岩石的其它物理性质ppt课件.ppt
第八章 岩石的其它物理性质,随着对地下储层物性研究的深入，除了储层岩石的基本物性参数(粒度组成、比面、孔隙度、压缩性、饱和度、渗透率等)外，生产中还需要了解有关储层岩石的更多性质。本章将介绍储层岩石的导电特性、和核磁特性。重点阿尔奇公式,8.1含流体岩石的导电特性,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。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体饱和度，另一方面用于电阻率测井。,1、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：= A/L 式中电阻率， m；电阻，；A导体截面积，m2；L导体长度，m。 电阻率仅与导体的材料性质有关，而与导体的几何形状无关。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，而是测量反映岩层导电性的电阻率。,饱和岩石的导电性,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，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。,石油勘探开发所涉及的岩层主要是离子导电的沉积岩。沉积岩由造岩矿物的固体颗粒组成，这些固体颗粒称为岩石的骨架。砂岩固相物质除个别粘土矿物外，都不导电，电阻率很高。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导电能力。,主要岩石和矿物的电阻率。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(如石英、长石、云母、方解石等)电阻率都很高；按岩石成因看，大部分火成岩(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。,2、岩石电阻率与地层水性质的关系,1）地层水电阻率与盐类化学成分的关系 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，离子具有不同的离子价和不同的迁移率，使得地层水电阻率也不同。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，地层水电阻率小。,实际地层水所含的盐类主要为NaCl，因此可把地层水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mgL。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，将其转化为等效的NaCl的含盐量，然后根据等效的NaCl的含盐量求地层水电阻率，,2）地层水电阻率与溶液浓度及温度的关系,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。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。岩层中的某些盐类由于温度升高，溶解度增大，使溶液的离子浓度增加，电阻率降低。,3、含水岩石电阻率与孔隙度的关系,沉积岩的导电能力，主要取决于单位体积岩石中孔隙体积(即孔隙度)和地层水电阻率。岩石孔隙度越大或地层水电阻率越低，岩石的导电能力就越强电阻率就越低；反之，岩石孔隙度越小或地层水电阻率越高，岩石导电能力就越差，电阻率就越高。,当砂岩的颗粒之间有胶结物存在时，因为胶结物电阻率一般比较高，对电流起阻碍作用，使电流经过的路径变得更曲折，相当于导体的长度增加，且导体横截面积变小。因而胶结砂岩的导电能力比未胶结砂岩差胶结砂岩的电阻率增高。 从以上分析可以看出，含水砂岩电阻率取决于地层水电阻率、孔隙度、胶结情况及孔隙形状。胶结情况及孔隙形状取决于岩性。 为了找出岩石电阻率与孔隙度的关系，可先固定岩性这一因素，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。,实验证明：对于给定的岩样，孔隙中饱和地层水岩石电阻率R0与这种地层水电阻率Rw有正比关系，即R0Rw为一常数。称为阿尔奇地层因子。F = R0 / Rw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R0Rw比值为岩石的地层因子或相对电阻。地层因子与渗透率不相关。,电阻率与岩石物性关系,A和A为盐水和含盐水单元体有效导电横截面积， L和L为导电通道长， Rw盐水电阻率。电流从A面流入，沿L方向流动，其电阻为：,用R0表示100%饱和电阻率Rw的地层水时的岩层电阻率，根据电阻率的定义得：将r2代入,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F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，得到不同的公式，但可概括为下面的一般形式： FC-m 式中常数C受迂曲度影响，一般C=LaL，其值等于1或大于1，理论上在1到2之间；m与孔隙空间减少或电流通道减少有关，称胶结指数。,1942年，Archie提出下面的关系式 F=-m 式中 ：孔隙度，m胶结系数(对胶结岩石来讲，m在1 .82.0之间，非胶结介质大约为1. 3)。在双对数坐标系中,F与有近似直线关系，根据这条直线，可将F与的关系式写成如下形式： a为比例系数，不同岩性有不同的数值.,4、含油岩石电阻率与含油气饱和度关系,当砂岩的孔隙中含地层水和油时，在存连通的条件下水处于颗粒表面(亲水砂岩)，油处于孔隙的中央部位，四周被水包围着。 油的电阻率很高(1091016m)，岩性相同的含油岩石与含水岩石相比，电流的路径更曲折，即导体长度增加，导体横截而积变小。因而含油岩石电阻率比含水岩石大，岩石含油越多(即含油饱和度越高)。 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。,右图为含油水孔隙介质模型，有效导电面积减少为Aa，路径长度是La，电阻为：饱和地层水和油的孔隙度介质的电阻率定义为,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I。它表示含油岩石的电阻率Rt与该岩石完全充满地层水时的电阻率Rw的比值： I Rt / Rw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。,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S0含油饱和度， Sw含水饱和度，n 饱和度指数；b系数。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S0的关系曲线求出地层的含油气饱和度。,烃类(油、气)是不导电的，储层中烃类的饱和度越大，其电阻率也越大。 与地层因子（素）类似，电阻指数可写为式中C迂曲度函数；n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 William由胶结岩石的测试结果，得出：,电阻指数与含水饱和度关系,阿尔奇公式,电阻率测量的实际应用是估算含水饱和度。根据地层因子和电阻指数给出饱和度与孔隙度和电阻率的关系。,式中a、m和n为常数，由特定的油田或被评价的地层确定。n取2时,阿尔奇公式是在实验室测试结果基础上总结出来的，是测井定量解释饱和度的理论基础。局限性和不足：油层岩石的R0值是通过孔隙度和物理意义不明确的岩电参数m转换的。其可靠性取决于样品的数量、孔隙度范围和结构等；另外参数m和n的物理意义不明确。对复杂的孔隙结构还存在多解性。,四极测试电阻率的流程机电路示意图,影响岩石电学性质的几个量,孔隙结构的影响：，孔隙结构指岩石孔隙的构成，如孔喉大小、孔隙分布、形态和连通程度、孔隙类型、孔壁几何形态等微观特征，其中孔喉大小、分布、连通性对导电性影响显著。高温高压的影响：对胶结指数m的影响，压力增，地层因素增加，m是压力的函数。温度的影响较复杂，有人经泥质校正后认为无影响。润湿性的影响：亲油的孔隙介质，含水饱和度降低，电阻率变高。,8.2 核磁共振的物理基础,1946年美国斯坦福大学的Bloch和哈佛大学Puccel几乎同时，用不同的方法各自独立的发现了核磁共振现象。核磁共振处在外加恒定磁场中的原子核系统受到电磁作用时，低能态的核磁矩将吸收交变电磁场提供的能量，跃迁到高能态，发生共振跃迁这种现象称为核磁共振。岩石中各种矿物元素具有不同的共振效应，它取决于矿物原子核的旋磁比、含量、赋存状态等。根据此原理发展了核磁共振测井。,氢在地磁场中具有最大的旋磁比4258/2(Hz/G）和共振频率2.178kHz。又是在井中最容易研究的元素。核磁共振方法是研究包含在液体（水、油、气）中天然含赋存状态的一种测井方法。核磁共振测井以氢核与外加磁场的相互作用为基础，测量孔隙流体的特征以提供丰富的地层信息，它是通过测量核磁共振信号强度和弛豫时间来获得。是一种较新的测井方法。,原子核的磁性,核磁共振的基础是原子核的磁性及其与外加磁场的相互作用。 原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，质子与中子统称为核子。 原子核带有电荷，它们的自旋将产生磁场，像一根磁棒，该磁场的强度和方向可以用核磁矩矢量来表示:式中为原子核的磁矩；为自旋角动量；为比例因子，被称作旋磁比，是磁性核的一个重要性质。,当没有外加磁场时，单个核磁矩随机取向，因此，包含大量同种核的系统在宏观上没有磁性。,单个核磁矩随机取向无（无外加磁场）,外加磁场中核磁的自旋,核磁矩处于外加静磁场中时，将受到一个力矩的作用，从而会象倾倒的陀螺绕重力场进动一样，绕外加磁场的方向进动。进动频率由Larmor（拉莫尔）方程确定：式中，为外加磁场的强度；为旋磁比，由于不同的原子核，其值不一样，在相同的外加磁场中，不同原子核的进动频率也不一样。同一种原子核，在不同强度的磁场中，其进动的频率也不同。,核自旋在外加静磁场中的行为,自旋系统在外加磁场中的行为宏观磁化矢量。 在外加磁场的作用下，整个自旋系统被磁化，使核磁矩排列有序，宏观上产生一个净的磁矩矢量和。单位体积内核磁矩的和叫做宏观磁化矢量，用表示 M的取向与相同，由理论证明， 式中，X为核磁化率。,根据量子力学可知核磁化率：式中，K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；N为单位体积中的核自旋数，I为自旋磁量子数。核磁共振的测量对象就是宏观磁化矢量及其变化过程。 对氢核磁化率中除氢核数密度N外，其它量均为常系数。核磁共振的测量对象就是宏观磁化矢量M及其变化过程。 测出宏观磁化矢量M就能确定参与作用的氢核数密度。,核磁共振现象,对于被磁化后的核自旋系统，在垂直于静磁场的方向再加一频率为（0）的交变电磁场B1，根据量子力学的原理，核自旋系统将发生共振吸收现象。处于低能态的核磁矩将吸收交变电磁场提供的能量，跃迁到高能态，这种现象称为核磁共振。交变电磁场既可以连续地施加，也可以短脉冲的形式施加。现代核磁共振技术都采用脉冲方法，且由于谱仪的工作频率大多在射频段，因此把这样的脉冲电磁波叫做射频脉冲。,核磁弛豫,物理上由新的条件下的不平衡状态过渡到平衡状态的过程叫弛豫。 施加射频脉冲前，核自旋系统处于平衡状态，宏观磁化矢量与静磁场方向相同；射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向；射频脉冲作用结束后，磁化矢量将通过自由进动朝方向恢复，使核自旋从高能级的非平衡状态恢复到低能级的平衡状态，恢复到平衡态整个过程为核磁共振的弛豫过程。,弛豫过程包含两种不同的机理:非平衡态磁化矢量的水平分量Mxy（横向分量）衰减至零的过程称为横向弛豫过程，弛豫速率用来1/T2表示，T2叫做横向弛豫时间。磁化矢量Z方向的纵向分量Mz恢复到初始磁化强度M0的过程，称为纵向弛豫过程，弛豫速率用1/T1表示，T1叫做纵向弛豫时间。,测试参量,测量参数较多，不作介绍。,
