CN115015086B - 基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，其步骤为：基于激发极化测井方法，利用地面设备向井中电流电极通入交流电，通过改变交流电的频率得到复电导率谱；基于复电导率谱计算水合物饱和度；利用阿尔奇第一定律计算地层因子或者复电导率实部、复电导率虚部以及孔隙水导电率计算地层因子；基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子、或极化幅度结合水合物饱和度和地层因子、或阳离子交换容量结合水合物饱和度、或孔径大小与分形维数结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率。本发明测量范围大，所需成本低，能够准确获取含水合物沉积物渗透率的量值，准确率高，能够有效反映含水合物沉积物的微观孔隙结构。
Description
技术领域
本发明属于油气勘探开发技术领域，涉及天然气水合物勘探开发技术，具体地，涉及一种基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法。
背景技术
天然气水合物是天然气和水在适当的温度和压力下形成的一种类似冰的晶体材料，天然气水合物广泛存在于海洋沉积物和陆地永久冻土地区，被认为是一种有潜力的低碳排放清洁能源。水合物储层与常规油气储层的一个明显区别在于，含水合物沉积物中的水合物以固体态存在，并会在水合物的生成或分解过程中发生相态变化。固相水合物的存在减小了孔隙中流体的有效渗流空间，因此天然气水合物开采是一个多组分多相流的动态过程，伴随着水合物的分解，气相、液相的增多和渗流，这个过程会引起地层有效应力和强度的改变。中国海洋天然气水合物主要存在于泥质粉砂沉积物中，水合物分解(开采过程中)含水合物沉积物的渗透率呈现复杂的动态变化趋势。一方面，在实验室内对这种松软、低渗的泥质粉砂沉积物的渗透率测试比较困难，难以实现准确测量。另一方面，野外测井评价也缺乏相应的数据解释方法。
测井解释过程中求取渗透率的方法通常是利用测井技术根据电性资料解释出孔隙度或水合物饱和度，再根据孔隙度或水合物饱和度与渗透率的物理模型求出渗透率。目前对于含水合物沉积物地层孔隙度的测井方法主要是通过密度测井、中子测井以及核磁共振测井来计算孔隙度，对于水合物饱和度的评价则主要采用核磁共振测井，电阻率测井以及声波测井来计算。虽然通过核磁共振测井可以评价天然气水合物储层孔隙度以及水合物饱和度，进而可确定天然气水合物存在与否和储量大小，但核磁共振测井的探测深度浅，测井成本高，且信噪比低。
目前计算水合物沉积物渗透率的物理模型大多基于经验公式，虽然能够较好的表述孔隙度以及水合物饱和度与渗透率的关系，但由于对沉积物多孔介质的孔隙结构做了过多的简化处理，不能反映孔隙结构粗糙曲折、剧烈多变的特点，难以考察复杂的微观孔隙结构对其内部导电和流体流动性的影响。
综上所述，目前评价地层含水合物沉积物渗透率的方法主要有以下不足：一是测量耗时时间长、所需成本较高。二是大多方法测量范围较小，不能有效体现含水合物沉积物微观孔隙结构，无法准确获取含水合物沉积物渗透率的量值，测量精度低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提供了一种基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，该方法测量范围大，所需成本低，能够准确获取地层含水合物沉积物渗透率的量值，测量精度高。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，其步骤为：
复电导率谱获取步骤：基于激发极化测井方法，利用地面设备向井中电流电极通入交流电，通过改变交流电的频率得到复电导率谱；
水合物饱和度计算步骤：根据利用复电导率谱计算得到的复电导率实部、复电导率虚部以及等效相对介电常数计算水合物饱和度Sh；
地层因子计算步骤：当地层含水合物沉积物中只有水、水合物和石英砂颗粒三种介质时，利用阿尔奇第一定律计算地层因子；当地层含水合物沉积物中不仅有水、水合物和石英砂颗粒三种介质，同时存在黏土矿物颗粒时，利用复电导率实部、复电导率虚部以及孔隙水电导率计算地层因子；
计算渗透率步骤：当地层含水合物沉积物中仅含有水、水合物和石英砂颗粒时，基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子或极化幅度结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率；当地层含水合物沉积物中含有水、水合物、石英砂颗粒以及黏土矿物颗粒时，基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子或极化幅度结合水合物饱和度和地层因子或阳离子交换容量结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率；当地层含水合物沉积物中多孔介质具有分形特征，孔径大小满足分形标度关系时，基于孔径大小与分形维数结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率。
优选的，复电导率谱获取步骤中，基于激发极化测井方法得到复电导率谱，其具体步骤为：在野外现场将地面设备与井中电流电极和电势电极相连接，向井中电流电极通入交流电，使井中产生电场，并不断改变交流电的频率，频率范围为1mHz-10kHz，从而获取不同频率下的复电导率，进而获得地层中含水合物沉积物的复电导率谱。
优选的，水合物饱和度计算步骤中，复电导率为复电导率随频率ω变化的函数，表示为：
σ*(ω)＝σ'(ω)+iσ”(ω) (1)
式中，σ*为复电导率，σ'为复电导率实部，σ”为复电导率虚部；
根据复电导率实部σ'计算水合物饱和度Sh：
在1mHz-10Hz频率范围的低频段，通过公式σ'＝3.59(1-Sh)1.30计算水合物饱和度Sh；
在500Hz-100kHz频率范围的高频段，通过公式σ'＝4.06(1-Sh)1.34计算水合物饱和度Sh；
根据复电导率虚部σ”计算水合物饱和度Sh：
频率ω为1mHz时，通过公式σ”＝1.88*10-5(1-Sh)2.94计算水合物饱和度Sh；
频率ω为0.1Hz时，通过公式σ”＝1.88*10-3(1-Sh)2.94计算水合物饱和度Sh；
频率ω为100Hz时，通过公式σ”＝1.09*10-1(1-Sh)-0.42计算水合物饱和度Sh；
频率ω为1kHz时，通过公式σ”＝1.28*10-2(1-Sh)-0.91计算水合物饱和度Sh；
根据等效相对介电常数εeff计算水合物饱和度Sh：
频率ω为1mHz、0.1Hz时，通过公式εeff＝3.37*105(1-Sh)2.94计算水合物饱和度Sh；
频率ω为100Hz时，通过公式εeff＝1.96*104(1-Sh)-0.42计算水合物饱和度Sh；
频率ω为1kHz时，通过公式εeff＝2.30*102(1-Sh)-0.91计算水合物饱和度Sh。
优选的，地层因子计算步骤中，利用阿尔奇第一定律通过公式(3)计算地层因子，公式(2)表示为：
F＝φ-m (2)
式中，F为地层因子；φ为地层含水合物沉积物孔隙度，由现场测试或复电导率谱反演计算得到；m表示胶结指数，取m＝1.495；
利用复电导率实部、复电导率虚部以及孔隙水电导率通过公式(4)计算地层因子，公式(3)表示为：
式中，σw为孔隙水电导率，由现场测试得到，I为孔隙空间中的极化强度和表面导电强度之比，无量纲，取I＝0.042。
优选的，计算渗透率步骤中，基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
以孔径大小为尺度标度时，即认为是孔径大小Λ控制弛豫时间，弛豫时间表示为：则地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，τ0(Sh＝0)表示水合物饱和度为0时的特征弛豫时间；表示平衡离子的扩散系数，单位为：m2/s；Kb表示玻尔兹曼常数，取值1.3807×10-23JK-1；T为绝对温度，单位：开尔文；|q+|＝e为Stern层中平衡离子电荷的绝对值，取值1.6×10-19C；表示离子迁移率，若地层含水合物沉积物中只有石英砂颗粒、水和水合物：Di＝1.32×10-9m2s-1，若地层含水合物沉积物中有石英砂颗粒、水、水合物和黏土矿物：Di＝3.8×10-12m2s-1；n为饱和度指数，n＝1.69；
以球形颗粒均匀直径为尺度标度时，即认为是颗粒平均直径d0控制弛豫时间，弛豫时间表示为：则地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，m表示胶结指数，m＝1.495；
根据复电导率虚部频谱分析获取弛豫时间τ0。
优选的，计算渗透率步骤中，基于极化幅度结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
若是在单一频率下测得地层含水合物沉积物复电导率谱，通过复电导率谱计算获得单一频率下复电导率虚部；
根据单一频率下复电导率虚部与渗透率的关系，得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，b、c为常数，由测井数据拟合得到；
若是在多点频率下测得地层含水合物沉积物复电导率谱，利用Debye分解模型对复电导率谱拟合，获得Debye分解模型中的参数，进而获得基于Debye分解模型的归一化极化率Mn为：
式中，σ0、mi为Debye分解模型中的参数；
进一步得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，r、x为常数，由测井数据拟合得到。
优选的，计算渗透率步骤中，基于阳离子交换容量结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
根据地层含水合物沉积物复电导率谱计算出不同频率下的复电导率虚部，进而得到归一化极化率Mn(f1,f2)为：
式中，为频率f1和频率f2的几何平均值所对应的复电导率虚部，A表示频率f1与频率f2之间的倍数；
根据归一化极化率Mn(f1,f2)得到阳离子交换容量为：
式中，CEC表示阳离子交换容量，单位：C/kg；ρg表示颗粒密度，ρg＝2650kg/m3；λ表示极化过程中平衡离子的迁移率，λ＝3.0±0.7×10-10m2s-1V-1；
根据阳离子交换容量得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，k0为常数，k0＝104.3。
优选的，计算渗透率步骤中，基于孔径大小与分形维数结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
对地层含水合物沉积物复电导率谱进行拟合，则复电导率表示为：
式中，τ为弛豫时间；
对复电导率分离虚部：
得到：
对公式(14)进行傅里叶变换，然后对G(s)进行傅里叶反变换得到：
式中，符号‘～’表示傅里叶变换结果，η表示频率，FT-1表示傅里叶反变换操作；
利用G(s)与g(τ)的关系，求出弛豫时间分布g(τ)，利用公式求得水合物饱和度不为零时的最大孔径Λmax,h、水合物饱和度为零时的最大孔径Λmax,0以及水合物饱和度为零时的最小孔径Λmin,0；
利用孔隙大小计算水合物饱和度为0时的分形维数Df,0：
利用孔隙大小计算水合物饱和度不为0时的分形维数Df,h：
进一步得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，τh为不同水合物含量下的迂曲度，S表示地层沉积物等效的横截面面积，由测井仪器的探测性能指标得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，利用地面设备向井中电流电极通入交流电，通过改变交流电的频率得到复电导率谱，基于复电导率谱计算水合物饱和度；利用阿尔奇第一定律计算地层因子或者复电导率实部、复电导率虚部以及孔隙水电导率计算地层因子；基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子、或极化幅度结合水合物饱和度和地层因子、或阳离子交换容量结合水合物饱和度、或孔径大小与分形维数结合水合物饱和度地层计算含水合物沉积物渗透率。本发明测量范围大，所需成本低，能够准确地层获取含水合物沉积物渗透率的量值，准确率高，能够有效反映含水合物沉积物的微观孔隙结构。
附图说明
图1为本发明实施例采用基于激发极化测井方法测量复电导率谱的示意图；
图2为本发明实施例所述基于复电导率谱计算水合物饱和度的方法流程图；
图3为本发明实施例所述地层含水合物沉积物复电导率虚部频谱示意图；
图4为本发明实施例所述基于弛豫时间和水合物饱和度及地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率的方法流程图；
图5为本发明实施例所述基于阳离子交换容量和水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率的方法流程图；
图6为本发明实施例所述基于孔径大小与分形维数和水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率的方法流程图。
图中，1、钻井液，2、电流线，3、地层，M、N为电流电极，O、P为电势电极，A为具有明显峰值的复电导率谱，B为具有明显拐点的复电导率谱。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
激发极化测井可用于储层的孔隙结构和渗透率评价，与其他测井方式相比，激发极化测井具有探测深度深、信噪比高、成本低廉等优点，是一种具有潜质的井下渗透率测量方法。激发极化测井可以在频率域以及时间域内工作，频域激发极化是向地层提供不同频率的交流电，测量每个频率下的复电导率的实部和虚部，利用某一频率下的实部和虚部进行地层解释或者利用复电导率实部和虚部的频谱参数进行地层解释。时域激发极化是向地层提供一定时间的直流电，然后测量断电后的地层响应，利用计算得到的极化率或衰减谱参数进行地层解释。而且可以通过时域激发极化测量求取频域激发极化参数。本发明提供了一种基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，利用现场频率域激发极化测井的方式获得地层含水合物沉积物复电导率谱，通过计算复电导率的特征参数，求取地层含水合物沉积物渗透率。以下通过具体实施例对上述方法进行详细说明。
本发明实施例提供了一种基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，其步骤为：
S1、复电导率谱获取步骤：基于激发极化测井方法，利用地面设备向井中电流电极通入交流电，通过改变交流电的频率得到复电导率谱。
具体地，基于激发极化测井方法得到复电导率谱，其具体步骤为：在野外现场将地面设备与井中电流电极和电势电极相连接，向井中电流电极通入交流电，使井中产生电场，并不断改变交流电的频率，频率范围为1mHz-10kHz，从而获取不同频率下的复电导率，进而获得地层中含水合物沉积物的复电导率谱。其中，地面设备为现有测井设备，主要包括测井信息采集系统，测井过程控制与信息采集系统，电源系统，以及计算机控制程序系统等。
S2、水合物饱和度计算步骤：根据利用复电导率谱计算得到的复电导率实部、复电导率虚部以及等效相对介电常数计算水合物饱和度Sh。
具体地，计算水合物饱和度Sh的具体步骤为：
复电导率为复电导率随频率ω变化的函数，表示为：
σ*(ω)＝σ'(ω)+iσ”(ω) (1)
式中，σ*为复电导率，σ'为复电导率实部，σ”为复电导率虚部。
根据复电导率实部σ'计算水合物饱和度Sh：
在1mHz-10Hz频率范围的低频段，通过公式σ'＝3.59(1-Sh)1.30计算水合物饱和度Sh；
在500Hz-100kHz频率范围的高频段，通过公式σ'＝4.06(1-Sh)1.34计算水合物饱和度Sh。
根据复电导率虚部σ”计算水合物饱和度Sh：
频率ω为1mHz时，通过公式σ”＝1.88*10-5(1-Sh)2.94计算水合物饱和度Sh；
频率ω为0.1Hz时，通过公式σ”＝1.88*10-3(1-Sh)2.94计算水合物饱和度Sh；
频率ω为100Hz时，通过公式σ”＝1.09*10-1(1-Sh)-0.42计算水合物饱和度Sh；
频率ω为1kHz时，通过公式σ”＝1.28*10-2(1-Sh)-0.91计算水合物饱和度Sh。
根据等效相对介电常数εeff计算水合物饱和度Sh：
频率ω为1mHz、0.1Hz时，通过公式εeff＝3.37*105(1-Sh)2.94计算水合物饱和度Sh；
频率ω为100Hz时，通过公式εeff＝1.96*104(1-Sh)-0.42计算水合物饱和度Sh；
频率ω为1kHz时，通过公式εeff＝2.30*102(1-Sh)-0.91计算水合物饱和度Sh。
S3、地层因子计算步骤：当地层含水合物沉积物中只有水、水合物和石英砂颗粒三种介质时，利用阿尔奇第一定律计算地层因子；当地层含水合物沉积物中不仅有水、水合物和石英砂颗粒三种介质，同时存在黏土矿物颗粒时，利用复电导率实部、复电导率虚部以及孔隙水电导率计算地层因子。
具体地，利用阿尔奇第一定律通过公式(2)计算地层因子，公式(2)表示为：
F＝φ-m (2)
式中，F为地层因子；φ为地层含水合物沉积物孔隙度，由现场测试或复电导率谱反演计算得到；m表示胶结指数，取m＝1.495。
具体地，通过在单一的盐度下测得的复电导率谱计算得到复电导率实部、复电导率虚部，然后利用复电导率实部、复电导率虚部以及孔隙水电导率通过公式(3)计算地层因子，公式(3)表示为：
式中，σw为孔隙水电导率，由现场测试得到，I为孔隙空间中的极化强度和表面导电强度之比，无量纲，取I＝0.042。
S4、计算渗透率步骤：当地层含水合物沉积物中仅含有水、水合物和石英砂颗粒时，基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子或极化幅度结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率；当地层含水合物沉积物中含有水、水合物、石英砂颗粒以及黏土矿物颗粒时，基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子或极化幅度结合水合物饱和度和地层因子或阳离子交换容量结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率；当地层含水合物沉积物中多孔介质具有分形特征，孔径大小满足分形标度关系时，基于孔径大小与分形维数结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率。
具体地，基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
以孔径大小为尺度标度时，即认为是孔径大小Λ控制弛豫时间，弛豫时间表示为：则地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，τ0(Sh＝0)表示水合物饱和度为0时的特征弛豫时间；表示平衡离子的扩散系数，单位为：m2/s；Kb表示玻尔兹曼常数，取值1.3807×10-23JK-1；T为绝对温度，单位：开尔文；|q+|＝e为Stern层中平衡离子电荷的绝对值，取值1.6×10-19C；表示离子迁移率，若地层含水合物沉积物中只有石英砂颗粒、水和水合物：Di＝1.32×10-9m2s-1，若地层含水合物沉积物中石英砂颗粒、水、水合物和黏土矿物：Di＝3.8×10-12m2s-1；n为饱和度指数，n＝1.69；
以球形颗粒均匀直径为尺度标度时，即认为是颗粒平均直径d0控制弛豫时间，弛豫时间表示为：则地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，m表示胶结指数，m＝1.495；
根据复电导率虚部频谱分析获取弛豫时间τ0。
求解弛豫时间τ0的具体步骤为：
当复电导率虚部频谱具有明显的峰值时(如图3中曲线A所示)，由峰值所对应的频率来计算峰值弛豫时间τp，即τ0＝τp；
或者，当复电导率虚部频谱出现拐点时(如图3中曲线B所示)，由拐点(随着频率的降低复电导率虚部迅速降低的拐点)所对应的频率来计算拐点弛豫时间τc，随着频率的降低复电导率虚部迅速降低的拐点)即τ0＝τc；
或者，当复电导率虚部频谱未出现峰值或者拐点时，由Debye分解得到Debye弛豫时间τD，即τ0＝τD。
由Debye分解得到Debye弛豫时间τD的具体方法为：利用Debye函数拟合复电导率谱：对复电导率谱拟合后可以获得Debye分解模型中的参数σ0、mi、τi(如采用遗传算法、模拟退火算法等)，从而获得总极化率则Debye弛豫时间
具体地，基于极化幅度(极化幅度包括复电导率虚部和归一化极化率)结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
若是在单一频率下测得地层含水合物沉积物复电导率谱，通过复电导率谱计算获得单一频率下复电导率虚部；
根据单一频率(如取0.01Hz、0.1Hz、1Hz、10Hz、100Hz、1000Hz)下复电导率虚部与渗透率的关系，得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，b、c为常数，由测井数据拟合得到，本实施例中，b＝5.35，＝0.66；
若是在多点频率下测得地层含水合物沉积物复电导率谱，利用Debye分解模型对复电导率谱拟合，获得Debye分解模型中的参数，进而获得基于Debye分解模型的归一化极化率Mn为：
式中，σ0、mi为Debye分解模型中的参数；
进一步得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，r、x为常数，由测井数据拟合得到。
地层含水合物沉积物中含有水、水合物、石英砂颗粒以及黏土矿物颗粒时，由于黏土矿物具有阳离子吸附性以及遇水膨胀性，对于含水合物沉积物多孔介质的孔隙结构有较大的影响，进而影响多孔介质的渗透性。地层含水合物沉积物多孔介质的复电导率来源包括两方面，一方面是孔隙水电导率(主要取决于孔隙水的含水量和盐度)，另一方面是岩石颗粒表面电导率(主要由多孔介质的阳离子交换容量CEC控制)。当黏土颗粒附着在孔隙表面时，由于阳离子交换容量的影响，岩石整体电导率会发生变化。含水合物沉积物多孔介质阳离子交换容量CEC与沉积物比表面积具有正比关系。因此根据复电导率谱计算得到的阳离子交换容量结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率。具体地，基于阳离子交换容量结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
根据地层含水合物沉积物复电导率谱计算出不同频率下的复电导率虚部，进而得到归一化极化率Mn(f1,f2)为：
式中，为频率f1和频率f2的几何平均值所对应的复电导率虚部，A表示频率f1与频率f2之间的倍数；
根据归一化极化率Mn(f1,f2)得到阳离子交换容量为：
式中，CEC表示阳离子交换容量，单位：C/kg；ρg表示颗粒密度，ρg＝2650kg/m3；λ表示极化过程中平衡离子的迁移率，λ＝3.0±0.7×10-10m2s-1V-1；
根据阳离子交换容量得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，k0为常数，k0＝104.3。
由于地层含水合物沉积物多孔介质具有分形特征，孔径大小满足分形标度关系，利用复电导率法反演出孔径大小分布，然后利用孔径大小来计算分形维数，最后采用分形维数计算地层含水合物沉积物渗透率。具体地，基于孔径大小与分形维数结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
对地层含水合物沉积物复电导率谱进行拟合，则复电导率表示为：
式中，τ为弛豫时间；
对复电导率分离虚部：
得到：
对公式(14)进行傅里叶变换，然后对G(s)进行傅里叶反变换得到：
式中，符号‘～’表示傅里叶变换结果，η表示频率，FT-1表示傅里叶反变换操作；
利用G(s)与g(τ)的关系，求出弛豫时间分布g(τ)，利用公式求得水合物饱和度不为零时的最大孔径Λmax,h、水合物饱和度为零时的最大孔径Λmax,0以及水合物饱和度为零时的最小孔径Λmin,0；
利用孔隙大小计算水合物饱和度为0时的分形维数Df,0：
利用孔隙大小计算水合物饱和度不为0时的分形维数Df,h：
进一步得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，τh为不同水合物含量下的迂曲度，S表示地层沉积物等效的横截面面积，由测井仪器的探测性能指标(如测井仪器系数)得到。
需要说明的是，(1)基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率时，参见图4，当认为弛豫时间由孔径大小控制时，首先观察地层含水合物沉积物复电导率虚部频谱是否具有明显的峰值，若具有明显的峰值根据求解在该频率下的弛豫时间；若具有明显的拐点根据求解在该频率下的弛豫时间。
若峰值或拐点不明显，则选择利用Debye模型拟合复电导率谱来求解弛豫时间；即利用Debye函数拟合复电导率谱：对复电导率谱拟合后可以获得Debye分解模型中的参数σ0、mi、τi(如采用遗传算法、模拟退火算法等)，从而获得总极化率Debye弛豫时间
进一步，判断地层含水合物沉积物中是否含有黏土矿物，选取适当条件下平衡离子的扩散系数Di，若地层含水合物沉积物中不含黏土矿物：Di＝1.32×10-9m2s-1；若地层含水合物沉积物中含黏土矿物：Di＝3.8×10-12m2s-1。
进一步，根据本发明上述方法提出的求取水合物饱和度及地层因子理论模型计算水合物饱和度Sh以及地层因子F。
最后，求取地层含水合物沉积物渗透率。即：
继续参见图4，当认为弛豫时间由颗粒平均直径控制时，首先观察地层含水合物沉积物复电导率虚部频谱是否具有明显的峰值，若具有明显的峰值根据求解在该频率下的弛豫时间；若具有明显的拐点根据求解在该频率下的弛豫时间。
若峰值或拐点不明显，则选择利用Debye模型拟合复电导率谱来求解弛豫时间；利用Debye函数拟合复电导率谱：对复电导率谱拟合后可以获得Debye分解模型中的参数σ0、mi、τi(如采用遗传算法、模拟退火算法等)，从而获得总极化率Debye弛豫时间
进一步，判断含地层水合物沉积物中是否含有黏土，选取适当条件下平衡离子的扩散系数Di：若地层含水合物沉积物中不含黏土矿物：Di＝1.32×10-9m2s-1；若地层含水合物沉积物中含黏土矿物：Di＝3.8×10-12m2s-1；
进一步，根据本发明提出的求取水合物饱和度及地层因子理论模型计算水合物饱和度Sh以及地层因子F。
最后，求取地层含水合物沉积物渗透率。即：
(2)基于极化幅度(极化幅度包括复电导率虚部和归一化极化率)结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率时，首先，若是在单一频率下(如取0.01Hz、0.1Hz、1Hz、10Hz、100Hz、1000Hz)测得地层含水合物沉积物复电导率谱，可以获得在单一频率下复电导率虚部σ”；
进一步，根据本发明提出的方法求取水合物饱和度及地层因子理论模型计算水合物饱和度Sh以及地层因子F。
进一步，利用本发明提出的方法获得地层含水合物沉积物渗透率，即：其中b、c为常数，由测井数据拟合得到，本实施例中b＝5.35，c＝0.66)；n为饱和度指数，n＝1.69；
其次，若是在多点频率下测得地层含水合物沉积物复电导率谱，利用Debye分解模型：对复电导率谱拟合,获得Debye分解模型中的参数σ0、mi、τi(如采用遗传算法、模拟退火算法等)，从而获得基于Debye模型的归一化极化率
进一步，根据本发明提出的方法求取水合物饱和度及地层因子理论模型计算水合物饱和度Sh以及地层因子F。
根据本发明提出的方法获得地层含水合物沉积物渗透率，即：其中r，x为常数，由测井数据拟合得到，本实施例中，r＝5.38，x＝0.79)；n为饱和度指数，n＝1.69；
(3)基于阳离子交换容量结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率时，参见图5，根据地层含水合物沉积物复电导率谱计算出不同频率下的复电导率虚部，利用计算归一化极化率，表示频率f1和f2的几何平均值所对应的复电导率虚部；A表示频率f1与频率f2之间的倍数，例如：f1＝10，f2＝1000，则A＝2。
进一步，利用本发明提出的方法求取水合物饱和度理论模型计算水合物饱和度Sh。
进一步，求取阳离子交换容量m表示胶结指数，m＝1.495；ρg表示颗粒密度，通常情况下ρg＝2650kg/m3；λ表示极化过程中平衡离子的迁移率，λ＝3.0±0.7×10-10m2s-1V-1；φ表示孔隙度，由现场测试或复电导率谱反演计算得到。根据复电导率谱反演计算孔隙度的方法为：先由得到地层因子F，再由阿尔奇第一定律计算得到孔隙度。
最后，求取地层含水合物沉积物渗透率k0为常数，k0＝104.3。
(4)基于阳离子交换容量结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率时，对地层含水合物沉积物复电导率谱拟合，通过傅里叶反演求出弛豫时间分布，进一步求取孔径分布大小：
复电导率可表示为：
对其分离虚部：
得：
对该式进行傅里叶变换、然后对G(s)进行傅里叶反变换，得：
符号‘～’表示傅里叶变换结果，η表示频率，FT-1表示傅里叶反变换操作。
利用G(s)与g(τ)的关系，即可求出弛豫时间分布g(τ)，利用公式求得水合物饱和度不为零时的最大孔径Λmax,h、水合物饱和度为零时的最大孔径Λmax,0以及水合物饱和度为零时的最小孔径Λmin,0。若地层含水合物沉积物中只有石英砂颗粒、水和水合物，则：Di＝1.32×10-9m2s-1；若地层含水合物沉积物中还含有黏土矿物，则：Di＝3.8×10-12m2s-1。
求解水合物饱和度为0时的分形维数：
φ表示孔隙度，由现场测试或复电导率谱反演计算得到。根据复电导率谱反演计算孔隙度的方法为：先由得到地层因子F，再由阿尔奇第一定律计算得到孔隙度。
进一步，利用本发明提供的求解水合物饱和度理论模型计算水合物饱和度Sh。
进一步，求解水合物饱和度不为0时的分形维数：
进一步，求解含水合物沉积物渗透率，即：
S表示地层沉积物等效的横截面面积，由测井仪器的探测性能指标(如测井仪器系数)得到。
本发明上述方法，基于激发极化测井方法，利用地面设备向井中电流电极通入交流电，通过改变交流电的频率得到复电导率谱，基于复电导率谱计算得到复电导率的特征参数(即水合物饱和度和地层因子)，采用四种地层含水合物沉积物渗透率计算方法进行地层含水合物沉积物渗透率评价，能够准确获取地层含水合物沉积物渗透率的量值，测量精度高，测量范围大，所需的成本较低，能有效反映含水合物沉积物的微观孔隙结构。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，其特征在于，其步骤为：
复电导率谱获取步骤：基于激发极化测井方法，利用地面设备向井中电流电极通入交流电，通过改变交流电的频率得到复电导率谱；
水合物饱和度计算步骤：根据利用复电导率谱计算得到的复电导率实部、复电导率虚部以及等效相对介电常数计算水合物饱和度Sh；
地层因子计算步骤：当地层含水合物沉积物中只有水、水合物和石英砂颗粒三种介质时，利用阿尔奇第一定律计算地层因子；当地层含水合物沉积物中不仅有水、水合物和石英砂颗粒三种介质，同时存在黏土矿物颗粒时，利用复电导率实部、复电导率虚部以及孔隙水电导率计算地层因子；
计算渗透率步骤：当地层含水合物沉积物中仅含有水、水合物和石英砂颗粒时，基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子或极化幅度结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率；当地层含水合物沉积物中含有水、水合物、石英砂颗粒以及黏土矿物颗粒时，基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子或极化幅度结合水合物饱和度和地层因子或阳离子交换容量结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率；当地层含水合物沉积物中多孔介质具有分形特征，孔径大小满足分形标度关系时，基于孔径大小与分形维数结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率；基于弛豫时间结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
以孔径大小为尺度标度时，即认为是孔径大小Λ控制弛豫时间，弛豫时间表示为：则地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，τ0(Sh＝0)表示水合物饱和度为0时的特征弛豫时间；表示平衡离子的扩散系数，单位为：m2/s；Kb表示玻尔兹曼常数，取值1.3807×10-23JK-1；T为绝对温度，单位：开尔文；|q+|＝e为Stern层中平衡离子电荷的绝对值，取值1.6×10-19C；表示离子迁移率，若地层含水合物沉积物中只有石英砂颗粒、水和水合物：Di＝1.32×10-9m2s-1，若地层含水合物沉积物中有石英砂颗粒、水、水合物和黏土矿物：Di＝3.8×10-12m2s-1；n为饱和度指数，n＝1.69；
以球形颗粒均匀直径为尺度标度时，即认为是颗粒平均直径d0控制弛豫时间，弛豫时间表示为：则地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，m表示胶结指数，m＝1.495；
根据复电导率虚部频谱分析获取弛豫时间τ0；
基于极化幅度结合水合物饱和度和地层因子计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
在多点频率下测得地层含水合物沉积物复电导率谱，利用Debye分解模型对复电导率谱拟合，获得Debye分解模型中的参数，进而获得基于Debye分解模型的归一化极化率Mn为：
式中，σ0、mi为Debye分解模型中的参数；
进一步得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，r、x为常数，由测井数据拟合得到；
基于阳离子交换容量结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
根据地层含水合物沉积物复电导率谱计算出不同频率下的复电导率虚部，进而得到归一化极化率Mn(f1,f2)为：
式中，为频率f1和频率f2的几何平均值所对应的复电导率虚部，A表示频率f1与频率f2之间的倍数；
根据归一化极化率Mn(f1,f2)得到阳离子交换容量为：
式中，CEC表示阳离子交换容量，单位：C/kg；ρg表示颗粒密度，ρg＝2650kg/m3；λ表示极化过程中平衡离子的迁移率，λ＝3.0±0.7×10-10m2s-1V-1；
根据阳离子交换容量得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，k0为常数，k0＝104.3；
基于孔径大小与分形维数结合水合物饱和度计算地层含水合物沉积物渗透率的具体步骤为：
对地层含水合物沉积物复电导率谱进行拟合，则复电导率表示为：
式中，τ为弛豫时间；
对复电导率分离虚部：
得到：
对公式(14)进行傅里叶变换，然后对G(s)进行傅里叶反变换得到：
式中，符号‘～’表示傅里叶变换结果，η表示频率，FT-1表示傅里叶反变换操作；
利用G(s)与g(τ)的关系，求出弛豫时间分布g(τ)，利用公式求得水合物饱和度不为零时的最大孔径Λmax,h、水合物饱和度为零时的最大孔径Λmax,0以及水合物饱和度为零时的最小孔径Λmin,0；
利用孔隙大小计算水合物饱和度为0时的分形维数Df,0：
利用孔隙大小计算水合物饱和度不为0时的分形维数Df,h：
进一步得到地层含水合物沉积物渗透率为：
式中，τh为不同水合物含量下的迂曲度，S表示地层沉积物等效的横截面面积，由测井仪器的探测性能指标得到。
2.如权利要求1所述的基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，其特征在于，复电导率谱获取步骤中，基于激发极化测井方法得到复电导率谱，其具体步骤为：在野外现场将地面设备与井中电流电极和电势电极相连接，向井中电流电极通入交流电，使井中产生电场，并不断改变交流电的频率，频率范围为1mHz-10kHz，从而获取不同频率下的复电导率，进而获得地层中含水合物沉积物的复电导率谱。
3.如权利要求1所述的基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，其特征在于，水合物饱和度计算步骤中，复电导率为复电导率随频率ω变化的函数，表示为：
σ*(ω)＝σ'(ω)+iσ”(ω) (1)
式中，σ*为复电导率，σ'为复电导率实部，σ”为复电导率虚部；
根据复电导率实部σ'计算水合物饱和度Sh：
在1mHz-10Hz频率范围的低频段，通过公式σ'＝3.59(1-Sh)1.30计算水合物饱和度Sh；
在500Hz-100kHz频率范围的高频段，通过公式σ'＝4.06(1-Sh)1.34计算水合物饱和度Sh；
根据复电导率虚部σ”计算水合物饱和度Sh：
频率ω为1mHz时，通过公式σ”＝1.88*10-5(1-Sh)2.94计算水合物饱和度Sh；
频率ω为0.1Hz时，通过公式σ”＝1.88*10-3(1-Sh)2.94计算水合物饱和度Sh；
频率ω为100Hz时，通过公式σ”＝1.09*10-1(1-Sh)-0.42计算水合物饱和度Sh；
频率ω为1kHz时，通过公式σ”＝1.28*10-2(1-Sh)-0.91计算水合物饱和度Sh；
根据等效相对介电常数εeff计算水合物饱和度Sh：
频率ω为1mHz、0.1Hz时，通过公式εeff＝3.37*105(1-Sh)2.94计算水合物饱和度Sh；
频率ω为100Hz时，通过公式εeff＝1.96*104(1-Sh)-0.42计算水合物饱和度Sh；
频率ω为1kHz时，通过公式εeff＝2.30*102(1-Sh)-0.91计算水合物饱和度Sh。
4.如权利要求3所述的基于复电导率的水合物地层渗透率现场原位定量评价方法，其特征在于，地层因子计算步骤中，利用阿尔奇第一定律通过公式(2)计算地层因子，公式(2)表示为：
F＝φ-m (2)
式中，F为地层因子；φ为地层含水合物沉积物孔隙度，由现场测试或复电导率谱反演计算得到；m表示胶结指数，取m＝1.495；
利用复电导率实部、复电导率虚部以及孔隙水电导率通过公式(3)计算地层因子，公式(3)表示为：
式中，σw为孔隙水电导率，由现场测试得到，I为孔隙空间中的极化强度和表面导电强度之比，无量纲，取I＝0.042。
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