页岩的电各向异性复合介电模型及宽带频散特性研究

Electrical characteristics of shale have significant influence to the petroleum exploration and logging interpretation. Description on the anisotropic electrical model of shale affects the evaluation accuracy of oil-gas reservoir directly. Currently there is still much room for investigating the anisotropic dielectric performance and dispersion behaviors of shale. An analytical anisotropic dielectric mixing model for shale is proposed based on analytical derivation. Both numerical simulation and experimental measurement are carried out to verify and correct the analytical model. In the meanwhile, an Ultra-wideband Electromagnetic pulsing method is applied to investigate the dielectric dispersion behaviors of certain shale samples, thus to revise the proposed anisotropic dielectric model of shale in a wideband spectrum. This project will thoroughly study the anisotropic dielectric behaviors of shale and observe the dynamic performance along with the physical parameters variation of shale samples. An anisotropic dielectric mixing model for shale will be established by analytical derivation and revised by experimental measurement in wideband dielectric spectrum, which is greatly meaningful to the evaluation of shale electrical characteristics and also has preliminary contributions for wideband dielectric measurement and logging inversion of shale.

页岩电特性研究是页岩储层评价及测井解释的重要基础。页岩各向异性电参数模型的描述准确性将直接影响其油气储层评价精度。然而目前对于页岩的各向异性复合介电模型及频散特性问题的研究仍缺乏完善的理论及模型。本课题拟采用理论、仿真和实验相结合的研究方法，推导建立一种适用于页岩的各向异性介电复合模型，并通过数值模拟和实验室测量的方法来修正模型；同时，拟利用超宽带电磁脉冲方法探讨宽带介电频谱内特定页岩样本电参数的频散特性规律，进一步完善频散条件下页岩的各向异性复合介电模型，并初步探索特定页岩样本电参数与物理参数之间的联系，为进一步实现宽带内页岩物理参数反演提供依据。本课题对于深入了解页岩的各电向异性及介电频散特性具有重要的科学理论意义，同时为页岩宽带介电测量及数据反演提供初步依据，具有重要的工程应用价值。

页岩电特性研究是页岩储层评价及测井解释的重要基础。页岩各向异性电参数模型的描述准确性将直接影响其油气储层评价精度。本课题采用理论、仿真和实验相结合的研究方法，完成了对页岩等具有层状各向异性混合介质的电学特性理论研究及分析工作，并对其各向异性复合电参数模型开展数值仿真与实验验证；完成了对层状各向异性介质的宽带介电频谱研究及分析，讨论了各向异性模型电参数的频散特性，并进一步结合实验测量方法验证了各向异性介电模型在宽带频谱内的适用性及有效性。具体研究进展包括：1）对不同分层方向情况下电各向异性模型及频散模型的理论推导，及其与较为经典的层状有效介质解析模型CRIM及频散经验模型Debye的对比，通过理论计算与数值仿真工作分析了层状模型的结构、几何特性、电学特性、以及测量频率等参数对宏观有效电特性计算的影响；2）对有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）等数值算法开展研究工作，并设计实现了一种加速有限差分算法，用于计算具有精细分层结构及不规则内含物结构的电各向异性模型的有效电特性及频散特性；3）设计实现了一种对各向异性样本进行实验室宽带电特性测量的自动化电特性测量系统，对几种采过3D打印方式加工的人造各向异性样本及页岩等天然岩石样本进行宽带测量，并与理论计算及仿真计算的数据进行对比验证及分析，观察不同样本结构及电参数对其宏观电特性的影响。这些研究工作成果基本达到了项目的预期研究目标，然而页岩种类繁多，不同岩石学结构、成份、含油气程度甚至不同尺度的观察分析方法都会对页岩各向异性模型的定量分析带来复杂性及不确定性，建立页岩各向异性电学特性精确模型及物理参数反演等目标，将是一项需要长期积累与完善的工作，任重而道远。本课题成果对于深入了解页岩的各电向异性及介电频散特性具有重要的科学理论意义，同时为页岩宽带介电测量及数据反演提供参考，可为非常规油气勘探、介电测井等工程应用领域提供理论依据。