介電測(cè)井新技術(shù)與應(yīng)用

介電測(cè)井新技術(shù)與應(yīng)用RomuloCarmona委內(nèi)瑞拉國(guó)家石油公司委內(nèi)瑞拉加拉加斯EricDecoster巴西里約熱內(nèi)盧JimHemingway美國(guó)得克薩斯州休斯敦

介電測(cè)井儀通過地層電磁波測(cè)量能分析淡水環(huán)境儲(chǔ)層，識(shí)別可流動(dòng)油氣。介電測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)資料對(duì)分析稠油儲(chǔ)層特別有用。一種新型儀器通過長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，正將新的生機(jī)帶入介電測(cè)井技術(shù)。這一切都得益于最近開發(fā)的、用于評(píng)價(jià)碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)對(duì)砂巖影響的頻散技術(shù)。MehdiHizemLaurentMosséTarekRizk法國(guó)ClamaRtDaleJulander雪佛龍美國(guó)公司美國(guó)加利福尼亞州BakERsfiElDJeffreyLittle加利福尼亞州BakERsfiElDTomMcDonald澳大利亞珀斯JonathanMude阿曼石油開發(fā)公司阿曼馬斯喀特NikitaSeleznev美國(guó)馬薩諸塞州坎布里奇?油田新技術(shù)?2021年春季刊：23卷，第1期。?2021斯倫貝謝版權(quán)所有。DiElEctRicPRo，DiElEctRicScannER，EPT，F(xiàn)MI，HRLA，LitHoDEnsitY，MRScannER，PlatfoRmEXPREss和RtScannER等是斯倫貝謝公司的商標(biāo)。1.SERRaO：WEllLoGGinGHanDbook。巴黎：EDitionsTEcHniP，2021年。2.在不同頻率上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，頻散表示介電常數(shù)和電導(dǎo)率的變化。3.SERRa，參考文獻(xiàn)1。4.麥克斯韋偏微分方程組把電學(xué)和電磁學(xué)根本參數(shù)統(tǒng)一到一起。共有四個(gè)根本方程，但據(jù)此可進(jìn)行屢次迭代。有關(guān)電磁學(xué)和介電響應(yīng)公式的詳細(xì)推導(dǎo)，請(qǐng)參見：SERRa，參考文獻(xiàn)1。5.一般認(rèn)為微波是波長(zhǎng)在1米到1毫米之間的電磁波，對(duì)應(yīng)頻率為300MHz－300GHz，具體取決于參考源。36

石油技術(shù)人員不斷開發(fā)新的儀器去探索地球，并且十分享受這一過程。介電測(cè)井就是其中一種技術(shù)，它通過電磁波測(cè)量確定巖石和流體性質(zhì)。盡管在巖石物理領(lǐng)域的應(yīng)用不是很廣泛，但利用介電信息能夠解決很多解釋難題。最近推出的介電測(cè)井儀的成功應(yīng)用激發(fā)了業(yè)界的巨大興趣，因?yàn)樵搩x器能提供標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井系列無法提供的信息。自上世紀(jì)七十年代末引入油氣工業(yè)后，介電測(cè)井并未得到廣泛認(rèn)可。人們不愿接受新技術(shù)的情況并不少見。技術(shù)總是需要時(shí)間逐步改善，然

后贏得用戶一定程度的接受，最終被推廣應(yīng)用。例如，首臺(tái)商業(yè)化微波爐〔當(dāng)時(shí)的一種全新技術(shù)〕是在1947年推出的。其高度比普通人還要高，重量比普通人重三倍。結(jié)果可以想象，當(dāng)時(shí)家用微波爐的銷量幾乎為零，而如今微波爐已成為普通民眾廚房中常見的電器，體積小巧的微波爐和當(dāng)初工業(yè)級(jí)模型根本無任何相像之處。全新技術(shù)可分為不同的認(rèn)可類別。有些完全取代舊技術(shù)。有些是現(xiàn)有方法的補(bǔ)充，而不是將其取代。以微波爐為例，雖然可用微波爐準(zhǔn)備多道餐，但人們很少將其用作主要的備油田新技術(shù)餐工具。但是，作為一種加熱食物的方法，微波爐通常是較好的選擇，優(yōu)于以前的各種爐灶。顯然微波爐是一種補(bǔ)充技術(shù)。同樣，介電測(cè)井儀是油氣工業(yè)的一種補(bǔ)充技術(shù)。介電測(cè)井儀開發(fā)初衷是用來分析含淡水、低礦化度水或礦化度未知的儲(chǔ)層。該儀器主要響應(yīng)于孔隙網(wǎng)絡(luò)中的水，并測(cè)量含水孔隙度。根據(jù)含水孔隙度，可得出與電阻

其磁導(dǎo)率可以忽略不計(jì)。因?yàn)閹r石基質(zhì)導(dǎo)電性差，因此地層電導(dǎo)率〔即電阻率的倒數(shù)〕主要是充填巖石孔隙的流體和孔隙連通性的函數(shù)。一般用感應(yīng)和側(cè)向測(cè)井儀器測(cè)量地層電導(dǎo)率。地層電導(dǎo)率和孔隙度是阿爾奇含水飽和度公式的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。在儲(chǔ)集巖評(píng)價(jià)中，一般不考慮測(cè)量介電常數(shù)。介電常數(shù)被定義為某種介質(zhì)與頻率相關(guān)的儲(chǔ)存來自施加電率無關(guān)的流體飽和度。測(cè)井分析人員還將介電測(cè)量結(jié)果與深探測(cè)儀器獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合，用于識(shí)別含有可動(dòng)油氣的地層，這對(duì)評(píng)價(jià)稠油油藏來說是極為重要的信息。不幸的是，早期儀器采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量總是因?yàn)榫鄞植诙艿接绊?，而且測(cè)量精度也難以量化。自從首次在巖石物理領(lǐng)域激起業(yè)界人士的興趣后，介電測(cè)井儀再也沒有到達(dá)被廣泛認(rèn)可用于地層評(píng)價(jià)的程度。上世紀(jì)90年代推出核磁共振〔NMR〕儀后，除了個(gè)別專門應(yīng)用外，根本上結(jié)束了微波介電測(cè)井儀的應(yīng)用[1]。最近推出的DielectricScanner多頻介電頻散儀能夠克服早期儀器的局限性。該儀器能測(cè)量含水孔隙度，與其他孔隙度測(cè)量結(jié)合，還能確定流體飽和度。其發(fā)射器-接收器陣列能以多個(gè)探測(cè)深度對(duì)地層進(jìn)行探測(cè)，并在稠油油藏提供獨(dú)立的油流動(dòng)性評(píng)估。另外，該儀器還能提供一項(xiàng)新參數(shù)〔介電頻散〕，根據(jù)這一參數(shù)，巖石物理師可確定巖石結(jié)構(gòu)屬性和泥質(zhì)的影響[2]。本文表達(dá)了介電測(cè)量用于巖石物理分析的根本原理，包括對(duì)新型介電頻散技術(shù)的介紹。通過案例研究說明了這一新技術(shù)在碳酸鹽結(jié)構(gòu)分析、礦

磁場(chǎng)能量的能力，是材料在電場(chǎng)或電磁場(chǎng)中被極化程度的函數(shù)。材料的介電常數(shù)ε是被歸一化到真空無損環(huán)境下的電容率。無量綱介電常數(shù)不是真正的常數(shù)，因?yàn)樗请姶艌?chǎng)頻率的函數(shù)。用麥克斯韋方程組根據(jù)介電數(shù)據(jù)可計(jì)算出介電常數(shù)[4]。儲(chǔ)集巖中的大多數(shù)礦物和流體〔水除外〕的介電常數(shù)都很低〔右上表〕。水的絕對(duì)介電常數(shù)包含三項(xiàng)：與極化能力相關(guān)的實(shí)數(shù)項(xiàng)、與給定頻率對(duì)應(yīng)導(dǎo)電率相關(guān)的復(fù)數(shù)項(xiàng)，以及與偶極馳豫相關(guān)的第二個(gè)復(fù)數(shù)項(xiàng)〔下列圖〕。因?yàn)閹r石基質(zhì)和水的介電常數(shù)差異很大，在微波范圍內(nèi)測(cè)量的儲(chǔ)集巖的介電常數(shù)主要是含水孔隙的函數(shù)[5]。油和巖石基質(zhì)的介電常數(shù)相同，因此，如果r0x

^常見礦物、巖石和流體的介電常數(shù)。有油氣存在，單用介電資料無法反演出含水孔隙度和總孔隙度。但與獨(dú)立孔隙度測(cè)量結(jié)合，用介電資料能定量分析流體飽和度。影響巖石介電常數(shù)和電導(dǎo)率的另一個(gè)因素是巖石不同成分混合的方式。當(dāng)在頻率為1GHz左右測(cè)量時(shí)，該因素對(duì)介電常數(shù)影響通常較小，但在較低頻率下測(cè)量時(shí)其影響較大。由于這一原因，在介電常數(shù)和電導(dǎo)率測(cè)量中，巖石結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)含量能夠引起對(duì)頻率敏感的頻散效應(yīng)。斯倫貝謝于上世紀(jì)70年代推出了首部商用井下測(cè)井儀－EPT電磁傳播測(cè)井儀－能用微波測(cè)量介電屬性[6]。該儀器在1.1GHz的單頻下工作，測(cè)量25C*=r+i0+ix化度多變或低礦化度水地層評(píng)價(jià)以及稠油油藏評(píng)價(jià)等方面的應(yīng)用。

1.1GHz

20GHz微波頻率測(cè)井三個(gè)參數(shù)可確定巖石的電學(xué)特征：磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和介電常數(shù)[3]。儲(chǔ)集巖主要由非磁性礦物組成，因而2021年春季刊

^水的介電常數(shù)圖。體積水的絕對(duì)介電常數(shù)*包括實(shí)數(shù)項(xiàng)和復(fù)數(shù)項(xiàng)，是電磁場(chǎng)頻率的函數(shù)。實(shí)數(shù)項(xiàng)〔藍(lán)色〕呈線性變化到最大約1GHz處，之后隨電磁場(chǎng)頻率增高而降低。電導(dǎo)率復(fù)數(shù)項(xiàng)〔黑色〕與電磁場(chǎng)頻率ω有關(guān)，對(duì)照真空介電常數(shù)歸一化處理。電導(dǎo)率分量隨頻率增高而下降，特別是在井下介電測(cè)井儀所采用的頻率范圍內(nèi)。第二個(gè)復(fù)數(shù)項(xiàng)i〔紫色〕與偶極馳豫有關(guān)，在頻率為20GHz時(shí)最大。因?yàn)榫陆殡姕y(cè)井儀的作業(yè)頻率范圍在1.1GHz以下，第二個(gè)復(fù)數(shù)項(xiàng)對(duì)總的介電常數(shù)影響很小。

376.354.162.0-2.41.04.656.87.5-9.25-255.7678.356-806.354.162.0-2.41.04.656.87.5-9.25-255.7678.356-80波孔隙度的懷利方程。要求知道水的礦化度和溫度，以估測(cè)電磁波在地層水中的傳播時(shí)間。但地層不僅僅包含水?？紫读黧w有水、油和氣，巖石基質(zhì)中有各種礦物質(zhì)。地層中不同成分間的關(guān)系可能

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改變電磁波傳播特征。tpo方法缺乏以計(jì)算含水孔隙度，因此提出了各種混合定律，以解釋電磁場(chǎng)與地層中不同元素之間的相互作用[7]。^測(cè)量原理。介電儀向地層中發(fā)生頻率為ω的電磁波〔紅色正弦波〕。電磁波與地層中流體和礦物發(fā)生相互作用，電磁波發(fā)生衰減，速度發(fā)生變化。速度的變化對(duì)應(yīng)于可測(cè)量的相移。電磁波通過介質(zhì)后振幅變化A和相移〔黑色正弦波〕可在接收器處測(cè)量；它們是初始頻率ω、介質(zhì)的介電常數(shù)ε、電導(dǎo)率σ以及發(fā)射器與接收器間距r的函數(shù)。然后對(duì)振幅變化和相移進(jìn)行反演，得到介電常數(shù)、電導(dǎo)率和含水孔隙度ф。

最早用來計(jì)算混合物巖石物理屬性的方法是復(fù)雜時(shí)間平均法〔CTA〕，該方法結(jié)合了相移和衰減測(cè)量?？杀磉_(dá)成兩個(gè)獨(dú)立方程，一個(gè)針對(duì)相移，一個(gè)針對(duì)信號(hào)衰減，聯(lián)合通過地層中傳播電磁波的衰減和相移。然后對(duì)衰減和相移進(jìn)行數(shù)學(xué)反演，推導(dǎo)出巖石物理屬性－包括介電常數(shù)、電導(dǎo)率和含水孔隙度〔上圖〕。通過比擬含水孔隙度和總孔隙度，巖石物理師確定出流體飽和度。斯倫貝謝推出EPT儀器后，其他效勞公司也陸續(xù)推出了介電測(cè)井儀，各自都在本公司選定的頻率下工作。由于介電信息與頻率有關(guān)，不同頻率

下記錄的數(shù)據(jù)通常產(chǎn)生不同的結(jié)果，分析比照不同井中測(cè)量的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)問題。數(shù)據(jù)差異可歸因于測(cè)量對(duì)巖石結(jié)構(gòu)、粘土含量和流體礦化度的敏感度。但對(duì)這些敏感度的了解還不是很清楚。早期儀器測(cè)量的含水孔隙度用tpo方法計(jì)算，該方法基于電磁波通過巖石的傳播時(shí)間〔下列圖〕。計(jì)算過程涉及到簡(jiǎn)單的變換，類似于用來計(jì)算聲

確定孔隙系統(tǒng)中水的體積。另一種方法是復(fù)雜折射指數(shù)法〔CRI〕，基于麥克斯韋方程組。由于電磁場(chǎng)隨時(shí)間呈正弦變化特征，麥克斯韋方程組的時(shí)間導(dǎo)數(shù)能大為簡(jiǎn)化[8]。簡(jiǎn)化到兩個(gè)決定絕對(duì)介電常數(shù)的項(xiàng)，一個(gè)是介電常數(shù)實(shí)數(shù)項(xiàng)，另一個(gè)是隨頻率變化的電導(dǎo)率復(fù)數(shù)項(xiàng)[9]。復(fù)數(shù)項(xiàng)由電磁場(chǎng)角頻率和能表示為實(shí)數(shù)的電導(dǎo)率組成。通過獨(dú)立方程將傳播時(shí)間和衰減變換成物理量－介電常數(shù)和電導(dǎo)率。因?yàn)榛|(zhì)礦物和油tpo

EPT=

tpo–tpmatpwo–tpma

tpo=tpma=tpwo=

氣導(dǎo)電能力差，通常相當(dāng)于絕緣體，電導(dǎo)率信號(hào)決定于測(cè)井儀探測(cè)范圍〔沖洗帶〕內(nèi)的水。求解介質(zhì)電導(dǎo)率CTAtpl=Sxotpw+(1–Sxo)tph+(1–)tpma=SxowCRI=(1–T)m+T(Sww+(1–Sw)oil)

tpl=tpma=tpw=tph==Sxo==w==m=w=oil=Sw=T=

能得到近井區(qū)域孔隙流體的電導(dǎo)率。鉆井時(shí)泥漿濾液侵入沖洗帶，改變地層中原始充填流體的屬性。泥漿侵入不均勻，且難以量化。早期用來計(jì)算介電屬性的方法，如tpo法，假設(shè)流體電導(dǎo)率是固定值。通過直接求解該區(qū)域的流體電導(dǎo)率〔可用CRI方法求解〕，可獲得更準(zhǔn)確的含水孔隙度測(cè)量結(jié)果。因?yàn)楦鞣N原因，CRI法已成為根據(jù)介電數(shù)據(jù)計(jì)算巖石物理屬性而普38

^介電巖石物理方法的開展。tpo方法〔上〕是介電儀早期孔隙度變換方法，看上去與根據(jù)聲波資料計(jì)算孔隙度的懷利方程類似。該變換只對(duì)無損傳播時(shí)間有效，因此不能代表井下環(huán)境。復(fù)雜時(shí)間平均方法〔CTA〕〔中〕根據(jù)振幅衰減、電磁波傳播時(shí)間和沖洗帶含水飽和度提供含水孔隙度，包括對(duì)損失的校正，但不如復(fù)雜折射指數(shù)方法〔CRI〕準(zhǔn)確〔下〕。CRI采用井下條件下測(cè)量的介電常數(shù)ε*。CRI法方程中采用的基質(zhì)、油和水的介電常數(shù)也調(diào)整到井下條件。利用總孔隙度ф求解含水飽和度。ф通過其他方法獲得，如根據(jù)密度和中子測(cè)井交會(huì)孔隙度得到。

遍采用的方法[10]。另外，巖石的結(jié)構(gòu)參數(shù)〔采用常規(guī)測(cè)井系列難以量化〕可根據(jù)多頻率下測(cè)量的介電數(shù)據(jù)推導(dǎo)。頻率為1GHz左右時(shí)，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)CRI方法得到的結(jié)油田新技術(shù)果影響有限。但在高礦化度環(huán)境下，因?yàn)槟芗訌?qiáng)巖石結(jié)構(gòu)頻散，即使在1GHz范圍內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生較大影響。在較低

E=0

E頻率時(shí)，巖石結(jié)構(gòu)明顯影響介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果－在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中更是如此[11]。針對(duì)上述情況開發(fā)出了幾種模型，以考慮介電常數(shù)隨頻率變化的現(xiàn)象。下文討論的頻散分析方法采用多頻介電輸出結(jié)果量化地層膠結(jié)指數(shù)m，這是阿爾奇含水飽和度方程中與巖石結(jié)構(gòu)有關(guān)的兩個(gè)輸入?yún)?shù)之一。對(duì)于碳酸鹽巖，這些參數(shù)通常從巖心資料獲得，然后再用于鄰井。根據(jù)巖心測(cè)量這些參數(shù)的方法耗時(shí)且本錢高。而根據(jù)介電頻散信息可連續(xù)獲得阿爾奇公式中的地層膠結(jié)指數(shù)m，巖石物理師能更好地用井下資料評(píng)價(jià)碳酸鹽巖。準(zhǔn)確分析碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)參數(shù)很重要，

8++

8+

8++因?yàn)楦鶕?jù)估計(jì)全球60%的剩余油都蘊(yùn)藏在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中。電介質(zhì)和偶極子在靜態(tài)電磁場(chǎng)發(fā)生極化的材料被

^極化機(jī)理。與材料極化相關(guān)的幾種機(jī)理影響介電測(cè)量結(jié)果。對(duì)于電子極化〔上〕，到達(dá)電荷平衡后的原子結(jié)構(gòu)在電磁場(chǎng)E中可能發(fā)生改變，但影響微小。而水分子在電磁場(chǎng)中表現(xiàn)出取向極化〔中〕，因?yàn)樗肿邮桥紭O子。在開始階段，容易極化的水分子表現(xiàn)為隨意取向，當(dāng)暴露到電磁場(chǎng)中后，水分子試圖按照電磁場(chǎng)的方向排列。儲(chǔ)集巖的界面極化〔下〕受帶電粘土、孔隙網(wǎng)絡(luò)中的鹽水和油以及基質(zhì)礦物的影響。在隔離狀態(tài)下巖石中不易極化的礦物和元素通常在混合物中表現(xiàn)得很不一樣，其介電常數(shù)大于任何一種組成成分的介電常數(shù)。這種現(xiàn)象是麥克斯韋-瓦格納效應(yīng)的一個(gè)例子。稱為電介質(zhì)[12]。材料極化的敏感度與其介電常數(shù)直接相關(guān)。主要有三種極化機(jī)理可與巖石物理屬性關(guān)聯(lián)起來：電子極化、分子取向和界面極化〔右上圖〕?？赏ㄟ^一個(gè)盛滿咖啡并被放置到微波爐中的瓷杯來了解電磁波與各種介質(zhì)是如何相互作用的。瓷杯根本上不受電磁波的影響，但杯中的咖啡卻被迅速加熱。如果不經(jīng)意間把金屬勺放到了杯子里，后果會(huì)十分糟糕，因?yàn)槲⒉ㄅc良導(dǎo)體如金屬能發(fā)生相互作用。因?yàn)樵訉傩?、分子屬性及固有電?dǎo)率不同，這些材料對(duì)電磁能量的響應(yīng)也不一樣。金屬物體〔如湯勺〕受到微波沖擊后除了發(fā)生極化，還可能產(chǎn)生感應(yīng)電流。這是因?yàn)楫?dāng)暴露到電磁場(chǎng)中時(shí)金屬內(nèi)的自由電子會(huì)移動(dòng)。阻止電流流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生極大熱量，如果沒有導(dǎo)電路徑，感應(yīng)電流就會(huì)形成電弧。因?yàn)榻饘偈菍?dǎo)電體，多數(shù)金2021年春季刊

屬的介電常數(shù)都可能是負(fù)值。因?yàn)檫@一原因，一般不將金屬歸類于電介質(zhì)。而瓷杯受電磁場(chǎng)的影響很小，只發(fā)生輕微極化。極化源位于原子核周圍的電子云中。當(dāng)受到電場(chǎng)作用時(shí)，電子的軌跡發(fā)生改變。這種現(xiàn)象稱為6.比EPT儀器早10年在俄羅斯推出的一款介電儀其應(yīng)用十分有限。7.關(guān)于各種混合定律更多的信息，請(qǐng)參見：SElEznEVN，BoYDA和HabasHYT：“DiElEctRicMiXinGLawsfoRFullYanDPaRtiallYSatuRatEDCaRbonatERocks〞，SPWLA第45屆測(cè)井年會(huì)論文集，荷蘭NooRDwiJk，〔2004年6月6-9日〕，論文CCC。8.關(guān)于假設(shè)條件和基于麥克斯韋方程組的全推導(dǎo)過程，請(qǐng)參見：B?ttcHERCJF和BoRDEwiJkP：THEoRYofElEctRicPolaRization：DiElEctRicsinTimE-DEPEnDEntFiElDs，第2卷，第二版。紐約市：ElsEViER科學(xué)出版公司〔1978年〕：10-19。9.井下應(yīng)用時(shí)可忽略第三個(gè)復(fù)數(shù)。10.CRI方法參見：WHaRtonRP，HazEnGA，RauRN和BEstDL：“ElEctRomaGnEticPRoPaGationLoGGinG：ADVancEsinTEcHniquEanD

電子極化。形成的介電常數(shù)為5－7，和儲(chǔ)集巖的介電常數(shù)類似[13]?？Х取不蚋哒f是咖啡中的水〕受到電磁場(chǎng)作用時(shí)的表現(xiàn)完全不同。水分子〔由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成〕是不對(duì)稱的：其正負(fù)電荷的中心不重合。這種不對(duì)稱使得水分子形IntERPREtation〞，SPE9267，發(fā)表在第55屆SPE秋季技術(shù)年會(huì)暨展覽會(huì)上，達(dá)拉斯，1980年9月21-24日。關(guān)于CTA和CRI方法的比較，請(qǐng)參見：CHERuViERE和SuauJ：“APPlicationsofMicRo-WaVEDiElEctRicMEasuREmEntsinVaRiousLoGGinGEnViRonmEnts〞，SPWLA第27屆測(cè)井年會(huì)論文集，達(dá)拉斯〔1986年6月9-13日〕，論文MMM。11.KEnYonWE：“TEXtuREEffEctsonMEGaHERtzDiElEctRicPRoPERtiEsofCalcitERockSamPlEs〞，JouRnalofAPPliEDPHYsics，55卷，第8期〔1984年4月15日〕：3153-3159。12.MElRosEDB和McPHEDRanRC：ElEctRomaGnEticPRocEssEsinDisPERsiVEMEDia。英格蘭劍橋：劍橋大學(xué)出版社，1991年。39成永久偶極距。由于水分子更容易極化，水的介電常數(shù)為80左右－比陶瓷的介電常數(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在沒有電場(chǎng)時(shí)，單個(gè)水偶極子的取向是隨即的，因此單位體積的凈磁矩為零。但是，當(dāng)施加電場(chǎng)后，除了氧原子和氫原子發(fā)生電子極化，電場(chǎng)使單個(gè)偶極子取向一致，導(dǎo)致單位體積的凈磁矩為正。這種效應(yīng)被稱為取向極化。熱運(yùn)動(dòng)分子之間發(fā)生碰撞使分子方向不固定，并限制單位體積的凈偶極矩。因此，分子取向極化的幅度是極性分子類型及其溫度影響的結(jié)果。在施加電場(chǎng)的影響下極性分子的取向不是瞬時(shí)完成的。由于分子慣性距的影響，分子取向需要一定的時(shí)間，因此在電場(chǎng)方向發(fā)生改變時(shí)，分子再取向過程受到阻礙。如果施加電場(chǎng)的頻率足夠高，例如在微波范圍內(nèi)，極性分子沒有足夠時(shí)間按電場(chǎng)方向取向，取向極化的奉獻(xiàn)就被減弱。水分子迅速改變極性的阻力可被表達(dá)為熱量。這種現(xiàn)象被稱為偶極馳豫損失。鹽水的介電現(xiàn)象是隨著礦化度的增加，鹽水的電導(dǎo)率增加，但其介電常數(shù)降低。向鹽水中加鹽增加了以非轉(zhuǎn)動(dòng)方式附著在NaCl分子上的水分

子數(shù)量，因此降低了水分子的取向極化。與此同時(shí)，奉獻(xiàn)電流傳導(dǎo)的離子濃度增加。溫度的增加對(duì)鹽水特性產(chǎn)生類似的影響：鹽水電導(dǎo)率增加，而介電常數(shù)降低，原因是分子熱運(yùn)動(dòng)使偶極子取向不固定。當(dāng)電磁波通過各種介質(zhì)時(shí)，因?yàn)榕c介質(zhì)的相互作用而發(fā)生改變。電磁波的振幅和速度隨能量減弱而降低，相位也發(fā)生變化。介電常數(shù)低的材料，如咖啡杯或巖石基質(zhì)，對(duì)返回電磁波的影響很小。而水的介電常數(shù)高，對(duì)電磁波影響大。早在上世紀(jì)五十年代，巖石物理學(xué)家通過微波試驗(yàn)認(rèn)識(shí)到，飽和巖心樣品的介電常數(shù)主要受孔隙中含水量的控制，可以與含水孔隙度直接關(guān)聯(lián)。然而，如要根據(jù)介電常數(shù)計(jì)算巖樣中的含水量，必須知道組成巖樣的各種組分介電屬性間的關(guān)系。因此提出了實(shí)驗(yàn)室可控條件下的混合定律，以模擬這些相互關(guān)系的影響。在實(shí)驗(yàn)室條件下，可使用各種尺寸、各種形狀的樣本，使用不同方法測(cè)量介電屬性。測(cè)量技術(shù)決定于目標(biāo)頻率。例如，頻率在幾個(gè)MHz以下時(shí)通常使用電容式技術(shù)。將測(cè)試材料放到兩個(gè)電容板之間，根據(jù)電容測(cè)量值計(jì)算測(cè)試材料的介電常數(shù)。如果波長(zhǎng)比

導(dǎo)電板的間距長(zhǎng)得多，該模型就比擬有效。頻率較高時(shí)，不容易在裝置端口測(cè)到總電壓和總電流。由于探頭有一定的阻抗，而且不容易將探頭放到理想位置，因此不能簡(jiǎn)單地接上電壓計(jì)或電流計(jì)探頭進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。針對(duì)GHz范圍的頻率，科學(xué)家開發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)，如傳輸線或微波諧振器。由于允許寬帶測(cè)量，因此傳輸線方法的應(yīng)用較為廣泛。在低端，隨著波長(zhǎng)的增加，對(duì)樣品介電常數(shù)的敏感度降低，帶寬受到限制。最大測(cè)量頻率取決于傳輸線類型、正演模型和采集系統(tǒng)的局限性。利用介電測(cè)量定量分析含水孔隙度非常重要，因?yàn)楹紫抖扰c總孔隙度的比值代表含水飽和度〔左下圖〕。通過測(cè)量介電常數(shù)就能確定含水飽和度，與電阻率測(cè)量無關(guān)，而用阿爾奇方程計(jì)算含水飽和度必須知道電阻率[14]。淡水和油氣的電阻率都很高。儲(chǔ)集巖中發(fā)現(xiàn)的典型鹽水電阻率低。阿爾奇方程的前提條件是含油氣層和含鹽水層的電阻率存在差異。對(duì)于含淡水、低礦化度水和地層水礦化度未知的儲(chǔ)層，用阿爾奇方程無法得到準(zhǔn)確的飽和度結(jié)果。而在這些環(huán)境中，油氣和水的介電常數(shù)差異較大，與礦化度無關(guān)，因此是測(cè)量飽和度的理想方30%

70%

10%

20%

70%

法。

核磁共振〔NMR〕儀器通過測(cè)量流體的擴(kuò)散也能檢測(cè)淡水環(huán)境下的油氣[15]。因?yàn)楹舜殴舱駜x器不依靠孔隙流體電阻率確定飽和度，因此介電儀和S=100%=30%=30%

S=33%=30%=10%

核磁共振儀器通常是定量評(píng)價(jià)淡水環(huán)境或地層水礦化度未知環(huán)境下油氣體積的主要手段。但介電儀測(cè)量必須與其他方法獲得的孔隙度結(jié)合才能確定油氣飽和度。其結(jié)果與油氣類型和孔^根據(jù)介電測(cè)量計(jì)算飽和度。巖石物理師通常使用阿爾奇含水飽和度方程，該方程需要輸入孔隙度和電阻率。介電法不需要電阻率。圖中所示簡(jiǎn)化關(guān)系說明了其原理。介電孔隙度測(cè)量的是含水局部的孔隙度。當(dāng)全部孔隙都含水時(shí)〔左〕，介電儀測(cè)到的孔隙度ф介電與總孔隙度ф一致。ф須用另外的方法測(cè)得，如密度-中子交會(huì)孔隙度。由于介電測(cè)量值相似，據(jù)此無法區(qū)分油氣和巖石基質(zhì)。因此，介電儀測(cè)到的孔隙度降低與油氣體積的增加直接相關(guān)，因?yàn)榭偪紫抖葲]有降低〔右〕。40

隙網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。介電儀和NMR儀器探測(cè)深度較淺，因此無法完全取代傳統(tǒng)三組合測(cè)井系列。電阻率儀器的探測(cè)深度達(dá)數(shù)油田新技術(shù)米，而NMR儀器和介電儀本身的特征限制這類儀器探測(cè)深度只有幾厘米：在沖洗帶內(nèi)，此處的原狀流體已被泥漿濾液侵入。然而，介電測(cè)量探測(cè)淺的特征能提供關(guān)于油流動(dòng)能力的重要信息。通過將沖洗帶介電測(cè)量得到的飽和度和原狀地層飽和度進(jìn)行比擬，有助于量化被水基泥漿濾液沖洗的油量。這部分油是可動(dòng)的，且可通過一次開采方

5045403530252015

12CRI

EPT法進(jìn)行開采；而沒有被泥漿沖洗的含

10

10

10油層需要采用其他方法開采，如注蒸汽、注水或CO2驅(qū)，或任何其它一種提高采收率技術(shù)將油從巖石中驅(qū)出。介電測(cè)井資料與其他測(cè)井結(jié)果結(jié)合，能幫助巖石物理師準(zhǔn)確描述儲(chǔ)層特征。然而，介電測(cè)井儀不僅僅只是能夠使巖石物理師定量分析含水孔隙度

MHz^碳酸鹽巖中的頻散。研究人員發(fā)現(xiàn)由于巖石結(jié)構(gòu)不同，屬性類似的碳酸鹽巖可能有差異很大的介電響應(yīng)，在低頻下尤其如此。圖中所示為孔隙度、滲透率和飽和流體類似的兩塊碳酸鹽巖樣品實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的介電常數(shù)以及利用CRI方法計(jì)算的介電常數(shù)〔黑色〕。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的2號(hào)碳酸鹽巖樣品的介電常數(shù)〔紅色〕與CRI方法計(jì)算結(jié)果相似，而1號(hào)碳酸鹽巖樣品的介電常數(shù)〔綠色〕卻不同。兩個(gè)樣品都沒能給出很好的匹配結(jié)果，只有在1GHz左右匹配較好，該頻率對(duì)應(yīng)于EPT儀器的工作頻率〔紅色虛線〕。因?yàn)槠渌蛩囟家粯樱虼诉@種與頻率相關(guān)的頻散主要與碳酸鹽巖樣品的不同結(jié)構(gòu)相關(guān)。13.虛擬應(yīng)用科學(xué)研究所百科全書：“DiElEctRicConstant〞，PHYs_DiElEctRic_const.Htm〔2021年2月11日瀏覽〕。14.PolEYJPH，NootEboomJJ和DEWaalPJ：“UsEofV.H.F.DiElEctRicMEasuREmEntsfoRBoREHolEFoRmationAnalYsis〞，THELoGAnalYst，19卷，第3期〔1978年5-6月〕：8-30。

和計(jì)算油氣體積。利用最近開發(fā)的以介電頻散為根底的測(cè)井技術(shù)，介電儀還能夠確定巖石屬性。已證明該技術(shù)用于碳酸鹽巖特別有效，在評(píng)價(jià)泥質(zhì)砂巖方面也頗具優(yōu)勢(shì)。

相關(guān)的結(jié)構(gòu)差異。研究人員通過對(duì)介電特征隨頻率變化的觀察開發(fā)出了介電頻散模型，用于對(duì)巖石結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。研究人員還用飽和不同礦化度鹽水的硅質(zhì)碎屑巖樣品進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)15.AkkuRtR，BacHmanHN，MinHCC，F(xiàn)laumC，LaViGnEJ，LEVERiDGER，CaRmonaR，CRaRYS，DEcostERE，HEatonN，HuRlimannMD，LooYEstiJn

頻

散由于生物和沉積因素能產(chǎn)生復(fù)雜

量了介電常數(shù)和導(dǎo)電率[19]。干巖心樣品的介電常數(shù)在較大頻率范圍內(nèi)都是常WJ，MaRDonD和WHitEJ：“核磁共振測(cè)井新技術(shù)〞，?油田新技術(shù)?，20卷，第4期〔2021年冬季刊〕：4-23日。16.關(guān)于碳酸鹽油藏分析更多的信息，請(qǐng)參見：Al-MaRzouqiMI，BuDEbEsS，SultanE，BusHI，GRiffitHsR，GzaRaKBM，RamamooRtHYR，HussERA，JEHaZ，RotHJ，MontaRonB，NaRHaRiSR，SinGHSK和PoiRER-CoutansaisX：“解決碳酸鹽巖評(píng)價(jià)復(fù)雜難題〞，?油田新技術(shù)?，22卷，第2期〔2021年夏季刊〕：40-55。17.AliSA，ClaRkWJ，MooREWR和DRibusJR：“成巖作用及其對(duì)油藏質(zhì)量的影響〞，?油田新技術(shù)?，22卷，第2期〔2021年夏季刊〕：14-27。18.關(guān)于建立巖石結(jié)構(gòu)反演模型更多的信息，請(qǐng)參見：StRouDD，MiltonGW和DEBR：“AnalYticalMoDElfoRtHEDiElEctRicREsPonsEofBRinE-SatuRatEDRocks〞，PEtRoPHYsicalREViEwB34，第8期〔1986年10月15日〕：5145-5153。BakERPL，KEnYonWE和KEstERJM：“EPTIntERPREtationUsinGaTEXtuRalMoDEl〞，SPWLA第26屆測(cè)井年會(huì)論文集，達(dá)拉斯〔1985年6月17-20日〕，論文DD。KEnYon，參考文獻(xiàn)11。2021年春季刊

的孔隙網(wǎng)絡(luò)，因此碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)比硅質(zhì)碎屑巖復(fù)雜得多[16]。通過沉積后成巖作用，孔隙網(wǎng)絡(luò)也可能發(fā)生化學(xué)改變[17]。這使得評(píng)價(jià)碳酸鹽巖的巖石物理特性更加困難－特別是滲透率和流體飽和度，這兩個(gè)參數(shù)度不能直接測(cè)量獲得，只能利用適當(dāng)模型綜合測(cè)量結(jié)果推導(dǎo)得到。斯倫貝謝的研究人員發(fā)現(xiàn)用CRI技術(shù)在1GHz頻率計(jì)算出的介電屬性對(duì)于飽和油和鹽水的碳酸鹽巖樣品而言很準(zhǔn)確〔上圖〕。然而，除礦物和含水量外，還有其他因素影響低頻下的介電常數(shù)[18]。對(duì)孔隙度、礦物成分和含水飽和度均相同的兩塊碳酸鹽巖樣品的介電頻散測(cè)量結(jié)果突出強(qiáng)調(diào)了這一與頻率

數(shù)，但用鹽水浸泡過的巖樣介電常數(shù)隨礦化度不同而變化，在1GHz左右交會(huì)〔下一頁，上圖〕。導(dǎo)電率卻不呈線性變化，鹽水對(duì)電導(dǎo)率數(shù)值的影響隨電磁場(chǎng)頻率的增加而增強(qiáng)。因此，介電常數(shù)隨電磁場(chǎng)頻率發(fā)生變化一定與巖樣結(jié)構(gòu)特征或流體礦化度相關(guān)。多年來，研究人員開發(fā)出了各種模型量化頻散。結(jié)構(gòu)模型利用幾何元素〔片狀顆粒〕以解釋結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同。為驗(yàn)證這些模型，研究人員在大范圍頻率采集了幾種結(jié)構(gòu)特征明顯不同的巖石的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。然后用頻散模型對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合。利用這種反演技術(shù)得到的介電常數(shù)和電導(dǎo)率比用傳統(tǒng)CRI方法更接近巖心測(cè)量結(jié)果〔下一頁，下列圖〕。4160

=15.6%

0.051ohm.m0.211ohm.m

10=15.6%5040302010

1.010ohm.m4.890ohm.m

101

1010MHz

10

101010MHz

10^流體礦化度對(duì)介電屬性測(cè)量的影響。用四種不同鹽水〔電阻率范圍4.890－0.051ohm.m〕對(duì)巖心進(jìn)行飽和，然后計(jì)算10MHz－10GHz范圍內(nèi)的介電常數(shù)〔左〕和電導(dǎo)率〔右〕。介電常數(shù)測(cè)量在1GHz左右交會(huì)。為便于比照，還測(cè)量了干巖心樣品的基準(zhǔn)介電常數(shù)〔藍(lán)色〕。最高礦化度鹽水飽和的巖心〔綠色〕頻散程度最高，而且是唯一沒有在1GHz交會(huì)的巖心。而四個(gè)巖心樣品的電導(dǎo)率沒有交會(huì)，而是隨著頻率增加而增加，說明流體礦化度的頻散影響。5040

0.500.450.40

巖石結(jié)構(gòu)模型方法可用來推導(dǎo)膠結(jié)指數(shù)m，該參數(shù)用于阿爾奇含水飽和度方程。用結(jié)構(gòu)模型計(jì)算的膠結(jié)指數(shù)與用碳酸鹽巖巖心獨(dú)立測(cè)量的膠結(jié)指30

0.300.20

數(shù)比擬吻合。在m值從1.7到2.9這一較寬的范圍內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行了成功模擬〔下一頁，上圖〕。該方法已被20

0.10

用于解釋與碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)相關(guān)的電阻率變化，這些變化常導(dǎo)致飽和度估算10

1010Hz

10100

1010Hz

1010

結(jié)果產(chǎn)生誤差〔下一頁，下列圖〕。頻散影響不僅僅局限于碳酸鹽巖分析，還可用于泥質(zhì)砂巖評(píng)價(jià)。不50

0.50

過，用于泥巖評(píng)價(jià)的頻散模型不同于40

CRI

0.450.40

碳酸鹽巖分析模型，因?yàn)榻M成泥巖的粘土?xí)T發(fā)特殊的頻散特性。30

0.300.20

泥質(zhì)砂巖對(duì)泥質(zhì)含量的定量分析只限于自然伽馬、聲波、中子俘獲能譜或中子20

0.10

與密度孔隙度測(cè)井的差異。結(jié)果不是直接測(cè)量得到，而是基于經(jīng)驗(yàn)推斷。10

101010100

10101010

而介電頻散模型直接量化泥巖的影響，如砂泥巖互層中泥巖的影響[20]。Hz

Hz

該方法在評(píng)價(jià)淡水泥質(zhì)砂巖時(shí)特別有^模型比擬。對(duì)碳酸鹽巖樣品實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到的介電常數(shù)和電導(dǎo)率〔藍(lán)色〕與利用CRI方法計(jì)算的結(jié)果〔下，黑色〕，以及新的頻散結(jié)構(gòu)模型計(jì)算的結(jié)果〔上，紅色〕進(jìn)行了比照。CRI方法計(jì)算的結(jié)果與巖心試驗(yàn)結(jié)果在1GHz時(shí)一致，但在低頻率時(shí)巖心測(cè)量結(jié)果和CRI結(jié)果根本不一致，特別是電導(dǎo)率。結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果與巖心測(cè)量結(jié)果匹配較好。圖中所示是其中幾個(gè)被測(cè)碳酸鹽巖樣品之一的結(jié)果。所有被測(cè)巖心樣品都給出了類似的結(jié)果?！哺鶕?jù)Seleznev等人的資料修改，參考文獻(xiàn)19〕。42

效，淡水泥質(zhì)砂巖中測(cè)量的電阻率在很大程度上決定于粘土含量。油田新技術(shù)S/mS/mS/mS/mS/mS/m但利用介電數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)泥質(zhì)含量不僅僅限于淡水環(huán)境。因?yàn)檎惩两殡妼傩缘念l散響應(yīng)直接與決定其電導(dǎo)率的粘土物理特征有關(guān)，因此頻散方法能對(duì)粘土含量進(jìn)行準(zhǔn)確估算〔下一頁，上圖〕[21]。如碳酸鹽巖的分析結(jié)果所示，用CRI模型計(jì)算的相對(duì)介電常數(shù)可能與巖心試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)在頻率低于1GHz時(shí)不一致。這一頻散特性在泥質(zhì)砂巖

4.03.53.02.52.01.51.0和砂、泥巖層序中也可看到，但其原因不同。對(duì)于這些巖石而言，頻散特

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0m

3.5

4.0性與地層中礦物的陽離子交換能力〔CEC〕相關(guān)，陽離子交換能力既與電化學(xué)極化〔又稱雙層效應(yīng)〕有關(guān)，也與麥克斯韋-瓦格納界面極化有關(guān)。這兩種效應(yīng)都存在，電化學(xué)效應(yīng)在低礦化度時(shí)占主導(dǎo)，而界面極化在高礦化度時(shí)占主導(dǎo)。

^阿爾奇含水飽和度方程所用的膠結(jié)指數(shù)?？捎脦r心資料測(cè)量巖石膠結(jié)指數(shù)m，但比擬耗時(shí)。使用根據(jù)介電頻散分析建立的結(jié)構(gòu)模型獲得了幾個(gè)碳酸鹽巖樣品的膠結(jié)指數(shù)。兩種方法獲得數(shù)值的交會(huì)圖在較大范圍內(nèi)比擬一致。多數(shù)巖樣的膠結(jié)指數(shù)在1.7－2.9之間，因此阿爾奇方程通常默認(rèn)的數(shù)值2并不適宜。〔根據(jù)Seleznev等人的資料修改，參考文獻(xiàn)19〕。CEC是粘土礦物能在其帶負(fù)電荷外表附著的陽離子〔帶正電的離子〕

1.0

m

3.5

m

1

ohm.m

1,000數(shù)量。粘土是鋁硅酸鹽，其中某些鋁離子和硅離子被帶不同價(jià)或電荷的元

0

gAPI

100

0%100,m=2

1

ohm.m

1,00050

%

0素取代。粘土中的離子會(huì)增強(qiáng)電化學(xué)

0ppk506

in.

160%100

1

ohm.m

1,00050

%

0界面極化程度[22]。地層中的非導(dǎo)電元素當(dāng)混合在一起時(shí)可能表現(xiàn)出電介導(dǎo)電性，而這些元素孤立存在時(shí)可能不具有電介導(dǎo)電性。19.SElEznEVN，HabasHYT，BoYDA和HizEmM：“FoRmationPRoPERtiEsDERiVEDfRomaMulti-FREquEncYDiElEctRicMEasuREmEnt〞，SPWLA第47屆測(cè)井年會(huì)論文集，墨西哥VERacRuz〔2006年6月4-7日〕，論文VVV。20.砂巖互層的特點(diǎn)是薄砂巖和泥巖層交互出現(xiàn)。泥巖薄層的存在導(dǎo)致電阻率測(cè)量值降低，從而不能識(shí)別油氣的存在。薄互層厚度

X,750X,760X,770X,780X,790X,800通常低于常規(guī)測(cè)井儀器的分辨率門限。X,810X,820^驗(yàn)證頻散模型。由于巖石結(jié)構(gòu)的影響，用傳統(tǒng)方法計(jì)算阿爾奇含水飽和度可能得出錯(cuò)誤的結(jié)果。在本例中，X,764－X,778米〔藍(lán)色陰影區(qū)〕的深感應(yīng)電阻率數(shù)據(jù)〔第5道，紅色〕比該段上、下的數(shù)值都高。用固定膠結(jié)指數(shù)m=2根據(jù)阿爾奇方程計(jì)算的含水飽和度〔第3道，紅色〕說明該層段可能含油〔綠色陰影〕。介電儀測(cè)量的孔隙度〔第6道，藍(lán)色〕和總孔隙度〔黑色〕重合，說明該段沒有油。頻散模型得到的該層段m值〔第2道，藍(lán)色〕范圍在1.9－2.6。用這一校正后的m值根據(jù)阿爾奇方程計(jì)算的含水飽和度說明該層段含水飽和度為100%〔第3道，黑色〕，與預(yù)計(jì)結(jié)果更一致。2021年春季刊

43mm400

--

-

這是由于幾何麥克斯韋-瓦格納現(xiàn)象造成的，該現(xiàn)象和鹽水與巖石界面或巖石與油界面上的電荷聚集有關(guān)。在帶電界面間，鹽水形成宏觀偶極子，引起隨300200

頻率變化的宏觀極化。當(dāng)受到低頻率電磁場(chǎng)作用時(shí)，偶極子先于電磁場(chǎng)改變方向前到達(dá)平衡。當(dāng)受到高頻率電磁場(chǎng)作用時(shí)，偶極子不能跟上快速變化的電磁100

?r

場(chǎng)，從而導(dǎo)致能量消散，電導(dǎo)率增加，介電常數(shù)降低[23]。在DielectricScanner儀器的工作頻率范圍〔20MHz－1GHz〕內(nèi)，電化學(xué)0

1010MHz

1010

極化和幾何〔麥克斯韋-瓦格納〕極化都對(duì)含粘土地層中測(cè)到的介電頻散產(chǎn)生^界面極化。砂巖與粘土的混合表現(xiàn)出的頻散介電特性與粘土類型有關(guān)。在蒙脫石-水混合物中測(cè)得的真實(shí)介電常數(shù)與頻率有較大關(guān)系－比擬10MHz和1GHz時(shí)的真實(shí)介電常數(shù)就可知道。高嶺石-水混合物也存在這種效應(yīng)，但不太明顯。砂巖-水混合的頻散效應(yīng)幾乎沒有。由于蒙脫石比高嶺石束縛水含量高，頻率增加時(shí)介電常數(shù)隨之降低?？衫妙l散與泥質(zhì)含量和泥質(zhì)類型之間的相關(guān)性來計(jì)算陽離子交換能力，并根據(jù)介電數(shù)據(jù)定量分析泥質(zhì)的影響。

作用。電化學(xué)響應(yīng)隨鹽水礦化度增加而減弱。麥克斯韋-瓦格納效應(yīng)隨鹽水礦化度增加而增強(qiáng)。在給定礦化度下，由于電化學(xué)和麥克斯韋-瓦格納機(jī)理同時(shí)作用的結(jié)果，巖石中粘土含量增加導(dǎo)致CEC值增高，介電頻散加強(qiáng)。每種機(jī)理的相對(duì)重要程度受鹽水礦化度的影響。例如，對(duì)真空干巖樣測(cè)量結(jié)果說明與頻率無關(guān)，但在沉積巖中，介電常數(shù)隨外表積和CEC增加而增大。通過將泥巖效應(yīng)引起的頻散與CEC聯(lián)系起來，巖石物理師能夠?qū)?chǔ)集巖的泥巖含量進(jìn)行定量分析。21.MYERsMT：“ASatuRationIntERPREtationMoDElfoRtHEDiElEctRicConstantofSHalYSanDs〞，論文9118，發(fā)表在第5屆巖心分析師學(xué)會(huì)年會(huì)上，美國(guó)得克薩斯州圣安東尼奧，1991年8月20-21日。22.SElEznEV等人，參考文獻(xiàn)19。23.ToumElinE和ToRREs-VERDínC：“PoRE-ScalESimulationofKHz-GHzElEctRomaGnEticDisPERsionofRocks：EffEctsofRockMoRPHoloGY，PoREConnEctiVitY，anDElEctRicalDoublELaYERs〞，SPWLA第50屆測(cè)井年會(huì)論文集，美國(guó)得克薩斯州WooDlanDs〔2021年6月21-24日〕，論文RRR。^高分辨率含油氣飽和度。利用三軸感應(yīng)儀器〔如RtScanner儀器〕測(cè)量的水平電阻率和垂向電阻率〔第4道〕可幫助解釋人員確定各向異性。但FMI全井眼地層微成像資料〔第1道〕顯示薄夾層厚度低于感應(yīng)儀器和密度-中子儀器的分辨率，如交會(huì)孔隙度所示〔第5道，黑色〕。這可能導(dǎo)致凈產(chǎn)層計(jì)算結(jié)果過高。DielectricScanner儀器飽和度測(cè)量的垂直分辨率〔第2道，黑色〕可到達(dá)2.5厘米。通過比照阿爾奇含水飽和度〔第2道，紅色〕和介電含水飽和度〔黑色〕突出說明了分辨率的差異。將介電資料綜合到分析中可得到更準(zhǔn)確的砂巖凈厚度儲(chǔ)量估算結(jié)果。44

油田新技術(shù)FMIFMISFMIFMISwFMISwFMI0%100FMI0%1001ohm.m1,00050%0FMISw1ohm.m1,00050%0FMISwFMI0%1001ohm.m1,00050%01,3501,360r計(jì)算含水飽和度的方程要求輸入CEC值是研究人員嘗試確定粘土體積與粘土類型的目的。CEC決定了粘土對(duì)電阻率測(cè)量的影響，以及對(duì)束縛水體積的影響，需要在總孔隙度中除去束縛水體積才能正確確定含水飽和度和含油體積。直接測(cè)量CEC而不是根據(jù)粘土類型和粘土體積進(jìn)行估算是一種簡(jiǎn)單可靠的確定泥質(zhì)砂巖含水飽和度的方法。^DielectricScanner儀器。這一最近推出的儀器具有諸多特色，如資料采集得到改善，測(cè)量精度得到提高。以前的儀器都采用固定極板，而DielectricScanner通過井徑儀臂將活動(dòng)極板推向地層。極板的曲度也有助于改善儀器與井壁的接觸。發(fā)射器〔T和T〕和天線組〔R－R和R－R〕在20MHz－1GHz不連續(xù)頻率下工作。發(fā)射器和天線是并列的正交偶極子，可以同時(shí)在橫向〔紅色箭頭〕和縱向〔藍(lán)色箭頭〕極化模式下工作。兩個(gè)開放電偶極子〔開放的同軸電纜探頭〕測(cè)量泥餅的屬性，并提供質(zhì)量控制。如需要更精確的流體屬性輸入數(shù)據(jù)，該儀器還在測(cè)量點(diǎn)處測(cè)量溫度和壓力。井眼補(bǔ)償用于消除不平衡的發(fā)射器-接收器對(duì)。在每個(gè)測(cè)量周期，針對(duì)四種頻率中的每一頻率，測(cè)量72個(gè)衰減值和72個(gè)相位值。探測(cè)深度是2.5－10.2厘米〔1－4英寸〕，具體取決于發(fā)射器-接收器間距和地層流體屬性。2021年春季刊

介電測(cè)量的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠直接測(cè)量泥質(zhì)含量和高分辨率飽和度。雖然已開發(fā)了一些利用電阻率儀器測(cè)量各向異性的技術(shù)，如RtScanner三軸感應(yīng)儀，但不能到達(dá)介電儀的垂直分辨率。核孔隙度測(cè)量?jī)x器能提供高分辨率飽和度，但資料的垂直分辨率受到物理和探測(cè)器間距的限制。介電測(cè)量提供的含水孔隙度分辨率在2.5厘米〔1英寸〕范圍內(nèi)。利用介電信息，巖石物理師能更準(zhǔn)確地計(jì)算儲(chǔ)量，估算產(chǎn)量，結(jié)果優(yōu)于目前采用其他方法〔包括如三軸感應(yīng)儀等新技術(shù)〕提供的電阻率和孔隙度結(jié)果〔前一頁，下列圖〕。測(cè)量泥質(zhì)含量和泥質(zhì)影響的能力對(duì)描述淡水泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層的特征極為關(guān)鍵。解釋人員通過觀察水平電阻率和垂直電阻率的差異〔如RtScanner儀提供的電阻率〕來識(shí)別各向異性儲(chǔ)層中油氣的存在。但這一方法在淡水環(huán)境下無效，因?yàn)榈?、泥巖夾層和油之間的電阻率沒有明顯差異。然而，測(cè)井分析人員用DielectricScanner儀器提供的縱向和橫向測(cè)量結(jié)果能確定高分辨各向異性特征。通過這些資料可以對(duì)泥質(zhì)影響和含油飽和度進(jìn)行定量分析。DielectricScanner儀器工作頻率在kHz范圍的電磁測(cè)井儀器〔如感應(yīng)儀器〕的測(cè)量比極高頻率下的介電測(cè)量更為人所熟知。低頻測(cè)量主要受地層電導(dǎo)率的影響，但隨著頻率的增加，介電效應(yīng)開始顯現(xiàn)，并逐步起主導(dǎo)作用。極高頻率下的測(cè)量能夠同時(shí)評(píng)估電導(dǎo)率和介電常數(shù)。另外，利用介電頻散獲得關(guān)于巖石結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)含量的信息要求在多種頻率下采集高質(zhì)量數(shù)據(jù)。DielectricScanner儀器的問世為上述應(yīng)用提供了所需的全部數(shù)據(jù)〔左圖〕。45該儀器有一個(gè)全鉸接式極板，能將發(fā)射器和接收器推靠到井壁上。鉸H

E

接式極板的形狀是圓柱形的，天線被設(shè)計(jì)成完全的磁偶極子。2個(gè)發(fā)射器和8個(gè)接收器中的每一個(gè)都可以在縱向和E

H

橫向極化模式下工作[24]。在四個(gè)不連續(xù)頻率〔20MHz－1GHz〕下進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)測(cè)量周期包括72個(gè)發(fā)射器-接收器振幅測(cè)量和72個(gè)相位測(cè)量。通過多組發(fā)射器-接收器對(duì)進(jìn)行井眼補(bǔ)償，利用質(zhì)量控制算法提取不平衡的發(fā)射器-接收器對(duì)，并將其從計(jì)算中去除。探測(cè)深度〔DOI〕是發(fā)射器-接收器間距、工作頻率和地層屬性的函數(shù)，其范圍為2.5－10.2厘米〔1－4英寸〕?？傻竭_(dá)2.5厘米的垂直分辨率。極板面上的電偶極子提供兩種操作模式。在傳播模式下，進(jìn)行最淺的橫^儀器工作模式。介電儀產(chǎn)生電磁波，形成電磁場(chǎng)，其電場(chǎng)〔E〕與磁場(chǎng)〔H〕相互垂直。電磁波的極化決定電磁場(chǎng)的方向?？v向極化〔左〕模式和橫向極化〔右〕模式對(duì)應(yīng)于該儀器水平面和垂直面上的測(cè)量。每一模式產(chǎn)生特定的電磁場(chǎng)方向和探測(cè)區(qū)〔插圖〕。不同顏色的帶代表多個(gè)探測(cè)深度，探測(cè)深度與發(fā)射器-接收器間距和地層特性有關(guān)。兩種模式下的探測(cè)區(qū)重合〔中下〕；兩個(gè)方向上測(cè)量值的差異幫助分析各向異性。

向測(cè)量，用于估算泥漿特性。在反射模式下，測(cè)量極板前面物質(zhì)的介電特性：即泥漿或泥餅的特性。因?yàn)樵搩x器能采集縱向和橫向極化數(shù)據(jù)，因此可定量分析高分辨率各向異性影響?？v向極化探測(cè)與儀器軸正R1

F0

F1

F2

F3

交的平面上的介電常數(shù)和電導(dǎo)率〔左上圖〕。橫向極化探測(cè)水平和垂直兩個(gè)方向上的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。R2

還需要測(cè)量溫度和壓力對(duì)介電模R4

R3

105

106

107

108Hz

109

1010

型進(jìn)行補(bǔ)償。在井下條件下，壓力對(duì)水的介電特性有明顯影響[25]。介電模型應(yīng)考慮溫度、礦化度和壓力之間的關(guān)系，以準(zhǔn)確解釋井下條件的測(cè)井資料。利用綜合泥漿傳感器測(cè)量溫度，用專用傳感器測(cè)量靜水壓力。該儀器主要探測(cè)三種信息：徑向信息、地質(zhì)構(gòu)造信息和巖石基質(zhì)結(jié)構(gòu)〔左圖〕。通過反演各個(gè)頻率下不同發(fā)射器-接收器對(duì)記錄的數(shù)據(jù)，得到幾個(gè)區(qū)域的介電常數(shù)和電導(dǎo)率：泥餅、近沖^介電測(cè)量的維度。DielectricScanner儀器有四種工作頻率〔F0－F3〕和四對(duì)發(fā)射器-接收器間距〔R1－R4〕，能夠探測(cè)三種信息：結(jié)構(gòu)、徑向和構(gòu)造信息。選定的工作頻率能探測(cè)界面極化、分子取向和電子極化機(jī)理，這些機(jī)理與結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)影響有關(guān)。徑向探測(cè)通過四種發(fā)射器-接收器間距實(shí)現(xiàn)，能夠模擬近井區(qū)域，包括泥餅和侵入帶，還可能延伸到過渡帶和原狀地層，具體取決于侵入情況。構(gòu)造探測(cè)通過極化取向?qū)崿F(xiàn)。通過水平面和垂直面上的測(cè)量可實(shí)現(xiàn)高分辨率各向異性識(shí)別。46

洗帶和遠(yuǎn)沖洗帶。利用CRI模型計(jì)算四種頻率中每一頻率下的巖石物理參數(shù)。用多種頻率下的數(shù)據(jù)針對(duì)不同探測(cè)深度進(jìn)行頻散處理〔下一頁圖〕。油田新技術(shù)CRIT,

,

T,

,r,SH,F3

SH,F3SH,F3SW,SH,SH

SW,SH,SH

r,SH,F0,r,SH,F1,r,SH,F2,r,SH,F3,

,SH,F0,SH,F1,SH,F2,SH,F3

SH,F0,SH,F0SH,F1,SH,F1SH,F2,SH,F2SH,F3,SH,F3

SW,SH,SH

,F0,F1,F2,F3

,,,,

,F0,F1,F2,F3^CRI方法與頻散結(jié)構(gòu)模型的比擬。DielectricScanner儀器有四種工作頻率和多個(gè)發(fā)射器-接收器間距。CRI方法〔左〕的輸入資料包括總孔隙度ф、基質(zhì)介電常數(shù)、溫度和壓力。用實(shí)際測(cè)量的介電常數(shù)和介質(zhì)電導(dǎo)率進(jìn)行反演，輸出結(jié)果是頻率和發(fā)射器-接收器間距任意組合下的含水飽和度、水電導(dǎo)率和介電常數(shù)。圖中給出的是淺探測(cè)〔SH〕測(cè)量結(jié)果。作為參考和質(zhì)量控制，可計(jì)算輸入資料的測(cè)量不確定性，并應(yīng)用于輸出結(jié)果。頻散模型〔右〕的輸入信息和CRI方法類似，但需要多種頻率下的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，用于資料處理。輸出結(jié)果包括含水飽和度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。針對(duì)不同探測(cè)深度〔取決于發(fā)射器-接收器間距和地層特性〕可對(duì)資料進(jìn)行反演處理。〔根據(jù)Seleznev等人的資料修改，參考文獻(xiàn)19〕。為了更好地將介電資料與其他測(cè)井資料進(jìn)行綜合，工程師開發(fā)出了DielectricPro介電頻散解釋軟件。利用常規(guī)儀器獲得的孔隙度、電阻率和飽和度分析結(jié)果能進(jìn)行全資料處理與解釋?？捎?jì)算多種頻率下的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。數(shù)據(jù)交會(huì)圖能更好地分析結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)含量的頻散影響。將各種解釋模型融合到工作流中，提供資料分析的替代方法。通過徑向處理可得到地層電導(dǎo)率和

中東應(yīng)用實(shí)例阿曼石油開發(fā)公司〔PDO〕在幾口井中應(yīng)用了DielectricScanner儀器。PDO的目標(biāo)是評(píng)價(jià)砂泥巖層序、稠油碳酸鹽巖、泥質(zhì)砂巖和超高礦化度碳酸鹽巖評(píng)價(jià)[26]。其中一口井的目的是定量評(píng)價(jià)剩余油〔未被侵入泥漿濾液沖洗的油〕體積，并將介電資料與全系列裸眼井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合。PDO對(duì)本次試驗(yàn)應(yīng)用中DielectricScanner儀器檢測(cè)油流動(dòng)性和

24.縱向和橫向資料采集相當(dāng)于老一代EPT儀器的端射模式和垂射模式，這兩種模式需要完全不同的硬件。25.HEGERK，UEmatsuM和FRanckEU：“THEStaticDiElEctRicConstantofWatERatHiGHPREssuREsanDTEmPERatuREsto500MPaanD550°C〞，BERicHtEDERBunsEnGEsEllscHaftfüRPHYsikaliscHECHEmiE，84卷，第8期〔1980年8月〕：758-762。26.MuDEJ，ARoRaS，McDonalDT和EDwaRDsJ：“WiRElinEDiElEctRicMEasuREmEntsMakEaComEback：APPlicationsinOmanfoRaNEwGEnERationDiElEctRicLoGMEasuREmEnt〞，SPWLA第50屆測(cè)井年會(huì)論文集，澳大利亞珀斯〔2021年6月19-23日〕，論文GG。介電常數(shù)的變化，用于分析各向異性。但是，對(duì)介電測(cè)井的真正考驗(yàn)還要看井下應(yīng)用情況。2021年春季刊

提供結(jié)構(gòu)信息的能力進(jìn)行了評(píng)估。該井的目的層是碳酸鹽巖儲(chǔ)層。泥漿濾液礦化度約為180000ppm。

47因?yàn)榻殡妰x測(cè)量的是含水孔隙度，因此密度-中子交會(huì)孔隙度與介電0.2

ohm.m

2,000

孔隙度之差是剩余油飽和度。在本例中，二者的差異很大，說明存在大量未60

in.m=n

100%016DielectricScanner3.5100%0100

%

0.20.200.2

ohm.m2,000DielectricScannerohm.m2,000HRLAohm.m2,00050

50

%DielectricScanner%

00

F3–F2F2–F1F0–F1

F2–F3F1–F2F0–F1

動(dòng)油氣〔左圖〕。不依賴于電阻率測(cè)量定量確定剩余油滿足了PDO的第一個(gè)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。為實(shí)現(xiàn)第二個(gè)目標(biāo)，分析人員計(jì)算了阿爾奇含水飽和度方程用到的介電結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。頻散分析說明膠結(jié)指數(shù)m在目標(biāo)層段的變化范圍是1.5－2.5。PDO把m的變化歸因于碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)和相變的結(jié)果。利用更準(zhǔn)確的m值得到了更精確的含油飽和度。通常的做法都是采用常X10X20X30X40^中東碳酸鹽巖儲(chǔ)層試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例。測(cè)井分析人員將DielectricScanner測(cè)井資料與LithoDensity－陣列孔隙度－HRLA測(cè)井系列進(jìn)行綜合?？紫抖确治觥驳?道〕包括總孔隙度〔黑色〕和介電孔隙度〔藍(lán)色〕。兩種孔隙度的差異〔綠色陰影〕代表剩余油氣。介質(zhì)電導(dǎo)率被轉(zhuǎn)換成電阻率〔第4道，藍(lán)色〕后，與HRLA電阻率〔紅色和黑色〕和LithoDensity得到的淺電阻率〔綠色〕一并顯示。含水飽和度用介電資料〔第2道，黑色〕和阿爾奇方程〔紅色〕計(jì)算，對(duì)膠結(jié)指數(shù)m的變化進(jìn)行了校正〔第1道，藍(lán)色〕，膠結(jié)指數(shù)根據(jù)介電資料獲得。通過比擬根據(jù)頻率對(duì)計(jì)算的介電常數(shù)差異和電導(dǎo)率差異可直觀分析頻散影響〔第6道〕。頻率響應(yīng)的差異用不同色碼表示〔青色、藍(lán)色和紅色〕。48

數(shù)m值，而根據(jù)以上發(fā)現(xiàn)，這樣會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)果。接下來把介電資料綜合到分析中，并與根據(jù)輸入數(shù)據(jù)〔該油田典型特征數(shù)據(jù)〕計(jì)算出的含水飽和度進(jìn)行比較。在上部層段，通常采用較高的阿爾奇飽和度參數(shù)〔n值〕，兩種方法吻合較好。固定值n根據(jù)鄰近油田資料獲得，比擬適合親油巖石〔下一頁圖〕。從油層到水層的過渡帶，用常數(shù)n值計(jì)算的結(jié)果和用介電資料的結(jié)果存在差異。很可能是因?yàn)檫^渡帶的巖石與油層巖石相比親油性差的原因。分析人員認(rèn)為不應(yīng)采用高n值計(jì)算上部層段含水飽和度，而應(yīng)采用一個(gè)較低的值。美國(guó)稠油應(yīng)用實(shí)例淺層稠油油藏〔包括目前使用介電測(cè)井的個(gè)別油藏〕在全球很多地區(qū)廣泛分布。加拿大、美國(guó)、墨西哥、印度尼西亞和委內(nèi)瑞拉等國(guó)擁有大量稠油儲(chǔ)量[27]。在美國(guó)加利福尼亞州，自十九世紀(jì)90年代以來一直在開采稠油，其中很大一局部稠油產(chǎn)自埋深缺乏3000英尺〔1000米〕的儲(chǔ)層。這些淺層稠油油藏都存在與淡水有關(guān)的解釋困難。因?yàn)楹芏嘤筒匾呀?jīng)歷了50多年的蒸汽驅(qū)或注水開發(fā)，使得解釋工作變得更加復(fù)雜[28]。這些油藏新鉆井鉆遇的流體和原始流體十分不同，或者由于開采歷史不同，看似非常均質(zhì)的儲(chǔ)層段上的流體變化很大。油田新技術(shù)層，因?yàn)樘岣卟墒章首鳂I(yè)注入的流體使,

60

in.gAPI

RxoHRLA0160.02ohm.m2,00045%-15RtHRLA600.02ohm.m2,0001.95g/cm32.950

%%

4040100

%

0100

%

0

地層流體發(fā)生了改變。在加利福尼亞州的稠油油藏井中獲得高質(zhì)量資料一直比擬困難。在很多油藏，砂巖顆粒被地下稠油膠結(jié)在一起。已經(jīng)開采過的儲(chǔ)層井眼很不規(guī)那么，原因是局部油被采出后地層變得不穩(wěn)定。EPT儀器的測(cè)量結(jié)果常常由于井眼不規(guī)那么而質(zhì)量變差。而DielectricScanner儀器活動(dòng)極板設(shè)計(jì)能在井眼狀況不理想時(shí)改善與井壁的接觸。EPT測(cè)量數(shù)據(jù)的解釋也受到由蒸汽X25X50X75^改善含水飽和度計(jì)算結(jié)果。在這一中東碳酸鹽巖油藏實(shí)例中，使用標(biāo)準(zhǔn)的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算了含水飽和度〔第5道〕。在阿爾奇含水飽和度方程中使用了根據(jù)鄰井巖心數(shù)據(jù)得到的常數(shù)n。另外還利用介電資料計(jì)算了含水飽和度〔第6道〕。在上部層段兩種飽和度結(jié)果吻合較好〔淺綠色陰影〕，證明所用n值是適宜的。下部層段的介電含水飽和度〔淺藍(lán)色陰影區(qū)〕〔包括從油到水的過渡帶〕較低，比用適合于上部層段的n值計(jì)算的含水飽和度低，說明含油較多。這樣的結(jié)果會(huì)對(duì)原油儲(chǔ)量估算產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)設(shè)備要求和油田開發(fā)方案產(chǎn)生影響。

驅(qū)所引起的井下環(huán)境變化的影響。蒸汽驅(qū)井的溫度剖面并非呈現(xiàn)常見的線性梯度變化，而這卻是解釋介電測(cè)量結(jié)果的假設(shè)前提。因?yàn)镋PT儀器沒有外部溫度傳感器，因此無法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度校正，從而在測(cè)量中引入誤差。為克服上述局限性并提供更多環(huán)境校正，DielectricScanner儀器將壓力、溫度和泥餅傳感器都集成到活動(dòng)極板上。雪佛龍〔美國(guó)〕公司在其稠油蒸汽驅(qū)Cymric油田試驗(yàn)應(yīng)用了DielectricScanner儀器，該油田位于加利福尼亞州圣華金河谷西南邊緣。其中一個(gè)主要生產(chǎn)層段是Tulare組，地質(zhì)年代是從上新世到更新世，主要是膠結(jié)較差的河流-三角洲砂巖沉積，其上下均為泥巖層。砂巖產(chǎn)層層深為50－1600英尺〔15－490米〕。平均孔隙度為34%，滲透率為2000－3000mD。含油飽和度平均55－65%，原油API重度9－14。從上世紀(jì)初開始生產(chǎn)，在上世紀(jì)70年代啟動(dòng)蒸汽驅(qū)。因?yàn)槎嗄曜⒄羝慕Y(jié)果，原始地層從20世紀(jì)80年代中期開始，經(jīng)常使用EPT儀器對(duì)加利福尼亞州的淺層稠油油藏進(jìn)行巖石物理分析，估測(cè)油氣地質(zhì)儲(chǔ)量，到20世紀(jì)90年代該儀器的使用非常普遍。EPT儀器測(cè)量的是沖洗帶含水飽和度。在這些油藏使用介電儀器的27.AlbouDwaREJH，F(xiàn)EliXJ，TaYloRS，BaDRYR，BREmnERC，BRouGHB，SkEatEsC，BakERA，PalmERD，PattisonK，BEsHRYM，KRawcHukP，BRownG，CalVoR，Ca?asTRianaJA，HatHcockR，KoERnERK，HuGHEsT，KunDuD，LóPEzDECáRDEnasJ和WEstC：“稠油油藏評(píng)價(jià)與開2021年春季刊

優(yōu)點(diǎn)在于，在根本上沒有泥漿濾液入侵而且油實(shí)際上為不可動(dòng)油的儲(chǔ)層，介電儀器記錄的信息反映的是原狀地層的信息。最初推出EPT儀器的目的是對(duì)地層水是淡水的儲(chǔ)層進(jìn)行分析，如今介電儀器也用于地層水礦化度未知的儲(chǔ)發(fā)〞，?油田新技術(shù)?，18卷，第2期〔2006年夏季刊〕：34-53。28.LittlEJD，JulanDERDR，KnauERLC，AultmanJT和HEminGwaYJL：DiElEctRicDisPERsionMEasuREmEntsinCalifoRniaHEaVYOilREsERVoiRs〞，SPWLA第51屆測(cè)井年會(huì)論文集,澳大利亞珀斯〔2021年6月19-23日〕，論文D。

水礦化度發(fā)生了改變，用電阻率資料計(jì)算含水飽和度面臨很大的困難。雪佛龍用PlatformExpress三組合測(cè)井系列和DielectricScanner儀器對(duì)Cymric油田的井進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)井系列中包括了EPT儀器，因此雪佛龍公司能夠?qū)⒁郧暗臏y(cè)量結(jié)果與新儀器測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比擬。在整個(gè)生產(chǎn)層段上進(jìn)行了井壁取心。49““度可以尋找流動(dòng)油的證據(jù)。如果四個(gè)探8.5in.18.5

2

測(cè)深度獲得的含水飽和度相同，說明油是不流動(dòng)的。如果不同，說明該儲(chǔ)層的油是可流動(dòng)的，因此可以考慮對(duì)相應(yīng)層段實(shí)施完井。2.5in.2.5in.

00

0.50.50.5

ohm.mohm.mohm.m

5,0005,00005,0000

%100DielectricScannerDielectricScanner%100100%

50%DielectricScanner50%050%

050%DielectricScanner050%EPT050%

000

EPT記錄的孔隙度應(yīng)和DielectricScanner孔隙度重合，多數(shù)層段都是這樣。但在兩個(gè)井壁不規(guī)那么層段，EPT記錄的含水飽和度較高，相當(dāng)于比DielectricScanner結(jié)果低23個(gè)飽和度單位。如果兩者的差異不是因?yàn)橛偷牧鲃?dòng)造成，那么應(yīng)該是水或蒸汽的優(yōu)先突破所致。從DielectricScanner儀器記錄的600800^消除不規(guī)那么井壁的影響。DielectricScanner儀器的活動(dòng)極板隨井壁曲度調(diào)節(jié)，能補(bǔ)償井壁不規(guī)那么和沖刷的影響。EPT儀器是一款心軸型裝置，極板固定在儀器上。雪佛龍公司希望對(duì)Cymric稠油井上述兩種儀器采集的資料進(jìn)行比擬。測(cè)井后，工程師通過LithoDensity儀器的微測(cè)井傳感器〔橄欖灰陰影〕發(fā)現(xiàn)在780－820英尺之間的層段明顯存在泥餅〔深度道，淺藍(lán)色陰影〕。存在泥餅說明儲(chǔ)層具有滲透性和可動(dòng)油。EPT儀器測(cè)量的810－820英尺層段的含水飽和度〔第5道，紅色〕比其他層段〔如540－605英尺層段〕要高。這可能說明泥漿濾液取代了原來的油，工程師原本認(rèn)為在該層段可通過一次生產(chǎn)方式進(jìn)行開采。而改良的DielectricScanner活動(dòng)極板克服了井壁不規(guī)那么的影響，含水孔隙度〔第4和第5道〕說明在該層段上沒有增加。LithoDensity儀器測(cè)井響應(yīng)指示的泥餅是由于循環(huán)鉆屑重新充填崩落地層所致。

數(shù)據(jù)指示沒有侵入或油的流動(dòng)。根據(jù)井徑讀數(shù)，在有問題的層段處進(jìn)行了擴(kuò)眼。未固結(jié)砂巖可能崩落，泥漿固相也可能沿井壁堆積。井眼不穩(wěn)定性和井壁不規(guī)那么造成了上述相互矛盾的結(jié)果，而不是泥漿侵入形成泥餅或是存在地層水所致。這些層段由于油柱上發(fā)生了粘度變化、含油飽和度降低或出現(xiàn)早期水淹可能被誤解釋為含有可動(dòng)油氣。含水飽和度的誤差〔相當(dāng)于地下油氣飽和度降低23%〕可能會(huì)使作業(yè)公司漏掉兩個(gè)潛在產(chǎn)層。介電測(cè)量結(jié)果的可靠性幫助雪佛龍公司進(jìn)行了更科學(xué)的完井決策。委內(nèi)瑞拉稠油應(yīng)用實(shí)例委內(nèi)瑞拉奧里諾科稠油帶蘊(yùn)藏著世界上最大儲(chǔ)量的稠油。作業(yè)者PDVSA發(fā)現(xiàn)該地區(qū)沉積環(huán)境復(fù)雜，均質(zhì)厚層很快就變化到不連續(xù)的薄層。而砂巖質(zhì)該井在830英尺〔253米〕深處穿過油-水界面〔上圖〕。在該深度以下，介電孔隙度與LithoDensity光電密度和中子孔隙度儀器交會(huì)孔隙度根本非常一致，說明該層段主要含水。通過井壁取心分析了孔隙度、滲透率和流體飽和度。根據(jù)淺探測(cè)介電測(cè)井資料推算的含水飽和度與井壁取心獲得的飽和度一致。雖然井壁取心樣品和介電儀測(cè)井都反映井壁周圍沖洗帶的情況，但兩種方法獲得的飽和度根本上都和該油田原狀地層的飽和度差不多。DielectricScanner儀器的鉸接式極50

板有助于補(bǔ)償井眼不規(guī)那么和沖刷帶來的影響。而EPT儀器是一個(gè)心軸型儀器，也就是說EPT的極板是固定到儀器上的。在Cymric稠油井中對(duì)這兩種儀器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比擬。井徑曲線說明井壁不規(guī)那么，出現(xiàn)沖刷，鉸接式極板受井壁不規(guī)那么的影響比心軸型極板要小。PlatformExpress沖洗帶電阻率測(cè)井結(jié)果似乎顯示存在泥餅。泥漿濾液侵入地層從而形成泥餅，將油驅(qū)替并將流體驅(qū)替到更深處，據(jù)此可指示地層滲透性以及油的流動(dòng)性。而在稠油儲(chǔ)層中，利用DielectricScanner儀器的多個(gè)探測(cè)深

量的明顯差異使本來已經(jīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件變得更加復(fù)雜，使得測(cè)井解釋更加困難。早期產(chǎn)水使工程師認(rèn)識(shí)到深入了解儲(chǔ)層情況的必要性。要制定該地區(qū)最佳開發(fā)方案，必須準(zhǔn)確識(shí)別高產(chǎn)水層。地層電阻率常被用來識(shí)別產(chǎn)水層，但工程師發(fā)現(xiàn)該方法并不可靠，原因是砂巖質(zhì)量多變，存在淡水，先前被沖洗的層含有大量不可動(dòng)剩余油和可動(dòng)水。將介電傳播測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井系列結(jié)合起來在該環(huán)境下使用比擬理想，但由于井筒條件差，泥漿濾液侵入影響油田新技術(shù)以及資料解釋困難等因素，作業(yè)者不愿意使用這些儀器。PDVSA認(rèn)識(shí)到新型DielectricScanner儀器設(shè)計(jì)上的改良，主動(dòng)參與了該儀器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用[29]。在試驗(yàn)初期，工程師注意到水基泥漿的侵入可能使介電資料的解釋變得復(fù)雜。在奧里諾科稠油帶油藏中，泥漿侵入通常較淺，只有幾英寸。工程師根據(jù)典型井特征〔孔隙度為35%的砂巖，模擬原狀到完全沖洗的地層條件〕建立了合成測(cè)井記錄，對(duì)介電儀器的侵入響應(yīng)進(jìn)行了模擬。模擬輸入數(shù)據(jù)包括原狀地層束縛水孔隙度為5pu〔孔隙度單位〕，到完全沖洗地層含水孔隙度為15pu[30]。模擬所用泥漿濾液礦化度為5000ppm。CRI模型〔用于計(jì)算儀器響應(yīng)〕被應(yīng)用到DielectricScanner儀器的4個(gè)工作頻率上，結(jié)合9個(gè)不同發(fā)射器-接收器間距，提供36個(gè)視介電常數(shù)和36個(gè)視電導(dǎo)率測(cè)量，得到了一個(gè)臺(tái)階狀剖面，增量大約為1英尺長(zhǎng)x0.1英寸深〔30厘米x0.25厘米〕。通過分析其中一個(gè)較低頻率下產(chǎn)生的合成測(cè)井記錄，說明當(dāng)沒有發(fā)生侵

05101520253035404505101520

F1F3

F1F3

1

0.1入時(shí)，視介電常數(shù)和視電導(dǎo)率與原狀地層的介電常數(shù)和電導(dǎo)率相同。隨著泥漿濾液侵入地層，最深DOI的數(shù)值接近最淺的讀數(shù)。在最高頻率下，情況變得非常復(fù)雜，視介電常數(shù)和視電導(dǎo)率不再呈線性變化，DOI也不統(tǒng)一〔右圖〕。根據(jù)本次模擬中獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)奧里諾科某井記錄的介電常數(shù)和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果與模擬測(cè)井記錄很相似，提供了適用于該油田井資料處理的巖石物理反演方法。鑒于取得了如此好的結(jié)果，PDVSA在其他井中也使用了DielectricScanner儀器。29.MossEL，CaRmonaR，DEcostERE，F(xiàn)aiVREO和HizEmM：“DiElEctRicDisPERsionLoGGinGinHEaVYOil：ACasEStuDYfRomtHEORinocoBElt〞，SPWLA第50屆測(cè)井年會(huì)論文集，得克薩斯州WooDlanDs〔2021年6月21-24日〕，論文AAA。30.在本模擬中，5Pu的水代表14%的含水飽和度。在地層被15Pu的泥漿濾液沖洗后，代表含水飽和度為43%。2021年春季刊

2530354045^模擬介電響應(yīng)。PDVSA的奧里諾科稠油帶巖性復(fù)雜，資料解釋困難。PDVSA和斯倫貝謝在奧里諾科井預(yù)計(jì)條件下首先對(duì)DielectricScanner儀器的泥漿侵入響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。在本研究中使用了9個(gè)間距和4種頻率〔F0－F3〕下共計(jì)36組衰減-相移測(cè)量數(shù)據(jù)。分析中，每1英尺〔30厘米〕的測(cè)井段表示0.1英寸〔0.25厘米〕的侵入〔插圖〕。為簡(jiǎn)單起見，這里給出了頻率F1〔上〕和F3〔下〕