钨铼热电偶在空气中的热电动势稳定性及其特性研究及我国滩坝砂勘探现状与储层基本特征分析

钨铼热电偶在空气中的热电动势稳定性及其特性研究摘要：为了解决钨铼热电偶在实际使用中遇到的问题，本文探对了钨铼热电偶在空气中的高温稳定性规律。研究结果发现：钨铼热电偶由于某一极完全氧化而导致材料性质发生了质变，从而引发了与之相应的热电性质的根本改变；首次揭示出钨铼热电偶两极的稳定性在不同温度下是不同的；发现了钨铼热电偶的体电阻与热电势具有同时突变的特性，从而，可以通过测量电阻变化对其寿命进行预报。本项研究结果为钨铼热电偶的生产及合理使用提供了理论依据。关镶调：钨铼热电偶稳定性氧化热电势1引言

钨铼热电偶是五十年代发展起来的杰出的难熔金属热电偶，是目前可测到1800℃

我国钨的储量及产量均为世界第一，而且有关抗氧化钨铼热电偶及消耗型钨铼热电偶的开发与应用在世界也处于领先地位。为了解决钨铼热电偶在实际使用中出现的问题，人们曾探讨过在非氧化性气氛中的稳定性；但在氧化性气氛中的稳定性研究尚未见报导，这是抗氧化钨铼热电偶出现后的新课题，具有明显的理论意义与实用价值。2实验方法

为了与实际应用相一致，本实验采用国内外主要丝材生产厂提供的钨铼热电偶丝作为研究对象，其主要成分和尺寸如表1所示。

将正、负极匹配成长45cm的热电偶，两极间用高纯Al2O3绝缘管绝缘，工作端裸露在空气中。实验中，将钨铼热电偶的工作端置于加热炉体的恒温带中，参考端处于室温，其波动在±5℃表1实验样品的成分和尺寸热电极名义含Re量(wt%)直径(mm)备注w-3%Re(正极)30.490国产w-25%Re(负极)250.504国产w-5%Re(正极)50.512美国HOSKIN公司w-26%Re(负极)260.520美国HOSKIN公司3实验结果

钨铼热电偶的热电势EMF和体电阻R在氧化过程中随时间t的变化表现出明显的突变性。在突变发生前非常稳定；热电势和体电阻在相同的温度下发生突变。其方向随温度的不同而异：800℃和900℃时，热电势发生正漂；

图1示出了1000℃4分析与讨论4.1钨铼热电偶正、负极稳定性比较

钨铼热电偶在空气中氧化一定的时间后会发生热电势突变，而构成正、负极的W-3％Re和W-25％Re合金的氧化速度是不同的。因而可以预见，它们对热电偶的稳定性将产生不同的影响。从图1可以看出：钨铼热电偶正负极具有不同的稳定性。1000℃

正负极稳定性的差异是与两种钨铼合金氧化行为相一致的。800、900℃时，随着铼含量的减步，钨铼合金的抗氧化能力增强。W-3%Re因形成附着性相对较好的层状结构氧化膜而具有低于W-25%Re的腐蚀速度；1000℃时，铼含量越高，合金的抗氧化性越强。W-25%Re由于发生氧化层的烧结反应形成双层结构的氧化膜，外层是富钨少铼的氧化物薄层。内层是较致密的钨、铼氧化物混合层，与基体相比，铼有所富集。烧结反应使氧化膜变得较致密，提高了W-25%Re在1000℃4.2钨铼热电热偶热电势突变的原因

在进行正负极相对稳定性实验的同时，采用两根中Φ0.8mm的镍铬丝分别悬吊长2cm的W-3%R和W-25%Re合金丝各一组，与热电偶的工作端同置于1000℃

为了进一步确认上述现象，在进行整体热电偶稳定性实验时，取出突变时刻的热电偶，将其工作端制成金相试样。根据我们对1000℃4.3钨铼热电偶的防氧化技术与抗氧化钨铼热电偶

钨铼热电偶在空气中影响热电势不稳定的主要因素是氧化，而为了替代铂铑热电偶又只能在氧化性气氛中工作，因此可采用如下防氧化技术：①涂层保护法；②抽空密封保护法；③抽空充气密封保护法；④充填密封保护法。

涂层保护法在技术上尚存在一定问题[3]，而抽空或充填密封保护法则已通过批量试验，每年至少有千支以上抗氧化钨铼热电偶用于工业炉窑的温度测量。由于在保护管内人为地创造出适于钨铼热电偶工作的非氧化气氛，因此抗氧化钨铼热电偶的长期稳定性较好。作者采用专利技术生产的实体型抗氧化钨铼热电偶，经在鞍钢烧结厂球团加热炉(氧化性气氛)中使用7个月(5000h)，取出后的检定结果表明，它性能稳定，精度达1%，并可继续使用。5结论

本文探讨了钨铼热电偶在高温空气中的热电稳定性，得出如下规律性结论(1)钨铼热电偶在空气中，由于高温氧化，引起热电势突变而导致热电偶失效。其中，在1000℃时，热电势发生负漂；800℃和(2)钨铼热电偶各极的稳定性是不同的：1000℃正极不稳定，首先发生热电势负漂；800℃和(3)钨铼热电偶的热电动势突然失效的原因，不是合金元素的选择性氧化所致，而是由于某一极合金丝完全氧化成氧化物，使材料性质发生了根本性改变。1000℃时是因其正极完全氧化引起钨铼热电偶突然失效；800℃和(4)钨铼热电偶突然失效时，热电势和体电阻同时突变。因而，可以通过电阻测量对其寿命进行预报。(5)失效后的钨铼热电偶仍有热电势的假象，这是因其氧化产物ReO3具有很高导电率的缘故。参考文献1贺鸿业.钨铼合金丝的高温氧化行为及钨铼热电偶的稳定性研究[学位论文]沈阳：东北大学.1996.2沈华生.稀散金属冶金学.上海：上海人民出版社.1976.3王魁汉等.抗氧化钨铼热电偶的发展与应用.自动化仪表，1995，16(6)：High—temperatureStabilityofTungsten-RheniumThermocouplesinAirWangKuihan,HeHongye,CuiChuanmeng(NortheastUniversity，Shenyang110006)Abstract–High–temperaturestabilitiesoftungsten–rheniumthermocouplesinairareinvestigatedinordertosolvetheproblemsmeetinpracticaluse.TheresultsshowthatthecompleteoxidationofoneoftheelementsofW/Rethermocouplesresultedinthequalitativechangeofmaterialnature,correspondingtowhichthebasicvariationsofthermoelectricpropertiestakeplace.ItisdiscoveredfirstlythatthestabilitiesoftwoelementsofW/Rethermocouplearedifferent.Moreover,thespecialperformancethatthewholeresistanceandthermo–electromotiveforce(EMF)ofaW/Rethermocouplevariedsimultaneouslyisalsofound.Therefore,itispossibletoforecastaservicelifeofaW/Rethermocouplebymeasuringthechangeofitswholeresistance.TheseresultsprovidetheoreticalbasisforthemanufactureandreasonableusingofW/Rethermocouples.Keywords:W/Rethermocouple;Stability;Oxidation;Thermo–electromotiveforce我国滩坝砂勘探现状与储层基本特征分析【摘要】滩坝砂油气藏是一种重要的油气藏类型，在我国各大含油气盆地中都有发现，尤其在东营凹陷，已勘探发现了大面积滩坝砂油藏。尽管如此，我国滩坝砂勘探程度总的来说还是比较低的，许多认识还不是很清楚。笔者在大量文献调研、理论模型研究和多个工区实际应用的基础上，对滩坝砂储层的地质特征、测井响应特征和地震特征做了客观、全面的分析。研究表明：1）地质因素是影响滩坝砂沉积发育的首要因素，文章对成因、沉积物特征、构造特征、水动力条件、成藏特点等多个方面做了归纳总结；2）测井曲线具有相对较高的分辨率，对滩坝砂储层识别比较有效的有SP、GR和电阻率等测井曲线，作为微电位和微梯度电阻率的差值，微电极测井也是常用的描述手段；3）地震方法作为目前广泛使用且十分有效的方法，对于滩坝砂储层，“弱中见强”是主要地震相特征，无论是理论模型还是实际研究都说明波形特征相对频率特征要好，古地貌对于确定滩坝砂发育区域非常有效，因为滩坝砂大多是岩性油气藏，构造上不利、较深的缓坡带也应具有较好的勘探前景，地震分辨率是制约滩坝砂勘探精度的瓶颈问题，进行目标处理、并尽量消除盖层的影响，是解决滩坝砂弱反射特征的有效手段。关键词：滩坝砂；储层特征分析；地质特征；测井响应；地震相；古地貌

我国滩坝砂勘探现状湖湾及水下隆起周缘沉积的滩坝砂体，由于其良好储层特征及高产能力，一直受到人们的重视。目前，辽东湾盆地[1]、准噶尔盆地[2]、四川盆地[3]、塔里木盆地[4]、鄂尔多斯盆地[5]、大港板桥凹陷[6]、胜利惠民凹陷[7]和东营凹陷[8]，都发现了滩坝砂储层。尤其是在东营凹陷，勘探人员已经找到了大面积的滩坝砂岩油藏，展示了滩坝砂勘探的广阔前景[9-10]。滩坝砂体具有近油源、储集性能好、生储盖组合配置完善、有利于油气富集的地质条件，勘探人员理应在全国各地断陷湖盆的缓坡带找到此类油气藏，但答案是否定的。原因主要有以下几点：1）滩坝砂多由湖浪改造扇三角洲再沉积而成，地质作用力不像三角洲、河流那样明显，宏观上确定其分布本身较难；2）具有成藏能力的滩坝砂储层普遍较深，东部油区多发育于下第三系沙河街组，西部油区还有发育于三叠、二叠系的，钻井成本是一个必须要考虑的因素；3）滩坝砂单层厚度小，一般认为小于2米是滩砂、大于2米为坝砂，7、8米以上就很少有，是真正意义上的“薄互层”；4）地震资料的精度还达不到要求，一是纵向分辨率“1/4波长”即使再小上几倍也无法满足薄层分辨率的要求，二是空间展布难成像，目前常规方法还很难成像出清晰的滩坝砂湖岸沉积图来。总的来说，我国滩坝砂体油气藏目前仍然属于勘探开发程度较低的一类油气藏，尤其对其储层的控制因素、形成条件及预测方法还没有完全形成统一的认识。对滩坝砂储层基本特征做一比较客观、全面的分析具有十分重要的现实意义。滩坝砂储层的地质特征基金项目：国家油气重大专项《大型油气田及煤层气开发》（2011ZX05051）资助作者简介:张军华(1965－)，男，教授/博导，1987年毕业于华东石油学院物探专业，2002年毕业于中国石油大学地球探测与信息技术专业，获博士学位，现从事地震资料处理和解释方法的教学和研究工作。湖相滩坝砂体主要见于湖泊的边缘、湖中局部隆起和湖湾等处的滨浅湖区，是湖岸地带的碎屑物质经湖浪、湖流长期搬运、淘洗再沉积形成的。其沉积相分为坝砂亚相和滩砂亚相。滩坝砂体可形成于湖进或湖退阶段，前者剖面呈正旋回层序，后者为反旋回层序，古代保存下来的以后者居多[6，8]。图1为滩坝砂的沉积模式图，滩砂形成于滨浅湖环境，主要动力为波浪作用。古地貌、浪基面、物源供应控制了滩坝砂的发育与分布；物源的多少控制了滩坝砂岩的发育规模；古地貌与浪基面的交汇区控制滩坝砂的横向展布和储层发育带；浪基面的位置则使得坝砂在垂直岸线方向有规律的摆动[11]。图1湖相滩坝沉积模式（据翟勇，2008）“滩坝”是滩砂与坝砂的总称，是三角洲或扇三角洲前缘经过风浪改造或搬运一定距离后又滞留沉积形成的水下堆积性隆起，因而又可称砂质滩坝，其二者演化中常常叠覆相伴而生，形成滩坝复合体。受钻井、测井及地震资料分辨率的限制，通常难于区别。但由于滩砂与坝砂其形成的机理有很大区别，受不同的水动力条件限制，其分布规律与沉积特征还是有一些区别[12]。表1总结了滩砂和坝砂的不同的地质特征。表1滩砂与坝砂的地质特征滩坝砂亚相滩砂特征坝砂特征成因波浪冲刷回流碎浪冲击或波浪与沿岸流的共同产物水动力条件、沉积环境水动力条件相对较弱，沉积环境多为滨湖滩坝沉积主体部分，沉积水动力能量强，环境多为浅湖沉积物特征沉积物粒度不明显，粒序为不明显反韵律；岩性为粉砂、粉细砂、泥岩沉积物粒度粗，为反韵律；结构成分成熟度高，岩性以粉砂岩到中砂岩为主沉积构造沙纹交错层理、波状层理、亚平行层理、脉状及透镜状层理；生物扰动发育，常发育炭屑层，有完整植物形态，生物潜穴；层面有浪成和干涉波痕亚平行层理、交错层理、浪成沙纹层理、爬升沙纹层理及波状层理等；生物化石发育较差，生物潜穴多垂直、倾斜；层面上有浪成波痕和剥离线理等构造平面分布形态一般平行于岸线，分布面积大，为宽缓的条带状或席状与岸平行或斜交或相连的条带状砂体，可成排出现垂向分布形态砂泥岩频繁互层，层数多且单砂体厚度小一个沉积旋回中砂岩层数少，单砂体厚度大成藏特点含油性较差含油性较好滩坝砂成藏特点具体地说具有以下特点，该类油藏主要受控于有效储层分布、压力特征和构造特征，其中有效储层和压力是滩坝砂岩油气成藏最关键的因素：1）单层厚、物性好的坝砂油气最易富集成藏，单层薄、灰质含量低的滩砂也具有较好储集性能。2）地层压力决定油藏类型和油气充满程度，构造背景和断裂控制含油富集区带。在靠近洼陷的高压区，地层压力大，油气充满度高，油藏类型以岩性油藏为主，油气藏无明显的边底水，非油即干；在盆地斜坡的中部，为地层压力的过渡区，油藏类型以构造-岩性油藏为主，油气充满度也较高，局部可见到油水间互；在盆地边缘的构造高部位的常压区油藏类型以构造为主，油气充满度较低，油藏往往油水间互现象比较普遍，具有明显的边底水[13]。滩坝砂储层的测井响应测井曲线种类众多，对于滩坝砂储层，比较有效的是SP、GR和电阻率，三孔隙度曲线（声波、中子、密度）有时也用于岩性的识别。电阻率测井中经常用的是微电极测井，它实际上是微电位和微梯度电阻率的差值，前者大于后者为正差异。在低渗透油藏中，此类测井分辨率较高，适合于划分薄层。测井曲线的曲线形态与沉积环境及水动力条件密切相关，以自然电位曲线为例：自然电位较平直，为水流停滞的低能环境；自然电位曲线呈中幅微齿化的箱状，电阻率曲线为尖刀状正异常，则水动力条件相对稳定；自然电位呈低幅指状或齿形，电阻率曲线为低阻，局部为低幅尖刀状，反映沉积过程中能量的快速变化。表2滩坝砂储层测井响应特点不同岩性不同流体测井响应特点砂岩储层灰质砂岩泥质砂岩油层水层干层自然电位负异常，自然伽马值相对低，三孔隙度曲线重合性好，微电极明显正差异且为相对中低值，感应电阻率曲线根据储层孔隙内含流体性质的不同而表现为不同的测井响应特征。自然伽马数值比砂岩低，自然电位无明显异常，声波、中子、密度测井响应显示储层含有灰质，微电极曲线为无差异或较小的正幅度差。电阻率测井数值高且出现随探测深度的增大电阻率依次减小的趋势。感应电阻率偏高，孔隙度偏小。FMI微电阻率成像测井静态图为亮黄色。自然电位曲线无异常、自然伽马曲线由于泥质条带的影响数值增大，三孔隙度曲线在标准刻度下差异较大，较粉细砂岩表现为声波时差、补偿中子数值增大；微电极曲线为负的幅度差或无差异，为中低值。FMI静态图呈棕黄色明暗相间的条带。微电极曲线一般会出现正的幅度差，也可能无差异或负差异；侵入影响小，测井曲线难以区分，电阻率数值大小受地层水矿化度影响较大。高侵情况下浅探测电阻率明显高于深探测电阻率。微电极曲线有负幅度差，并且数值较高。自然伽马数值增大，三孔隙度曲线在砂岩标准刻度下重合性差，表现为明显含灰、泥的特性。实例目前已发现油气的主要是滨浅湖相沉积为主的滩坝砂体，其岩性主要为粉砂岩、灰质粉砂岩和泥质粉砂岩，储层可能含油、水，也可能是干层。在研究多个区块实际测井资料和总结前人研究成果的基础上[14-16]，我们对滩坝砂储层的测井响应进行了初步归纳和总结。滩坝砂储层主要地震特征4.1滩坝砂储层的分辨率问题滩坝砂储层的基本特征是“埋深大、屏蔽强、信号弱、厚度薄”。以东营凹陷为例，“埋深大”，发育的沙四上储层基本都在3000米以下，属于深层勘探的范畴；“屏蔽强”，指的是沙三段的底是一套很好的油页岩盖层，有的灰质成份也比较高，地震上是一套强反射，屏蔽了部分能量的下传；“信号弱”，主要是滩坝砂层很薄，本身反射不强，还有砂体横向连续性不好，不易连片追踪；“厚度薄”，2米以上的坝砂较少，大量存在的是厚度很薄的滩砂。滩坝砂储层的分辨率较低，设主频为25Hz，层速度为3000m/s，则薄层厚度为30米。对于2ms为采样间隔的资料，1个样点可分辨的厚度=2ms/2×3000m/s=3m，这就是说2米的坝砂的厚度连一个样点也不到，别说调谐厚度了。应该说，地震资料本身的分辨率限制实际上是制约滩坝砂勘探精度提高最主要的因素。纵向上展宽目的层频宽、提高主频，横向上提高滩坝砂的预测精度，是滩坝砂勘探的基本方向。4.2地震相特征（a）滩砂正演模拟（b）坝砂正演模拟（c）滩坝互层正演模拟图2滩坝砂的振幅与频率特征地震相是指地震反射的地质面貌，即指示沉积体在地震剖面上反映的各种特征。在滩坝砂的解释中，最重要的反射振幅（波形）特征，频率特征相对要次要一点。图2是滩坝砂正演模拟的结果，紫色部分为砂岩，速度4000m/s，黄色部分为泥岩，速度3300m/s，密度值恒定，设定滩砂厚度为2m，坝砂厚度为5m，子波采用35Hz雷克子波，1ms采样。从正演结果可以看出：1）滩坝砂表现为中强反射，坝砂越集中，地震反射越强；2）频率变化较大，规律性不易掌握。正演模拟只反映了滩坝砂的局部特征，实际资料滩坝砂储层特征要复杂得多。整体来说，滩坝砂是强屏蔽层下的“弱中见强”的反射。图3(a)为东营凹陷樊151-樊147工区一连井剖面，红色圈中波组特征与绿色圈有很大区别，由单波峰变为双波峰，振幅相对变弱。图3(b)为滨435一过井剖面，为了给读者呈现不同的显示方式，以波形变密度显示。可以看到整个储层还是见到了中等强度的反射结构，但要分清滩坝砂薄互层结构几乎不可能，甚至连储层的底界也很难找到。（a）樊151-樊147工区（b）滨435工区图3滩坝砂储层的剖面特征上述结论与王金铎等[17]用波形分析法预测东营西部滨浅湖滩坝砂岩储层一致，该文中10口井展示了10种不同的波形特征，说明实际滩坝砂确实是很复杂的。文献中也有个别好的例子，如向奎等[2]认为准噶尔盆地排2井井区滩坝砂油藏具有强振幅、中低频率、高吸收系数的特征，特别是振幅能量分布在外部形态上“周围边界清晰、上凸下平”。袁红军[10]在东营凹陷博兴洼陷用振幅属性和瞬时频率属性较好地预测了滩坝砂体。不过，相对根据井资料统计分析，由地震方法预测的滩坝砂分布，文献报道还是很少。4.3构造特征图4滩坝砂非构造油气藏构造图实例展示滩坝砂体的分布范围受沉积古地形条件的约束，往往分布于古地形的高地。后期的构造运动不影响其早期的成藏，滩坝砂属于典型的岩性油气藏。图4为滨435工区的等t0构造图，该区发育有多条近北东方向的断层，除滨444井以外，已钻的井都没有形成各自的构造圈闭，没有构造条件，但都发现良好的油气，这说明因此该处滩坝砂是岩性油气藏。另外，像滨437这样的井埋深很大（>3700米），不在高点，没有断层封堵，剖面上又有较明显反射特征的区域，找到的且是砂体很厚、产量较高的油藏。这进一步明确了一个认识：滩坝砂埋深很大，低孔、低渗，但高压、物性好，即使构造不利，依然可成为好的岩性油气藏。这一认识很重要，对于其他构造很复杂的区块（如樊159井区），只要将勘探重点放在寻找岩性有利区上，依然能找到好的储层发育区。较强反射岩性有利区较强反射岩性有利区图5构造不利、岩性有利一典型井实例4.4古地貌特征滩坝砂体主要发育于滨岸环境，其成因主要是附近的三角洲等近岸浅水砂体经过湖浪和沿岸流等再搬运、改造，遇到近岸地形隆起或湾口处时，波浪速度减缓，释放出砂砾堆积形成。因此，古地貌在滩坝砂形成中很重要，它控制了滩坝砂体的横向展布，这一点已成为比较共性的认识。图6为一钻井较多的研究区实例，可以看出滩坝砂大都发育在古地貌的缓坡带。图6滩坝砂发育在古地貌缓坡带上述给出只是滩坝砂最主要的特征，当然仅仅依赖地质、测井和地震这三个方面来描述和预测该类油藏还是存在很大的风险。由于滩坝砂油藏的复杂性，在实际勘探过程中，我们要根据研究工区的实际情况，制定相应的解决方案，选用有针对性的技术，以便更好地解决面临的难题。关于滩坝砂地震解释中存在的问题，如何尽可能地提高滩坝砂的识别精度等，笔者将另文研究。

结论与认识1）我国滩坝砂勘探相对比较成熟的只是济阳坳陷的东营凹陷，其他油田规模性的勘探成果还很少，滩坝砂整体来看前景广阔，但需要不断深化人们的认识。2）滩坝砂沉积具有厚度薄、横向变化快的的特点，具有近油源、储集性能好、生储盖组合配置完善、有利于油气富集的地质条件，但储层渗透率低、储量丰度低，油气成藏主要受控于有效储层分布、压力特征和构造特征。3）滩坝砂储层在测井曲线上具有明显的差异特征，特别是在SP、GR和电阻率曲线，滩坝砂储层有较明显的反应，一般显示为自然电位负异常、GR值相对较低、电阻率较高等特征，这为直接识别滩坝砂储层提供了有效的途径。4）滩坝砂储层在地震资料上也存在比较明显的特征。从地震相来看，滩坝砂储层整体表现为“弱中见强”反射，内部结构模糊，划分小层比较困难；构造特征对于此类岩性油气藏的影响不是很大，构造不利区也有可能是储层有利区，勘探人员应拓宽思路；古地貌特征控制了滩坝砂储层的整体分布，滩坝砂储层一般发育在古地貌缓坡带。5）目前滩坝砂勘探的主要问题是如何提高识别精度，在目标处理的基础上，综合运用多种信息是今后工作努力的方向。

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Explorationsituationandbasiccharacteristicsanalysisofbeach-barsandreservoirinChinaAbstract:Beach-barsandreservoirisanimportantreservoirstypewhichdiscoveredineachoil-gas-bearingbasininChina,especiallyinDongyingsag,researchershavediscoveredlargeareasofbeach-barsandreservoirthroughexploration.Evenso,thebeach-barsandexplorationdegreeisrelativelylowinourcountryonthewhole,somerecognitionsofbeach-barsandarenotveryclear.Basedonlotsofdocumentsresearch,theoreticalmodelstudiesandapplicationofseveralworkareas,weconductedobjectiveandcomprehensiveanalysisaboutthegeologicalcharacteristics,welllogresponseandseismiccharacteristicsofbeach-barsandreservoir.Ourresearchresultsshowthat:1)Geologicalsituationisthekeyfactorwhichinfluencingthebeach-barsanddepositdevelopment,thisarticlesummarizedthefollowinggeologicalaspectssuchasorigin,depositsedimentcharacteristics,formation