岩樣交變動電耦合係數實驗測量與動電耦合機理研究

《岩樣交變動電耦合係數實驗測量與動電耦合機理研究》是依託哈爾濱工業大學，由胡恆山擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：岩樣交變動電耦合係數實驗測量與動電耦合機理研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡恆山

項目摘要

由於滲透性和存在於流-固界面的雙電層，孔隙介質中的彈性波與時變電磁場相互耦合。獲得表征二者耦合強弱的物性參數- - 動電耦合係數，對於從動電效應角度研究天然地震同震電磁現象、對於研究利用動電效應探測井外地層滲透率的可行性，都至關重要。本項目旨在測量岩樣動電耦合係數並探索動電耦合的岩石物理機制。內容包括：研製能測量岩樣交變流動電勢和電滲壓強的夾持器和信號採集系統；基於動電實驗測量數據和動電理論模型計算出動電耦合係數、動電滲透率、表面電導和動電電位；實驗研究這些岩石物理參數隨頻率、離子濃度、溫度、陽離子交換量的的變化規律；探求能更好地解釋實驗數據的孔隙離子分布模型和導電模型。這一研究不僅可獲得計算地震誘導電磁場和動電效應測井波場所需要的動電耦合係數，可從岩心實驗和波場分析角度闡明利用動電效應探測井外滲透率的適用條件，而且有助於認識岩石孔隙離子分布特性和導電特性，促進對自然電位、激發激化機理的研究。

結題摘要

岩石動電效應是滲透性孔隙岩石特有的、與孔隙流體含有淨剩電荷有關的力學-電磁學耦合效應。當地震波或聲波在岩石中傳播時，孔隙流體與固相骨架發生相對運動，引起彈性波與電磁場相互耦合。這是波動條件下的動電效應。前人觀測到了地震的同震電磁場，認為引起電磁場的可能機制之一是動電效應；提出了基於動電效應的動電測井構想，希望更準確地測量地層滲透率；但對於體現彈性波和電磁場相互轉換強度的動電耦合係數，至今實驗測量成果不多。本項目以動電測井的研究、地震同震電磁現象的解釋為背景，開展了岩樣動電耦合係數的實驗測量和耦合機理研究。本項目的岩樣動電實驗包括兩種實驗測量過程：一是在岩樣一端施加交變壓差，測量岩樣兩端的交變壓強，同時測量流動電勢或流動電流，獲得流動電勢係數、流動電流係數；二是在樣品兩端的網狀電極之間施加電流，測量作用於兩端的電壓，同時測量引起的樣品兩端液體壓強差，計算獲得電滲壓力係數。通過改進夾持器，改進流動電勢測量中的交變壓強施加方式，提高電滲測量中的壓強測量精度，編程實現信號的自動採集與處理，實現了微弱流動電勢信號和電滲壓強信號的測量。針對一系列岩石樣品，在單相液體飽和條件下進行了上述兩種實驗，獲得了樣品的動電耦合係數，實驗考察了耦合係數與孔隙度、滲透率、溶液濃度等參數的關係，並考察了測量結果隨測量環境的變化情況。利用動電實驗，獲得了岩石的滲透率，為利用動電效應在井下測量地層滲透率奠定了實驗基礎。理論計算了單極源動電測井回響的全波，分析了電場波形與聲波波形的關聯。當單級聲源激發時，在模型井中實驗記錄到了伴隨聲場縱波、橫波、斯通利波的電場信號，與理論預期結果相符。理論計算還表明，當偶極聲源發射聲波時，地層中將產生伴隨縱波和彎曲波的電磁場。分析了單極動電測井回響電信號與聲信號的幅度比，發現其對孔隙度、彎曲度敏感，提出了反演孔彎比的方法。由於動電耦合只在孔隙地層中產生，在研究隨鑽聲波測井過程中鑽鋌波傳播特點的基礎上，理論模擬了動電轉化電場信號中的鑽鋌模式波，指出利用動電效應可有效地降低鑽鋌模式波的相對幅度，從而突出地層縱波信號。開展了天然地震同震電磁場的理論波場模擬工作，計算比較由於動電效應和岩石動感應效應產生同震電磁場的相對大小。這為認識同震電磁場奠定了理論基礎。