孔隙尺度上储层岩石电震效应的耦合机制研究

在勘探地球物理领域中，油气储层中电渗效应的频散特性和电震效应的微观机制问题是关注的难点和热点课题。本项目利用孔隙介质的毛管模型和双电层电位理论，在频率域建立油水饱和储层中导电、渗流、离子扩散三种物理化学过程的相互耦合理论，从理论上定量研究储层岩石中周期性电渗流动的频散特性。然后基于储层中渗流场、电流场和离子流场相互耦合理论，结合Biot理论和麦克斯韦电磁理论，构建描述电震效应的数学模型和数值模拟方法，定量分析电震耦合波的传播特性和能量转换规律。同时建立能够描述储层岩石油水分布与相对渗流特性的毛管模型，在孔隙尺度上阐明油水饱和储层中电渗效应的频散特性和电震效应的微观机制。进而研究储层中直流电场与弹性波场的相互作用关系，揭示直流电场增强地震波响应信号的微观机制。研究结果对推动电震勘探及相关技术的发展、提高电震勘探和震电勘探以及声电测井响应的定量解释水平具有重要的科学意义和应用价值。

油气储层中电震效应的数学模拟问题是油气地球物理领域研究的难点。本项目取得了4项主要成果：⑴传统的Pride震电理论提供的动电耦合公式为半经验公式，缺少统一的理论体系。项目组利用微观毛管模型建立了完全水饱和储层中谐变渗流场与电流场的动电耦合理论，揭示了完全水饱和孔隙介质中周期性电渗流动的频散特性，系统地完善了定量模拟储层岩石电震效应的理论体系。⑵储层岩石电震效应是指当谐变电流注入地下全空间时，地下每一点的电流均激发弹性子波，在接收点探测的电震弹性波是各弹性子波的叠加，即地下全空间每一点都是电震源。现有的电震耦合理论缺乏针对全空间谐变电流场激发弹性波场（电震效应）的理论分析及数学模拟方法，成为制约电震勘探技术发展的瓶颈。项目组基于Pride电震耦合理论，采用傅里叶变换方法，构建了孔隙介质中全空间谐变电流场激发弹性波场的波动方程，定量分析了孔隙介质储渗参数以及谐变频率等因素对电震波场响应特性的影响。成功解决了储层岩石中电震效应数学模拟方法的关键技术。⑶长期以来储层岩石复电阻率的微观机理及数学描述方法是一直没能解决的难题。本项目取得的重要进展之一是基于电震耦合理论破解了长期困扰测井领域的储层岩石复电阻率频散特性的微观机理之谜，基于电震耦合理论构造了双电极法测量岩石复电阻率的物理模型和数学模型，从理论上阐明了储层岩石复电阻率的频散现象是由孔隙介质中的电震耦合作用产生的。⑷油水饱和储层中孔隙度、渗透率、油水饱和度等因素对震电效应影响的定量描述问题还没有取得实质性突破。本项目取得的重要进展之二是构建了油水饱和储层中谐变渗流场与电流场相互耦合理论，系统地完善了定量描述油水饱和储层中电震效应的数学模拟方法与理论体系。项目组基本完成了计划书的研究任务，正式发表和录用论文9篇，其中SCI刊源4篇，核心期刊4篇，一般期刊1篇。参加国际会议2次。培养硕士研究生6名。研究结果突破了电震勘探基础理论发展的瓶颈、对提高电震勘探和复电阻率测井的定量解释水平具有重要的科学意义和应用价值。本项目尝试从直流电场改变储层孔隙度入手，结合Pride震电理论，阐明了直流电场和震电效应的相互作用关系，从理论上定性解释了直流电场对震电效应影响的微观机制，但是定量研究方法与定量模拟结果还不完善，需要继续深化研究。另外天然气藏储层中电震耦合的数学模拟方法问题还没有得到解决，将继续进行探索与研究。