岩石的电磁学性质ppt课件.ppt

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1、第三章 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。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。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。 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(磁法)和地电(直流电法和交流电磁法)探测提供了坚实的理论基础和可靠的解释依据. 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。本章主要介绍储层岩石的导电特性和核磁特性。,3.1

2、 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。,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。按其导电特性可将岩石分成两类： 没有离子导体(电解液)和没有孔隙(裂隙)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；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(裂隙)水极化效应的岩石。这种岩石主要是含水

3、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。,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： R= r S/L 式中R电阻率( m)；电阻()；S-导体截面积(m2) ； L导体长度(m)。电阻率R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。,1、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、岩石孔隙中的流体饱和

4、度、导电流体矿化度、泥质含量以及温度等。,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。 沉积岩的特点是离子导电，沉积岩中地下水的矿化度、动态和水文化学特点对岩石的电阻率有很大的影响。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106m ，而砂岩的电阻率在几十到100m 之间。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。,2、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，

5、岩性是其中的一个。 火成岩和变质岩，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岩石内的吸附水，电阻率在103106m之间。潜水面以下时，岩石的含水量主要取决于其中的束缚水(毛细管水)和自由水(重力水)。,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最高，可达到106 m，而砂岩的电阻率在几十到100 m之间。另外，由于沉积岩具有明显的成层性，所以其电阻率具

6、有显著的各向异性。,3、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。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起。因此，岩石和矿石的电阻率取决于这些胶结物和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低，一般在100 m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化度对岩矿石的电阻率有很大的影响。,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。如果

7、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，则其中的水对岩石的电阻率只有很小的影响。,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(Archie)公式。,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

8、积岩。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。,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

9、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。,1、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、岩石孔隙度之间的关系。其中最著名一个是由阿尔奇(Arehie)于1942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，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为一常数为，称为阿尔奇地层因子。式中F为地层因子或地层电阻率因子。,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。 在物理上，F代表当骨架不导电时，岩石的电阻率相

10、对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率，而F则代表增大的倍数。 经验证明，F与下列因素有关：孔隙度；孔隙的结构和几何形状；孔隙的连通情况。,阿尔奇地层因子公式,阿尔奇通过分析实验数据发现：式中为孔隙度；m为胶结指数，对胶结岩石m在1.82.0之间，非胶结岩石大约为1.3。根据此定义，孔隙度是岩石参数，R是岩石电学物理参数，地层因子F则是将两者联系在一起来。阿尔奇公式改进 ：（1）Homble （2）Dachnov(1959) （3）Kermabon(1969),2、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孔隙度及其饱和度之间的关

11、系。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。,岩石一端的截面积为A，边长为L；毛细管的截面积为Aw，毛细管的长度不La（LaL）。孔隙中全饱和水的电阻率为Rw，考虑岩石骨架不导电，在模型中有效导电的截面为Aw。,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。,式中为岩石的曲折度。,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。,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

12、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：式中常数C受迂曲度影响，一般C=lL，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。对胶结岩石来讲，m在1.82.0之间，非胶结介质大约为1.3。,3、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Lt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(即含油饱和度越高

13、)。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。,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(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。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R0，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So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。,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

14、式式中So含油饱和度， Sw含水饱和度，n饱和度指数；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。,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：,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

15、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：,胶结岩石 William,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的普遍形式,式中F为地层的电阻率因子，也称相对电阻率；I为地层的电阻增大系数；Rt为地层的真电阻率，R0为地层100%含水时的电阻率，Rw为地层水的电阻率，m是地层胶结指数，慢地层的饱和度指数，a,b为常数。,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(含泥少)、孔隐分布均匀、地层水矿

16、化度相对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，m和n值都近似等于2，a和b值都近似等于1。,推广为一般形式,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，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(储层参数)，同时也能将地质参数转换成测井信息。,阿尔奇公式局限,（1）由R0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。（2）m和n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、地层水电阻率及胶结指数求出的R0来计算饱和度还存在着多解性。（3）阿尔奇公式要求的条件限制了它在一些地质环境

17、下使用，如碳酸盐岩储层和含泥质多的泥质砂岩储层等。,5、双对数曲线,阿尔奇公式中的a、b、m、n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，具体方法如下。将两式两端取对数得到：可见，lgF与lg或lgI与lgSw之间的关系呈线性。在双对数坐标系中可建立lgF与lg之间和lgI与lgSw的关系，在双对数坐标系中它们的直线斜率分别是m和n，截距分别是lga和lgb。,6、泥质砂岩电导率 (WaxmanSmith)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。对于自然界中的含泥质岩石，阿尔奇公式不再适用。

18、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有关。 由此建立了含油泥质砂岩的导电模型（WS模型）。,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。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换所引起的电导。,含水泥质砂岩电导率为,含油泥质砂岩率为,式中 C0完全饱和水泥质砂岩的电导率；Ct含油泥质砂岩的电导率；F*泥质砂岩

19、的电阻率因数；Cw地层水电导率； n*泥质砂岩的饱和度指数； B可交换阳离了的等效电导率；Qv阳离子交换量。,和阿尔奇公式一样，Waxmant和Smith也给出了泥质砂岩的电阻增大系数I：当Qv=0时，即地层不含粘土时，形式与阿尔奇公式相同。因此ws模型是对阿尔奇公式的补充和发展。在实际应用中，WS模型遇到的突出问题是Qv和B的确定问题，这些参数需要靠精确的实验室资料来确定。因此WS模型的应用受到了限制。,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。含水饱和度较高时，

20、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。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现这种情况下，很可能导致低阻油层。,三、岩石电阻率的测量方法,1、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。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值。计算公式如下： 式中：d岩心直径；L岩心长度；I一通过岩心的电流强度；V岩心两端电位差。,测量方法,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A和B既是供电电极又是测量电极。缺点是测量精

21、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。 四极法测量仅适合在岩心完全饱和水的情况下使用，否则M、N电极之间的含水饱和度不易计量。,2、含水饱和度的电阻率测量方法,1）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。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。2）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、烘干）、离心法和半渗透隔板法。 3）油、水两相驱替法借助于压力设备。,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3天以上的驱替时间。,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 岩石的导电能力主要与

22、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。 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Na

23、Cl的含盐量，然后根据等效的NaCl的含盐量求地层水电阻率。,1）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。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。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。,2）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，在一定低的矿化度范围内，矿化度变化对F和I值都无影响，m和n值都不随矿化度变化。 在F的表达式中，矿化度对Rw的影响要大于对R0的影响，即Rw随矿化度增高而降低的程度较R0大，因此F值随

24、着矿化度增高会略有增高、m值会略有增大。当地层水矿化度较高时，矿化度对R0的影响要大于对Rt的影响，使I值随着矿化度增高略有增高、n值略有增大。使F和I值开始出现增高趋势的矿化度界限由于岩性不同会有所不同。,3）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“U”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，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平缓、然后上升因此出现了“U”字型。,即

25、使满足淡水驱替的条件，也不是一定会出现“U”字型现象，“U”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度变化曲线。 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。,淡水驱岩心的RtSw关系,2、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 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。,岩石电导率与温度的关系,岩石电导率与温度的关系,温度对阿尔奇参数的影响与矿

26、化度的影响有所不同。温度升高时，n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n值降低。温度对地层胶结指数m值的影响比较复杂。,2）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。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。Mahmood已经证实_，上覆压力对m值的影响很微弱，随着上覆压力的增加，m值有微小的增加；并且认为，只有有效压力才会对胶结指数m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,3、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，许多情况下影响因素不是单一的

27、。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n值呈负相关，平均孔隙半径越大，n值越低。,分选性好的岩石孔喉半径对n值的影响不大,4、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影响很大。 亲水岩石(水湿)，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，构成导电通道，电阻率值一般比较低。亲油岩石(油湿)，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。岩石的含水饱和度比较高时,岩石亲水和亲油性示意,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，此时岩石的电阻率值相对较

28、低。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。 在低含水饱和度时，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。,在饱和度指数n的诸多影响因素中，最突出的影响因素就是岩石的润湿性。国外近年来的研究资料统计，亲水岩石的n值一般在1.52.3范围内，亲油岩石的n值在2.410范围内，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。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，岩芯原有的润湿性会得到一定程度的恢复，这一过程称为“老

29、化”。岩芯老化前后的实验结果，饱和度指数n值由老化前的1.69变化到老化后的2.12。,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指数有时会有所不同。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n值，与用盐水再反驱至残余油状态得到的n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,5、阿尔奇参数影响因素小结,阿尔奇参数的影响因素是复杂的，有些影响关系至今还没有达成统一的认识。许多情况下各种影响因素是同时存在的，因此需要具体情况做具体分析。左表为单一影响因素下的实验结果的小结。,3.2岩石的介电常数,一、物质的导电和介电机理

30、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。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。 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。 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、固有电偶极矩转向、界面极化等。,1、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：介质的极化率；E电场强度。 物质的极化能力(或介电性质)一

31、般用介电常数表示：如果真空介电常数用表示，则式中物质的介电常数；0介质为真空时的介电常数，其数值为8.851012F/m；r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。,一般在工程中所用的介电常数都是指相对介电常数。介电常数是“表征电介质在电场中存储静电能的相对能力的物理量”，也称电容率；所定义的“能力”也可以理解为电介质的极化能力。 物质的介电常数描述束缚电荷对外加电场的响应。在广义上，只要是相对介电常数大于1的物质，都是电介质。介电常数理论主要研究介质内部束缚电荷在电场的作用下的电极化过程和规律，并阐明电极化过程和规律与电介质结构之间的关系，解释物质的宏观介电性质和微观介电机

32、制。,2、岩石的介电常数,岩石是由不同成分的岩石骨架、固体充填物和不同的流体组成的混合物，它的介电常数取决于其混合物质的成分、含量和分布状态。岩石骨架的介电常数取决于造岩矿物的介电常数。,岩石孔隙中流体的介电常数差别则很大。石油不大于4，气体1，水的介电常数在20时约80，比岩石骨架和油、气的介电常数要大得多。水受矿化度影响小，这是利用介电常数测井资料识别油水层的有利因素。水是极性分子，其介电常数随温度变化较大，因此岩石的介电常数受温度影响；虽然水的介电常数随温度变化，但不会影响到它相对于岩石骨架和油、气在介电常数数值上的优势。温度的变化不会影响到电磁波测井在识别油水层方面的优势，而且温度的影

33、响是可以校正的。,二、岩石介电常数的测量方法,测量岩石介电常数的方法有多种。不同频率下有不同的测量方法：1）在10khZ200MHz频段内，可以采用电容法；2）在lMHz1100MHz频段内可以采用同轴线测量法；3）在l00MHz2GHz频段内可以采用反射法、传输法和谐振腔法。 电容法和同轴线法，是目前国际上普遍使用的方法。,1、电容法,有屏蔽室的平行板电容法。 岩心夹持器被装在屏蔽室内，电容器的上、下极板均为黄铜质；上极板通过屏蔽室接同轴线的外导体，下极板接同轴线的内导体。,通过测量平行板电容器的电抗，即可求出岩心的介电常数和电导率。,2、同轴线测量法(散射参数法),利用同轴线法测量岩心的介

34、电常数需要把岩心加工成空心圆柱形，置入同轴线夹持器进行测量。,测量过程中，沿同轴线传播的电磁波遇到岩心时，波的能量一部分被传输、一部分被反射、还有一部分被吸收。记录反射波和传输波的相位和幅度(散射参数，也称S参数)，即可求出岩心的介电常数和电导率。,三、砂岩介电常数的影响因素,1、岩石介电常数与含水饱和度的关系由于水的介电常数比油、气和岩石骨架的介电常数大得多，因此岩石的介电常数对含水饱和度最敏感。 随着样品中含水饱和度Sw的增加，岩石介电常数增大。,高孔渗岩心的介电常数随Sw的增加增大很快，在Sw小于70范围内几乎呈线性关系；当Sw大于70时，岩心介电常数随Sw的变化曲线比线性曲线略低 。孔

35、隙壁起到了限制水分子极化的作用，使其极化能力不如自由水。,低孔渗岩心的孔隙空间小，介电常数随Sw的变化缓慢，线性关系比高孔渗岩心差。相对地，介电测井在高孔渗地质条件下的应用效果要比低孔渗时好。,受孔隙度的影响，一个区块的岩石介电常数与含水饱和度的统计关系常常是很分散的。不含水时岩心的介电常数相差不大，随着含水饱和度的增加，不同孔隙度岩心的介电常数差别越来越大。用岩心的含水率(Sw)来与介电常数建立关系，效果要好些。,2、岩石介电常数与孔隙度的关系,当岩石孔隙中充满单一性质的流体时，岩石的介电常数整体表现为：当孔隙流体的介电常数大于骨架的介电常数时，即当lm。时，岩石介电常数随孔隙度增加而增大；

36、反之，当孔隙流体的介电常数小于骨架的介电常数时，即当lm时，岩石介电常数随孔隙度增加而减小。,干岩心的介电常数随孔隙度的增加略有降低,100含水岩心的介电常数随孔隙度的增加而明显增加,3、泥质含量及其分布状态的影响,岩石的介电常数随泥质含量增加而增大。原因：1）泥质中含有大量的束缚水和结晶水，使其介电常数增大；2）泥质颗粒表面具有吸附孔隙溶液中阳离子的能力，形成偶电层，使其极化能力增强。,泥质分布状态对岩石介电常数的影响一直是人们所关注的问题，但很少见到这办面的研究资料。 问题可从两个方面来理解：一是岩石中泥质的分布状态很难搞清楚，尤其目前用测井方法还不能确定其分布状态；二是岩石介电常数的影响

37、因素很多，难以把它们单独抽出来进行研究。实验室可采用人工样品来研究泥质分布状态对岩石介电常数的影响。,4、岩石介电常数的频散特性,频散特性指的是岩石介电常数随测量频率变化而变化的性质。 干岩心几乎不存在频散现象。 对于含水岩心，随着测量频率增高，介电常数下降，不同频段内的频散程度不一样。不同岩性的样品频散程度不同。,3.3 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。

38、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

39、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

40、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。,

41、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。,测量方法,自由感应衰减的测量方法的核心是利用某种方法使与静磁场B0平行的磁化矢量M0板转90度，激发自由进动信号，然后测量自由感应衰减信号。反转恢复法自旋回波法测量参数较多，不作介绍。,