岩石的电磁学性质

1、1 第三章第三章 岩石的电磁学性质岩石的电磁学性质 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。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。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。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

2、独立的理论体系，其有关结果已经为地磁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(磁磁 法法)和地电和地电(直流电法和交流电磁法直流电法和交流电磁法)探测提供了坚实的理论基础和探测提供了坚实的理论基础和 可靠的解释依据可靠的解释依据. 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。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。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。本章主要介绍储层岩石的导电特性和核磁特性。 2 3.1

3、 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。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。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，另一方面用于电体饱和度，另一方面用于电阻率测井。阻率测井。 3 岩石的

4、电性由导电矿物的相对含量及岩石中所含的流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。体决定。 按其导电特性可将岩石分成两类：按其导电特性可将岩石分成两类： 没有离子导体没有离子导体(电解液电解液)和没有孔隙和没有孔隙(裂隙裂隙)水极化效应水极化效应 的岩石。这类岩石主要是致密岩石，有孔隙及裂隙；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。但在孔隙和裂隙中没有水的岩石具有非常高的电阻率。 含有离子导体及有强烈的孔隙含有离子导体及有强烈的孔隙(裂隙裂隙)水极化效应的岩水极化效应的岩 石。这种岩石主要是含水的孔隙性沉积岩，尤其是碎石。这

5、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。屑岩、裂隙发育的岩浆岩及变质岩。 4 一、岩石的导电性与电阻率一、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。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：由物理学已知，均质材料的电阻率由下式确定： R= r S/L 式中式中RR电阻率电阻率( m) m)；电阻电阻()()；S-S-导体截面积导体截面积(m(m2 2) ) ； LL导体长度导体长度(m)(m)。电阻率。电阻率R R仅与导体的材料性质有关，而与导体

6、仅与导体的材料性质有关，而与导体 的几何形状无关。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。测量反映岩层导电性的电阻率。 5 1、主要矿物和岩石的电阻率、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

7、及温中的流体饱和度、导电流体矿化度、泥质含量以及温 度等。度等。 6 可以看出：不同岩石及矿物的电阻率变化范围很大；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，主要造岩矿物除金属矿物电阻率极低外，主要造岩矿物( (如石英、长如石英、长 石、云母、方解石等石、云母、方解石等) )电阻率都很高；电阻率都很高； 按岩石成因看，大部分火成岩按岩石成因看，大部分火成岩( (如玄武岩、花岗岩等如玄武岩、花岗岩等) ) 电阻率都很高，而沉积岩的电阻率则比较低。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、沉积岩的特点是离子导电，沉积岩中

8、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。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，可达到最高，可达到10106 6m m ，而砂岩的电阻率在几十到，而砂岩的电阻率在几十到 100m 100m 之间。之间。 另外，由于沉积岩具有明显的成层性，所以其电阻率另外，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。具有显著的各向异性。 7 2、岩石电阻率变化的一般规律、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，岩性是在天然状态下岩石的电阻

9、率与很多因素有关，岩性是 其中的一个。其中的一个。 火成岩和变质岩火成岩和变质岩，这两类岩石均为结晶岩，内部结构，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。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，电阻率在岩石内的吸附水，电阻率在103106m之间。之间。 潜水面以下时，岩石的含水量主要取决于其中的束缚潜水面以下时，岩石的含水量主要取决于其中的束缚 水水(毛细管水毛细管水)和自由水和自由

10、水(重力水重力水)。 8 沉积岩的特点是离子导电。由于沉积岩的含水量主要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。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，可达到最高，可达到106 m，而砂岩的电阻率在几十到，而砂岩的电阻率在几十到 100 m之间。之间。 另外，由于沉积岩具有明显的成层性，所以其电阻率另外，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

11、向异性。具有显著的各向异性。 9 3、岩石的电阻率及其影响因素、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。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起。因此，岩石和矿石的电阻

12、率取决于这些胶结物和 矿物颗粒的电阻率及其含量。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，一般在低，一般在100 m以下。当水中含有盐分时，电阻以下。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。化度对岩矿石的电阻率有很大的影响。 10 由于岩石中的水是储存在孔隙中的，所以岩石的孔隙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。度和孔隙结构决定了岩石的含水量大小。 如果

13、孔隙是连通的，则其中的水对岩石的电阻率有很如果孔隙是连通的，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。对岩石的电阻率只有很小的影响。 11 岩石骨架可以认为是不导电的，纯砂岩地层的导电机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。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

14、岩石孔隙中含油气饱和度比较高时，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。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 阿尔奇阿尔奇(Archie)公式。公式。 12 二、含流体岩石导电特性的实验定律二、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。石油勘探开发所涉及的

15、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，电阻率砂岩固相物质除个别粘土矿物外，都不导电，电阻率 很高。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。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。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。导电能力。 13 饱和岩石的导电性饱和岩石的导电性 孔隙性

16、岩石由骨架及孔隙空间组成。按导电机理的不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。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。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，电子导电的岩石靠组成岩石颗粒本身

17、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。导电矿物的性质和含量来决定。 14 1、含水岩石导电性的实验定律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石孔隙度之间的关系。其中最著名一个是由阿尔奇 (Arehie)于于1942年完成的。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，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孔隙中饱和地

18、层水岩石电阻率R0与这种地层水电阻率与这种地层水电阻率 Rw有正比关系，即有正比关系，即R0Rw为一常数为，称为为一常数为，称为阿尔奇阿尔奇地地 层因子。层因子。 式中式中F为地层因子或地层电阻率因子。为地层因子或地层电阻率因子。 w FRR 0 w R R F 0 15 地层因子地层因子 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，通常称关，而与饱和在岩样中的地层水电阻率无关，通常称 R0Rw比值为岩石的地层因子或相对电阻。比值为岩石的地层因子或相对电阻。 在物理上，在物理上，F代表当骨架不导电时，岩石

19、的电阻率相对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。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当骨架不导电时，岩石的电阻率要大于地层水的电阻 率，而率，而F则代表增大的倍数。则代表增大的倍数。 经验证明，经验证明，F与下列因素有关：与下列因素有关：孔隙度；孔隙度；孔隙的结孔隙的结 构和几何形状；构和几何形状；孔隙的连通情况。孔隙的连通情况。 16 阿尔奇地层因子公式阿尔奇地层因子公式 阿尔奇通过分析实验数据发现：阿尔奇通过分析实验数据发现： 式中式中为孔隙度；为孔隙度；m为胶结指数，对胶结岩石为胶结指数，对胶结岩石m在在 1.82.0

20、之间，非胶结岩石大约为之间，非胶结岩石大约为1.3。根据此定义，。根据此定义， 孔隙度孔隙度是岩石参数，是岩石参数，R是岩石电学物理参数，地层是岩石电学物理参数，地层 因子因子F则是将两者联系在一起来。则是将两者联系在一起来。 阿尔奇公式改进阿尔奇公式改进 ： （1）Homble （2）Dachnov(1959) （3）Kermabon(1969) m F 1 15. 2 62. 0 F m a F m a a F )( 17 2、岩石导电的理论模型、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。孔

21、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。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岩石一端的截面积为A A，边长为，边长为 L L；毛细管的截面积为；毛细管的截面积为AwAw，毛细，毛细 管的长度不管的长度不LaLa（L LaLL）。孔隙）。孔隙 中全饱和水的电阻率为中全饱和水的电阻率为RwRw，考，考 虑岩石骨架不导电，在模型中虑岩石骨架不导电，在模型中 有效导电的截面为有效导电的截面为AwAw。 18 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

22、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。 L Ar R w 0 式中为岩石的曲折度。 a aww LA ALR L Ar R 0 a aw w A LR r AAA A L L LA AL R R F aa a a a w / 0 19 孔隙度和曲折度之间的关系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。 2 1 m F ) 2 1 ( m A A L L A A aaa 2 / AA F a 20 孔隙介质的导电特性和岩石本身的物性参数之间存在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。地层因子一定关

23、系。地层因子F是岩石孔隙度和孔隙几何形状的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：不同的公式，但可概括为下面的一般形式： 式中常数式中常数C受迂曲度影响，一般受迂曲度影响，一般C=lL，其值等于，其值等于1或或 大于大于1，理论上在，理论上在1到到2之间；之间；m与孔隙空间减少或电流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，通道减少有关，称胶结指数。对胶结岩石来讲，m在在 1.82.0之间，非胶结介质大约为之间，非胶结介质大约为1.3。 m CF 21

24、 3、含油岩石电阻率与饱和度关系、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 下水处于颗粒表面下水处于颗粒表面(亲水砂岩亲水砂岩)，油处于孔隙的中央部，油处于孔隙的中央部 位，四周被水包围着。位，四周被水包围着。 油的电阻率很高油的电阻率很高(1091016m)，岩性相同的含油岩石，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，岩石含油越多含油岩石电阻率比含水岩石

25、大，岩石含油越多(即含油即含油 饱和度越高饱和度越高)。 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。和度和含水饱度有关。 22 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岩石导电性的另一个基本概念是电阻率指数 (Resistivity Index)，亦称电阻指数，亦称电阻指数I。 它表示含油岩石的电阻率它表示含油岩石的电阻率Rt与该岩石完全充满地层水与该岩石完全充满地层水 时的电阻率时的电阻率Rw的比值的比值 与地层因子

26、和孔隙度相似，通过实验可以给出电阻率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。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 水时的电阻率水时的电阻率R0，然后对全饱和水岩石逐步挤入油，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同时测出在不同含油饱和度So时相应的岩石电阻率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。则可得到不同饱和度时的电阻指数。 23 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

27、； 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。 n o n w t S b S b R R I )1 ( 0 24 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： t twt t LA ALR L Ar R t t

28、w t A LR r 25 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： n w SCI 2 w SI 7 . 2 w SI 胶结岩石 William 26 4、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 的普遍形式的普遍形式 n w SCI m CF m w a R R F

29、 0 n w t S b R R I 0 式中式中F为地层的电阻率因子，也称相对电阻率；为地层的电阻率因子，也称相对电阻率；I为地为地 层的电阻增大系数；层的电阻增大系数；Rt为地层的真电阻率，为地层的真电阻率，R0为地层为地层 100%含水时的电阻率，含水时的电阻率，Rw为地层水的电阻率，为地层水的电阻率，m是是 地层胶结指数，慢地层的饱和度指数，地层胶结指数，慢地层的饱和度指数，a,b为常数。为常数。 27 阿尔奇公式的建立是以纯砂岩地层为基础的，适用于阿尔奇公式的建立是以纯砂岩地层为基础的，适用于 地层较纯地层较纯(含泥少含泥少)、孔隐分布均匀、地层水矿化度相对、孔隐分布均匀、地层水矿化

30、度相对 高以及离子导电是唯一的导电方式的条件下。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，在这种条件下，m和和n值都近似等于值都近似等于2，a和和b值都近似值都近似 等于等于1。 w R R F 0 2 1 F 2 0 1 w t SR R I )( 1 2 t w w R R S )( t w m n R Ra S w 推广为一般形式 28 阿尔奇公式优点阿尔奇公式优点 阿尔奇公式是利用测井资料定量计算饱和度的基础，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。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阿尔奇公式能够将测井信息

31、转换成地质参数(储层参数储层参数)， 同时也能将地质参数转换成测井信息。同时也能将地质参数转换成测井信息。 29 阿尔奇公式局限阿尔奇公式局限 （1）由）由R0到饱和度的转换的可靠性取决于岩石样品的数到饱和度的转换的可靠性取决于岩石样品的数 量，孔隙度的变化范围，孔隙结构及导电性等。量，孔隙度的变化范围，孔隙结构及导电性等。 （2）m和和n的物理意义不明确，而且其控制因素还处于的物理意义不明确，而且其控制因素还处于 不清楚的状态。因此，用孔隙度、地层水电阻率及胶不清楚的状态。因此，用孔隙度、地层水电阻率及胶 结指数求出的结指数求出的R0来计算饱和度还存在着多解性。来计算饱和度还存在着多解性。

32、（3）阿尔奇公式要求的条件限制了它在一些地质环境下）阿尔奇公式要求的条件限制了它在一些地质环境下 使用，如碳酸盐岩储层和含泥质多的泥质砂岩储层等。使用，如碳酸盐岩储层和含泥质多的泥质砂岩储层等。 30 5、双对数曲线、双对数曲线 阿尔奇公式中的阿尔奇公式中的a、b、m、n也称阿尔奇参数，与岩性也称阿尔奇参数，与岩性 有关，需要实验室来确定。实验室确定，具体方法如有关，需要实验室来确定。实验室确定，具体方法如 下。下。 将两式两端取对数得到：将两式两端取对数得到： 可见，可见，lgF与与lg或或lgI与与lgSw之间的关系呈线性。在双之间的关系呈线性。在双 对数坐标系中可建立对数坐标系中可建立l

33、gF与与lg之间和之间和lgI与与lgSw的关系，的关系， 在双对数坐标系中它们的直线斜率分别是在双对数坐标系中它们的直线斜率分别是m和和n，截距，截距 分别是分别是lga和和lgb。 lglglgmaF w SnbIlglglg 31 32 6、泥质砂岩电导率、泥质砂岩电导率 (WaxmanSmith)方程方程 阿尔奇公式在通过孔隙的体积电导占优势而沿孔隙壁阿尔奇公式在通过孔隙的体积电导占优势而沿孔隙壁 表面的表面电导可以忽略不计的假设下，描述了纯砂表面的表面电导可以忽略不计的假设下，描述了纯砂 岩的电阻率与孔隙度之间的关系。岩的电阻率与孔隙度之间的关系。 对于自然界中的含泥质岩石，阿尔奇公

34、式不再适用。对于自然界中的含泥质岩石，阿尔奇公式不再适用。 韦克斯曼等人认为粘土导电的根源在于粘土表面吸附韦克斯曼等人认为粘土导电的根源在于粘土表面吸附 有阳离子，而这些被吸附的阳离子可以和孔隙流体中有阳离子，而这些被吸附的阳离子可以和孔隙流体中 的阳离子交换位置。的阳离子交换位置。 粘土导电对岩石电导率的贡献与可交换阳离子的数量粘土导电对岩石电导率的贡献与可交换阳离子的数量 有关。有关。 由此建立了含油泥质砂岩的导电模型（由此建立了含油泥质砂岩的导电模型（WS模型）。模型）。 33 WS模型认为粘土的导电是由粘土颗粒表面吸附的阳离子所造模型认为粘土的导电是由粘土颗粒表面吸附的阳离子所造 成的

35、，并与孔隙溶液中的其他阳离子交换位置。可交换的阳离子成的，并与孔隙溶液中的其他阳离子交换位置。可交换的阳离子 数量决定粘土对岩石导电性的贡献。数量决定粘土对岩石导电性的贡献。 模型假设含泥质岩石的等效电路由两个电导并联组成，一个电导模型假设含泥质岩石的等效电路由两个电导并联组成，一个电导 代表孔隙流体的导电作用，另一个代表由粘土矿物表面的离子交代表孔隙流体的导电作用，另一个代表由粘土矿物表面的离子交 换所引起的电导。换所引起的电导。 )( 1 * 0vw QBC F C )( * * w v w n w t S Q BC F S C 含水泥质砂岩电导率为含水泥质砂岩电导率为 含油泥质砂岩率为含

36、油泥质砂岩率为 式中式中 C C0 0完全饱和水泥质砂岩的电导率；完全饱和水泥质砂岩的电导率； CtCt含油泥质砂岩的电导率；含油泥质砂岩的电导率； F F* *泥质砂岩的电阻率因数；泥质砂岩的电阻率因数； CwCw地层水电导率；地层水电导率； n n* *泥质砂岩的饱和度指数；泥质砂岩的饱和度指数； B B可交换阳离了的等效电导率；可交换阳离了的等效电导率； QvQv阳离子交换量。阳离子交换量。 34 和阿尔奇公式一样，和阿尔奇公式一样，Waxmant和和Smith也给出了泥质也给出了泥质 砂岩的电阻增大系数砂岩的电阻增大系数I： 当当Qv=0时，即地层不含粘土时，形式与阿尔奇公式相时，即地

37、层不含粘土时，形式与阿尔奇公式相 同。同。 因此因此ws模型是对阿尔奇公式的补充和发展。模型是对阿尔奇公式的补充和发展。 在实际应用中，在实际应用中，WS模型遇到的突出问题是模型遇到的突出问题是Qv和和B的的 确定问题，这些参数需要靠精确的实验室资料来确定。确定问题，这些参数需要靠精确的实验室资料来确定。 因此因此WS模型的应用受到了限制。模型的应用受到了限制。 ) / ( * wvw vw n w SQBC QBC SI 35 不同含泥量岩样电阻率随水饱和度变化的关系不同含泥量岩样电阻率随水饱和度变化的关系 可以看出，受泥质的附加导电作用影响，岩石的电阻率随泥质含可以看出，受泥质的附加导电作

38、用影响，岩石的电阻率随泥质含 量的增加而降低。量的增加而降低。 不同含水饱和度时，粘土对泥质砂岩的电阻率值影响程度不同。不同含水饱和度时，粘土对泥质砂岩的电阻率值影响程度不同。 含水饱和度较高时，孔隙水的离子导电起主导作用，地层的电阻含水饱和度较高时，孔隙水的离子导电起主导作用，地层的电阻 增大系数与含水饱和度的关系呈线性。增大系数与含水饱和度的关系呈线性。 当地层含水饱和度较低时，含泥量较高的地层，粘土对其导电性当地层含水饱和度较低时，含泥量较高的地层，粘土对其导电性 的影响很大，此时地层的电阻增大系数与含水饱和度的关系会表的影响很大，此时地层的电阻增大系数与含水饱和度的关系会表 现这种情况

39、下，很可能导致低阻油层。现这种情况下，很可能导致低阻油层。 36 三、岩石电阻率的测量方法三、岩石电阻率的测量方法 1、测量原理、测量原理 对岩心两端施以一定的电压，岩心中就有电流产生。对岩心两端施以一定的电压，岩心中就有电流产生。 在恒定电流供电的情况下，通过测量岩心两端的电位在恒定电流供电的情况下，通过测量岩心两端的电位 差，根据岩心的几何尺寸，就可以得到岩心的电阻率差，根据岩心的几何尺寸，就可以得到岩心的电阻率 值。计算公式如下：值。计算公式如下： 式中：式中：d岩心直径；岩心直径； L岩心长度；岩心长度； I一通过岩心的电流强度；一通过岩心的电流强度； V岩心两端电位差。岩心两端电位差

40、。 I V d l R 2 4 37 测量方法测量方法 测量可以采用两极法，也可以采用四极法。测量可以采用两极法，也可以采用四极法。 两极法测量时电极两极法测量时电极A和和B既是供电电极又是测量电极。既是供电电极又是测量电极。 缺点是测量精度受岩心与电极之间接触电阻的影响。缺点是测量精度受岩心与电极之间接触电阻的影响。 测量电极导电性能要好。测量电极导电性能要好。 四极法测量仅适合在岩心完全饱和水的情况下使用，四极法测量仅适合在岩心完全饱和水的情况下使用， 否则否则M、N电极之间的含水饱和度不易计量。电极之间的含水饱和度不易计量。 38 2、含水饱和度的电阻率测量方法、含水饱和度的电阻率测量方

41、法 1）增饱和度法）增饱和度法 依靠岩心自身的毛管力作用，将盐水吸人岩心孔隙中。依靠岩心自身的毛管力作用，将盐水吸人岩心孔隙中。 是一种以水驱替气体的方法，用空气模拟油来计算油、是一种以水驱替气体的方法，用空气模拟油来计算油、 水饱和度。水饱和度。 2）减饱和度法）减饱和度法 是增饱和度法的逆过程，常见方法有气驱法（吹气、是增饱和度法的逆过程，常见方法有气驱法（吹气、 烘干）、离心法和半渗透隔板法。烘干）、离心法和半渗透隔板法。 3）油、水两相驱替法）油、水两相驱替法 借助于压力设备。借助于压力设备。 39 油、水两相驱替法实验装置 该方法的测量周期长，一块岩心一般需要该方法的测量周期长，一块

42、岩心一般需要3天以上的驱替时间。天以上的驱替时间。 40 四、地层条件对岩石电阻的影响四、地层条件对岩石电阻的影响 1、地层水矿化度对砂岩电阻率的影响、地层水矿化度对砂岩电阻率的影响 岩石的导电能力主要与岩石孔隙流体中带电离子的浓岩石的导电能力主要与岩石孔隙流体中带电离子的浓 度有关，即与地层水矿化度有关。度有关，即与地层水矿化度有关。 油气储层地层水中，主要含有油气储层地层水中，主要含有NaCl、KCl、Na2SO4、 MgSO4、CaSO4等盐类，这些盐类具有不同的电离度，等盐类，这些盐类具有不同的电离度， 离子具有不同的离子价和不同的迁移率，使得地层水离子具有不同的离子价和不同的迁移率，

43、使得地层水 电阻率也不同。电阻率也不同。 电离度大，盐的分子离解为离子的百分比高，离子数电离度大，盐的分子离解为离子的百分比高，离子数 目多，地层水电阻率小；离子价高，离子携带的电荷目多，地层水电阻率小；离子价高，离子携带的电荷 多，地层水电阻率小；粒子迁移率大，运动速度快，多，地层水电阻率小；粒子迁移率大，运动速度快， 地层水电阻率小。地层水电阻率小。 41 实际地层水所含的盐类主要为实际地层水所含的盐类主要为NaCl，因此可把地层水，因此可把地层水 近似的认为氯化钠溶液。近似的认为氯化钠溶液。 用总矿化度表示水中含盐量，单位是用总矿化度表示水中含盐量，单位是mgL。 地层水含有较多的除氯化

44、钠以外的其它盐类，则可把地层水含有较多的除氯化钠以外的其它盐类，则可把 每一种离子的含量乘以适当的系数，将其转化为等效每一种离子的含量乘以适当的系数，将其转化为等效 的的NaCl的含盐量，然后根据等效的的含盐量，然后根据等效的NaCl的含盐量求地的含盐量求地 层水电阻率。层水电阻率。 42 1）岩石电阻率随地层水矿化度的变化规律岩石电阻率随地层水矿化度的变化规律 地层水矿化度越高，岩心的电阻率值就越低；矿化度地层水矿化度越高，岩心的电阻率值就越低；矿化度 增高，岩石中可移动的导电离子数量增多，使岩石的增高，岩石中可移动的导电离子数量增多，使岩石的 电阻率值降低。电阻率值降低。 地层水矿化度对岩

45、石电阻率的影响与岩性有关，孔渗地层水矿化度对岩石电阻率的影响与岩性有关，孔渗 越高其影响程度就越大。越高其影响程度就越大。 对于泥质砂岩储层，由于有粘土的附加导电作用，影对于泥质砂岩储层，由于有粘土的附加导电作用，影 响因素会更加复杂。响因素会更加复杂。 43 2 2）地层水矿化度对阿尔奇参数的影响）地层水矿化度对阿尔奇参数的影响 对于纯砂岩或含泥质很少的泥质砂岩地层，在一定低对于纯砂岩或含泥质很少的泥质砂岩地层，在一定低 的矿化度范围内，矿化度变化对的矿化度范围内，矿化度变化对F F和和I I值都无影响，值都无影响，m m和和 n n值都不随矿化度变化。值都不随矿化度变化。 在在F F的表达

46、式中，矿化度对的表达式中，矿化度对R Rw w的影响要大于对的影响要大于对R R0 0的影响，的影响， 即即R Rw w随矿化度增高而降低的程度较随矿化度增高而降低的程度较R R0 0大，因此大，因此F F值随着值随着 矿化度增高会略有增高、矿化度增高会略有增高、m m值会略有增大。值会略有增大。 当地层水矿化度较高时，矿化度对当地层水矿化度较高时，矿化度对R R0 0的影响要大于对的影响要大于对R Rt t 的影响，使的影响，使I I值随着矿化度增高略有增高、值随着矿化度增高略有增高、n n值略有增值略有增 大。大。 使使F F和和I I值开始出现增高趋势的矿化度界限由于岩性不值开始出现增高

47、趋势的矿化度界限由于岩性不 同会有所不同。同会有所不同。 44 3 3）淡水驱替条件下岩石电阻率的变化规律）淡水驱替条件下岩石电阻率的变化规律 淡水驱替过程中，岩石电阻率随流体饱和度变化呈淡水驱替过程中，岩石电阻率随流体饱和度变化呈 “U”字型曲线的变化。字型曲线的变化。 开始用淡水驱替时，由于岩心中含水饱和度的增加，开始用淡水驱替时，由于岩心中含水饱和度的增加， 其电阻率值降低；其电阻率值降低； 淡水的注入量增加，岩心中的盐水不断地被稀释，由淡水的注入量增加，岩心中的盐水不断地被稀释，由 于含水饱和度增加而使其电阻率降低的趋势逐渐地被于含水饱和度增加而使其电阻率降低的趋势逐渐地被 由于盐水变

48、淡而使其电阻率增高的趋势所掩盖了，由于盐水变淡而使其电阻率增高的趋势所掩盖了， 到达一定的含水饱和度之后，岩心电阻率的变化开始到达一定的含水饱和度之后，岩心电阻率的变化开始 平缓、然后上升因此出现了平缓、然后上升因此出现了“U”字型。字型。 45 即使满足淡水驱替的条件，也不是一定会出现即使满足淡水驱替的条件，也不是一定会出现“U”U”字字 型现象，型现象，“U”U”字型曲线的出现还与岩心的润湿程度有字型曲线的出现还与岩心的润湿程度有 关。可以用理论模拟方法给出岩心电阻率随含水饱和关。可以用理论模拟方法给出岩心电阻率随含水饱和 度变化曲线。度变化曲线。 近年来水淹层岩电关系实验的热点问题，许多

49、岩电实近年来水淹层岩电关系实验的热点问题，许多岩电实 验都重现了这一现象。验都重现了这一现象。 淡水驱岩心的淡水驱岩心的RtSw关系关系 46 2、温度和压力对泥质砂岩电阻率的影响温度和压力对泥质砂岩电阻率的影响 1）温度对岩石电阻率的影响）温度对岩石电阻率的影响 地层水含盐浓度增加，离子数目增多，溶液导电性增强电阻率地层水含盐浓度增加，离子数目增多，溶液导电性增强电阻率 降低。降低。 而当溶液的温度升高时，使离子的迁移率增大，溶液的导电性增而当溶液的温度升高时，使离子的迁移率增大，溶液的导电性增 加，其电阻率降低。加，其电阻率降低。 岩层中的某些盐类由于温度升高，溶解度增大，使溶液的离子浓岩

50、层中的某些盐类由于温度升高，溶解度增大，使溶液的离子浓 度增加，电阻率降低。度增加，电阻率降低。 岩石电导率与温度的关系岩石电导率与温度的关系 岩石电导率与温度的关系岩石电导率与温度的关系 47 温度对阿尔奇参数的影响与矿化度的影响有所不同。温度对阿尔奇参数的影响与矿化度的影响有所不同。 温度升高时，温度升高时，n值会有所降低。温度升高后，影响了岩值会有所降低。温度升高后，影响了岩 石的润湿性，使岩石的亲水性增强了，从而导致石的润湿性，使岩石的亲水性增强了，从而导致n值降值降 低。低。 温度对地层胶结指数温度对地层胶结指数m值的影响比较复杂。值的影响比较复杂。 48 2）压力对岩石电阻率的影响

51、）压力对岩石电阻率的影响 覆压力对岩石电阻率的影响是因为孔隙度变化引起的。覆压力对岩石电阻率的影响是因为孔隙度变化引起的。 随着上覆压力增加，岩心孔隙度非线性减小，其电阻随着上覆压力增加，岩心孔隙度非线性减小，其电阻 率值也由此而增加。率值也由此而增加。 Mahmood已经证实已经证实_，上覆压力对，上覆压力对m值的影响很微弱，值的影响很微弱， 随着上覆压力的增加，随着上覆压力的增加，m值有微小的增加；并且认为，值有微小的增加；并且认为， 只有有效压力才会对胶结指数只有有效压力才会对胶结指数m值产生影响。值产生影响。 岩心孔隙度随压力变化曲线 岩心电阻率随压力变化曲线 49 3、孔隙结构对砂岩

52、电性质的影响、孔隙结构对砂岩电性质的影响 岩石微观孔隙结构对岩石宏观参数的影响很复杂，许岩石微观孔隙结构对岩石宏观参数的影响很复杂，许 多情况下影响因素不是单一的。多情况下影响因素不是单一的。 岩石微观孔隙结构对阿尔奇参数的影响也很复杂。一岩石微观孔隙结构对阿尔奇参数的影响也很复杂。一 般情况下，岩石的平均孔隙半径与般情况下，岩石的平均孔隙半径与n值呈负相关，平均值呈负相关，平均 孔隙半径越大，孔隙半径越大，n值越低。值越低。 分选性好的岩石孔喉半径对分选性好的岩石孔喉半径对n值的影响不大值的影响不大 50 4、润湿性对泥质砂岩电性质的影响润湿性对泥质砂岩电性质的影响 岩石的润湿性对其电阻率的

53、影响很大。岩石的润湿性对其电阻率的影响很大。 亲水岩石亲水岩石( (水湿水湿) )，水附着在岩石颗粒表面，即使在含水饱和度很，水附着在岩石颗粒表面，即使在含水饱和度很 低时，有限量的水也会在岩石的颗粒表面形成水膜，构成导电通低时，有限量的水也会在岩石的颗粒表面形成水膜，构成导电通 道，电阻率值一般比较低。道，电阻率值一般比较低。 亲油岩石亲油岩石( (油湿油湿) )，不导电的油附着在岩石颗粒表面形成油膜，水，不导电的油附着在岩石颗粒表面形成油膜，水 主要分布在孔隙喉道中间。主要分布在孔隙喉道中间。 岩石的含水饱和度比较高时岩石的含水饱和度比较高时 岩石亲水和亲油性示意岩石亲水和亲油性示意 51

54、 岩石的含水饱和度比较高时，亲油岩石孔隙喉道中的岩石的含水饱和度比较高时，亲油岩石孔隙喉道中的 水是连续的，能够形成导电通道，此时岩石的电阻率水是连续的，能够形成导电通道，此时岩石的电阻率 值相对较低。值相对较低。 当亲油岩石的含水饱和度比较低时，孔隙喉道中的水当亲油岩石的含水饱和度比较低时，孔隙喉道中的水 被油膜所隔断，以小水滴的状态分布在喉道中，不能被油膜所隔断，以小水滴的状态分布在喉道中，不能 形成连续的导电通道，对岩石的导电性没有贡献，此形成连续的导电通道，对岩石的导电性没有贡献，此 时岩石的电阻率值将会很高。时岩石的电阻率值将会很高。 在低含水饱和度时，有时会因为水的导电通道被油隔在

55、低含水饱和度时，有时会因为水的导电通道被油隔 断而导致其电阻率值迅速增高。断而导致其电阻率值迅速增高。 52 在饱和度指数在饱和度指数n n的诸多影响因素中，最突出的影响因素的诸多影响因素中，最突出的影响因素 就是岩石的润湿性。就是岩石的润湿性。 国外近年来的研究资料统计，亲水岩石的国外近年来的研究资料统计，亲水岩石的n n值一般在值一般在 1.51.52.32.3范围内，亲油岩石的范围内，亲油岩石的n n值在值在2.42.41010范围内，范围内， 甚至更高。甚至更高。 实验测试用的岩芯经洗油后一般表现为亲水或中性。实验测试用的岩芯经洗油后一般表现为亲水或中性。 使原有的润湿性遭到破坏；如果

56、用油藏流体在油藏条使原有的润湿性遭到破坏；如果用油藏流体在油藏条 件下饱和岩芯，并且滞留一段时间，岩芯原有的润湿件下饱和岩芯，并且滞留一段时间，岩芯原有的润湿 性会得到一定程度的恢复，这一过程称为性会得到一定程度的恢复，这一过程称为“老化老化”。 岩芯老化前后的实验结果，饱和度指数岩芯老化前后的实验结果，饱和度指数n n值由老化前的值由老化前的 1.691.69变化到老化后的变化到老化后的2.122.12。 53 不同饱和度史影响不同饱和度史影响 由于润湿性的原因，不同饱和度史得到的岩石饱和度由于润湿性的原因，不同饱和度史得到的岩石饱和度 指数有时会有所不同。指数有时会有所不同。 对于亲油岩石

57、，岩心经洗油后，用盐水饱和，再用低对于亲油岩石，岩心经洗油后，用盐水饱和，再用低 粘度油驱替至束缚水状态得到的粘度油驱替至束缚水状态得到的n值，与用盐水再反驱值，与用盐水再反驱 至残余油状态得到的至残余油状态得到的n值一般不同。值一般不同。 岩石润湿性对n指数的影响 不同饱和度史的n指数对比 54 5、阿尔奇参数、阿尔奇参数 影响因素小结影响因素小结 阿尔奇参数的影响因阿尔奇参数的影响因 素是复杂的，有些影素是复杂的，有些影 响关系至今还没有达响关系至今还没有达 成统一的认识。许多成统一的认识。许多 情况下各种影响因素情况下各种影响因素 是同时存在的，因此是同时存在的，因此 需要具体情况做具体

58、需要具体情况做具体 分析。左表为单一影分析。左表为单一影 响因素下的实验结果响因素下的实验结果 的小结。的小结。 55 3.2岩石的介电常数岩石的介电常数 一、物质的导电和介电机理一、物质的导电和介电机理 物质能导电的根本原因在于电荷的移动。在介电体中，物质能导电的根本原因在于电荷的移动。在介电体中， 电场的能量也是通过电荷移动传递的。电场的能量也是通过电荷移动传递的。 不导电的物质虽然能阻止传导电流通过，但却可以让不导电的物质虽然能阻止传导电流通过，但却可以让 交替变化的电场能量以电磁波的形式在其内传播。交替变化的电场能量以电磁波的形式在其内传播。 在外电场的作用下，原来存在于原子之中互相抵

59、消的在外电场的作用下，原来存在于原子之中互相抵消的 电性中心将发生分离，形成一定的电偶极矩。电性中心将发生分离，形成一定的电偶极矩。 在外电场的作用下出现附加电偶极矩的现象叫极化。在外电场的作用下出现附加电偶极矩的现象叫极化。 有不同的极化机制：电子极化、离子极化、分子极化、有不同的极化机制：电子极化、离子极化、分子极化、 固有电偶极矩转向、界面极化等。固有电偶极矩转向、界面极化等。 56 1、物质的介电常数、物质的介电常数 在外电场作用下，电介质中的原子、离子和电子将发生位移或极在外电场作用下，电介质中的原子、离子和电子将发生位移或极 性分子定向排列而产生偶极矩，这种现象称为极化。用极化矢量

60、性分子定向排列而产生偶极矩，这种现象称为极化。用极化矢量 声对极化作定量描述：声对极化作定量描述： 介质的极化率；介质的极化率；E电场强度。电场强度。 物质的极化能力物质的极化能力(或介电性质或介电性质)一般用介电常数表示：一般用介电常数表示： 如果真空介电常数用如果真空介电常数用表示，则表示，则 式中式中物质的介电常数；物质的介电常数；0介质为真空时的介电常数，其数值介质为真空时的介电常数，其数值 为为8.851012F/m；r相对介电常数，它是物质的介电常数相相对介电常数，它是物质的介电常数相 对于真空介电常数的比值。对于真空介电常数的比值。 Ep 41 0 r 57 一般在工程中所用的介