含黏土礦物巖心電頻散特性實驗研究

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.中國石油集團測井有限公司技術(shù)中心, 陜西 西安 710077)

0　引　言

復(fù)電阻率測井作為一種新的測井方法,在低孔隙度、低滲透率、低電阻率和水淹油藏等復(fù)雜油藏的評價中顯示出明顯的優(yōu)勢[1]。在含黏土礦物較高的非常規(guī)油氣儲層,開展黏土礦物對巖心復(fù)電阻率頻散的影響實驗研究顯得十分必要。李建軍等[1-2]研究了礦化度、含水飽和度、CEC對巖心復(fù)電阻率頻散的影響;關(guān)繼騰等[3]模擬計算了儲層巖石的孔隙度、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;同時也分析了黏土礦物種類對復(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)的基本知識可知,在交變電磁場中存在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)的定向運動所引起;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為電場強度;σ為表征導(dǎo)電介質(zhì)對傳導(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理是諧變電流場激發(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,通過強大的靜電力連接,水分子不易進入晶層,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驗

為了方便進行各種影響因素尤其是黏土含量和種類對電阻率頻散的對比分析,采用人工巖心進行實驗研究。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%。巖心的各項參數(shù)見表2。

對制作完成的人工巖心進行烘干,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,利用手動加壓泵加圍壓,并保持圍壓在10 MPa。利用平流泵進行恒流油驅(qū)水,采用的油為煤油,驅(qū)替速度0.01 mL/min,采用計量管計量出水量,根據(jù)出水量計算含水飽和度。

表2　人工巖心參數(shù)表

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

4　實驗數(shù)據(jù)分析

4.1　孔隙度對電阻率頻散的影響

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)電阻率的實部和虛部絕對值越大,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為離子的遷移跟不上外電場變化的速度,孔隙度變小會導(dǎo)致離子擴散的空間變小,離子的遷移速度變慢,難以跟上電場變化的速度,導(dǎo)致界面極化頻率變小。

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

圖2　含水飽和度對電阻率頻散的影響

4.2　含水飽和度對電阻率頻散的影響

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)電阻率的實部和虛部的絕對值都增大,巖心界面極化頻率變小。這是因為,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,對縱坐標(biāo)進行對數(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,需要對界面極化頻率進行孔隙度校正。

圖3　黏土礦物含量對電阻率頻散的影響

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)象在實際生產(chǎn)當(dāng)中并不少見,可以基于薄膜極化假說進行解釋。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激發(fā)的泥質(zhì)砂巖復(fù)電阻率特性,是諧變電流場和離子濃度梯度場共同作用的結(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)電阻率的實部和虛部的絕對值比含10%蒙脫石的巖心的小,界面極化頻率相對要大。這是因為此時的黏土礦物還較少,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)電阻率的實部和虛部的絕對值變小,界面極化頻率增大。含30%蒙脫石的巖心的復(fù)電阻率的實部和虛部的絕對值比含20%蒙脫石的巖心的大,這是因為隨著黏土礦物的增加,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)電阻率實部和虛部的絕對值變大,界面極化頻率減小。當(dāng)蒙脫石含量達(dá)到40%時,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增大離子遷移速度,因此,復(fù)電阻率實部和虛部的絕對值減小,界面極化頻率增大。

4.4　黏土礦物種類對電阻率頻散的影響

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)電阻率實部和虛部的絕對值反而最大,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)電阻率實部和虛部的絕對值小于含高嶺石巖心,界面極化頻率也較大。

4.5　溫度對泥質(zhì)砂巖電阻率頻散的影響

溫度對含蒙脫石、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,能夠較為完整地觀測到巖石的復(fù)電阻率曲線,隨著溫度的降低,巖石的復(fù)電阻率實部、虛部絕對值增大,頻散程度增強,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,跟隨外電場做周期性變化所需的弛豫時間變長,發(fā)生薄膜極化和雙電層形變極化所需的弛豫時間變長[6],故界面極化頻率向頻率降低的方向移動。圖6(a)部分曲線的界面極化頻率超出了測量范圍,可利用Cole-Cole模型計算得到。

圖5　溫度對含蒙脫砂巖巖心電阻率頻散的影響

圖6　溫度對含高嶺石砂巖巖心電阻率頻散的影響

圖7　溫度對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)電阻率實部和虛部的絕對值減小,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)電阻率實部和虛部的絕對值減小,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,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)電阻率實部和虛部的絕對值減小,界面極化頻率增大;當(dāng)黏土礦物含量達(dá)到一定值時,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)電阻率實部和虛部的絕對值增大,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,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)電阻率實部和虛部的絕對值減小,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)電阻率實部和虛部的絕對值最大,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)電阻率實部和虛部的絕對值小于含高嶺石巖心,界面極化頻率也較大。

(5) 對于“薄膜效應(yīng)”對巖心電頻散特性的影響是否存在普遍性,需要對更多不同巖心進行測量加以驗證。

(6) 對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。