介电测井新技术与应用.docx
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介电测井新技术与应用
介电测井新技术与应用
RomuloCarmona
委内瑞拉国家石油公司
委内瑞拉加拉加斯
EricDecoster
巴西里约热内卢
JimHemingway
美国得克萨斯州休斯敦
介电测井仪通过地层电磁波测量能分析淡水环境储层，识别
可流动油气。
介电测井数据资料对分析稠油储层特别有用。
一种
新型仪器通过长时间的应用，正将新的生机带入介电测井技术。
这一切都得益于最近开发的、用于评价碳酸盐岩结构和泥质对砂
岩影响的频散技术。
MehdiHizem
LaurentMossé
TarekRizk
法国ClamaRt
DaleJulander
雪佛龙美国公司
美国加利福尼亚州BakERsfiElD
JeffreyLittle
加利福尼亚州BakERsfiElD
TomMcDonald
澳大利亚珀斯
JonathanMude
阿曼石油开发公司
阿曼马斯喀特
NikitaSeleznev
美国马萨诸塞州坎布里奇
《油田新技术》2011年春季刊：
23卷，第1期。
©2011斯伦贝谢版权所有。
DiElEctRicPRo，DiElEctRicScannER，EPT，FMI，
HRLA，LitHoDEnsitY，MRScannER，PlatfoRm
EXPREss和RtScannER等是斯伦贝谢公司的商标。
1.SERRaO：
WEllLoGGinGHanDbook。
巴黎：
EDitions
TEcHniP，2008年。
2.在不同频率上进行测量时，频散表示介电常
数和电导率的变化。
3.SERRa，参考文献1。
4.麦克斯韦偏微分方程组把电学和电磁学基本
参数统一到一起。
共有四个基本方程，但据
此可进行多次迭代。
有关电磁学和介电响应
公式的详细推导，请参见：
SERRa，参考文献1。
5.一般认为微波是波长在1米到1毫米之间的
电磁波，对应频率为300MHz－300GHz，具
体取决于参考源。
36
石油技术人员不断开发新的仪
器去探索地球，并且十分享受这一过
程。
介电测井就是其中一种技术，它
通过电磁波测量确定岩石和流体性
质。
尽管在岩石物理领域的应用不是
很广泛，但利用介电信息能够解决很
多解释难题。
最近推出的介电测井仪
的成功应用激发了业界的巨大兴趣，
因为该仪器能提供标准测井系列无法
提供的信息。
自上世纪七十年代末引入油气工
业后，介电测井并未得到广泛认可。
人们不愿接受新技术的情况并不少
见。
技术总是需要时间逐步改善，然
后赢得用户一定程度的接受，最终被
推广应用。
例如，首台商业化微波炉
（当时的一种全新技术）是在1947年
推出的。
其高度比普通人还要高，重
量比普通人重三倍。
结果可以想象，
当时家用微波炉的销量几乎为零，而
如今微波炉已成为普通民众厨房中常
见的电器，体积小巧的微波炉和当初
工业级模型基本无任何相像之处。
全新技术可分为不同的认可类
别。
有些完全取代旧技术。
有些是现
有方法的补充，而不是将其取代。
以
微波炉为例，虽然可用微波炉准备多
道餐，但人们很少将其用作主要的备
油田新技术
餐工具。
但是，作为一种加热食物的
方法，微波炉通常是较好的选择，优
于以前的各种炉灶。
显然微波炉是一
种补充技术。
同样，介电测井仪是油气工业
的一种补充技术。
介电测井仪开发初
衷是用来分析含淡水、低矿化度水或
矿化度未知的储层。
该仪器主要响应
于孔隙网络中的水，并测量含水孔隙
度。
根据含水孔隙度，可得出与电阻
其磁导率可以忽略不计。
因为岩石基
质导电性差，因此地层电导率（即电
阻率的倒数）主要是充填岩石孔隙的
流体和孔隙连通性的函数。
一般用感
应和侧向测井仪器测量地层电导率。
地层电导率和孔隙度是阿尔奇含水饱
和度公式的关键输入参数。
在储集岩评价中，一般不考虑
测量介电常数。
介电常数被定义为某
种介质与频率相关的储存来自施加电
率无关的流体饱和度。
测井分析人员
还将介电测量结果与深探测仪器获得
的数据结合，用于识别含有可动油气
的地层，这对评价稠油油藏来说是极
为重要的信息。
不幸的是，早期仪器采集的数据
质量总是因为井眼粗糙而受到影响，
而且测量精度也难以量化。
自从首次
在岩石物理领域激起业界人士的兴趣
后，介电测井仪再也没有达到被广泛
认可用于地层评价的程度。
上世纪90
年代推出核磁共振（NMR）仪后，除
了个别专门应用外，基本上结束了微
波介电测井仪的应用[1]。
最近推出的DielectricScanner多频
介电频散仪能够克服早期仪器的局限
性。
该仪器能测量含水孔隙度，与其
他孔隙度测量结合，还能确定流体饱和
度。
其发射器-接收器阵列能以多个探
测深度对地层进行探测，并在稠油油
藏提供独立的油流动性评估。
另外，
该仪器还能提供一项新参数（介电频
散），根据这一参数，岩石物理师可确
定岩石结构属性和泥质的影响[2]。
本文叙述了介电测量用于岩石物
理分析的基本原理，包括对新型介电
频散技术的介绍。
通过案例研究说明
了这一新技术在碳酸盐结构分析、矿
磁场能量的能力，是材料在电场或电
磁场中被极化程度的函数。
材料的介
电常数ε是被归一化到真空无损环境
下的电容率。
无量纲介电常数不是真
正的常数，因为它是电磁场频率的函
数。
用麦克斯韦方程组根据介电数据
可计算出介电常数[4]。
储集岩中的大多数矿物和流体
（水除外）的介电常数都很低（右
上表）。
水的绝对介电常数∑*包含三
项：
与极化能力相关的实数项、与给
定频率对应导电率相关的复数项，以
及与偶极驰豫相关的第二个复数项
（下图）。
因为岩石基质和水的介电常数差别
很大，在微波范围内测量的储集岩的介
电常数主要是含水孔隙的函数[5]。
油和
岩石基质的介电常数相同，因此，如果
∑r
⎛
⎤∑0
∑x
^常见矿物、岩石和流体的介电常数。
有油气存在，单用介电资料无法反演出
含水孔隙度和总孔隙度。
但与独立孔隙
度测量结合，用介电资料能定量分析流
体饱和度。
影响岩石介电常数和电导率的
另一个因素是岩石不同成分混合的方
式。
当在频率为1GHz左右测量时，该
因素对介电常数影响通常较小，但在
较低频率下测量时其影响较大。
由于
这一原因，在介电常数和电导率测量
中，岩石结构和泥质含量能够引起对
频率敏感的频散效应。
斯伦贝谢于上世纪70年代推出了
首部商用井下测井仪－EPT电磁传播
测井仪－能用微波测量介电属性[6]。
该仪器在1.1GHz的单频下工作，测量
25oC
∑*=∑r+i⎤∑0+i∑x
化度多变或低矿化度水地层评价以及
稠油油藏评价等方面的应用。
1.1GHz
20GHz
微波频率测井
三个参数可确定岩石的电学特
征：
磁导率、电导率和介电常数[3]。
储集岩主要由非磁性矿物组成，因而
2011年春季刊
^水的介电常数图。
体积水的绝对介电常数∑*包括实数项和复数项，是电
磁场频率的函数。
实数项∑r（蓝色）呈线性变化到最大约1GHz处，之后随
电磁场频率增高而降低。
电导率复数项（黑色）与电磁场频率ω有关，对
照真空介电常数∑0归一化处理。
电导率分量随频率增高而下降，特别是在
井下介电测井仪所采用的频率范围内。
第二个复数项i∑x（紫色）与偶极驰
豫有关，在频率为20GHz时最大。
因为井下介电测井仪的作业频率范围在
1.1GHz以下，第二个复数项对总的介电常数影响很小。
37
6.35
4.16
2.0-2.4
1.0
4.65
6.8
7.5-9.2
5-25
5.76
78.3
56-80
⎛
波孔隙度的怀利方程。
要求知道水的
矿化度和温度，以估测电磁波在地层
水中的传播时间。
但地层不仅仅包含水。
孔隙流体
有水、油和气，岩石基质中有各种矿
物质。
地层中不同成分间的关系可能
⎤
A
}
-
–1
{
∑
⎛
⎫
r
=（⎤,
∑,⎛,r）
改变电磁波传播特征。
tpo方法不足以
计算含水孔隙度，因此提出了各种混
合定律，以解释电磁场与地层中不同
元素之间的相互作用[7]。
^测量原理。
介电仪向地层中发生频率为ω的电磁波（红色正弦波）。
电磁
波与地层中流体和矿物发生相互作用，电磁波发生衰减，速度发生变化。
速度
的变化对应于可测量的相移。
电磁波通过介质后振幅变化A和相移（黑色正弦
波）可在接收器处测量；它们是初始频率ω、介质的介电常数ε、电导率σ以
及发射器与接收器间距r的函数。
然后对振幅变化和相移进行反演，得到介电
常数、电导率和含水孔隙度ф。
最早用来计算混合物岩石物
理属性的方法是复杂时间平均法
（CTA），该方法结合了相移和衰减
测量。
可表达成两个独立方程，一个
针对相移，一个针对信号衰减，联合
通过地层中传播电磁波的衰减和相
移。
然后对衰减和相移进行数学反
演，推导出岩石物理属性－包括介
电常数、电导率和含水孔隙度（上
图）。
通过比较含水孔隙度和总孔隙
度，岩石物理师确定出流体饱和度。
斯伦贝谢推出EPT仪器后，其他
服务公司也陆续推出了介电测井仪，
各自都在本公司选定的频率下工作。
由于介电信息与频率有关，不同频率
下记录的数据通常产生不同的结果，
分析对比不同井中测量的结果就会出
现问题。
数据差异可归因于测量对岩
石结构、粘土含量和流体矿化度的敏
感度。
但对这些敏感度的了解还不是
很清楚。
早期仪器测量的含水孔隙度用tpo
方法计算，该方法基于电磁波通过岩
石的传播时间（下图）。
计算过程涉
及到简单的变换，类似于用来计算声
确定孔隙系统中水的体积。
另一种方法是复杂折射指数法
（CRI），基于麦克斯韦方程组。
由于
电磁场随时间呈正弦变化特征，麦克
斯韦方程组的时间导数能大为简化[8]。
简化到两个决定绝对介电常数的项，
一个是介电常数实数项，另一个是随
频率变化的电导率复数项[9]。
复数项由电磁场角频率和能表示
为实数的电导率组成。
通过独立方程
将传播时间和衰减变换成物理量－介
电常数和电导率。
因为基质矿物和油
tpo
⎫EPT=
tpo–tpma
tpwo–tpma
tpo=
tpma=
tpwo=
气导电能力差，通常相当于绝缘体，
电导率信号决定于测井仪探测范围
（冲洗带）内的水。
求解介质电导率
CTA
tpl=⎫Sxotpw+⎫（1–Sxo）tph+（1–⎫）tpma
ℑ=⎫Sxoℑw
CRI
∑*=（1–⎫T）∑m+⎫T（Sw∑*w+（1–Sw）∑oil）
tpl=
tpma=
tpw=
tph=
⎫=
Sxo=
ℑ=
ℑw=
∑*=
∑m=
∑w*=
∑oil=
Sw=
⎫T=
能得到近井区域孔隙流体的电导率。
钻井时泥浆滤液侵入冲洗带，改
变地层中原始充填流体的属性。
泥浆
侵入不均匀，且难以量化。
早期用来
计算介电属性的方法，如tpo法，假设
流体电导率是固定值。
通过直接求解
该区域的流体电导率（可用CRI方法求
解），可获得更准确的含水孔隙度测
量结果。
因为各种原因，CRI法已成为
根据介电数据计算岩石物理属性而普
38
^介电岩石物理方法的发展。
tpo方法（上）是介电仪早期孔隙度变换方法，看
上去与根据声波资料计算孔隙度的怀利方程类似。
该变换只对无损传播时间有
效，因此不能代表井下环境。
复杂时间平均方法（CTA）（中）根据振幅衰减、
电磁波传播时间和冲洗带含水饱和度提供含水孔隙度，包括对损失的校正，但
不如复杂折射指数方法（CRI）准确（下）。
CRI采用井下条件下测量的介电常
数ε*。
CRI法方程中采用的基质、油和水的介电常数也调整到井下条件。
利用
总孔隙度фT求解含水饱和度。
фT通过其他方法获得，如根据密度和中子测井交
会孔隙度得到。
遍采用的方法[10]。
另外，岩石的结构参数（采用常
规测井系列难以量化）可根据多频率
下测量的介电数据推导。
频率为1GHz
左右时，结构参数对CRI方法得到的结
油田新技术
果影响有限。
但在高矿化度环境下，
因为能加强岩石结构频散，即使在1
GHz范围内也会产生较大影响。
在较低
E=0
E
频率时，岩石结构明显影响介电常数
测量结果－在碳酸盐岩储层中更是如
此[11]。
针对上述情况开发出了几种模
型，以考虑介电常数随频率变化的现
象。
下文讨论的频散分析方法采用多
频介电输出结果量化地层胶结指数m，
这是阿尔奇含水饱和度方程中与岩石
结构有关的两个输入参数之一。
对于
碳酸盐岩，这些参数通常从岩心资料
获得，然后再用于邻井。
根据岩心测
量这些参数的方法耗时且成本高。
而
根据介电频散信息可连续获得阿尔奇
公式中的地层胶结指数m，岩石物理师
能更好地用井下资料评价碳酸盐岩。
准确分析碳酸盐岩结构参数很重要，
8+
+
8+
8+
+
因为根据估计全球60%的剩余油都蕴藏
在碳酸盐岩储层中。
电介质和偶极子
在静态电磁场发生极化的材料被
^极化机理。
与材料极化相关的几种机理影响介电测量结果。
对于电子极化（上），达到电荷平
衡后的原子结构在电磁场E中可能发生改变，但影响微小。
而水分子在电磁场中表现出取向极化
（中），因为水分子是偶极子。
在开始阶段，容易极化的水分子表现为随意取向，当暴露到电磁场
中后，水分子试图按照电磁场的方向排列。
储集岩的界面极化（下）受带电粘土、孔隙网络中的盐
水和油以及基质矿物的影响。
在隔离状态下岩石中不易极化的矿物和元素通常在混合物中表现得很
不一样，其介电常数大于任何一种组成成分的介电常数。
这种现象是麦克斯韦-瓦格纳效应的一个
例子。
称为电介质[12]。
材料极化的敏感度与其
介电常数直接相关。
主要有三种极化
机理可与岩石物理属性关联起来：
电
子极化、分子取向和界面极化（右上
图）。
可通过一个盛满咖啡并被放置
到微波炉中的瓷杯来了解电磁波与各
种介质是如何相互作用的。
瓷杯基本
上不受电磁波的影响，但杯中的咖啡
却被迅速加热。
如果不经意间把金属
勺放到了杯子里，后果会十分糟糕，
因为微波与良导体如金属能发生相互
作用。
因为原子属性、分子属性及固有
电导率不同，这些材料对电磁能量的
响应也不一样。
金属物体（如汤勺）
受到微波冲击后除了发生极化，还
可能产生感应电流。
这是因为当暴露
到电磁场中时金属内的自由电子会移
动。
阻止电流流动会产生极大热量，
如果没有导电路径，感应电流就会形
成电弧。
因为金属是导电体，多数金
2011年春季刊
属的介电常数都可能是负值。
因为这
一原因，一般不将金属归类于电介
质。
而瓷杯受电磁场的影响很小，只
发生轻微极化。
极化源位于原子核周
围的电子云中。
当受到电场作用时，
电子的轨迹发生改变。
这种现象称为
6.比EPT仪器早10年在俄罗斯推出的一款介电仪
其应用十分有限。
7.关于各种混合定律更多的信息，请参见：
SElEznEVN，BoYDA和HabasHYT：
“DiElEctRic
MiXinGLawsfoRFullYanDPaRtiallYSatuRatED
CaRbonatERocks”，SPWLA第45届测井年会论
文集，荷兰NooRDwiJk，（2004年6月6-9日），
论文CCC。
8.关于假设条件和基于麦克斯韦方程组的全推
导过程，请参见：
BöttcHERCJF和BoRDEwiJkP：
THEoRYofElEctRicPolaRization：
DiElEctRicsinTimE-
DEPEnDEntFiElDs，第2卷，第二版。
纽约市：
ElsEViER科学出版公司（1978年）：
10-19。
9.井下应用时可忽略第三个复数。
10.CRI方法参见：
WHaRtonRP，HazEnGA，
RauRN和BEstDL：
“ElEctRomaGnEtic
PRoPaGationLoGGinG：
ADVancEsinTEcHniquEanD
电子极化。
形成的介电常数为5－7，
和储集岩的介电常数类似[13]。
咖啡（或更具说是咖啡中的水）
受到电磁场作用时的表现完全不同。
水分子（由两个氢原子和一个氧原子
组成）是不对称的：
其正负电荷的中
心不重合。
这种不对称使得水分子形
IntERPREtation”，SPE9267，发表在第55届SPE
秋季技术年会暨展览会上，达拉斯，1980年9
月21-24日。
关于CTA和CRI方法的比较，请参见：
CHERuViERE和SuauJ：
“APPlicationsofMicRo-
WaVEDiElEctRicMEasuREmEntsinVaRiousLoGGinG
EnViRonmEnts”，SPWLA第27届测井年会论
文集，达拉斯（1986年6月9-13日），论文
MMM。
11.KEnYonWE：
“TEXtuREEffEctsonMEGaHERtz
DiElEctRicPRoPERtiEsofCalcitERockSamPlEs”，
JouRnalofAPPliEDPHYsics，55卷，第8期（1984
年4月15日）：
3153-3159。
12.MElRosEDB和McPHEDRanRC：
ElEctRomaGnEtic
PRocEssEsinDisPERsiVEMEDia。
英格兰剑桥：
剑
桥大学出版社，1991年。
39
成永久偶极距。
由于水分子更容易极
化，水的介电常数为80左右－比陶瓷
的介电常数高一个数量级。
在没有电场时，单个水偶极子的
取向是随即的，因此单位体积的净磁
矩为零。
但是，当施加电场后，除了
氧原子和氢原子发生电子极化，电场
使单个偶极子取向一致，导致单位体
积的净磁矩为正。
这种效应被称为取
向极化。
热运动分子之间发生碰撞使
分子方向不固定，并限制单位体积的
净偶极矩。
因此，分子取向极化的幅
度是极性分子类型及其温度影响的结
果。
在施加电场的影响下极性分子
的取向不是瞬时完成的。
由于分子惯
性距的影响，分子取向需要一定的时
间，因此在电场方向发生改变时，分
子再取向过程受到阻碍。
如果施加电
场的频率足够高，例如在微波范围
内，极性分子没有足够时间按电场方
向取向，取向极化的贡献就被减弱。
水分子迅速改变极性的阻力可被表达
为热量。
这种现象被称为偶极驰豫损
失。
盐水的介电现象是随着矿化度
的增加，盐水的电导率增加，但其介
电常数降低。
向盐水中加盐增加了以
非转动方式附着在NaCl分子上的水分
子数量，因此降低了水分子的取向极
化。
与此同时，贡献电流传导的离子
浓度增加。
温度的增加对盐水特性产
生类似的影响：
盐水电导率增加，而
介电常数降低，原因是分子热运动使
偶极子取向不固定。
当电磁波通过各种介质时，因
为与介质的相互作用而发生改变。
电
磁波的振幅和速度随能量减弱而降
低，相位也发生变化。
介电常数低的
材料，如咖啡杯或岩石基质，对返回
电磁波的影响很小。
而水的介电常数
高，对电磁波影响大。
早在上世纪五十年代，岩石物
理学家通过微波试验认识到，饱和岩
心样品的介电常数主要受孔隙中含水
量的控制，可以与含水孔隙度直接关
联。
然而，如要根据介电常数计算岩
样中的含水量，必须知道组成岩样的
各种组分介电属性间的关系。
因此提
出了实验室可控条件下的混合定律，
以模拟这些相互关系的影响。
在实验室条件下，可使用各种尺
寸、各种形状的样本，使用不同方法
测量介电属性。
测量技术决定于目标
频率。
例如，频率在几个MHz以下时通
常使用电容式技术。
将测试材料放到
两个电容板之间，根据电容测量值计
算测试材料的介电常数。
如果波长比
导电板的间距长得多，该模型就比较
有效。
频率较高时，不容易在装置端
口测到总电压和总电流。
由于探头有
一定的阻抗，而且不容易将探头放到
理想位置，因此不能简单地接上电压
计或电流计探头进行准确测量。
针对
GHz范围的频率，科学家开发了相应的
技术，如传输线或微波谐振器。
由于
允许宽带测量，因此传输线方法的应
用较为广泛。
在低端，随着波长的增
加，对样品介电常数的敏感度降低，
带宽受到限制。
最大测量频率取决于
传输线类型、正演模型和采集系统的
局限性。
利用介电测量定量分析含水孔
隙度非常重要，因为含水孔隙度与总
孔隙度的比值代表含水饱和度（左下
图）。
通过测量介电常数就能确定含
水饱和度，与电阻率测量无关，而用
阿尔奇方程计算含水饱和度必须知道
电阻率[14]。
淡水和油气的电阻率都很高。
储
集岩中发现的典型盐水电阻率低。
阿
尔奇方程的前提条件是含油气层和含
盐水层的电阻率存在差异。
对于含淡
水、低矿化度水和地层水矿化度未知
的储层，用阿尔奇方程无法得到准确
的饱和度结果。
而在这些环境中，油
气和水的介电常数差别较大，与矿化
度无关，因此是测量饱和度的理想方
30%
70%
10%
20%
70%
法。
核磁共振（NMR）仪器通过测量
流体的扩散也能检测淡水环境下的油
气[15]。
因为核磁共振仪器不依靠孔隙流
体电阻率确定饱和度，因此介电仪和
Sw=100%
⎫=30%
⎫=30%
Sw=33%
⎫=30%
⎫=10%
核磁共振仪器通常是定量评价淡水环
境或地层水矿化度未知环境下油气体
积的主要手段。
但介电仪测量必须与
其他方法获得的孔隙度结合才能确定
油气饱和度。
其结果与油气类型和孔
^根据介电测量计算饱和度。
岩石物理师通常使用阿尔奇含水饱和度方程，该方程需要输入孔隙度
和电阻率。
介电法不需要电阻率。
图中所示简化关系说明了其原理。
介电孔隙度测量的是含水部分
的孔隙度。
当全部孔隙都含水时（左），介电仪测到的孔隙度ф介电与总孔隙度ф总一致。
ф总须
用另外的方法测得，如密度-中子交会孔隙度。
由于介电测量值相似，据此无法区分油气和岩石基
质。
因此，介电仪测到的孔隙度降低与油气体积的增加直接相关，因为总孔隙度没有降低（右）。
40
隙网络无关。
介电仪和NMR仪器探测深度较
浅，因此无法完全取代传统三组合测
井系列。
电阻率仪器的探测深度达数
油田新技术
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