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盐浓度和类型对岩石介电常数的影响

SPE-223101-PA

OptimizingRefracturingModelsinTightOil

Reservoirs:AnIntegratedWorkflowofGeologyandEngineeringBasedonSeeStressReal-TimeCross-CouplingStrategy

摘要:离子性质和浓度显著影响盐水饱和岩石对电磁干扰的响应。然而，岩石在不同离子条件下的介电常数响应描述得很差。这大大限制了从介电常数测量中获得的关于孔隙几何形状和流体含量的潜在信息。必须可靠地量化盐浓度和类型对宽带介电常数的影响，以增强介电常数测量的解释。本文的主要目的是通过实验测量和孔隙尺度模拟来量化盐类型和浓度对介电常数的影响。我们研究了盐浓度和类型对孔隙和岩心规模贝里亚砂岩（BS）样品介电常数的影响。首先，我们进行频域介电常数模拟，以量化孔尺度模型对电场激励的响应。频域介电常数模拟器在离散频率的准静态条件下求解麦克斯韦方程组。我们模拟了20MHz至3GHz频率范围内的介电常数。我们在用NaCl、KCl和MgCl2盐水饱和的样品中进行了模拟。盐水溶液的盐浓度在10PPT到100PPT（千分之几）之间。我们用不同盐浓度的不同盐水溶液完全饱和样品，用于岩心规模分析。在岩心尺度域，我们使用孔隙尺度分析中假设的盐水溶液和盐浓度。使用具有高温同轴探头的网络分析仪在300MHz至3GHz的频率范围内进行介电常数测量。我们观察到，无论盐水类型如何，1GHz的相对介电常数都会随着盐浓度的增加而增加。然而，盐的类型在很大程度上控制着相对介电常数的减小幅度。在将盐浓度从10PPT增加到100PPT后，当样品分别用KCl和NaCl盐水溶液饱和时，1GHz的相对介电常数分别增加了11%和7%；在20MHz下，盐浓度的相同增加导致KCl和NaCl盐水饱和样品的岩石相对介电常数分别仅增加1%和5%。与1GHz相比，20MHz下相对介电常数对盐浓度的敏感性较低，这可归因于界面极化和取向极化对岩石介电常数的共同影响。在用10PPT盐水溶液饱和的样品中，盐类型对相对介电常数的影响可以忽略不计。结果表明，考虑盐浓度和类型的扩散对于可靠解释介电常数测量至关重要。这项工作的新贡献是记录了饱和盐水类型如何影响岩石的复介电常数。这项工作阐明了在地层卤水盐浓度不确定的情况下，相对介电常数可用于岩石物理分析的程度。此外，这项工作的结果将有助于增强对地层水盐浓度可变的地层中介电常数测量的解释。

1.前言

盐水饱和多孔介质的介电常数是测量频率的函数（即显示色散行为）。介电常数色散由Hz至GHz频率范围内的不同极化机制控制（Leroy和Revil2009）。无粘土岩石的高频（20MHz以上）介电常数主要受麦克斯韦-瓦格纳极化和水分子取向极化的控制。

在水饱和的多孔介质中，组分（即颗粒和盐水）的介电性质的对比驱动了颗粒表面的电荷积累。因此，观察到麦克斯韦-瓦格纳（界面或β）极化（麦克斯韦1892；瓦格纳1914）。界面极化受到多种岩石物理性质的影响，如盐浓度和类型、孔隙度、含水饱和度、电弯曲度、润湿性和颗粒性质（Stroud等，1986；Toumelin和Torres-Verdín，2007；Revil和Skold，2011；Revil等，2012；Venkataramanan等，2014；Seleznev等，2018；Zhang等，2021；PosenatoGarcia等，2022；Azizoglu和Heidari，2023）。界面极化与岩石样品的岩石物理性质的相互作用使多频介电常数的解释变得复杂。岩石样品中色散行为的完整描述尚不可用，对于介电常数数据的可靠评估至关重要。因此，准确描述上述岩石物理性质如何影响介电常数至关重要。

界面极化是颗粒-颗粒界面上电荷积累的结果。因此，自由电解质中可移动离子的数量（即盐浓度）是控制岩石样品介电色散的关键特性。盐浓度对介电常数的影响在之前的出版物中有所记录（Kenyon1984；Chen和Heidari2018；Revil等2018；Chen等2022；Azizoglu和Heidari2024a）。然而，正如人们所料，自由离子的类型也会影响介电常数。Revil和Skold（2011）记录了盐浓度和类型对激发极化频率范围（即低于100KHz）内岩石介电常数的影响。盐浓度和类型在高频（20MHz以上）介电常数上的组合扩散仍有待记录。

另一种导致盐水饱和岩石介电常数的机制，即所谓的取向极化，源于水分子的极性。因为水分子具有固有的偶极矩，所以它们在外部电场的存在下会排列。因此，与其他岩