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碳酸盐岩储层孔隙模型及孔隙结构指数研究进展

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2010年5月 西安石油大学学报(自然科学版) Journal of Xi an Shiyou University(Natural Science Edition) Mav 2010 V01.25 No.3 第25卷第3期 文章编号:1673-064X(2010)03-0001-07 碳酸盐岩储层孔隙模型及子L隙结构指数研究进展 王敏 ,张丽艳 ,孙建孟 ,施斌全。 (1.中国石油大学(华东)地球资源与信息学院,山东东营257061; 2.中国石化胜利油田地质科学研究院,山东东营257015;3.胜利油田钻井工艺研究院,山东东营257000) 摘要:在调研国内外碳酸盐岩孔隙模型及孔隙结构指数m相关文献的基础上,按照研究对象和导 电方式的不同,将现有的孔隙模型归类为基于串并联导电的双孔隙模型、基于串并联导电的三孔隙 模型和基于有效介质理论的孔隙模型3类,同时按照研究对象的不同,总结出Shell公式、Borai公 式、Focke and Munn公式、Nugent公式、Ragland公式、Gomez Rivero公式等6种不同类型典型碳酸 盐岩胶结指数的计算模型.建议以后在碳酸盐岩孔、洞、缝不同类型的导电机理、模型参数求取及现 场应用方面做更深入的研究. 关键词:碳酸盐岩储层;孔隙模型;孔隙结构指数; 中图分类号:TE319 文献标识码:A 近年来,针对裂缝性及孔洞性碳酸盐岩储层的 分析逐渐成为学者们研究的热点领域.碳酸盐岩是 一对不同孔隙类型的储层,孔隙结构指数在量值上存 在显著差异.孔隙结构的复杂化,使经典阿尔奇公式 的孔隙结构指数取值范围大大增加,并影响着含油 饱和度的正确求解.为改善阿尔奇公式的应用效果, 人们一直在探索适应复杂孔隙结构特点的孔隙结构 指数选取方法。。 . 因此,根据岩电实验以及岩石物理分析建立合 种复杂的、多成因的岩石类型,孑L隙可分为粒问孔 隙、裂缝、溶蚀孔洞等15种不同类型¨ .储集层以沉 积后在成岩生及表生阶段的改造过程中形成的次生 孔隙为主.由于次生改造作用千差万别,使得碳酸盐 岩储集层的次生孔隙结构远比砂泥岩储集层的孔隙 结构复杂很多.成岩作用对碳酸盐岩系统的孔隙度 以及流体通过碳酸盐岩地层的能力有着较大影 响 ,因此,对碳酸盐岩的评价需建立在对岩石系 统的充分了解之上. Archie(1942)提出了仅有粒间孔隙的砂岩孔隙 模型,这一经典公式对电法测井有着划时代的意义, 理的孔隙模型,实现对复杂碳酸盐岩孔隙结构的准 确刻画,并进一步实现对不同储层的m值及 值的 准确计算显得尤为重要.通过对国内外关于碳酸盐 岩孔隙模型的文献调研,将目前常用的孔隙模型分 为3类:基于串、并联思想的双孔隙模型、基于串、并 联思想的三孔隙模型和基于有效介质理论的孔隙模 型,并对不同阶段不同模型的适用范围和局限性进 行了分析,以期对碳酸盐岩储层的孔隙模型及不同 奠定了测井定量评价的理论基础 j.其表征对象为 不含泥质和导电矿物的均质砂岩,而对于孔隙结构 复杂,既有微孔隙、又有大尺寸的次生孔隙的碳酸盐 岩储层而言,这种假设显然不能满足.孔隙成因的复 杂性和孔隙结构的复杂性导致Archie(阿尔奇)公 孔隙类型下m值的求取有所帮助. 1 常用的孑L隙模型分析 1.1 基于串并联思想的双重孔隙模型 式对碳酸盐岩储集层的应用受到,主要表现为 按照成因类型,碳酸盐岩储层的储集空问可以 收稿日期:2009-09-24 基金项目:国家重大科技专项“大型油气田及煤层气开发”(编号:2008ZX05014一OO4—006HZ)资助 作者简介:王敏(1983一),男,博士研究生,从事测井信息处理与解释研究.E-mail:upcgrad@163.corn 一2一 西安石油大学学报(自然科学版) 分为2种,原生孔隙和次生孔隙,即通常所说的双重 1989年,Serra针对连通性缝洞储层和非连通孔 洞储层分别建立了孑L隙结构指数与总孔隙度的关 系 . 孔隙,其中原生孔隙又称为基质孔隙,而次生孔隙包 括裂缝、溶蚀孔洞等. 1.1.1 按照基质孔隙和次生孔隙划分的双孔隙模 对于连通性缝洞储层 log[(咖一 ) + ] , 、 型 1962年Towle通过实验发现孔洞储层的孔隙结 构指数m的变化范围为2.67—7.30 J,并进一步结 m ———面 一对于非连通性孔洞储层则 ; (3)j J 合模型分析指出孔隙结构指数m随岩石系统的孔隙 几何形状的改变而改变.其模型的不足之处在于只 m: m —] 一・. 考虑了裂缝孔隙度而假定基质孔隙度为0,这与实 际情况明显不符. 1974年,Aguilera指出对于天然裂缝系统,孔隙 结构指数m应该相对较小,在1.1—1.3之问 . 1976年,在Prison(1957) 研究成果上,Aguilera提 出了适用于裂缝一基质系统的并联导电的双孑L隙 度模型n ,并指出裂缝一基质系统的双孔隙结构指 数应小于基质的孔隙结构指数m ,m的变化范围在 1.0和基质的m 值之间,并随着裂缝发育程度的变 化而变化.1979年,Aguilera进一步指出,与常用的 评价均质砂岩储层的m值有所不同,水平裂缝的理 论情况下m值等于1 】 . Aguilera(1976) lo]的双孔隙模型为当时最具 代表性的双孔隙模型之一,其公式为 咖一 =1/[ 西+(1一 )/ 】. (1) 式中, 为总孔隙度;m为双孔隙结构指数; 为 Prison的分配系数, =( 一 )/[((b(1一 ))]; 咖 为基质孔隙度;m 为基质孔隙结构指数. 根据上述双孔隙模型,在已知基质孔隙度和总 孔隙度时,即可确定双孔隙结构指数m值. 1.1.2 基于连通性考虑的双孔隙模型Aguilera (1976) 。。模型仅仅是针对裂缝和基质孔隙的情况 建立的,其m值的变化范围在1.1—1.3之间.而对 于溶蚀孔洞发育的储层,m值变化明显超出这个界 限,Towle(1962) 的实验便是例证.因此,迫切要 求对溶洞储层加强认识. 为细化对次生孔隙的研究,1983年Lucia将次 生孔隙划分为连通缝洞和非连通孔洞 引,从而为后 续的2类考虑连通性的孔隙模型奠定了理论基础, 并通过计算指出m值随孔洞孔隙度比 的增加而 增加.1987年,Focke和Munn进一步指出,m不仅与 孔洞孔隙度比 有关,还与总孔隙度有关.并在实 验数据基础之上,对Lucia提出的 一m交会图进 行了扩展¨ .但从目前的研究结果看来,Foeke和 Munn扩展的结论是有误的. 其中, 为连通缝洞孔隙度,m 为裂缝孔隙结 构指数, 为非连通孔洞孔隙度. 对Serra的模型【】 进行分析,发现对于基质和 不连通孔洞的某些组合将导致明显的含水饱和度错 误,且当总孔隙度接近40%时,m值变化趋势反向, 并且非连通孔洞的孔隙度越大,其饱和度计算误差 越大 . 通过分析Serra模型¨ 的缺陷和不足, Aguilera(1995)指出,更合适的公式应该包括与基 质系统的总体积有关的基质孔隙度¨ .在假设基质 孔隙与连通孔洞孑L隙为并联方式,而基质孔隙与非 连通孔洞孔隙为串联方式的基础上,Aguilera (2003)提出了其改进的双孔隙模型¨ . 针对基质孔隙和连通缝洞的模型 咖一 =1/[v4,+(1一 )/咖 %]; (4) 针对基质孔隙和非连通缝洞的模型 咖一 =v.c4,+(1一 。) . (5) 式(4)中, 为分配系数,等于裂缝孔隙度或连 通孔洞孔隙度与总孔隙度之比,该模型对于基质孔 隙与连通缝洞、基质孔隙和非连通缝洞这2种情况 都给出了较好的说明. 在Aguilera模型中,裂缝的孔隙结构指数默认 为1.0,即假设裂缝系统与电流方向平行,这种情况 在实际中是很少见的.实际岩石中,由于裂缝具有一 定的迂曲度,因此裂缝的孔隙结构指数并不等于1. 0而是大于1.0_1’].2004年,在Servipetro公司的内 部报告中,Aguilera进一步改进了其双孔隙度模 型¨引,其中允许m >1. 针对基质孔隙与连通缝洞的复合系统有 m: m —— 一.。 ㈤ 0 其中, 为受/T/, 影响的基质系统孔隙度. = . (7) 王敏等:碳酸盐岩储层孔隙模型及孔隙结构指数研究进展 og  ̄b 厂=mr一(mr—1) il。g一3一 ,。、 这就是用于计算三孔隙度系统m值的公式.通过调 整参数取值,可以实现对不同类型储层的孔隙评价. 而对于基质和非连通孔洞组成的复合系统,岩 石的孔隙结构指数的计算依然参见Aguilera模 型 ,只是形式有所变化: m ———_ log[咖 +(1一咖 )・咖 ] —一’ (9) 其中,咖 为非连通孔洞孔隙空间与岩石总体积 之比.式(9)的假设条件是非连通孔洞与基质岩块 的电阻率是串联形式. 1.2 基于串、并联思想的三重孔隙模型 图2基质孔隙和裂缝以及孔洞复合系统 的串并联示意图(Aguilera,2004) 张丽华(2009)在Aguilera模型基础上,对基质孔 隙结构指数分别是1.6,1.8,2.0,2.2,2.4,2.6条件下 的总孔隙度与孑L隙结构指数的关系进行了扩展 . Aguilera的三重孔隙模型是目前综合考虑孔、 以上是针对双孔隙地层的孔隙模型,但在碳酸 盐岩地层中,基质孔、裂缝、溶洞同时并存的情况并 不少见,从而推动了三孔隙模型的发展.2003年,王 洞、缝因素模型的代表,通过与实验室岩心分析数据 对比,效果也较为理想.但如何根据常规测井资料来 获取模型中的各类参数(如连通缝洞孔隙度、非连 通缝洞孔隙度以及基质孔隙度)是模型应用过程中 个无法避开的难题.江汉石油学院的刘瑞林④在 一青¨ 将具有复杂储层结构简化为三重孔隙(即基 质孔隙、孔洞孔隙、裂缝孔隙)结构体积模型.首皓 (2005)在其基础之上,提出了在含有水平缝的情况 下,需要利用双重孔隙结构指数对孔隙度进行校 Aguilera三孔隙模型基础上,延展了其实际应用.在 深人分析深、浅侧向测井原理的基础上,简化了导电 模型,认为高角度情况下,基质孔隙先与连通缝洞孔 隙成分并联,再与孤立孔洞孔隙成分串联(图3);低 角度情况下,基质孔隙先与孤立孔洞成分串联,再与 连通孔隙并联(图4).值得一提的是,这样的等效电 正 ].但该模型仅限于建立了一个体积模型,没有 涉及到孔、缝、洞之间导电方式的研究,且虽然在其 模型里考虑了干黏土,但黏土和岩石骨架的测井响 应是不同的,将干黏土和岩石骨架放在一起作为骨 架体积,这是不合适的 . 与此同时,借鉴众多学者在缝洞性储层评价中 应用的并联及串联电阻率网络,Aguilera(2004)提 出对于由基质孔隙、裂缝和非连通孔洞组成的三孔 隙储层(图1),可以用基质孔隙和裂缝并联,然后再 与非连通孔洞串联的电阻网络来模拟,即著名的三 孑L隙模型(图2) 引. (a) Co) 图3三孔隙模型的高角度模式示意图(刘瑞林,2006) 图1 具有基质孔隙、裂缝(直线J、非连通孔洞 (黑点)的岩石模型(Aguilera。2004) +‘ 一 1 /h” .(10) 进而得到 1-yoo+ _ ] ‘I¨ (a) (b) m : ————— m——一图4三孔隙模型的低角度模式示意图(刘瑞林。2006) ①刘瑞林.塔河油田西部奥陶系储层油水测井识别技术研究[R].2006 一4一 西安石油大学学报(自然科学版) 路表达只是为了直观理解,并不代表双侧向测井时 实际发生的物理测量过程.由此得到一系列公式,进 而求取连通缝洞孔隙度、孤立孔洞孔隙度、基质孔隙 度等参数,使得Aguilera的三孔隙度模型的实用性 明显增强.刘瑞林提出的基于双侧向和裂缝发育角 度的孔隙模型是对前人的重要改进. 1.3基于有效介质理论的孔隙模型 Aguilera双孔隙模型¨ 及三孔隙模型 均是 在基质孔隙与非连通孔洞孔隙、连通孔洞孔隙之间 的串并联关系基础上推导的结果.Charles.Berg等 研究人员以用于计算混合物介电性质的麦克斯韦理 论为理论基础,利用有效介质理论分析孔隙模型.这 类研究中不存在明显的“串并联”思想. Berg C R根据有效介质理论,推导出可适用于 m >1的新模型 ,在其模型中考虑了裂缝孔隙结 构指数的变化,与Aguilera_22 未公开发表的适用于 m >1的孔隙模型结果十分吻合.特殊条件下,当电 流方向与裂缝方向一致时,m :1,可以得到与 Aguilera 三重孔隙模型相吻合的结果. 针对裂缝性储层,双孔隙模型有关系 。 币 一 ‘咖: 一(b ,,,、、 ’ ¨ 并给出了相应的计算裂缝孔隙结构指数m 的方法: mf: — ~.’ (13)L ) 其中,0为电流传导方向和裂缝法向的夹角. 对于多种裂缝方向的情况,裂缝孔隙结构指数 m 扩展为 log(+ ・∑V/sin 0 ) i=l (14) 其中, 是每一组裂缝在裂缝孔隙度中占的体 积分数,0 为每一条裂缝的法向与电流传导方向之 间的夹角.式(13)并没有考虑裂缝相交的影响. 针对孔洞性储层,双孔隙模型为 上 .. . 1_ ( ) 。 ・ (15) Berg C R的孔洞孔隙模型(式(15))的优势在 于它减少了对连通孔洞和非连通孔洞的区别.随着 孔洞对岩石孔隙度贡献的增大,整个岩石显得更具 连通性.任何粒间孑L隙的存在都会使得孑L洞与岩块 的连通性增强,而不再是孤立的存在.换句话说,随 着孔洞孑L隙度的增大,串联的孔洞模型与实际地质 情况将有偏差. 以H—B方程为基础的有效介质导电模型有多 种扩展模式,具有一定的理论基础,并且不依赖于某 一特定的地质条件.但是模型中参数的确定比较困 难,所以一直停留在理论研究层面上,实际应用实例 比较少 . 2 基于实验分析的m计算模型 对于碳酸盐岩储层孔隙结构指数的计算,一种 途径是基于孔隙模型,通过严谨合理的推导得出的, 如双孔隙模型、三孔隙模型、有效介质模型等.这些 模型的通用性较强,可以针对整个缝洞性储层研究 对象;另一途径则是直接通过岩心实验测量来获取 m值,这就要求对岩石和孔隙类型有充分地了解,由 于经常将测量值与测井数据联系起来建立经验公 式,使得m值的区域性非常明显.与前一种方法相 比,这种方法针对性更强,方法应用更简单.比较著 名的有6种模型. 2.1 Shell模型 该模型实验样本主要来源于West Texas的 Ellenburger白云岩,因此主要面向对象是深层致密 的碳酸盐岩储层 ,公式为 m 87一 . (16) 其中,m为孔隙结构指数,西为测井得出的孔隙 度.在以Ellenburger的深层致密岩样(此处所指的 深层为埋深大于1 200 m,而致密指的是孔隙度小于 10%)为研究对象时,Shell方程计算结果与实际测 量值有偏差,计算值略小于实测值. 2.2 Borai模型 该模型主要针对阿布扎比的低孔隙度碳酸盐岩 储层.Borai(1985)指出,在Shell方程中,孔隙度降 低,m值增加,这种情况在Abu Dhab的孔隙度小于 10%的碳酸盐岩中不适用 j.实测的m值要远大于 Shell方程的计算值. Abu Dhab的岩石类型比较纯,主要为白云岩、 白云质灰岩、石灰岩3种类型,故根据实验室测量结 果得到统计关系,即得到了Borai方程: mm =2.2一—O.0厶2一—+0.0—35—42.・ (17)l,J 2.3 Focke和Munn模型 该模型主要针对铸模孔石灰岩储层.1987年, Focke和Munn指出m计算公式应随渗透率的不同 乇敏等:碳酸盐岩储层孔隙模型及孔隙结构指数研究进展 一5一 而不同,在此基础上提出了一系列m值的计算方 法 引,各公式略有差异: m=1.2+0.128 64,. K<0.1×10一 I.zm : m=1.4+0.085 74,. 0.1×10一 I.zm ≤K<1 x 10 Ixm ; f 18) ,n=1.2+0.082 94,. 1 X 10一。txm ≤K<100×10一 txm : m=1.22+0.03 44,. 100×10一 I.Lm ≤ 该方程是不同的渗透率情况下得到的m值的经 验关系.从与样品实测值的对比来看,该模型误差 较大. 2.4 Nugent模型 Nugent利用多口井的资料得到了碳酸盐岩的m 相对值 . m≥ 21og4, ’ (19) 式中,咖 为声波测井的孔隙度, 为中子和密 度测井得到的孔隙度.Asquith(1985)成功地将这 个方程应用到孔洞型和生物铸模孔型白云岩储 层 ].与Nugent方程计算的m值比较时,以生物铸 模孔为主要孔隙空间的样品的//'t测量值并非总是偏 大. Asquith(1985)重新修改了Nugent的方程,以 此来区分由Nurmi(1984)定义的孔洞孔隙度和基质 孔隙度 . Nurmi(1984)定义 咖 =2(咖 一 ),咖 =咖 一 . (20) 其中,咖 为缝洞孔隙度; 为基质孔隙度. 在此定义基础之上,则Nugent方程可改写为 m≥ . 其改进模型在鲕穴状白云岩中的计算值要比实 测值大得多.生物铸模白云岩的计算值有大有小.这 些结果证明无论是Nugent模型还是改进模型,均缺 乏可移植性. 2.5 Ragland(2002)模型f圳 考虑到前述4种模型中不同孔隙类型带来的差 别,Ragland按照Choquette and Pray(1970)的分类 方法对孔隙系统进行分类,通过对比岩电数据和薄 片分析,建立了一系列/n值的求取方法 .由于其 所用的岩心来自10个不同地区,并且孔隙类型也有 所不同,因此针对不同的地质情况和碳酸盐岩地层 时通用性更强. 通过研究,以铸模孔为主的岩石的m平均值为 2.46,以粒间孔隙为主的岩石的m平均值为1.90, 以晶间孔为主的孔隙系统,平均值为1.93,所占百 分比相近的3种或4种岩石系统平均值为2.03.其 余的孔隙类型(溶蚀孔、微孔隙、微裂缝)也被证明 对m值有着大小不等的影响. Ragland(2002)公式为:对于以铸模孔为主的 孔隙系统,m=e +0.7;对于以粒间孔为主的岩石 系统,m=(一0.44v)+2.29;在2个等式中, 都是 指薄片分析中铸模孔或者粒间孔在总孔隙度中所占 的比例.其模型的得出是建立在岩心薄片分析基础 之上的. Aguilera(2003)将Ragland(2002)模型与其双 孔隙模型作了对比,认为双孔隙模型更具有普遍意 义 . 2.6 Gomez Rivero模型 Gomez Rivero(1981)模型是建立在以下假设 条件下的:假定总孔隙度小于7%时,次生孔隙度来 自裂缝;当总孔隙度大于7%时,次生孔隙度来自孔 洞 .孔隙结构指数用 m i 。 :2.0+0.125×[1一(咖 /4, )]× ( ---7) (21) 计算.式中, 为泥岩校正过的总孔隙度; 为泥 岩矫正过的声波孔隙度. Oscar Dario(2002) 等基于 Gomez Rivero(1981)模型,利用双水模型对墨西哥复杂碳 酸盐岩进行了研究 ,效果良好. 上述介绍了国外在m值计算模型方面的进展, 国内众多学者在此方面也付出了不懈的努力.2006 年,潘保芝在其“裂缝和孔洞型储层孔隙模型的理 论进展”一文中对国内学者在孔隙结构指数方面的 研究进展进行了总结 J,结合其工作,在进一步补 充文献调研结果的基础上,综述国内现状如下:张旭 (2003)提出针对岩石颗粒大小动态求取m值 j. 李瑞(2004)通过岩电实验研究认为,孔隙度与孑L隙 结构指数m之间呈函数关系,建立了可变m值的含 水饱和度方程 ;储昭宏(2005)详细研究了不同 孔隙类型的碳酸盐岩储层的孔隙结构指数m、地层 因素 和孔隙度的关系,根据得出m值经验公式进 一步计算了碳酸盐岩储层的含气饱和度 ;张明禄 (2005)探讨了通过储层分类计算可变m值 ;徐 一6一 西安石油大学学报(自然科学版) 朝晖(2005)采用Maxwell—Garnet电导率模型评价 双孔隙结构对电阻率的影响,推导出了可变m【3引. 高永德等(2008)结合岩电实验,从理论上研究了这 一现象,并研究碳酸盐岩孔隙结构参数对m值的影 响规律 . 此外,陶果(2005),范宜仁(1997)等也做了此 方面的研究[舭 .在上述文献调研的基础上结合文 献的观点,认为国外对于m值的计算均是建立在根 据岩石物理分析建立的孔隙模型之上,而国内对于 m值的研究多没有基于孔隙模型. 3现状分析及展望 1942年的阿尔奇公式是建立在单一孔隙模型 之上的,对于纯砂岩地层,m值为定值,当面临的对 象为碳酸盐岩等次生孔隙发育的储层时,由于多种 孔隙空间并存,m值不再为定值.60多年来,通过众 多国内外学者的努力和探索,逐步建立了一系列孔 隙模型,并针对特殊的碳酸盐岩储层建立了实验室 经验公式,极大地加深了人们对于m值的认识和理 解.总之,关于碳酸盐岩孔隙模型及孔隙结构指数的 研究发展有以下几个特征: (1)从模型研究的对象来看,初期主要集中在 基质孔隙和裂缝孔隙的双孔隙介质,随着对溶洞认 识的逐渐加深,溶洞的因素被考虑进来,逐渐形成了 针对基质孔隙、裂缝孔隙、溶洞孔隙3种不同储集空 间的研究格局. (2)从模型研究的侧重点来看,集中在基质孔 隙、裂缝孔隙、溶洞孔隙的存在对于岩石导电路径的 影响.基于此才提出了串并联的思路,而对于孔、洞、 缝以及裂缝倾角等因素对于岩石导电性的定量影响 直到有效介质理论发展起来后有所加强,仍需要进 一步加强. (3)从导电机理上来看,多沿用串并联的思想, 即基质孔隙与连通孔洞孔隙并联、基质孔隙与非连 通孔洞孔隙串联的方式,刘瑞林(2006)利用深浅侧 向的正负差异将裂缝的高、低角度模式与串并联的 先后顺序联系起来,是一大改进.基于H-B方程的 有效介质孔隙模型没有基于串并联思想. (4)从实用性看来,Aguilera(2003)双孔隙模型 和Aguilera(2004)三重孔隙模型虽然存在一些问 题,但仍是目前应用最为广泛的孔隙模型,针对其模 型中参数的求取,国内外学者做了大量工作,目前刘 瑞林(2008)基于深、浅侧向的正负差异,将串、并联 的顺序与裂缝的高低角度模式相联系,并通过塔河 地区的实际井处理得到了良好的效果,是Aguilera 模型的有益拓展.由于基于有效介质理论的孔隙模 型参数确定困难,所以一直停留在理论研究阶段. 今后对碳酸盐岩储层孔隙模型及孔隙结构指数 m的研究,应着重在以下方面进一步深入:①更加精 准的岩石物理实验作为模型的刻度手段;②更加精 细的不同孔隙类型(孔、洞、缝)导电机理的理论模 拟和分析作为理论依据;③更接近实际的碳酸盐岩 理论模型;④操作更简单的模型参数求取及应用. 参考文献: [1]强子同.碳酸盐岩储层地质学[M].山东东营:中国石 油大学出版社,2007:38-42. [2]Herrick D C,Kennedy W D.Electrical efficiency—a pore geometric theory for interpreting the electrical properties of reservoir rocks[J].Geophysics,1994,59(6):918— 927. 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