低渗透性岩心频谱激发极化测量技术的改进方法及其在岩石物理表征中的应用

《Geophysical Journal International》：Methodologies for Improving Spectral Induced Polarization Measurements in Low Permeability Rock Cores

本刊推荐：针对低渗透性岩石因孔隙致密难以饱和、以及不规则形状岩心测量困难的问题，研究人员开展了改进频谱激发极化(SIP)测量的方法学研究。通过高压饱和流程和聚氨酯橡胶铸模技术，实现了对泥岩样品的充分饱和并保留了其本征电学响应。研究证实完全饱和的样品呈现出显著的电性孔隙度(1/F)与连通孔隙度(φ)之间的Archie定律关系，而部分饱和则会引入显著偏差。该研究为低渗透性岩石的电学特性精确表征提供了关键技术支撑。

　　

在地球科学和能源勘探领域，准确理解地下岩石的物理特性至关重要。频谱激发极化(Spectral Induced Polarization, SIP)作为一种重要的地球物理测量技术，能够有效揭示岩石的孔隙结构、水力特性和矿物组成等信息。然而，当面对低渗透性岩石时，获取可靠的SIP测量数据却面临两大技术瓶颈：首先，这类岩石的孔隙空间极其致密，传统的饱和方法往往难以实现完全饱和；其次，许多野外采集的岩心样本形状不规则或存在破裂，无法适配标准测量夹具。这些因素严重制约了对低渗透性储层（如页岩、泥岩）的精确表征。

为了攻克这些难题，Rutgers大学和太平洋西北国家实验室的Klaudio Peshtani与Lee Slater在《Geophysical Journal International》上发表了他们的最新研究。他们开发了一套综合性的方法学，旨在提升低渗透性岩心SIP测量的可靠性与准确性。该研究不仅验证了高压饱和流程的有效性，还创新性地提出了针对不规则形状样本的铸模技术，为确保实验室测量结果真实反映原位性质提供了解决方案。

研究人员主要采用了三项关键技术方法：首先，利用来自Newark盆地的23个三叠纪Lockatong组泥岩样本进行研究；其次，设计了一套高压饱和流程（使用定制饱和腔室，真空至10 kPa后注入脱氧NaCl溶液，并在2×103 kPa压力下维持5天）；第三，对于不规则样本，采用定制3D打印模具和60 Shore A硬度的双组分聚氨酯橡胶进行铸模固定，确保电学测量的可行性。

4.1. 饱和与实验装置验证

通过对比重量法测量的孔隙度(φ)与压汞法(MICP)获得的孔隙度(φ_MICP)，研究发现两者高度吻合（平均绝对偏差d=0.11），证实了高压饱和流程能够有效实现样品的近完全饱和。

4.2. 铸模与未铸模岩心的频谱比较

对比未铸模规则岩心与铸模处理后的岩心，其相位谱(φ)和电导率幅值(|σ|)在整个测量频率范围（10^-2至103 Hz）内表现出高度一致性。这表明铸模过程没有显著改变样品的本征电学响应，该技术可用于不规则形状样本的可靠测量。

4.3. 有效孔隙度与孔隙度的关系

完全饱和的泥岩样本显示出电性孔隙度(F^-1)与总孔隙度(φ)之间符合Archie定律的强幂律关系（胶结指数m=1.97，d=0.11）。而部分饱和的样本则表现出更大的数据离散度和系统性偏差，凸显了充分饱和对于保持岩石物理关系稳健性的重要性。

4.4. 弛豫时间与渗透率的关系

对于完全饱和的样本，渗透率(k)与τ_meanF^-1之间存在明显的线性关系（k=11471τ_meanF^-1, d=0.34），根据理论公式推算出的Stern层反离子扩散系数D₊为6.7×10^-13m2s^-1，与细粒岩石中较低的扩散系数预期一致。部分饱和样本的该关系则显著弱化且更为离散（d=0.41），表明不完整的孔隙饱和会引入更大的不确定性。

研究结论强调，所开发的方法成功解决了低渗透性岩石电学测量中的两大核心挑战。饱和流程的有效性通过孔隙度测量对比得到验证，铸模技术则被证明能保持样品的本征电学特性。不完全饱和会显著破坏如Archie定律和基于弛豫时间的渗透率估算等关键岩石物理关系，导致模型校准和机理研究出现偏差。因此，在实验室SIP研究中，严格验证饱和状态并妥善处理样本几何形状应成为标准实践。未来工作可结合核磁共振(NMR)、X射线断层扫描(XRT)等孔隙尺度工具，进一步量化岩石结构控制因素并将其与饱和效应分离。该研究为低渗透性地质材料的可靠电学表征奠定了方法学基础，对能源勘探、地下水研究和地质封存等领域具有重要应用价值。