在野外和实验室对岩石电阻率的测量,可分为直流电法和交流电法两种。但即使是被称为直流电法的测量过程,为克服电极极化的影响,绝大多数也是采用交流电进行的,只是因为电流的频率很低,介电效应的影响极小,可以忽略,相当于直接采用直流电。当岩石被通以交流电时,其导电性会随交流电频率的升高而发生变化。这是由于岩石的激发极化效应和介电效应的作用,其中激发极化效应发生在低频条件下,作为金属矿产勘探的一个常用方法,激发极化法工作频率为0.01~100Hz。近年来储层岩石物理研究发现,孔隙性泥质砂岩和砂岩在1MHz左右可观测到明显的激电效应,或界面极化,而介电效应则要在几十兆赫兹以上的情况下起作用。关于介电效应和激发极化的机理,分别在第二节和第四节中详细介绍,这里只作唯象研究。岩石电阻率受频率的影响可通过复电阻率来表示:
储层岩石物理学
我们现在来考虑一个平行板电容器,极板面积为S,两极板间距离为d,则电容为
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式中ε0为真空中介电常数。如果电压为V=V0eiωt加在两极板间,则流过该电容器的电流为
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式中:Q为电容器所充的电量,i为虚数单位。i的出现表明电流与外加电压的相位差90°。
现在,我们在电容器两极板间充满完全绝缘的电解质,其相对介电常数为ε,则电容器的电容增大为C=εC0,电流与电压的相位仍差90°。如果极板间所充电的电解质不是完全绝缘的,而是具有一定导电性,例如电导率σ,介电常数仍为ε,这时电容器不再是理想的了,电流与电压的相位差也不再是90°,这是因为存在电导分量GV(G为介质电导),它源于自由电荷的定向移动,即传导电流。这时的全电流可表示为:
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因为纯电导G=σS/d,故有
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也就是
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亦即
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式中:j为电流密度;E为电场强度。这里的电流为复数,电流与电压的相位差不再是90°。定义σ*=σ+iωε为复电导率。损耗角正切定义为
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其中δ称损耗角,它是电流偏离90°线的角度。只要电导不完全由传导电流产生,而且还包括位移电流的贡献,则电导率就是一个依赖于频率的复数。
为拟合实验室测量数据,常采用较为复杂的等效电路,下面介绍几种典型电路。
图4-3 阻容并联电路
(1)阻容并联电路
阻容并联电路如图4-3所示。
在交变电压U(ω)的作用下,总电流I(ω)可表为
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其中,复导纳y(ω)为
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式中:y′=G;y″=ωC。在以y′为横轴,y″为纵轴的导纳复平面上,当ω为参量时,y′与y″的关系曲线为平行于纵轴的直线y″=ωC。并联电路的阻抗为
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其中:
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当ω=0时,z′(0)=1/G,z″(0)=0;当ω→∞时,z′(∞)=0,z″(∞)=0;由dz′/dω=0可以得到,当ω=G/C时,虚部取得极大值:
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由式(4-29)和式(4-30)消去ωC得到
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这是一个圆的方程,因为z′和z″均为正值,该方程表征一个半圆。
(2)阻容串联电路
在串联回路上施加一个正弦交变电压U(ω)可以表示为
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其中阻抗为
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于是有 。这在复阻抗平面上是一条平行于纵轴的直线z″=1/ωC。
串联电路的导纳可表示为
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于是有
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消去式(4-35)中的ω2 RC2,得到y′和y″间的关系:
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这在导纳复平面上是一个半圆。当ω=0时,y′(0)=0,y″=0;ω→∞时y′(∞)=1/R,y″(∞)=0;由dy′/dω=0可得当ω=1/(RC)时,y′取得极大值,y′max=1/(2R)。
(3)阻、容、抗混联
在串联回路上施加一个正弦交变电压U(ω)可以表示为
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其中阻抗为
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于是有 。这在复阻抗平面上是一条平行于纵轴的直线z″=1/ωC-ωL。混联电路的导纳可表示为
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于是有
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这种情况下,y′和y″的关系很复杂,因为电感的引入,整个电路对外加电压的响应是振荡型的。