 MPa。利用平流泵進(jìn)行恒流油驅(qū)水,采用的油為煤油,驅(qū)替速度0.01 mL/min,采用計(jì)量管計(jì)量出水量,根據(jù)出水量計(jì)算含水飽和度。

表2　人工巖心參數(shù)表

利用安捷倫生產(chǎn)的4294A阻抗分析儀測(cè)量各飽和度點(diǎn)的巖心復(fù)電阻率頻譜,測(cè)量頻段為40 Hz～110 MHz。

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1　孔隙度對(duì)電阻率頻散的影響

選取4塊孔隙度不同的純砂巖巖心,在100%飽和2.5×103mg/L的CaCl2溶液的情況下,測(cè)得的巖心電頻散特性曲線如圖1所示?？梢钥闯?巖心電頻散特性曲線的基本特征:孔隙度越小,巖心的復(fù)電阻率的實(shí)部和虛部絕對(duì)值越大,即導(dǎo)電能力越差;孔隙度越小,代表巖心界面極化頻率的復(fù)電阻率虛部谷底頻率越小,且與孔隙度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,如圖1(b)所示。造成這2種特征的原因:①砂巖巖心主要通過孔隙水導(dǎo)電,在含水飽和度相同的前提下,孔隙度減小,導(dǎo)電能力下降,巖心電阻率升高;②界面極化的消失主要是因?yàn)殡x子的遷移跟不上外電場(chǎng)變化的速度,孔隙度變小會(huì)導(dǎo)致離子擴(kuò)散的空間變小,離子的遷移速度變慢,難以跟上電場(chǎng)變化的速度,導(dǎo)致界面極化頻率變小。

圖1　孔隙度對(duì)電阻率頻散的影響注:Re、Im分別代表復(fù)電阻率的實(shí)部和虛部,下同。

圖2　含水飽和度對(duì)電阻率頻散的影響

4.2　含水飽和度對(duì)電阻率頻散的影響

圖2(a)為巖心4-3不同含水飽和度下的電阻率頻譜曲線,所含溶液為2.5×103mg/L的CaCl2,巖心含黏土礦物為伊利石,含量為30%。巖心的電頻散特性曲線的基本特征:隨著含水飽和度的減小,復(fù)電阻率的實(shí)部和虛部的絕對(duì)值都增大,巖心界面極化頻率變小。這是因?yàn)?巖心主要通過孔隙水導(dǎo)電,含水飽和度減小,導(dǎo)電性能變差。而且隨著巖心中水的減少,離子擴(kuò)散的空間變小(與孔隙度變小的效果相同),離子的遷移速度變慢,難以跟上電場(chǎng)變化的速度,導(dǎo)致界面極化頻率變小。界面極化頻率與含水飽和度呈良好的指數(shù)關(guān)系,而且,如圖2(b)所示,對(duì)縱坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)數(shù)刻度可以看出,隨著黏土礦物含量的增加,界面極化頻率隨含水飽和度的增大而增大的速度加快。

4.3　黏土礦物含量對(duì)電阻率頻散的影響

圖3(a)為不同黏土礦物含量的巖心2-1至2-4的電阻率頻散曲線,所含黏土礦物為蒙脫石,含量分別為10%、20%、30%、40%,含水飽和度為100%,孔隙度在16%～24%之間。由于孔隙度不一致,需要對(duì)界面極化頻率進(jìn)行孔隙度校正。

圖3　黏土礦物含量對(duì)電阻率頻散的影響

由圖1(b),界面極化頻率與孔隙度呈線性關(guān)系,關(guān)系式為

fc=10787φ-67292

(2)

則巖心2-1至2-4的界面極化頻率與孔隙度的關(guān)系式為

fc=a(φ0+Δφ)+b

(3)

因此,經(jīng)孔隙度校正后的界面極化頻率為

(4)

圖3(a)和圖3(b)所示的電阻率特征并不完全符合黏土含量越大電阻率越小的常規(guī)認(rèn)知,這種現(xiàn)象在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中并不少見,可以基于薄膜極化假說進(jìn)行解釋。在薄膜極化假說中描述了如下情形:如果巖石顆粒間的孔隙很小,截面直徑與巖石顆粒溶液界面上雙電層的分散區(qū)厚度差不多,則整個(gè)孔隙皆處于雙電層分散區(qū)內(nèi),這類孔隙也被稱為薄膜[5]。關(guān)繼騰等[3]也證明了周期性諧變電流場(chǎng)激發(fā)的泥質(zhì)砂巖復(fù)電阻率特性,是諧變電流場(chǎng)和離子濃度梯度場(chǎng)共同作用的結(jié)果,是由孔隙中離子濃差極化(又稱薄膜極化)電位和雙電層形變電位形成的。因此,黏土礦物的存在對(duì)巖心電阻率頻散存在2方面的影響:① 黏土礦物陽離子交換容量產(chǎn)生的附加導(dǎo)電性;② 黏土礦物吸水膨脹使部分孔隙直徑變小,形成的薄膜降低了孔隙離子的遷移速度,簡稱為“薄膜效應(yīng)”。

如圖3(a)所示,含20%蒙脫石的巖心的復(fù)電阻率的實(shí)部和虛部的絕對(duì)值比含10%蒙脫石的巖心的小,界面極化頻率相對(duì)要大。這是因?yàn)榇藭r(shí)的黏土礦物還較少,在孔隙中形成的薄膜很少,黏土礦物陽離子交換容量產(chǎn)生的附加導(dǎo)電性影響占主導(dǎo),黏土礦物的增多使離子的遷移速度變快,因此,復(fù)電阻率的實(shí)部和虛部的絕對(duì)值變小,界面極化頻率增大。含30%蒙脫石的巖心的復(fù)電阻率的實(shí)部和虛部的絕對(duì)值比含20%蒙脫石的巖心的大,這是因?yàn)殡S著黏土礦物的增加,尤其蒙脫石吸水膨脹嚴(yán)重,導(dǎo)致孔隙變窄嚴(yán)重,黏土礦物導(dǎo)致的“薄膜效應(yīng)”占主導(dǎo)作用,黏土礦物含量越大,孔隙直徑越小,形成的薄膜越多,在薄膜中離子的遷移速度明顯變慢,因此,復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值變大,界面極化頻率減小。當(dāng)蒙脫石含量達(dá)到40%時(shí),黏土礦物含量足夠大,“薄膜效應(yīng)”達(dá)到最大,黏土礦物含量的增大只會(huì)增大離子遷移速度,因此,復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值減小,界面極化頻率增大。

4.4　黏土礦物種類對(duì)電阻率頻散的影響

圖4　含10%不同黏土礦物巖心電阻率頻散曲線

圖4為含10%蒙脫石(Mnt)、高嶺石(Kln)、伊利石(Ill)的巖心的電阻率頻散曲線,3塊巖心孔隙度在16%～17%之間,含水飽和度均為100%。3種黏土礦物的陽離子交換容量CEC從大到小:蒙脫石>伊利石>高嶺石。蒙脫石吸水膨脹嚴(yán)重導(dǎo)致“薄膜效應(yīng)”嚴(yán)重,相對(duì)其他巖心,其“薄膜效應(yīng)”占主導(dǎo),這也導(dǎo)致含蒙脫石巖心的復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值反而最大,界面極化頻率反而最小;高嶺石和伊利石都不易吸水膨脹,而伊利石的CEC明顯高于高嶺石,黏土附加導(dǎo)電性大于高嶺石,因此含伊利石巖心復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值小于含高嶺石巖心,界面極化頻率也較大。

4.5　溫度對(duì)泥質(zhì)砂巖電阻率頻散的影響

溫度對(duì)含蒙脫石、高嶺石和伊利石黏土礦物砂巖電阻率頻散影響如圖5至圖7所示。在高溫時(shí),能夠較為完整地觀測(cè)到巖石的復(fù)電阻率曲線,隨著溫度的降低,巖石的復(fù)電阻率實(shí)部、虛部絕對(duì)值增大,頻散程度增強(qiáng),界面極化頻率隨溫度的降低而減小,且兩者呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。這是由于溫度降低,孔隙水中離子遷移速度降低,跟隨外電場(chǎng)做周期性變化所需的弛豫時(shí)間變長,發(fā)生薄膜極化和雙電層形變極化所需的弛豫時(shí)間變長[6],故界面極化頻率向頻率降低的方向移動(dòng)。圖6(a)部分曲線的界面極化頻率超出了測(cè)量范圍,可利用Cole-Cole模型計(jì)算得到。

圖5　溫度對(duì)含蒙脫砂巖巖心電阻率頻散的影響

圖6　溫度對(duì)含高嶺石砂巖巖心電阻率頻散的影響

圖7　溫度對(duì)含伊利石砂巖巖心電阻率頻散的影響

5　結(jié)　論

(1) 隨著孔隙度的增加,巖心的復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值減小,界面極化頻率增大,界面極化頻率與孔隙度呈良好的線性關(guān)系。

(2) 隨著含水飽和度的增加,巖心的復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值減小,界面極化頻率增大且與含水飽和度呈較好的指數(shù)關(guān)系。隨著黏土礦物含量的增加,界面極化頻率隨含水飽和度增大而增大的速度加快。

(3) 當(dāng)黏土礦物含量較低時(shí),黏土礦物的附加導(dǎo)電性占主導(dǎo),黏土礦物含量增大,巖心的復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值減小,界面極化頻率增大;當(dāng)黏土礦物含量達(dá)到一定值時(shí),黏土礦物的“薄膜效應(yīng)”開始占主導(dǎo),隨著黏土礦物含量的增加,巖心的復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值增大,界面極化頻率減小;當(dāng)黏土礦物含量繼續(xù)增加到一定程度時(shí),黏土礦物的“薄膜效應(yīng)”達(dá)到極值,黏土礦物的附加導(dǎo)電性占主導(dǎo),黏土礦物含量增大,巖心的復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值減小,界面極化頻率增大。

(4) 蒙脫石吸水膨脹現(xiàn)象明顯大于伊利石和高嶺石,其“薄膜效應(yīng)”相較于其他2種黏土礦物占主導(dǎo),含蒙脫石巖心的復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值最大,界面極化頻率最小;伊利石的CEC高于高嶺石,黏土附加導(dǎo)電性大于高嶺石,含伊利石巖心復(fù)電阻率實(shí)部和虛部的絕對(duì)值小于含高嶺石巖心,界面極化頻率也較大。

(5) 對(duì)于“薄膜效應(yīng)”對(duì)巖心電頻散特性的影響是否存在普遍性,需要對(duì)更多不同巖心進(jìn)行測(cè)量加以驗(yàn)證。

(6) 對(duì)于含有黏土礦物砂巖,隨著溫度的升高,巖石電阻率頻散程度減小,界面極化頻率升高,且兩者呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。