文摘
高介电对比水和碳氢化合物提供了一个有用的方法来区分可生产的层的储层岩石和周围的媒体。在高频介电响应与岩石含水量有关。介电性能和比表面积之间的相关性可用于评估弹性和地质属性的岩石。知识的介电损耗因子和弛豫频率页岩是关键的设计技术有效从非常规储层油气开采和生产。虽然介质测量的适用性是有趣的,但由于很多因素影响数据的解释是非常具有挑战性的介电响应。例如,介电常数是由矿物组成的固体部分,体积含量和饱和液的组成,岩石微观结构和几何特性的固体组件和孔隙空间,温度和压力。在本实验研究中,我们调查的频率依赖的介电性能人工页岩岩石准备从土混合物通过机械压实。样品准备各种粘土含量和孔隙流体的盐度和阳离子组成。测量介质的属性是在两个方向进行调查的介电各向异性样品获得强烈的压实过程中微观结构。
1。介绍
电介质材料的介电常数测量的频率依赖电极化率(1),在一个应用外部电场。在电场的存在,电子,离子和极性分子导致的频率相关的介电性能。在复合材料中,积聚的电荷在不同电导率边界和可交换阳离子的创建可能完全主导介电行为。例如,岩石由液体、固体和气体组件和他们每个人显然是由特定的化学和/或矿物组成。虽然个人的介电常数最摇滚组件很少超过80,大部分介质介电常数的岩石样本可能达到许多数量级的无线电频率(赫兹兆赫),这意味着不仅岩石的成分,而且它们的几何,互动,空间布置和接口有重大贡献极化(2]。
在粘土轴承岩石原生盐水的存在导致所谓的表面效应:电动双层极化(即。,斯特恩层极化)和Maxwell-Wagner出发极化。发生由于可极化的存在在含水粘土束缚水界面和弱有界离子表面的矿物颗粒,可以慢慢地移动在一个外部的影响下,做出贡献传导和电极化(3]。这些效应成为突出的频率低于MHz范围和复杂数据的解释。图1说明了各种极化效应与相应频段的发生。
介电测量在岩石学和石油工业主要是用来确定含水量。水分子有一个固定的电偶极矩和旋转迅速结合外部电场(4碳氢化合物),而非极性分子,因此比水更低的介电常数。因此,估计含水率从高频电介质介电常数(> 1 GHz)常用于井眼岩石学。然而,介电测井频率的1 GHz以上仍然具有挑战性的实地测量由于电场穿透深度降低。相反,目前商业绝缘工具运行在多个频率点(5)促进水分含量测定和CEC:介电响应频率低于50 MHz更受上述表面效应(6]。在低频段,粘土含量、几何和空间方向的岩石矿物成分和孔隙流体的盐度也影响到测量介质介电常数(7,8]。
最近的一些研究表明,替代方法对石油复苏非常规储层,利用介电加热(9]。这种技术允许增加经济效率的探索和减少对环境生态的影响。它严重依赖于知识的介电行为kilohertz-megahertz电场的深度渗透的频率范围是充分的现场应用和介电损耗因子展品高峰值10]。然而,几个物理效应的相互作用结果广泛分散的介电弛豫峰频率低于兆赫。识别的频率衰减峰值以及估计介质色散的范围为特定类型的岩石将用于调优的频率介电加热工具,确保节能和高效的加热。
介质测量的另一个目的是估计的阳离子交换量(CEC),一个属性直接归因于矿物成分特别是粘土含量。杰克(11)表现出很强的相关性之间的介电响应~ 30 MHz和CEC。反过来,这个属性是比表面积成线性正比(SSA)的数量决定性格和岩石的颗粒间的接触(配位数)岩石的矿物成分和孔隙度。因此,预计介电常数应该与静态和动态弹性岩石的性质。
很难隔离和独立研究不同影响因素自然页岩的介电性能由于复杂成分的矿物和流体组件。有许多实验和理论研究,致力于频率依赖岩石介电性能与几何关系的组件(例如,纵横比和矿物颗粒的取向和毛孔),含水饱和度和有机的内容(例如,2,12,13])。然而,很少有研究考虑粘土含量的证据,微观结构和孔隙流体的化学成分(例如,(4,7])。介电性能的各向异性页岩介电测井资料的解释是至关重要的特别是在倾斜井和可能影响生产的效率通过介电加热在非常规页岩储层(14,15]。再次,几乎没有证据表明介电性能的各向异性页岩取决于上述参数。至少知道介电响应参数的影响在页岩粘土分数的微观结构。不同的地质环境可能显著影响沉积物的微观结构,因此其属性(16]。例如,越南盾和王17]表明,高岭石沉积物与水饱和的解决方案不同的pH值表现出明显不同的介电谱由于不同的微观组织的形成机制。
在这项工作中,我们准备人工页岩样品使用实验室的机械压实简单水性高岭石粘土和石英粉的混合物。我们的目标是使用这些模型的自然页岩扩展我们的知识和独立调查粘土含量的影响,微观结构、孔隙流体的化学成分的频率依赖的介电性能和各向异性。
2。方法
2.1。样品制备
人工页岩样品准备从矿物混合物通过机械压实。为了简化模拟岩石和减少不确定性相关的多相组成,我们选择简单的矿物成分和孔隙流体的化学物质。高岭石和石英用于淤泥和粘土分数自然页岩中常见的矿物质。与蒙脱石矿物组相比,高岭石nonswelling粘土,这使得它最简单的粘土矿物之一。石英粉由silt-sized谷物。
准备混合物与不同类型的初始粘土微观结构,我们利用物理化学方法。存在孔隙流体导致聚合电解质的高岭石粘土颗粒通过减少水的扩散层的粒子和连续失去稳定胶体系统(19]。样品与聚合粘土微观结构是由添加盐水溶液,粘土血小板及其ultramicroaggregates(基本协会的一些轴向对齐个人粘土血小板)(图结合在一起2),形成了符合的厚外套在石英颗粒表面(图3)。
重要的是要注意,最初治疗高岭石粉驻留在聚合状态。因此,样品与分散粘土微观结构被煮沸混合物准备25毫升的分散剂- 4%焦磷酸钠四元,现有的粘土总量分为个人粘土血小板和较小的协会。这允许替换可交换阳离子粘土粒子表面的钠+离子,使其水合物信封击退和粘土颗粒相互分离。
总结所有的混合物准备表所示1。样本命名使用特定术语的第一个字母代表聚合(a)或(D)分散粘土微观结构;下面的数字显示的重量比石英高岭土成分比例,最后数字显示了孔隙流体的盐度g / l。
2.2。机械压实和平行板介电测量
样品在高压压实固结仪采用单轴压力。塑料活塞进行压力从致动器与液压手动泵。细胞是为了安全地保持80 MPa的垂直应力对应于~ 3公里深度在沉积盆地。PEEK的固结仪是由塑料;这种材料是强大到足以维持零横向应变。压实页岩轻轻逐出固结仪,覆盖层厚厚的蜡,并保存在低温潮湿的气氛,防止干燥。进一步的细节在机械压实方法可以找到Beloborodov et al。16]。
压实的子样品从每个样本及其介电性能测量平行板介电钻机(图4)。电极的电介质钻机是铜做的,他们可以改变以匹配样本的大小。在这项研究中,使用直径1厘米的小电极由于规模相对较小的次级样本~ 2厘米直径。确保适当的测量电池的电极之间的耦合和保持平行电场正常的子样品盘,这是抛光钻石平面磨床上实现并行面临30μm宽容。样品的平均厚度不应超过其直径的五分之一。子样品盘都放置在平行板测量细胞测量阻抗分析仪。下面两个方法运行这个设备了。光耦合是用来测量的有效电导率压缩样本。阀瓣子样品仅仅是放在平行板电极,这样他们之间的直接接触裸露的子样品的面孔。为页岩,这种方法提供了一个良好的导电岩石表面和电极之间的耦合。耦合与绝缘电影也被用来阻止电流,提高极化效应的相对贡献,这样的频率色散相对介电常数的实部和虚部可以准确确定。
十二个人工页岩样品准备通过实验室机械压实。介质的分析样品在两个方向上进行,正常(图5(一)),并平行于层理面(图5(b)),调查介电各向异性。
3所示。结果与讨论
介电性能提出了数字6- - - - - -13对不同的参数,即孔隙流体的盐度,其阳离子组成、粘土含量,最初的粘土微观结构的类型。图6说明了积极的线性趋势的介电常数和孔隙度的样品分别用盐水和淡水。的介电响应频率> 1 GHz范围通常是由于水分子的偶极子极化和可以用来估计在孔隙空间的水量。线性相关性随频率降低= 0.95在100 MHz= 0.70 10 MHz由于来自其他极化机制发生在较低的频率(例如,表面电荷极化)。虽然相信盐水盐度对介质的反应没有影响饱和岩石样本在高频率,显然我们的实验结果显示分离趋势的两组人工页岩样品准备用盐水和淡水。这种差异是由于变化发生在双电层粘土的电解质的存在。与高度集中样品饱和盐水的正离子Na和K补偿免费粘土粒子表面上的电荷。因此,扩散层弱结合水的粘土颗粒明显减少(20.,21),让更多的自由水分子很容易被极化的样本。另一方面,样品准备用淡水展览厚水合物信封在粘土颗粒从而阻碍了大量水偶极子的极化电场的存在。在我们的实验结果描述效应结果在一个数量级差异样品饱和盐水和淡水样品在一个广泛的孔隙度在兆赫频率。同样重要的是要注意,活性阳离子盐水饱和样本的数量似乎对介电性能的影响可以忽略不计的偶极子极化频率范围内所有的样品准备不同盐水浓度和成分的遵循相同的线性趋势。使用上面描述的线性趋势,可以比较不同样品的孔隙度。这些趋势是用来研究粘土含量的影响,盐度和微观结构。
图7表明,在广泛的频率水平在不同样品电导率几乎总是高于垂直。以前我们表明,粒子与压实粘土和淤泥东方正常应用的方向压实压力(16,22]。因此,相互连通的孔隙网络在人工页岩样品也更加面向层理方向和充电运营商提供了一个有效的途径,而在层理方向正常导电通路方面表现出更大的曲折,阻碍运动的指控。电导率各向异性也随孔隙度降低的微观结构变得更加面向在水平方向。两个水平和垂直导率随着孔隙度增加。在高频段,流体电导率的影响随着孔隙体积的增加占用与水的解决方案。
频率依赖的介电各向异性在八个人工页岩样品如图8。虚线图对应于各向同性系统,而这条线之上和之下的所有的点对应于各向异性系统控制水平和垂直方向的极化效应,分别。重要的是要注意,淡水样品总是更好的极化在水平方向和驻留在各向同性,而盐水饱和样本更低频率和极化在垂直方向表现出各向异性的反演与交叉分兆赫范围。
所有样品的各向异性曲线表现出高峰值在兆赫范围及其最大值和频率分布是由类型和浓度的盐离子的饱和液体。因此,样品准备用新鲜水或低浓度液体显示最高的各向异性的峰值位于低端兆赫范围,然后遵循三个山峰~ 60 MHz频率相同的对应样品与氯化钾饱和盐水。峰属于最低的样品与氯化钠饱和盐水发生在频率100 MHz以上。各向同性线的交点盐水饱和样本也分布在兆赫频率,类似于高峰值,但频率较低。
这种各向异性行为可能与双电层理论解释。鉴于粘土颗粒在淡水样品厚水合物信封弱结合水,水分子的偶极子极化达到更容易在平行于层理面只是因为粘土颗粒在水平方向上所有的样品主要是面向。因此面向水分子和氢原子对粘土粒子的表面和很容易倾斜横向电场平行于层理的影响下但抵抗正常电场的影响。盐水的饱和样品这种效应不明显在宽频率范围内由于明显薄扩散双电层的一部分,上述现象发生。因此,考虑到介质各向异性的特色在人工样品,可以推断出的各向异性分析可以帮助了解饱和液体的成分和浓度的粘土岩。然而,人工和自然岩石上更多的数据需要分析确认了关系。
图9同时表明,粘土含量的增加孔隙度会导致更大的电导率在垂直和水平方向。这种行为是由粘土粒子表面传导机制特征。柜台已经表明,离子位于船尾层粘土颗粒的主要贡献者表面传导和盐水饱和岩石与盐度高于1 mol / l钾、钠离子的流动发展自由流体的1/10,是独立于盐度23]。因此,在我们的实验中取代部分石英与粘土颗粒更无报酬的电荷按比例导致更强的表面传导。
图10表明,样品准备的导电率与分散粘土微观结构总是高于聚合样品在两个方向上独立于泥沙含量和孔隙度。这是由于更大的表面传导的斯特恩层粘土颗粒的分散样品分开,比他们的协会有更大的自由表面聚合样本。
在频率范围1千赫至100 MHz的垂直极化主宰盐水饱和样品如图11。主要的极化机制在这个频段是Maxwell-Wagner反离子的极化。离子的运动在垂直方向限制由于强烈的粘土颗粒取向正常应用电场和力平衡在其双电层。在这种情况下,每个单独的粘土颗粒作为电容器和合奏的粒子产生强大的极化效应超过个人的流体和矿物阶段(3]。相比之下,阳离子可以很容易地绘制在粘土表面的血小板和通过曲折的沿层理孔隙网络越少。因此,在低频电场的存在(兆赫以下)的方向正常的床上用品水合反离子容易极化,而不是传导,反之亦然层理方向上的电场。此外,重要的是要注意,粘土含量越高极化效应越明显在两个方向上由于更高的浓度和更好的对齐粘土血小板给定相同的孔隙度水平(16]。
图11显示了真正的相对介电常数的翻转MHz的频率范围的垂直和水平测量。[据Kramers-Kronig关系24这些滚动对应峰值虚构的情节相对介电常数在图12。在垂直方向出现高峰值介电损耗因子约一个数量级低频率和~ 20%高于以水平方向。必须考虑到这些影响设计钻孔加热天线在非常规储层有效烃萃取。同时,粘土含量较高的样品显示的更高价值损耗系数由于尖锐翻转在现实造成的相对介电常数的变化从表面电荷极化机制偶极子极化频率的增加。
图13说明了三个样品的介电损耗因子与不同的盐水饱和阳离子成分和浓度。所有的山峰都位于MHz范围测量样本。分布的峰值在不同频率取决于孔隙流体的盐度和阳离子组成。因此,盐度从10增加到34 g / l在纯高岭土样品饱和氯化钠导致变化的峰值频率2×1063×107赫兹。样品75 g / l的饱和氯化钠溶液展品的峰值频率4×107突出的影响不同盐离子粘土岩的介电损耗因子。
4所示。结论
人工页岩与简单的矿物成分说明广泛的频率色散介质的影响。原生水的盐度变化,其阳离子成分、人工页岩粘土含量和显微组织明显影响复杂介质的介电常数和电导率人工页岩。这些影响可以解释Maxwell-Wagner极化效应的频率低于兆赫范围和变化发生在双电层粘土颗粒的电解质的存在在更高的频率。
结果表明,在高频率(10 MHz以上)真正的相对介电常数不同的线性趋势与孔隙度在淡水和盐水饱和样本。孔隙流体的盐度和阳离子成分似乎对这些高频介电趋势的影响可以忽略不计。
人工页岩地层各向异性的微观结构在机械压实结果在2和4之间的介电各向异性的重要价值。峰值的大小和特征频率值在各向异性与各向同性点曲线以及交叉依赖于盐度、阳离子组成的饱和液体,和粘土含量的样品。
介电损耗的绝对峰值在页岩及其特征频率不仅取决于原生流体的数量,但也在饱和盐水的阳离子组成,其盐度,外加电场的方向相对于页岩床上用品。介质损耗测量的高峰值,正常的床上用品躺在兆赫频率范围内重要的分离大约1个数量级。这些山峰高出大约20%的绝对值的方向正常的床上用品。
我们天生的页岩的简单模型说明了复杂的介电行为类似于真正的岩石。介电响应的理论模型在同伴的使用说明进行人工页岩岩石物理模型的设计和标定。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢CSIRO页岩岩石物理和岩石学(SHARPP)财团由总对金融支持这项工作。r . Beloborodov愿意承认与格兰特RF16P05 ASEG研究基金会赞助他。