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地球物理测井仪器原理
* * 第三章 电磁波传播测井 在前面曾提到地层介质的电磁特性时,可用一些物理参数来表述: 。普通电阻率测量和测向测井都是测的电阻率 ;感应测井测量的是电导率 ;对于沉咱们岩来说,除作含有较多的铁磁性矿物,否则油导磁率就和真空导磁率没有什么差别。因此,在以沉积岩的主要目的层的油、气勘探中,导磁率 这参数没什么作用。因此,不予考虑。那么介电常数 就只有电磁传播测井来完成测量了。 电磁波传播测井又称为介电测井。它是用来测量井下地层的介电常数。由于地层水(淡水)的介电常数为780~81,原油的介电常数为2~2.4,天然气介电为1,岩石骨架介电常数为4~9,当储层的孔隙度达到一定数值时,含油、气层的介电常数与水层的介电常数有明显的差别,据此可以划分油、气、水层。 那么为什么要用电磁波传播测井呢?因为普通电阻率测井,测向测井和感应测井都是利用地层孔隙流体的导电性质来区分含油、气和含水地层。当地层水是淡水(或水矿化度极低)时,上述测井方法就无法对地层孔隙中的油、气、水含 量作出正确的判断,这是因为地层水的导电性已不再和油气、岩石骨架的导电性存在明显的差别。因此,在此情况下就要用电磁波传播测井了。介电常数 的真空介电常数, 的介质的相对介电常数)是反映介质电学性质的别一个重要物理量。实际EPT测量的是无损耗传播时间TPO是反映地层介质介电常数变化的物理量。 第一节 电磁波传播测井的物理基础 在定态条件下,电磁波在耗散介质中传播的电场强度 满足该姆霍兹方程,即 (3-1) 其中, (3-2) 式中, 为电磁波角频率; 为介质磁导率; 为介质介电常数; 为介质电导率; 称为耗散介质的复介电常数。 令 ,则复介电常数可表示为: (3-3) 复介电常数实部 表征介质的介电特性,虚部 表征介质的耗散特性。k为电磁波传播的波数。对耗散介质情况,k也是复数,不妨写为: (3-4) 方程(3-1)沿方向的平面波解为: (3-5) 式中, 为E=0处的电场强度。于是,在真空中,因 平面电磁波将以相速度: (约3107m/s)沿E方向作无衰减传播。 在介电常数 的绝缘介质中 随介质相对介电常数的增加而降低。因此,对绝缘介质来说,介质的相对介电常数可以通过测量电磁波在介质中传播的相速度而得到。在实际测量中,更多的是用测量传播时间来代替对相速度的测量。用 代表传播时间,它表示 平面电磁波通过一来介质所需的时间。 对于具有复介电常数 的导电介质, 这时, 为负实数,这意味着平面电磁波在 沿E方向的传播过程将按指数规律衰减。由于复介电常数的虚部与角频率 ,电导率都有关,因此电磁波传播的相速度具有频散性,且受介质电导率的影响。这说明,介质和导电性不仅会损耗介质中传播的电磁波能量,同时也在一定程度上改变了电磁波传播的相速度。对于某一固定频率 的电磁波,它在耗散介质(此处指导电介质)中的传播时间TP1不只是介质介电常数的单一函数,而应是和的函数。左图 为单频平面电磁波在真空和耗散介质中的传播对比图。 一般来说,测井所遇到的地层都应被认为是耗散介质,我们当然就不能忽视因地层电导率的变化给传播时间 带来的影响。为此对式(3-2)、(3-3)和(3-4)进行简单的代数运算,并考虑到 ,可得关系式: (3-6) (3-7) 式(3-6)中的传播时间 是在耗散介质中的实际测量值,它反映了介质介电常数 的变化,也包含介质电导率变化的影响。如果引入无损耗传播时间 ,并定义 (3-8) 合并式(3-6)、(3-8)两式,得 (3-9) 式(3-9)是对传播时间 的修正公式。 是 经过对耗散影响修正后的传播时间。由式(3-8)知道, 与介质电导率无关,它的取值仅反映地层介质介电常数的变化。从而可用 来代替地层介质的介电常数,并用于评价地层的含水孔隙度,这就是电磁波传播测井解释中普通使用的 法。 对于含水地层,根据单矿物崩架岩石的体积模型,用于损耗传播时间计算岩石孔隙度的响应方程为: (3-10) 式中, 为地层的无损耗传播时间; 为 视EPT孔隙度; 为地层水的无损耗传播时间; 为岩石骨架传播时间。 电磁波传播测井工作于微波频段,其径向探测深度很小。对于渗透性地层
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