含黏土矿物岩心电频散特性实验研究

邹德鹏, 柯式镇, 李君建, 贺秋利, 马雪瑞

(1.中国石油大学(北京), 北京 102249; 2.中国石油集团测井有限公司技术中心, 陕西 西安 710077)

0　引　言

复电阻率测井作为一种新的测井方法,在低孔隙度、低渗透率、低电阻率和水淹油藏等复杂油藏的评价中显示出明显的优势[1]。在含黏土矿物较高的非常规油气储层,开展黏土矿物对岩心复电阻率频散的影响实验研究显得十分必要。李建军等[1-2]研究了矿化度、含水饱和度、CEC对岩心复电阻率频散的影响;关继腾等[3]模拟计算了储层岩石的孔隙度、阳离子交换量(CEC)、离子浓度与复电阻率频散特性的关系;李建军等[4]利用公式推导说明了岩心电容随泥质含量和矿化度的增大而增加,且岩心电容的增大趋势造成岩心复电阻率随溶液矿化度和泥质含量的增大而减小的结论。本文在不同黏土矿物含量岩心的测量中观察到了与前人不同的现象,利用薄膜极化假说给出了解释;同时也分析了黏土矿物种类对复电阻率频散的影响。

1　电阻率频散理论基础

由物理学的基本知识可知,在交变电磁场中存在2种电流,即传导电流和位移电流。前者是由带电粒子(电子、离子等)的定向运动所引起;而后者为极化分子定向排列(介电极化)所致,相位与前者相差π/2。在导电介质中,总电流密度j为

j=jC+jD=σE+iωεE=(σ+iωε)E

(1)

式中,jC和jD分别为传导电流密度和位移电流密度;E为电场强度;σ为表征导电介质对传导电流导电性的电导率;ε为表征电介质介电极化特性的介电常数;ω=2πf为角频率[2]。

泥质砂岩复电阻率特性的微观机理是谐变电流场激发泥质砂岩孔隙中离子流和电流出现周期性波动现象,致使孔隙中离子浓差极化和双电层形变也出现周期性波动特性,从而在宏观上产生泥质砂岩复电阻率的频散特性[2]。

2　不同黏土矿物的电化学特性

地层中最常见的黏土矿物包括高岭石、蒙脱石、伊利石3种(见表1)。在高岭石的结构中,晶层的一面全部由氧组成,另一面全部由羟基组成。晶层之间通过氢键紧密联结,很少发生晶格取代,可交换阳离子很少,水不易进入其中,属于非膨胀性黏土矿物,CEC最小。蒙脱石的晶层间引力以分子间力为主,引力弱,存在晶格取代,导致表面负电荷较多,吸附水化阳离子给黏土带来厚的水化膜,使蒙脱石水化膨胀,CEC最大。伊利石存在晶格取代且取代数目比蒙脱石多,产生的负电荷由K+平衡,K+的大小刚好嵌入晶层间氧离子网格形成的空穴中,通过强大的静电力连接,水分子不易进入晶层,因此伊利石不易水化膨胀,也属于非膨胀性黏土矿物,CEC大小介于蒙脱石和高岭石之间。

表1　3种黏土矿物的电化学特性

3　含黏土矿物人工岩心的电阻率频散实验

为了方便进行各种影响因素尤其是黏土含量和种类对电阻率频散的对比分析,采用人工岩心进行实验研究。共制作4种共16块人工岩心,每种4块。分别为纯砂岩岩心,含蒙脱石、高岭石、伊利石砂岩,添加的黏土矿物纯度达到90%以上,含量分别为10%、20%、30%、40%。岩心的各项参数见表2。

对制作完成的人工岩心进行烘干,然后向岩心真空加压饱和矿化度2.5×103mg/L的CaCl2溶液。将饱和好的岩心放入岩心夹持器,利用手动加压泵加围压,并保持围压在10 MPa。利用平流泵进行恒流油驱水,采用的油为煤油,驱替速度0.01 mL/min,采用计量管计量出水量,根据出水量计算含水饱和度。

表2　人工岩心参数表

利用安捷伦生产的4294A阻抗分析仪测量各饱和度点的岩心复电阻率频谱,测量频段为40 Hz～110 MHz。

4　实验数据分析

4.1　孔隙度对电阻率频散的影响

选取4块孔隙度不同的纯砂岩岩心,在100%饱和2.5×103mg/L的CaCl2溶液的情况下,测得的岩心电频散特性曲线如图1所示。可以看出,岩心电频散特性曲线的基本特征:孔隙度越小,岩心的复电阻率的实部和虚部绝对值越大,即导电能力越差;孔隙度越小,代表岩心界面极化频率的复电阻率虚部谷底频率越小,且与孔隙度呈现很好的线性关系,如图1(b)所示。造成这2种特征的原因:①砂岩岩心主要通过孔隙水导电,在含水饱和度相同的前提下,孔隙度减小,导电能力下降,岩心电阻率升高;②界面极化的消失主要是因为离子的迁移跟不上外电场变化的速度,孔隙度变小会导致离子扩散的空间变小,离子的迁移速度变慢,难以跟上电场变化的速度,导致界面极化频率变小。

图1　孔隙度对电阻率频散的影响注:Re、Im分别代表复电阻率的实部和虚部,下同。

图2　含水饱和度对电阻率频散的影响

4.2　含水饱和度对电阻率频散的影响

图2(a)为岩心4-3不同含水饱和度下的电阻率频谱曲线,所含溶液为2.5×103mg/L的CaCl2,岩心含黏土矿物为伊利石,含量为30%。岩心的电频散特性曲线的基本特征:随着含水饱和度的减小,复电阻率的实部和虚部的绝对值都增大,岩心界面极化频率变小。这是因为,岩心主要通过孔隙水导电,含水饱和度减小,导电性能变差。而且随着岩心中水的减少,离子扩散的空间变小(与孔隙度变小的效果相同),离子的迁移速度变慢,难以跟上电场变化的速度,导致界面极化频率变小。界面极化频率与含水饱和度呈良好的指数关系,而且,如图2(b)所示,对纵坐标进行对数刻度可以看出,随着黏土矿物含量的增加,界面极化频率随含水饱和度的增大而增大的速度加快。

4.3　黏土矿物含量对电阻率频散的影响

图3(a)为不同黏土矿物含量的岩心2-1至2-4的电阻率频散曲线,所含黏土矿物为蒙脱石,含量分别为10%、20%、30%、40%,含水饱和度为100%,孔隙度在16%～24%之间。由于孔隙度不一致,需要对界面极化频率进行孔隙度校正。

图3　黏土矿物含量对电阻率频散的影响

由图1(b),界面极化频率与孔隙度呈线性关系,关系式为

fc=10787φ-67292

(2)

则岩心2-1至2-4的界面极化频率与孔隙度的关系式为

fc=a(φ0+Δφ)+b

(3)

因此,经孔隙度校正后的界面极化频率为

(4)

图3(a)和图3(b)所示的电阻率特征并不完全符合黏土含量越大电阻率越小的常规认知,这种现象在实际生产当中并不少见,可以基于薄膜极化假说进行解释。在薄膜极化假说中描述了如下情形:如果岩石颗粒间的孔隙很小,截面直径与岩石颗粒溶液界面上双电层的分散区厚度差不多,则整个孔隙皆处于双电层分散区内,这类孔隙也被称为薄膜[5]。关继腾等[3]也证明了周期性谐变电流场激发的泥质砂岩复电阻率特性,是谐变电流场和离子浓度梯度场共同作用的结果,是由孔隙中离子浓差极化(又称薄膜极化)电位和双电层形变电位形成的。因此,黏土矿物的存在对岩心电阻率频散存在2方面的影响:① 黏土矿物阳离子交换容量产生的附加导电性;② 黏土矿物吸水膨胀使部分孔隙直径变小,形成的薄膜降低了孔隙离子的迁移速度,简称为“薄膜效应”。

如图3(a)所示,含20%蒙脱石的岩心的复电阻率的实部和虚部的绝对值比含10%蒙脱石的岩心的小,界面极化频率相对要大。这是因为此时的黏土矿物还较少,在孔隙中形成的薄膜很少,黏土矿物阳离子交换容量产生的附加导电性影响占主导,黏土矿物的增多使离子的迁移速度变快,因此,复电阻率的实部和虚部的绝对值变小,界面极化频率增大。含30%蒙脱石的岩心的复电阻率的实部和虚部的绝对值比含20%蒙脱石的岩心的大,这是因为随着黏土矿物的增加,尤其蒙脱石吸水膨胀严重,导致孔隙变窄严重,黏土矿物导致的“薄膜效应”占主导作用,黏土矿物含量越大,孔隙直径越小,形成的薄膜越多,在薄膜中离子的迁移速度明显变慢,因此,复电阻率实部和虚部的绝对值变大,界面极化频率减小。当蒙脱石含量达到40%时,黏土矿物含量足够大,“薄膜效应”达到最大,黏土矿物含量的增大只会增大离子迁移速度,因此,复电阻率实部和虚部的绝对值减小,界面极化频率增大。

4.4　黏土矿物种类对电阻率频散的影响

图4　含10%不同黏土矿物岩心电阻率频散曲线

图4为含10%蒙脱石(Mnt)、高岭石(Kln)、伊利石(Ill)的岩心的电阻率频散曲线,3块岩心孔隙度在16%～17%之间,含水饱和度均为100%。3种黏土矿物的阳离子交换容量CEC从大到小:蒙脱石>伊利石>高岭石。蒙脱石吸水膨胀严重导致“薄膜效应”严重,相对其他岩心,其“薄膜效应”占主导,这也导致含蒙脱石岩心的复电阻率实部和虚部的绝对值反而最大,界面极化频率反而最小;高岭石和伊利石都不易吸水膨胀,而伊利石的CEC明显高于高岭石,黏土附加导电性大于高岭石,因此含伊利石岩心复电阻率实部和虚部的绝对值小于含高岭石岩心,界面极化频率也较大。

4.5　温度对泥质砂岩电阻率频散的影响

温度对含蒙脱石、高岭石和伊利石黏土矿物砂岩电阻率频散影响如图5至图7所示。在高温时,能够较为完整地观测到岩石的复电阻率曲线,随着温度的降低,岩石的复电阻率实部、虚部绝对值增大,频散程度增强,界面极化频率随温度的降低而减小,且两者呈现较好的线性关系。这是由于温度降低,孔隙水中离子迁移速度降低,跟随外电场做周期性变化所需的弛豫时间变长,发生薄膜极化和双电层形变极化所需的弛豫时间变长[6],故界面极化频率向频率降低的方向移动。图6(a)部分曲线的界面极化频率超出了测量范围,可利用Cole-Cole模型计算得到。

图5　温度对含蒙脱砂岩岩心电阻率频散的影响

图6　温度对含高岭石砂岩岩心电阻率频散的影响

图7　温度对含伊利石砂岩岩心电阻率频散的影响

5　结　论

(1) 随着孔隙度的增加,岩心的复电阻率实部和虚部的绝对值减小,界面极化频率增大,界面极化频率与孔隙度呈良好的线性关系。

(2) 随着含水饱和度的增加,岩心的复电阻率实部和虚部的绝对值减小,界面极化频率增大且与含水饱和度呈较好的指数关系。随着黏土矿物含量的增加,界面极化频率随含水饱和度增大而增大的速度加快。

(3) 当黏土矿物含量较低时,黏土矿物的附加导电性占主导,黏土矿物含量增大,岩心的复电阻率实部和虚部的绝对值减小,界面极化频率增大;当黏土矿物含量达到一定值时,黏土矿物的“薄膜效应”开始占主导,随着黏土矿物含量的增加,岩心的复电阻率实部和虚部的绝对值增大,界面极化频率减小;当黏土矿物含量继续增加到一定程度时,黏土矿物的“薄膜效应”达到极值,黏土矿物的附加导电性占主导,黏土矿物含量增大,岩心的复电阻率实部和虚部的绝对值减小,界面极化频率增大。

(4) 蒙脱石吸水膨胀现象明显大于伊利石和高岭石,其“薄膜效应”相较于其他2种黏土矿物占主导,含蒙脱石岩心的复电阻率实部和虚部的绝对值最大,界面极化频率最小;伊利石的CEC高于高岭石,黏土附加导电性大于高岭石,含伊利石岩心复电阻率实部和虚部的绝对值小于含高岭石岩心,界面极化频率也较大。

(5) 对于“薄膜效应”对岩心电频散特性的影响是否存在普遍性,需要对更多不同岩心进行测量加以验证。

(6) 对于含有黏土矿物砂岩,随着温度的升高,岩石电阻率频散程度减小,界面极化频率升高,且两者呈现较好的线性关系。