岩样交变动电耦合系数实验测量与动电耦合机理研究

由于渗透性和存在于流-固界面的双电层，孔隙介质中的弹性波与时变电磁场相互耦合。获得表征二者耦合强弱的物性参数- - 动电耦合系数，对于从动电效应角度研究天然地震同震电磁现象、对于研究利用动电效应探测井外地层渗透率的可行性，都至关重要。本项目旨在测量岩样动电耦合系数并探索动电耦合的岩石物理机制。内容包括：研制能测量岩样交变流动电势和电渗压强的夹持器和信号采集系统；基于动电实验测量数据和动电理论模型计算出动电耦合系数、动电渗透率、表面电导和动电电位；实验研究这些岩石物理参数随频率、离子浓度、温度、阳离子交换量的的变化规律；探求能更好地解释实验数据的孔隙离子分布模型和导电模型。这一研究不仅可获得计算地震诱导电磁场和动电效应测井波场所需要的动电耦合系数，可从岩心实验和波场分析角度阐明利用动电效应探测井外渗透率的适用条件，而且有助于认识岩石孔隙离子分布特性和导电特性，促进对自然电位、激发激化机理的研究。

岩石动电效应是渗透性孔隙岩石特有的、与孔隙流体含有净剩电荷有关的力学-电磁学耦合效应。当地震波或声波在岩石中传播时，孔隙流体与固相骨架发生相对运动，引起弹性波与电磁场相互耦合。这是波动条件下的动电效应。前人观测到了地震的同震电磁场，认为引起电磁场的可能机制之一是动电效应；提出了基于动电效应的动电测井设想，希望更准确地测量地层渗透率；但对于体现弹性波和电磁场相互转换强度的动电耦合系数，至今实验测量成果不多。本项目以动电测井的研究、地震同震电磁现象的解释为背景，开展了岩样动电耦合系数的实验测量和耦合机理研究。. 本项目的岩样动电实验包括两种实验测量过程：一是在岩样一端施加交变压差，测量岩样两端的交变压强，同时测量流动电势或流动电流，获得流动电势系数、流动电流系数；二是在样品两端的网状电极之间施加电流，测量作用于两端的电压，同时测量引起的样品两端液体压强差，计算获得电渗压力系数。通过改进夹持器，改进流动电势测量中的交变压强施加方式，提高电渗测量中的压强测量精度，编程实现信号的自动采集与处理，实现了微弱流动电势信号和电渗压强信号的测量。. 针对一系列岩石样品，在单相液体饱和条件下进行了上述两种实验，获得了样品的动电耦合系数，实验考察了耦合系数与孔隙度、渗透率、溶液浓度等参数的关系，并考察了测量结果随测量环境的变化情况。利用动电实验，获得了岩石的渗透率，为利用动电效应在井下测量地层渗透率奠定了实验基础。. 理论计算了单极源动电测井响应的全波，分析了电场波形与声波波形的关联。当单级声源激发时，在模型井中实验记录到了伴随声场纵波、横波、斯通利波的电场信号，与理论预期结果相符。理论计算还表明，当偶极声源发射声波时，地层中将产生伴随纵波和弯曲波的电磁场。分析了单极动电测井响应电信号与声信号的幅度比，发现其对孔隙度、弯曲度敏感，提出了反演孔弯比的方法。. 由于动电耦合只在孔隙地层中产生，在研究随钻声波测井过程中钻铤波传播特点的基础上，理论模拟了动电转化电场信号中的钻铤模式波，指出利用动电效应可有效地降低钻铤模式波的相对幅度，从而突出地层纵波信号。. 开展了天然地震同震电磁场的理论波场模拟工作，计算比较由于动电效应和岩石动感应效应产生同震电磁场的相对大小。这为认识同震电磁场奠定了理论基础。