未胶结砂样复电阻率影响因素实验研究＊

皇范蕤，齐兴华，马鑫龙

（新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

复电阻率法作为重要的地球物理电磁勘探方法之一，其基本原理仍基于岩石的激发极化效应，即在外电场作用下，岩石内部电荷产生分离，形成二次电场的一种电化学现象[1]。前人关于复电阻率和激发极化效应的实验研究很多，分别建立了与矿化度、孔隙度、渗透率等参数之间的关系，并广泛应用测井及地矿领域。复电阻率与电阻率相比，可以有效表征地下岩石由于电化学作用引起的激发极化现象，同时复电阻率的参数与储层物性的定量研究可以为基于电磁勘探的储层预测提供物理基础。由于前人在实验中采用的岩石是自然岩样，是由矿石、化石及孔隙流体构成的多相电介质，通常仍以岩石内孔隙电解质溶液为岩石导电的主要介质，在实验室内进行电阻率测量时会受岩石结构、溶液盐度、测量模式、测量电极等多种因素影响[2]，使得到的实验数据较粗略,为了使实验数据更加精确,需要进行实验进一步探究复电阻率的影响因素。

1 研究思路

本研究通过对未胶结的砂样进行复电阻率测量实验开展研究。测量均质性较好的未胶结砂样在不同的孔隙度、泥质含量、地层水矿化度的情况下复电阻率的变化，即通过控制单一变量法总结出复电阻率受上述因素影响的规律性。具体包含四组实验：

（1）不同岩样实验。利用不同种类和粒度的砂子制备两种人工岩样，分别测量其复电阻率，验证实验设备的可靠性。

（2）不同孔隙度实验。改变人工岩样的孔隙度，测量在不同孔隙度下的复电阻率。

（3）不同泥质含量实验。加入蒙脱石粉改变泥质含量，观察复电阻率值变化。

（4）不同地层水矿化度实验。将不同矿化度溶液分别与砂子混合，测量矿化度对复电阻率的影响。

本次实验选用可调稳压交流电源、数据采集卡、高精度电子天平以及LCR数字电桥，通过自制实验槽连接取样电阻和数字电桥测量电阻率，在导电液体或岩样上施加交变交流电压，岩石两端电压与电流的比值为电阻，它随交变电流频率的变化而变化。测出来的电阻率乘以电极系系数k（′k=0.0457）就能得到复电阻率值。

2 实验过程

2.1 实验方案

实验准备干砂1 500 g；混合干砂岩2 000 g,体积1 L；蒙脱石散12 g；食盐水浓度2 g/L。结合实验设备并保证实验数据的准确，测量0.1 kHz到100 kHz的复电阻率,测量相位差主要用0.1 kHz到0.8 kHz的复电阻率值。

（1）不同岩样实验。先将1L混合砂岩（粒度偏大）放入实验槽，倒入适量2 g/L的食盐溶液，通过数字电桥供电，测量复电阻率；重新放入事先备好的1 L砂子（粒度较小），倒入等量相同的食盐溶液，测量复电阻率。

（2）不同孔隙度实验。倒入1 L砂子和适量的2 g/L食盐溶液，第一次实验结束后敲击实验槽侧壁，岩样位置会下降，加一点砂子使岩样位置恢复到第一次的位置；重复3次，测量不同孔隙度下的复电阻率。

（3）不同泥质含量实验。第一组实验加3 g蒙脱石粉末，再依次加入3 g重复做6 g、9 g、12 g的实验，观察复电阻率的变化。

（4）不同地层水矿化度实验。先将1 L砂子和纯净水充分混合放入实验槽，测量矿化度为0时的复电阻率；第一次实验完成了后倒出溶液，加入等量的矿化度为2 g/L的食盐溶液，开始测量复电阻率；重复做矿化度为4 g/L、6 g/L、8 g/L的实验。

2.2 实验装置（如图1所示）

图1 实验仪器连接示意图

（1）将数据采集卡分别与电脑、供电电极MN和测量电极AB相连。

（2）测量极AB布设于实验槽的中轴线上，垂直插入实验槽里的岩样中。

（3）将仪器连接到位，而后在系统上进行参数的设置。

（4）开始实验，为了数据的精确度，每次操作最少重复观测3次并记录数据。

2.3 实验数据分析

2.3.1 不同岩样实验

通过采用不同粒度的砂样做对比，可同时验证设备的工作状态是否正常，结果如图2所示。在测量不同粒度的岩样时，仪器测量数值较为稳定，规律较为明显，且在岩样粒度较高时出现复电阻率普遍低于粒度较低砂样的结果，符合高粒度岩石孔渗较高，复电阻率较低的规律，证实实验结果具有较强的可靠性。受实验条件限制，未开展更多粒度岩样的测量对比。

图2 低粒度砂样和高粒度砂样的复电阻率

2.3.2 不同孔隙度实验

一般情况下，随着孔隙度的增大，溶液越易进入岩样内部，导电性会增强，频散特性减弱[3]。通过图3可知，不同孔隙度的岩样其复电阻率差异较为明显。对不同孔隙度的复电阻率进行对数拟合后取其截距可得图4，可以从中看出复电阻率随孔隙度的降低而增大，二者呈典型的指数关系。

图3 未胶结岩样在不同孔隙度的复电阻率

图4 未胶结岩样在不同孔隙度的复电阻率影响效果

在0.1～0.8kHz范围内对各孔隙度的复电阻率相位进行测量可得图5。图5表明相位差随频率增加而增大，但是当孔隙度变化范围在本次研究范围内时相位差几乎不变，导致4条相位曲线完全重合。

图5 未胶结岩样在不同孔隙度各频率的相位差

2.3.3 不同泥质含量实验

当砂岩样中含有不同程度的蒙脱石（泥质）时，其测量结果如图6和图7所示。观察图6可知，当蒙脱石保持定量时，复电阻率随频率增加而减小，二者呈对数关系。频率一定时，复电阻率随蒙脱石含量增大而增大，二者之间呈指数关系，计算方法与图4中所采取的方法一致。由图7可知，相位差受频率的影响，但在研究范围内泥质含量变化时，相位差并未发生明显变化。其中加9 g蒙脱石的时候复电阻率反而变小，初步推断是因为实验中砂子和蒙脱石混合的不够均匀。造成电阻率逐渐上升的原因初步认为：通过加入蒙脱石粉，填充了空间无法形成孔隙，由于泥质能吸附地层水和部分离子[3]，降低岩心溶液的含量及其中离子的连通性或可运移性，使同一频率下复电阻率越来越大。

图6 未胶结岩样在不同泥质含量各频率的复电阻率示意图

图7 未胶结岩样在不同泥质含量各频率的相位差

2.3.4 不同地层水矿化度实验

通过使岩样充填不同矿化度的地层水并进行测量可得图8和图9。由图8可以看出矿化度对复电阻率的影响，随着矿化度增大复电阻率越来越小，经过与上述同样的计算方法可得二者之间的相互关系为对数关系。由图9可知，在本研究范围内，地层水矿化度的变化并未导致相位差的变化。

图8 未胶结岩样在不同矿化度溶液各频率的复电阻率

图9 未胶结岩样在不同矿化度溶液各频率的相位差

3 结论

通过研究未胶结岩样标本的复电阻率得出以下结论：

（1）岩石粒度对岩矿石的复电阻率有明显的影响；

（2）岩石孔隙度增大会导致复电阻率的降低且二者之间呈指数关系；

（3）在本研究条件下，泥质含量增大会导致岩石复电阻率的升高，二者之间呈指数关系；

（4）地层水矿化度的升高将导致复电阻率的降低且二者呈对数关系；

（5）在本研究范围内，孔隙度、泥质含量及地层水矿化度的变化均未对相位差形成影响。