[发明专利]纳米多孔材料电导率的估算

说明书

本发明提供了估算粘土矿物体系的电导率并将所述估算应用于更大规模分析的方法和系统。所述粘土的电导率可以通过构建无水的电荷中性粘土的分子模型、然后通过取代所述粘土结构模型中的离子赋予电荷密度来估算。插入反离子以供电荷中性，并且向所述模型添加水分子来反映选定的水化水平。力场系数赋值之后，分子动力学模拟提供了可由其估算扩散系数的数据。对所述反离子的扩散系数应用能斯特‑爱因斯坦关系式提供了所述粘土体系的离子电导率。这种电导率可用于导出地层因数，并可应用于直接数值模拟分析。

相关申请交叉参考

本申请要求2014年12月10日提交的序号为14/566,520的美国专利申请的利益，所述申请题为“纳米多孔材料电导率的估算(Estimation of Conductivity for NanoporousMaterials)”，其在此通过引用以其整体并入本文中。

关于联邦资助的研究或开发的声明

依照美国能源部(United States Department of Energy)和Sandia公司之间关于Sandia国家实验室(Sandia National Laboratories)运转的合同No.DE-AC04-94AL85000，美国政府在本发明中具有权利。

技术领域

本发明属于分析岩石样本来确定岩石物理性质的领域。

背景技术

作为油汽工业中的基本原则，对地下岩层材料性质的知识对于评估地球上的油气储藏和制订关于那些储藏的开发策略是重要的。用于得到这种信息的种类繁多的工具和技术是本领域中公知的，范围从地震数据分析、获取和分析来自目标地层的岩心样品、和在钻探过程期间得到的各种间接的地球测量。

用于分析地下地层的常用技术是沿着钻孔进入地层的电阻率测井。常规的电阻率测井测量钻孔周围地层的电响应，通常导出被称为“地层因数”的值，其是含流体岩石的电阻率与流体本身的电阻率之比。根据众所周知的Archie关系式，地层因数仅仅是所述岩石的孔隙几何形状的函数，并可通过被称为胶结指数(cementation exponent)的指数与孔隙率相关联。结果，常规电阻率测井的分析可提供关于目标地层的孔隙率或含水饱和度的重要信息。另外，电阻率测井曲线与适当的岩石物理学解读相结合，可提供对所述地层渗透率的了解。

虽然Archie关系式普遍用于从测井曲线和从岩心样品解读电响应，但它最初是基于一系列试验测量制订的。然而，已经观察到Archie关系式只对于岩石物理简单的岩层、其例子包括纯砂层而言是正确的。还已经观察到，Archie关系式不适用于泥质砂岩，即含有粘土矿物的砂。分析来自泥质砂岩的电阻率测井曲线的常规方式在本领域中称为Waxman-Smits方法。然而，这种方式在实践中有所限制，因为它需要泥质砂岩中粘土矿物的阳离子交换容量的知识，以便将电阻率与含水饱和度和孔隙率相关联。

已经观察到在岩石样品内存在粘土使从测井曲线和岩心样品得到的电数据的解读变复杂。对此的一个原因是粘土矿物(在本文中也称为“粘土”)的电性质未被充分了解。在这方面，据实验室中的测量，解读粘土的电性质(和相关性质例如阳离子交换容量)已经证明是困难的。这种因粘土而变复杂的电数据解读也起因于典型的粘土结构是在“纳米级”上，其远远小于砂的级别并致使粘土比较经不起原子级分辨率试验和分析。另外，粘土矿物的结晶结构经常相当不规则，例如由相互不平行取向的薄片组成、有形状奇怪的边界和形状异常的孔隙。此外，经常存在于粘土中、特别是所述片晶的外表面处的杂质，可通过取代置换其他原子并改变所述粘土材料中的电荷分布。一般而言，所述纳米级晶体尺寸的复杂性、晶体和片晶的无序、和粘土矿物的复杂组成，致使很难对粘土直接测量岩石物理性质。