微波介电性能的水饱和碳酸盐岩

文摘

四十水饱和石灰石样品的电磁特性测量9.54 GHz和报道。测量水饱和岩石的平均相对介电常数约为(11.12,0.0985)。除了介电测量、体积密度(ρT)和孔隙度(ΦT)测定40石灰石样品。样品的孔隙度变化在2%和15%之间。介质的数据(ε′和ε”)有紧密的关联与ÐT和ρT¤。测量介质的数据都装有Bottcher, Looyenga,麦克斯韦,布莱格曼公式和TP混合模型。有一个很好的观测数据和数据之间的相关性的计算模型。潜在的石灰岩上使用微波断层扫描检查是基于得到的属性。

关键字

石灰岩;孔隙度;体积密度;电磁特性

介绍

岩石是多相系统由晶体和无定形的固体、液体和气体。这使调查到的物理性质,而一块石头的主要成分是强大的矿物质:属性,例如,介质孔隙率和电导率是解决主要由水物质,表面和孔隙度。不同浓度的毛孔含有盐的解决方案和可能的天然气和石油。介电响应的岩石孔隙饱和盐水和油是石油勘探的极大的兴趣(1]。应用物理的极大的兴趣来决定是否可以区分水和石油饱和岩石的基础上ε′值。最近的研究在各种材料,如方解石、白云石、石灰石给出引用(2- - - - - -13]。很少有相关的出版数据介电常数直接为碳酸盐岩孔隙度(Φ)(2,14]。测量密度和ε′在岩石和相应的粉末进行了许多研究人员(15- - - - - -17]。相当大的一部分组成的沉积岩的体积是空置的空间之间的联系的不规则颗粒边界即孔隙空间。雷竞技网页版当这样的完全由导电流体饱和岩石,如盐水,其电导率与孔隙度(Φ)经验,σ/σ_o=Φ-m,σ是测量岩石导电性,σo饱和液体的导电率(18]。a和m是经验常数随岩层的岩性。经常被认为是团结和m发现变化很大在碳酸盐(6]。福克和穆恩测量值从1.5到5.4从中东碳酸盐储层(19]。然而,沉积岩的孔隙结构是非常复杂的,虽然很多奇定律的理论模型20.)和相应的孔隙度渗透率的依赖已经提出(21]。几项研究已经报道的文献在岩石的介电性能,但他们中的大多数报道实验测量了在MHz或更低的频率。背后的动机本研究是探讨沉积的石灰岩介电性能和电气性能测试对孔隙度、盐度质量厚度、水浸、微波复发。本文还提供了相关的统计分析ε′和ε”岩石样本的密度、孔隙度和饱和流体的盐度(氯化钠)。

实验方法

40天然石灰石样品研究了来自泰米尔纳德邦,印度在这工作。三个不同的样本thickn横截面积相同的企业已经从相同的批处理。的值ε′和ε”在9.54 GHz测定使用x波段微波试验台操作速调管振荡器和配有矩形波导。不同组件的x波段微波板凳从M / S采购Vidyut具Udyog,莫迪nagar,印度。矩形波导的短路波导方法在TE10运营模式在室温下使用。所有样本形状的矩形波导尺寸(2.2厘米×1厘米)。为准确测量介电常数的宽度最小值法(两次22]。样品在110°C在马弗炉中加热一段12小时,然后在水中浸泡24小时。样本被删除,被抹去了多余的水及其介电性能测定。

样品孔隙度测量

石灰石样品的孔隙度是决定使用ASTM标准中描述的程序甜(20)。三个样本准备从每个最初的一块岩石。每个样品称重,然后放置在去离子的沸水一段五个小时。沸腾的过程促进了位移被困的空气和饱和。沸腾后,样品在室温下冷却同时浸没。样本的重量而悬浮在水中,然后删除,体重在空气中。最后,样本烤箱干90°C的温度大约12个小时,和180°C另外四小时,然后重。密度和孔隙度计算使用上面描述的测量。样品密度(ρ_T)是由关系,

(1)

D是烤箱干体重,W是饱和在空气和年代样品的重量是样本的重量而淹没的。显气孔率(Φ_T)确定使用表达式

(2)

和获得的结果40石灰石样品报告表1。

测量准确度和精密度

两倍宽度最小值方法的测量精度是评价通过对比介电常数测量的方法与标准材料的介电常数。参考资料是均匀的,厚的固体材料,如熔融石英和玻璃的介电常数精确已知。石英和玻璃的介电常数测量分别为3.845和6.21。协议数据与文献值相当好。基于这样的比较,发现波导测量精度优于±0.04的测量值。

结果与讨论

代表样品的化学分析报告和测量值的密度(ρ_T)、孔隙度(¤_T)、介电常数(ε′和ε”),弛豫时间(τ)和衰减常数(α)水饱和样本中给出表1和2。每个数据点代表的平均四个测量对应四个方向波导内的样品。测量之间的变化为一个给定的岩石样品样本的空间不均匀性的一项指标。这种差异可能是由于密度变化或化学成分和晶体结构的变化在矿物成分。为了验证是否分布在吸收水的总量标本,我们应用相同的水化过程三个石灰石标本,有横截面积相同,但是不同的厚度,例如3.98,5.68和7.15毫米。发现水吸收的测量是相对于体积的例子,这表明水粒子是通过材料的主要部分拨款。

依赖介质介电常数的含水饱和度

测量介电常数增加了约1.44倍的环境条件(如收到状态,ARS)。损失超过一倍的样品从周围饱和条件。图1解释测量Φ的重要方法_T和ρ_T。Φ值_T策划对ρ_T应该产生一个线性趋势与y轴截距(T) 1和轴截距(ρ吗_T)的ρ_年代,真正的固体的密度与孔隙度。不同的碳酸盐岩套件将有不同的轴拦截,因为他们有本质不同的成分,因此密度。数据形成一个明确的趋势,但是,因为大多数样品孔隙度较低,它不精确推断一个y轴截距(Φ_T)(1)(对应于100%空气当岩石没有质量)。潮湿的岩石是一个函数的介电常数的介电常数的岩石颗粒和孔隙度。介电常数与孔隙度的比较表明,介质孔隙度的不断增加而减少(图2一个)。这是可以预料到的,因为较低的孔隙度、国米粒子阻碍偶极运动增加引起的高值ε′和ε”[4]。水的介电常数和空气≈≈80 1。毛孔的水是一个化学解决方案涉及导电矿物颗粒。因为这些离子导致明显的介电常数在外加电场,孔溶液的介电常数是略高于≈80。干固体岩石的介电常数也小于水。因此明显的介电常数的岩石强烈依赖于含水饱和度。这种趋势所示的实验结果中观察到图2一个。所有的套件的数据形成一个光滑的和明确的模式ε′-Φ_T空间增加介电常数与减少孔隙度。然而进一步的讨论只集中在ALA-RC上数据。各种作者提出了各种混合公式brine-saturated岩石和其他复合媒体。最受欢迎的五种混合公式(23)在目前的研究中使用了这项研究。水被认为是进行球形粒子均匀分散在一个石灰岩矩阵。所得到的参数显示趋势应该接近所表现出的实际测量。水的介电常数的测定中使用的有效介电常数是(76.92,6.64)的温度25°C。介电常数的实部和虚部与测量值很好。从图2 b,Looyenga公式有不同的趋势,然而,所有的其他四个模型有相同的趋势。在目前的调查,明显的协议之间的这些方法得到的理论值和实验观测值,它可能是预测粒子的岩石有很大的凝聚力,可以看作是一个连续的介质。这些模型符合很好,一块残差的数据显示一个线性与孔隙度的关系。

微波电导率和形成因素

电导率测量的主要兴趣是确定孔隙度的形成因素F作为一个函数来测试Archie定律和结果进行了总结图3。孔隙度(Φ_T范围从0.0186到0.1574。Po-Zen [24]建立了高孔隙岩石对应于m = 1.5和低孔隙度对应于m = 2。即m低孔隙度高。在目前的研究中,m的值计算是1.78,这是与Po-Zen协议(24)的结果图4。有许多试图理解这种行为,两个简单的模型,如收缩管模型和一粒整合模型已被证明是最能说明问题。阿奇定律来自这样一个事实:孔隙度和电导率是影响不同部分的孔隙大小分布倾斜。指数m的一个较大的值意味着有毛孔,贡献小的传导。有两种可能的方法来描述低孔隙度数据。首先,它可以近似的实线图5这对应于一个即≈≈1米2。,both a and m are constants over a large porosity. The low porosity data points correspond to m ≈ 2.26. Since the pore-space distribution changes continuously with Φ_T,它可能是更合理的认为m也与Φ不断变化_T,而不是恒定在一个广泛的ΦT [24]。

弛豫时间依赖湿岩石的孔隙度和密度

弛豫时间的值取决于τ=ε”的关系/ωε′也报道表1对所有样品进行调查。放松与含水饱和度的降低是由于增加阻碍极化的过程。放松在完全饱和岩石在高频率可能是由于Maxwell-Wagner夹层极化,也就是说,通过电荷积累在相分离边界(5]。离子携带这些指控孔隙中包含解决方案。图6显示减少弛豫时间与孔隙度和回归方程。

(3)

弛豫时间的减少和增加孔隙度可以引起的饱和溶液的量的增加单位体积的样本,从而增加电荷载体的数量。这加速电荷积累的过程,在孔隙边界。因此,介电常数的值由于Maxwell-Wagner效果增加。

渗透深度

的深度渗透材料是由传播常数反过来取决于电磁能量的频率和构成材料的参数。传播常数(γ)介电材料给出的表达式图7。

(4)

辐射频率ω,ε′和ε”分别是实部和虚部,材料的复介电常数,α和β衰减和相位常数。加号用于传播积极的方向发展。的衰减常数的表达式的复介电常数是发现通过扩大根号,真正的结果表达式的一部分。因此由衰减常数,

(5)

的波传播材料,振幅将减少因素(e^-αz),Z是波传播的距离到材料。(1 /α)的距离,将衰减波e的一个因素¹或0.368。衰减常数,因此提供了一个测量的实际深度渗透到材料。样品中吸附水的存在显著增加了介质损耗组件。上述方程表明,衰减由虚构的术语,因此,增加相应的ε”将导致增加衰减常数。例如,在9.54 GHz,对饱和样本测量复介电常数ε* =(8.54,0.26447)(示例代码:ALA-1)。这些值导致衰减常数计算值为0.2693 dB /厘米。因此,在这种情况下,作为损失项是增加了4.8倍,有相应的衰减常数增加4.76倍。穿透深度同样降低了从6.07到1.274厘米,4.76倍。

饱和溶液盐度的影响

介电常数与盐度的变化是由样品的孔隙度和电磁场的频率。当岩石孔隙度低和电场的频率高,介质介电常数是弱依赖于盐度(5]。图8说明了介电常数测量的关系在9.54 GHz的碳酸盐岩孔隙度C = 300 g / L和C = 150 g / L。与孔隙度的增加介电常数ε′和样品C = 150 g / L突然比C = 300 g / L,可以通过下面的线性方程来描述,

(6)

与C = 300 g / L的样本回归方程的形式,

(7)

图8表明,ε与盐度的增加线性增加。它对应于氯化钠溶液的电导率与浓度的变化。更高浓度的解决方案,依赖ε的浓度是削弱,斜率的变化曲线如图所示。在高疏,ε的增加更明显(图9)。与盐度的增加对于一个给定的孔隙度和孔隙度的增加对于给定的盐度,数量的增加单位体积,导致增加介电常数ε’。图10给出了非线性降低τ与各种孔隙度的石灰石样品浓度的解决方案。减少τ饱和溶液的盐度的增加可以归因于增加变化的速度积累在孔隙边界由于导电性更好的解决方案。样品具有高孔隙度通常有小τ值,大幅下降更多。结果发现,(1,7弛豫过程的参数在高频率取决于样品孔隙度和饱和溶液的盐度和少取决于岩性类型。所示图10各种石灰石样品和11,弛豫时间随时间减少hyperbolically。所有石灰石样品的相关C = 300 g / L可以回归方程所描述的

(8)

样品与C = 150 g / L,τ= F(Φ_T)高,可以回归方程所描述的

(9)

结论

研究结果表明,介电常数的异质性影响显著。从干到高度水化样品,吸收水分子导致增强的复介电常数ε*,岩石的导电机制后的矩阵。混合理论是用来预测介电常数的变化的函数体积百分比吸收水。预测的介电常数(ε′和ε”)值非常接近实际测量值。的深度渗透到被水浸透的样本进行了计算。

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