（地质工程专业论文）岩石激发极化电位实验测试与分析.pdf

e x p e r i m e n t a l t e s ta n d a n a l y s i so f r o c ki n d u c e d l p o l a r i z a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：c h a oy i h a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d e n gs h a o g u i s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r ol e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 曩二建日期：乜，年厂月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：曩二童 指导教师签名： e l 期：加，年厂月厂日 日期：2 。，年月 同 岩石激发极化电位实验测试与分析 晁一寒( 地质工程) 导师：邓少贵( 副教授) 刘兵开( 高级工程师) 摘要 电化学电位测井作为一种特色测井方法，可用于确定地层阳离子交换量和地层水矿 化度以及研究孔隙结构等重要参数，但其理论和实验基础仍不完善，为了给井下仪器的 制备提供实验依据，本文根据电化学理论和介质极化理论，在电化学实验的基础之上， 重点分析了有金属介入或者不同金属作为测量电极，对激发极化电位的影响。 在不同矿化度、不同离子类型对泥质砂岩岩样进行激发极化电位实验测量，并分析 其规律和特征均表明：一般砂泥岩需要1 8 0 s 才能充分极化，而纯泥岩5 0 s 即可；在激发 电流允许的范围内一般选用较大的电流测量；较长的极化时间可以更详细的反映地层的 衰减特性；随着岩样孔隙度的增大，极化率幅度是逐渐降低的。 为模拟下井仪器实际材料要求，即耐高温、高压、耐腐蚀，本文选取钢( 哈氏合金) 、 铜、银、铝四种金属材料作为实验电极，测量不同金属材料介入或者作为测量电极的激 发极化电位，考查金属电极在实际地层中的可行性。由于不同的金属电极在溶液中发生 腐蚀电极反应会对激发极化电位产生的影响不同，综合分析其极化电位衰减曲线和极化 谱特征可得：银电极测量结果与参比电极的最相近，钢电极测量的结果与参比电极相比 偏高，钢电极和铝电极的测量结果无规律可循，即银电极的测量效果是最好的，铜电极 次之，铝电极和钢电极不适合作为测量的金属电极。 关键词：激发极化电位、激发极化谱特征、电极极化、腐蚀电池 e x p e r i m e n t a lt e s ta n da n a l y s i so fr o c ki n d u c e dp o l a r i z a t i o n c h a oy i b a n ( g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rd e n gs h a o g u ia n ds e n i o re n g i n e e rl i u b i n g k a i a b s t r a c t e l e c t r o c h e m i c a lp o t e n t i a ll o g g i n g ，a so n ed i s t i n c t i v el o g g i n gm e t h o d ，c a nb eu s e dt o d e t e r m i n ef o r m a t i o nc a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t ya n dc o n n a t ew a t e rs a l i n i t ya n ds t u d yo t h e r i m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，s u c ha sp o r es t r u c t u r e h o w e v e r , t h e r ei ss t i l ln os u f f i c i e n tt h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h i sl o g g i n gm e t h o d i no r d e rt op r o v i d ee x p e r i m e n t a ls u p p o r tf o r t h ed e v e l o p m e n to fd o w n h o l el o g g i n gt o o l ，t h i sp a p e r , b a s e do ne l e c t r o c h e m i c a le x p e r i m e n t a n dt h ee l e c t r o c h e m i c a la n dm e d i u mp o l a r i z a t i o nt h e o r y , e m p h a s i z e st h ee f f e c to nt h ei n d u c e d p o l a r i z a t i o np o t e n t i a lw h e nt h e r ei s m e t a li n t e r v e n t i o nf r o mo u t s i d eo rt h em e a s u r i n g e l e c t r o d e sa r em a d eo fm e t a l u n d e rd i f f e r e n ts a l i n i t i e sa n dc a t i o nt y p e s ，t h ei n d u c e dp o l a r i z a t i o np o t e n t i a lo ft h es h a l y s a n d s t o n es a m p l ei sm e a s u r e d ，a n da l s ot h er u l e sa n dc o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e s h a l ys a n dn e e d s 18 0s e c o n d st or e a c hs u f f i c i e n t p o l a r i z a t i o nw h i l et h ep u r es h a l es t o n en e e d5 0s e c o n d s w i t h i nt h ea l l o w a b l es c a l eo ft h e i n d u c e dc u r r e n t ，c o m m o n l yar e l a t i v eb i gm e a s u r i n gc u r r e n ti ss e l e c t e d al o n g e rp o l a r i z a t i o n t i m ec a nr e f l e c tm o r ed e t a i l e da t t e n u a t i o np r o p e r t yo ft h ef o r m a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n g s a m p l ep o r o s i t y ，t h ea m p l i t u d eo f t h ep o l a r i z a t i o nr a t i od e c r e a s e sg r a d u a l l y a st ot h ea c t u a lr e q u i r e m e n tf o rm a t e r i a l so ft h ed o w n h o l et o o l ，t h a ti s ，t h ea b i l i t yo f w i t h s t a n d i n gh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n de r o s i o n ，d i f f e r e n tm e t a lm a t e r i a l s a r e s e l e c t e da se x p e r i m e n t a le l e c t r o d ei nt h i sp a p e r ，s u c ha ss t e e l ，c o p p e r ，s i l v e ra n da l u m i n i u m a n dt h ec o r r e s p o n d i n gi n d u c e dp o l a r i z a t i o np o t e n t i a l sa r em e a s u r e dw h e nt h e s ed i f f e r e n t m e t a l sa r et r e a t e da si n t e r v e n t i o n a lm a t e r i a l so rm e a s u r i n ge l e c t r o d e s d u et oe r o s i o no fm e t a l e l e c t r o d e si nt h es o l u t i o n ，t h ei n d u c e dp o l a r i z a t i o np o t e n t i a lc a nb ea f f e c t e d a c c o r d i n gt ot h e d e c a yc u r v eo ft h ep o t e n t i a lo rt h ep o l a r i z a t i o nc u r v e ，t h ee f f e c t i s a n a l y z e d t h e nt h e f e a s i b i l i t yi s s t u d i e df o rm e t a le l e c t r o d e st ob ea p p l i e di na c t u a lf o r m a t i o n i tc a nb e c o n c l u d e df o r t h er e s u l t st h a tt h em e a s u r i n ge f f e c to ft h es i l v e re l e c t r o d ei st h eb e s ta m o n gt h e f o u rs e l e c t e dm e t a le l e c t r o d e s ，t h ec o p p e re l e c t r o d ec o m e ss e c o n d ，a n dt h ea l u m i n i u ma n d s t e e le l e c t r o d e sa r en o ts u i t a b l et ob em e a s u r i n gm e t a le l e c t r o d e s k e yw o r d s ：i n d u c e dp o l a r i z a t i o np o t e n t i a l ，s p e c t r u ms k i p p i n go fi n d u c e dp o l a r i z a t i o n ， e l e c t r o d ep o l a r i z a t i o n ，b a t t e r ye r o s i o n 目录 第一章前言1 1 1 研究目的及意义1 1 2 激发极化测井技术的的发展概况及现状1 1 3 研究技术路线3 1 4 研究内容3 第二章激发极化电位基本理论4 2 1 岩石激发极化理论基础4 2 1 1 离子双电层4 2 1 2 粘土阳离子的交换特性4 2 2 岩石激发极化效应5 2 3 岩石激发极化电位机理一6 2 4 岩石激发极化性质的描述6 2 4 1 极化率1 1 6 2 4 2 衰减时问r 7 2 4 3 衰减速度d 7 2 5 岩石激发极化电位的测量系统7 2 5 1 激发极化电位测量系统原理7 2 5 2 测量仪器7 第三章岩石激发极化的实验过程9 3 1 岩样选取9 3 2 实验过程9 3 2 1 岩样的预处理9 3 2 2 激发极化电位测量1 0 第四章实验结果与分析1 2 4 1 激发电位曲线特性1 2 4 2 极化电位曲线特性1 2 4 3 极化电位影响因素1 3 4 3 1 激发电流不同对岩样极化曲线特性影响1 3 4 3 2 激发时间不同对岩样极化曲线特性影响1 5 4 3 3 极化时间不同对岩样极化曲线特性影响1 6 4 3 4 不同金属电极介入对岩样极化曲线特性影响1 7 4 3 5 岩样的物性参数对极化曲线特性影响2 2 4 4 金属电极测量的岩样极化电位曲线特性2 3 4 4 1 不同矿化度下钢电极( 哈氏合金) 测量的岩样极化曲线特性2 3 4 4 2 不同矿化度下铝电极测量的岩样极化曲线特性2 7 4 4 3 不同矿化度下铜电极测量的岩样极化曲线特性2 7 4 4 4 不同矿化度下银电极测量的岩样极化曲线特性3 3 4 5n a h c o ，水型岩样极化曲线特性3 8 4 5 1 不同矿化度下金属电极介入时岩样的极化曲线特性3 8 4 5 2 不同矿化度下金属电极测量的岩样的极化曲线特性4 1 结论4 4 参考文献4 7 致谢5 0 中国石油大学( 华东) 工程硕上论文 1 1 研究目的及意义 第一章前言 激发极化电位和自然电位都属于电化学电位，它与地层阳离子交换量( q v ) 和地层水 矿化度之间存在着一定的关系。对于一般地层来说，阳离子交换量q v ，、地层水离子类 型和地层水矿化度是影响其电化学测井的主要因素。油田随油层注水开发以后，地层水 矿化度随着水淹程度的不同而变化，水淹程度大，地层水离子浓度就会变小，而地层水 的电阻率是逐渐增大的，水淹变化后的地层水电阻率变化是很大的，如果用常规的测井 资料求出肯定存在较大误差，而计算出的地层含油饱和度也不精确、水淹层难于区分、 其水淹程度评价也有难度。目前我国大多数油田都处于高含水的时期，地层水的离子浓 度随着水淹程度的不同而变化，这样就使油气勘探的难度越来越大，开发成本也会越来 越高，因此用测井资料正确的求解地层阳离子交换量q ，地层水离子浓度，为测井提供 准确的地质资料成为当前主要的任务。电化学电位测井作为一种特色测井方法，它结合 了我国大部分油f f l 的注水开发、陆相沉积、储层含水量高等实际特点，可以为测井资料 提供地层阳离子交换量和地层水矿化度等重要地质参数，这样对于地层的水淹层和含有 饱和度给予正确的评价，对淡水地区储层的评价也有很好的帮助。 现在关于激发极化理论的应用有很多，其与岩石的电化学特性、物性、含油性之间 也建立了一定的关系。在此基础之上，实验室也做了大量的工作，为了给井下仪器的研 制提供实验资料，就必须要以与实际地层条件相结合的实验研究为依据1 1 i ，本课题根据 电化学理论和介质极化理论，进行岩样的激发极化实验，一方面考察岩样在不同的实验 条件下的激发极化特性，另一方面，考察不同金属( 材料) 作为电极( 或介入) 时的对 激发极化电位的影响。 1 2 激发极化测井技术的的发展概况及现状 国外方面，法国地球物理学家k 斯仑贝尔热首先提出了将激发极化理论应用于地 质方面的思想，他在1 9 1 2 年申请了专利并的取得了的专利权。从1 9 2 0 年以后，k 斯仑 贝尔热与其公司同事开始了将激发极化理论应用到油田测井方面的研究。2 0 6 0 年代， 人们主要研究了金属矿场方面激发极化电位的产生和应用。1 9 5 9 年j 沙弗尔研究了离 子导体的介质极化。1 9 5 3 年l a t i s h o v 和h a r a s h e r 及s c h o e p e l 等人研究了离子岩石导电 第一章前言 的激发极化特性，提出了渗透率和泥质含量是激发极化电位很重要的参数，在这之后 g e n n a d i n k 指出，在金属矿物不存在时，电解液是产生激发极化的主要原因， k e l l e r 和f r i c k n a c h t ( 1 9 6 6 ) 和l y n a m ( 1 9 7 2 ) 等人在饱含水的岩石储层中发现了激发极化现象， 他们对此现象进行研究，认为这种现象是由于粘土薄膜两侧的离子浓度梯度引起的，极 化电位的大小会受到粘土离子交换量的影响，1 9 7 6 年h o y e r 和r u m b l e 在激发极化测 量方面进行了研究，并引入了地层复电阻率的概念，此研究中最大的突破就是证明了阳 离子交换量和地层的复电阻率存在着一定的关系，肯定了前人的工作，如果要得到石油 测井中岩石储层的阳离子交换量，就可以通过测量地层复电阻率得以实现【2 ，3 j 。 国内方面从5 0 年代开始应用激发极化，最开始应用的是地矿系统，他们应用激发 极化方法勘探地下金矿矿藏，取得了较好的成果，在6 0 年代的时候我国从苏联引进了 激发极化电位测井方法，称为人工电位测井。在7 0 年代初期，我国的一些油田在石油 测井过程中也应用了激发极化的方法，例如大庆油f f l ，在水淹层和地层水矿化度不高的 油层的评价过程中，应用了激发极化电位测井，取得了很好的效果。8 0 年代初期，其 他的一些油田也开始了对激发极化电位测井的研究，还提出了一套比较新的理论，如果 地层水离子浓度相对稳定，那么水淹层就可以用自然电位值和激发极化电位值直角坐标 交会的方法来判断1 4 ，5 】。在1 9 9 4 年初，江汉测井研究所成功研制了激发极化电位测井仪， 可以用计算机控制激发极化时间，记录瞬时的极化电位，并在此基础之上建立了相应的 解释模型，从而可以定量的解释岩石储层【3 】，由于阳离子交换量对电化学测井有一定的 影响，该方法可以对此影响进行校正，同时还可以求出地层水电阻率，解决了测井的一 大难题，现在不少油田都在应用这套测井技术，效果非常显著。范宜仁等在1 9 9 8 年进 行了大量的激发极化实验，并对其影响因素进行了分析，如极化率与供电电流大小之间 的关系，岩石粒度与极化率幅度的关系等【l 】。1 9 9 9 年陈耕野对岩石激发极化性质进行 了研究，得到了岩石激发极化电位与时间之前的对应关系，通过理论与实际测量的曲线 进行对比，建立一个等效电路，以此来描述激发极化的机理与过程。1 9 9 9 年王玲、何 继善等以激发极化的电化学原理为基础，通过观察溶液中离子运动的规律，研究出了一 个关于溶液离子空间变化和暂态变化的偏微分方程，通过一系列的数值计算与实验结果 相比较，结果表明其可以很好的描述激发极化现象【6 】。2 0 0 4 年王景昌对于应用在水淹 层方面的激发极化电位测井技术进行了总结，根据辽河油f f l 的实际情况，建立水淹层模 型，通过激发极化电位解释了储层水淹情况，并且得到了生育有的分布规律。2 0 0 4 年 童茂松等利用奇异值分解方法多指数反演了出了激发极化弛豫时间谱，该谱曲线光滑并 2 中国石油大学( 华东) - 1 4 程硕士论文 且有多峰特征，还研究了岩石渗透率的大小对激发极化弛豫时间普的影响1 7 , 8 1 。2 0 0 6 年 王荣、章茂松等对岩石激发极化特性谱进行了研究，改变不同的实验条件，包括供电的 时间和方向，断电的时间，驰豫时间常数分布点数等条件，分析其对岩石激发极化驰豫 时间谱的影响 9 , 1 0 1 。2 0 1 0 年童茂松、王伟等自行研制，且能够连续记录激发极化电位衰 减谱的测井方法，该方法采用阵列式组合的电极结构，通过单片机控制电极系来激发和 采集数据，可以采集到完整的激发极化电位衰减谱。 1 3 研究技术路线 主要是根据电化学理论和介质极化理论，进行岩样的电化学实验，一方面考查岩样 在不同的实验条件下的激发极化特性，另一方面，考查不同金属( 材料) 作为电极( 或 介入) 时对岩石激发极化电位的影响，为实验室测量和井下仪器的研制试验提供实验基 础。 1 4 研究内容 本文主要是从极化测井电化学的基本原理出发，在实验室条件下，首先是考查岩样 在不同的实验条件下的激发极化特性，然后在溶液中介入金属电极或者金属电极替代参 比电极，比较实验结果，分析金属材料对岩样激发极化电位的影响，为井下仪器的制备 提供实验依据。 ( 1 ) 岩样在不同的实验条件下的激发极化特性，包括岩样本身物性，不同的激发电 流、激发时间、极化时间等对激发极化电位的影响等。 ( 2 ) 考查不同金属( v t 料) 作为电极( 或介入) 时的影响， 在一定矿化度溶液中，放入不同的金属电极，用参比电极测量，研究不同金属电 极的存在对激发极化电位影响； 金属电极作为测量电极，放入一定浓度的溶液中进行实验，研究金属电极对激发 极化电位影响； ( 3 ) 鉴于地下水性质不同，改变溶液类型浓度，研究岩样的极化特性； 第二章激发极化电位基本理论 第二章激发极化电位基本理论 2 1 岩石激发极化理论基础 2 1 1 离子双电层 蒙脱石、伊利石、高岭石是泥质砂岩储层中常见的三种粘土矿物，由于晶格置换、 水解、破键作用等原因 1 l , 1 2 】，常常有一些固定不动的负电荷吸附在岩石颗粒与水溶液接 触的表面，这些带电表面会吸引溶液中带正电荷的离子，其中紧贴在岩石表面的一部分 阳离子，由于静电引力比较强，不能自由移动，只能做热运动，构成了吸附层，还有一 部分阳离子在吸附层的外面，可以自由运动，形成扩散层，吸附层和扩散层一起就构成 了岩石颗粒表面的双电层。如图2 1 所示。 一般来说，在沉积、压实和成岩的过程中会使岩石形成双电层结构，在砂岩或者是 孔径较大的岩石中，只有在局部地方才会有双电层的形成，或者是全部由双电层的形成， 但是厚度非常小，孔隙内会有大量的自由水流动，从地层中取出的水样就是这种水。泥 岩颗粒表面负电荷比较多，形成的离子双电层比较厚，孔隙比较小，双电层外很难存在 自由水。 冀 冀 x h 厕 水 水分子 示意图 图2 1 岩石颗粒表面离子双电层示 2 1 2 粘土阳离子的交换特性 阳离子交换就是阳离子和溶液中的水合离子互相交换位置。粘土表面吸附层内的阳 离子由于静电力的作用只能做热运动，不能移动，由于离子电荷极性不同而产生的作用 力很小，在外界有电场存在的情况下，就会破坏这种作用力，被吸附的水合离子就会正 常迁移，可以和溶液中的其他水合离子交换位置【1 3 ，h 】。溶液内的其他阳离子在移动过程 4 中国石油人学( 华东) t 程硕十论文 中也会相互交换位置，会引起导电现象，从而引出了粘土结合水的附加导电性这一概念， 即阳离子在移动过程中相互交换位置而产生的导电性。离子发生阳离子交换必须有两个 条件：一是必须是同种电荷的离子，二是离子的电荷必须等量。如一个c a + 2 交换两个 n a + ，由于溶液中阳离子的半径和化合价数不同，与岩石表面的静电引力也会不同，发 生阳离子交换的难易程度也不一样，在离子半径相同情况下，带电荷多的离子容易换下 带电荷少的离子，在离子等电量的情况下，半径大的离子容易替换半径小的离子。粘土 矿物类型不同，其阳离子交换的能力也不同，阳离子交换能力最强的是蒙脱石，其次是 伊利石，高岭石的阳离子交换能力比较弱，而绿泥石几乎没有阳离子交换能力。一般来 说，粘土颗粒的大小与去阳离子交换能力是成反比的。 吸附在岩石颗粒本身表面的负电荷构成了离子双电层的内层，双电层外层的平衡离 子浓度可以用阳离子交换容量来表征，所以岩石的粘土或泥质含量可以用阳离子交换量 来衡量【1 5 - 17 1 。 2 2 岩石激发极化效应 岩石激发极化效应是由于外加电场的存在使介质内的离子偏离原来平衡位置的一 种电化学现象，在岩石中，激发极化现象会以滞后的电压形式表现出来，这个过程可以 用供电电流和岩样两端的电压变化来表示，如图2 2 所示，当给岩石两端加上一个稳定 电流时，岩样两端的电位差会在瞬间上升到一数值u ”然后缓慢变化最后达到一稳定 数值1 1 5 , 1 9 l 。供电电流断开以后，岩样两端的电压会在瞬间下降到一数值u 2 ，由于岩样 内离子的运动，岩样两端的电压会缓慢的衰减，直到岩样内离子全部恢复到初始的平衡 状态，整个极化哀减过程完成。由于岩样内离子偏离平衡状态需要一定的过程，在刚开 始供电时刻的激发极化效应只是与岩样的导电性和电化学特性有关，一般情况下，在数 据处理的过程中是从0 0 0 3 s 开始取值分析的。在刚通电的时刻我们测得岩样两端的电 位差为u 。称之为一次场。其产生的电位差被称为一次场电位差，持续供电一段时间后， 岩样两端的电压会有两部分叠加组成，一部分是开始的一次场电位差，另一部分是由于 岩样发生激发极化效应而产生的二次场电位差u ：，这就是岩石的极化场【1 9 之1 1 。 5 第二章激发极化电位基本理论 i 易 u 图2 2 岩石的激发极化原理 i o 为岩样两端恒定的供电电流，u 为一次场电位差与二次场电位差之和，u 2 为 岩样的极化电压。 2 3 岩石激发极化电位机理 激发极化现象一般有两种表现形式：介质局部浓度发生变化和离子双电子层发生形 变【19 1 。在外电场存在的情况下，岩样孔隙内的正离子向负极运动，而负离子向正极运 动，由于岩石颗粒本身带有负电荷，会吸附一些正离子，就会限制一部分正离子的运动， 结果正极的负离子数多，负极的正离子数少，局部的离子浓度发生变化，这样在孔隙的 两侧由于正负离子浓度不均衡，会形成一个电位差，这就是电化学电位。当停止供电以 后，离子失去外界吸引力，由于扩散作用要恢复到初始的平衡状态，这过程中会有电位 存在，这个电位就是激发极化电位，其与时间之前的关系曲线即为岩样极化电位的衰减 曲线，这就是激发极化的基本原理。极化电压值是岩样局部浓度发生变化而产生的电位 和离子发生双电子层形变产生的电位之和【2 2 之5 1 。 2 4 岩石激发极化性质的描述 2 4 1 极化率” 极化率1 1 是描述极化电压衰减情况的一个物理量，是二次场电位差u 2 ，与一次场 电位差与二次场电位差之和u 的比值。 叩= 筹1 0 0 ( 2 - 1 ) 由极化率的定义式可以看出，极化率与极化电压成正比，所以衰减规律一致。岩石 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 极化率的衰减特性很难用一个公式精确的描述出来，但是激发极化的过程跟电容充放电 的过程非常相似，从理论上讲，其随着时间的衰减特性应该跟电容放电过程的衰减特性 一致，即： r i f t ) = 1 7 ( 0 + ) e x p ( - t r )( 2 - 2 ) 式中，f 是衰减时间常数。 岩石的孔隙具有多种形态，大小不同，所以每个孔隙完成激发极化所需的弛豫时间 也不相同，即岩石的极化率t l ( t ) 只能针对单个孔隙进行描述，可以用下式表示： v 刁( ，) = r , ( o + ) e x p ( - t r , ) ( 2 - 3 ) 其中，7 7 ( ，) 为t 时刻岩石的极化率，乃是预先指定的驰豫时间布点序列，r , ( o + ) 为 零时刻岩石的极化率。 2 4 2 衰减时间r 衰减时间是描述岩石极化率变化快慢的一个物理量，实验证明衰减时问f 与岩石颗 粒的大小有关。达赫诺夫提出，在储层岩石完全饱和水的情况下，其激发极化电位与岩 石颗粒的比表面是近似成正比，在粒度很小的纯岩石中，激发极化电位是很低的，在中 等粒度的时候，激发极化电位会出现最大值f 2 6 】。 2 4 3 衰减速度d d = ia u ( t 2 ) a u ( t 1 ) i ( t 2 一t i )( 2 - 4 ) d 是描述极化电压随着时间的衰减程度的一个物理量。 2 5 岩石激发极化电位的测量系统 2 5 1 激发极化电位测量系统原理 激发极化电位测量系统是用来研究岩样激发极化特性的处理系统，该系统简单方 便，在激发极化测量的窗口设置好岩样参数，点击开始之后，系统能够自动的完成对岩 样的充放电过程，改变供电电流的方向，重复操作，记录随着时间变化的实时电压、电 流和电阻。并且系统会给出岩样两端电压随着时间变化的关系曲线。 2 5 2 测量仪器 激发极化电位实验装置主要包括包括溶液室和岩样夹持器。实验装置的设计首先考 7 第二章激发极化电位基本理论 虑的是密封性能要好，方便于岩样的装拆等一系列的因素。该装置的平面图如图2 3 所 示。供电电极与测量电极材料的选择和在实验过程中的相对位置等对测量结果有着重要 的影响。选择电极时，首先考虑要电极材料的的稳定性，其次考虑电极的平衡电位，从 以上两个条件出发，本次实验采用的a g - - a g c l 电极作为参比电极，同时还采用了铜、 银、钢、铝等测量电极作为对比，采用稳定性很好的铅电极作为供电电极，尽可能的减 小实验误差，获得较好的实验结果。 压力 压力 图2 - 3 激发极化电位实验装置示意图 m ，m 测量电电极 c ，c 供电电极 其主要测量物理量如下： 岩心规格：2 5 2 5 一2 5 5 0 ，单位：m m 测量电极：a g c l 可逆电极，钢电极，铜电极，银电极，铝电极 供电电极：铅电极 电压范围：0 1 0 v 测量精度：3 采集速度：在极化率衰减比较快的时间段里采集的点比较密集，极化率衰减速率慢 的时间段采集的点较稀疏。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第三章岩石激发极化的实验过程 在石油工业中，由于油气田不断深入的勘探、开发，水淹层和泥质砂岩储集的评价 已成为现在重要的课题【2 7 】。随着激发极化理论深入的研究，出现许多砂岩储集层解释模 型，这些模型都是以阳离子交换量q v 为重要参数，有效地解决了由于粘土的附加导电 性给储层评价带来的困难。其中解决问题的关键就是阳离子交换量q v 和地层水离子浓 度。q v 作为储层的一个重要的电化学参数，对各种电化学测井( 激发极化电位测井) 和 电阻率测井( 自然电位测井) 都有着很大的影响【2 8 2 9 1 。如果要深入研究电化学测井和电阻 率测井，建立地层参数与电化学及电阻率测井响应之间的关系，则可以利用电化学测井、 电阻率测井及其它的测井资料来解决水淹层和储层的评价问题【3 0 1 ，由此可见，井下仪器 对于正确的划分地层也有重要的影响，这一切都是要以实验结果为基础的。因此本文就 根据电化学理论和介质极化理论，结合实际的地层条件，进行大量激发极化实验，根据 金属电极的测量结果与参比电极测量结果的对比，深入分析金属电极对激发极化电位的 影响，为井下仪器的制备提供实验依据。 3 1 岩样选取 本实验选取的是若干已洗油的某油田岩样。其岩性特征为：孔隙度在9 1 5 之 间，胶结程度比较好。 3 2 实验过程 3 2 1 岩样的预处理 ( 1 ) 洗盐 在一容器内用蒸馏水浸没岩样之后煮沸，静置6 0 分钟后，取出少量蒸馏水，用硝 酸银溶液滴入，若有乳白色沉淀物生成，则需要重新更换蒸馏水在浸泡煮沸，直至滴入 硝酸银溶液后没有沉淀物生成，则洗盐完成。 ( 2 ) 岩样烘干 将洗盐之后的岩样样品放在烘箱内烘烤，在8 0o c 度下烘1 2 个小时，冷却至室温 时将岩样拿出。 ( 3 ) 饱和溶液的配制 9 第三章岩石激发极化的实验过程 用烘干岩样的方法将n a c l n a h c o ，晶体烘干，然后放在干燥器内冷却至室温。按 实验所需的溶液浓度配置，n a c l n a h c o 。在计量过程中都需要精确到o 0 0 1 9 。蒸馏水 精确到0 0 0 1 m l ( 4 ) 样品的抽空与饱和 把烘干好的岩样依次放入饱和罐内，把配置好的溶液注入储液罐中，打开真空泵连 续抽真空1 2 个小时，使饱和罐和储液罐中的空气全部排出。然后将储液罐中的溶液注 满饱和罐后，继续抽真空三十分钟。 打开加压泵的吸液阀门，手动将加压泵里充满溶液，然后打开加压的阀门，手动排 液加压至2 0 m p a ，并保持压力至1 2 小时，使岩样充分饱和溶液。完成后打开排液阀， 卸掉饱和罐的压力，取出岩样，放入盛有同样浓度的密闭容器中。 3 2 2 激发极化电位测量 ( 1 ) 实验测量前准备工作 首先要保证岩样央持器两端是平衡的，然后放入岩样，尽量使岩样的中心位置与夹 持器的中间位置重合，然后将溶液室注满溶液，尽量保证两溶液室的液面高度一致，以 上步骤完成之后给岩样加上围压o 4m p a ，这一做法的目的是防止岩样的侧面有溶液流 过。 ( 2 ) 岩样激发极化数据采集 打开激发极化测量装置，预热1 0 分钟之后，打开激发极化及薄膜电位测量系统， 在采集刻度出对电流刻度进行标定，标定完成之后，进入激发极化电位界面，在岩样测 量的下拉菜单罩选择激发极化，点击进入激发极化电位测量窗口，对岩样编号、溶液浓 度、环境温度、激发电流、激发时间、极化时间、恢复时间、重复周期等参数进行设定， 然后点击测量按钮，开始测量，测量结束后，系统会自动将采集的数据导入到e x c e l 表 格中。 在这一过程中，要注意观察采集数据的稳定性，尽量减小外界干扰对实验结果的影 响。 ( 3 ) 实验步骤 步骤一：按照实验测量前准备工作把岩样和4 0 0 0 p p m n a c l 溶液放入岩样夹持器和 溶液室，采用a g a g c l 电极作为测量电极，铅电极为供电电极，进入激发极化和薄膜电 位测量系统，进行参数设置，环境温度1 9 摄氏度，激发电流l m a ，激发时问1 8 0 s ，极 1 0 中国石油大学( 华东) 丁程硕上论文 化时间1 8 0 s ，恢复时间6 0 s ，重复周期1 次，开始测量； 步骤- - 改变激发电流大d , ( 2 m a ) ，其他条件不变，重复步骤一： 步骤三：改变极化时间( 3 0 0 s ) ，其他条件不变，重复步骤一； 步骤四：在溶液中介入金属电极，重复以上步； 步骤五：用金属电极替代a g a g c l 电极作为测量电极，重复步骤一、二、三： 步骤六：改变溶液矿化度( 8 0 0 0 p p m 、1 2 0 0 0 p p m ) ，其他条件不变，重复以上步骤； 步骤七：改变溶液类型( n a h c o ，水型) ，重复以上步骤。 第p q 章实验结果与分析 4 1 激发电位曲线特性 第四章实验结果与分析 实验开始，给岩样施加一个恒定电流，在通电的瞬间，岩样两端的电位差会迅速变 化到某一数值，随着通电时间的增加，两端的电压差逐渐增大，最后会达到一个稳定值。 图4 1 正好反映了这一规律，图中为某岩样在激发( 通电) 过程中两端的电压差随着时间 变化的曲线，从图中可以看出，岩样两端从通电瞬间开始有电压差到电压差稳定，要经 历一定的时间，要使岩样两端电压差达到基本稳定，岩样充分极化，就要保证充足的通 电时间。 图4 - 1 充电过程中岩样两端电压随时问的变化曲线 4 2 极化电位曲线特性 实验表明，激发极化系统给岩样停止供电以后，采集到的极化电位在常规坐标轴下 以指数规律的形式衰减，对数坐标轴下，在前十秒极化电位与时间有很好的线性关系。 如图4 2 所示 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 ( a ) 常规坐标极化电位衰减曲线( b ) 对数坐标极化电位衰减曲线 图4 - 2 2 0 8 5 号岩样在2 0 0 0 p p m 时极化电位衰减曲线图 ( 实验条件：激发电流2 m a ，通电时间1 8 0 s ，极化时间6 0 0 s ，恢复时间6 0 s ，环境温度1 9o c ) 4 3 极化电位影响因素 4 3 1 激发电流不同对岩样极化曲线特性影响 激发电流的大小是激发极化测井仪器的主要影响因素之一，电流的大小直接决定了 仪器的功耗和电路的设计【3 2 1 。电流增大，则仪器的测量信号增强，有利于测量，但是供 电电流过大会导致非线性的激发极化电位，对于用激发极化谱测井这种方法是非常不利 的。相反，如果激发电流过小，仪器的测量信号会非常微弱，信噪也比较小，对于激发 极化测井也是不利的。 1 0 0 钟 i _ _ - - - _ - 电魂h f 蛐 i ! ! = = 镕“j 7 0 巴 5 0 篁 孽4 0 3 0 2 0 i o l 0舯1 0 01 5 02 时间) ( a ) 极化电位衰减曲线( b ) 极化率衰减曲线 图4 - 32 - 4 5 号岩样在不同激发电流下的极化电位与极化率曲线衰减特性 ( 实验条件：激发时间18 0 s ，极化时间6 0 0 s ，恢复时间6 0 s ，环境温度1 9 。c ) 第叫章实验结果与分析 ( a ) 极化电位衰减曲线( b ) 极化率衰减曲线 图4 - 42 0 8 5 号岩样在不同激发电流下的极化电位与极化率曲线衰减特性 ( 实验条件：激发时间1 8 0 s ，极化时间6 0 0 s ，恢复时间6 0 s ，环境温度1 9o c ) ( a ) 极化电位衰减曲线( b ) 极化率衰减曲线 图4 - 52 08 - 4 号岩样在不同激发电流下的极化电位与极化率曲线衰减特性 ( 实验条件：激发时间18 0 s ，极化时间6 0 0 s ，恢复时间6 0 s ，环境温度1 9o c ) 在实验室现有的条件下，实验测量了5 块同一地区的岩样在不同激发电流强度 ( 1 m a ，2 m a ) 下的激发极化电位和极化率，由图4 3 至图4 7 可得，激发电流不同时， 岩样的极化率变化范围很小，所以岩样的激发极化率在一定的电流范围内与激发电流的 大小无关。在实际测量过程中，在激发电流允许的范围内一般选用较大的电流测量，这 样可以减小极化电位的测量误差。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕上论文 ( a ) 极化电位衰减曲线( b ) 极化率衰减曲线 图4 - 62 0 8 5 2 号岩样在不同激发电流下的极化电位与极化率曲线衰减特性 ( 实验条件：激发时间1 8 0 s ，极化时间6 0 0 s ，恢复时间6 0 s ，环境温度1 9 。c ) ( a ) 极化电位衰减曲线( b ) 极化率衰减曲线 图4 72 0 8 6 号岩样在不同激发电流下的极化电位与极化率的曲线衰减特性 ( 实验条件：激发时间1 8 0 s ，极化时间6 0 0 s ，恢复时间6 0 s ，环境温度1 9 0 c ) 4 3 2 激发时间不同对岩样极化曲线特性影响 激发时间是激发极化电位的重要影响因素，由图4 8 可以看出，在保证岩样充分极 化的情况下，激发时间对岩样极化率幅度基本没