團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制說(shuō)明

高頻巖石物理實(shí)驗(yàn)及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)

High-frequencyrockphysicsexperimentsandestimationofporestructureparameters

起草單位：中國(guó)石油大學(xué)（北京）

起草時(shí)間：2024年7月1日

1

一、工作簡(jiǎn)況

1.任務(wù)來(lái)源

巖石的彈性性質(zhì)受孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、礦物成分、及流體性質(zhì)等多種因素的綜合影響，

其中孔隙結(jié)構(gòu)是影響巖石特性的重要因素.由于巖石孔隙空間分布十分復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)難以定

量表征，因此需要借助理想的幾何形狀對(duì)復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似處理，有必要系統(tǒng)研究孔

隙結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)，并借助高頻巖石物理實(shí)驗(yàn)，但目前國(guó)內(nèi)還缺乏相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，

因此有必要提供專門的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。本文件的制定任務(wù)主要來(lái)源于自選課題，并得到了國(guó)家

科技重大專項(xiàng)課題“下古生界－前寒武系地球物理勘探關(guān)鍵技術(shù)研究”和國(guó)家自然科學(xué)基金

“針對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的跨頻段（從地震頻率—超聲頻率）巖石物理實(shí)驗(yàn)與建模研究”以及“跨

頻段巖石物理實(shí)驗(yàn)與理論驅(qū)動(dòng)的地震速度頻散成像研究”的資助。

2022年7月20日，中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)綠盟(以下簡(jiǎn)稱中綠盟)發(fā)布了《關(guān)于征集2022

年度團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的通知》。按照通知要求，項(xiàng)目組提交了《高頻巖石物理實(shí)驗(yàn)及孔隙結(jié)構(gòu)

參數(shù)估計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)》的中綠盟團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)提案表。2022年8月1日，經(jīng)中綠盟研究決定,發(fā)布了

《2022年度團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制訂計(jì)劃》。

2.起草單位、參編單位

本文件起草單位：中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院、中國(guó)石油大學(xué)（北京）

本文件起草單位：中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院、中國(guó)石油大學(xué)（北京）

3、主要起草人

文件的主要起草人：李闖、趙建國(guó)、張宇、李智、肖增佳、閆博鴻。

表1主要起草人所做的主要工作

序號(hào)姓名工作單位主要工作

1李闖中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人

2趙建國(guó)中國(guó)石油大學(xué)（北京）項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人

3張宇中國(guó)石油大學(xué)（北京）負(fù)責(zé)理論分析

4李智中國(guó)石油大學(xué)（北京）負(fù)責(zé)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

5肖增佳中國(guó)石油大學(xué)（北京）負(fù)責(zé)室內(nèi)試驗(yàn)

6閆博鴻中國(guó)石油大學(xué)（北京）負(fù)責(zé)理論分析

二、制定標(biāo)準(zhǔn)的必要性和意義

巖石的彈性性質(zhì)受孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、礦物成分及流體性質(zhì)等多種因素的綜合影響，其

中孔隙結(jié)構(gòu)是影響巖石特性的重要因素。由于巖石孔隙空間分布十分復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)難以定

量表征，所以在對(duì)孔隙參數(shù)估計(jì)的過(guò)程中，如何選取有效的模型進(jìn)行孔隙參數(shù)估計(jì)十分重要，

合理選取有效模型估計(jì)孔隙參數(shù)對(duì)巖石孔隙結(jié)構(gòu)表征、流體飽和巖石速度預(yù)測(cè)以及孔間噴射

2

流效應(yīng)的模擬具有十分重要的意義。

所以，本文件基于室內(nèi)的巖石物理高頻實(shí)驗(yàn)，提出一套適用于高頻巖石物理實(shí)驗(yàn)及孔隙

結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)方法的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它可為孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的估計(jì)提供統(tǒng)一的技術(shù)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

三、主要起草過(guò)程

1、前期準(zhǔn)備

2022年12月-2023年4月，開(kāi)展了前期研究與資料收集工作，包括經(jīng)典巖石物理模型、

等效介質(zhì)理論、應(yīng)力-應(yīng)變高頻巖石物理測(cè)量技術(shù)，探討立項(xiàng)的必要性和結(jié)構(gòu)要點(diǎn)，為本標(biāo)準(zhǔn)

編制打下了良好基礎(chǔ)。

2、標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)

2023年8月，在中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的指導(dǎo)下，成立標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)，標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)

就《高頻巖石物理實(shí)驗(yàn)及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)研制工作召開(kāi)了專題會(huì)議，擬定

了標(biāo)準(zhǔn)編制工作方案，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)編制工作進(jìn)行總體部署和任務(wù)分工，力求科學(xué)性和實(shí)用性。

3、確定標(biāo)準(zhǔn)編制原則

標(biāo)準(zhǔn)編制團(tuán)隊(duì)在充分研究國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的綠色礦山發(fā)展相關(guān)政策及要求，對(duì)比巖石物理實(shí)驗(yàn)

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并在高頻巖石物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了本標(biāo)準(zhǔn)的編制原則。

4、標(biāo)準(zhǔn)起草過(guò)程

①立項(xiàng)。2023年7月，成立標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)，召開(kāi)專題會(huì)議，擬定了標(biāo)準(zhǔn)編制工作方案，

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)編制工作進(jìn)行總體任務(wù)部屬和任務(wù)分工，力求科學(xué)性和實(shí)用性。

②擬定初稿。2023年10月，標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)在中國(guó)知網(wǎng)等網(wǎng)站廣泛收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)低頻巖

石物理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的法律法規(guī)、規(guī)章、相關(guān)政策文件、標(biāo)準(zhǔn)，以及網(wǎng)站報(bào)道，期刊論文等材料，

并對(duì)其進(jìn)行綜合分析整理，搭建了標(biāo)準(zhǔn)編制的框架，完成了標(biāo)準(zhǔn)初稿。

③實(shí)驗(yàn)論證。2023年7月-2023年11月，進(jìn)行相應(yīng)的巖石物理高頻實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)

上，選取合適的巖石物理模型進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的估計(jì)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)初稿進(jìn)行內(nèi)容填充和細(xì)節(jié)完

善。

④內(nèi)部研討。2023年12月，標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)就標(biāo)準(zhǔn)初稿召開(kāi)了多次內(nèi)部討論會(huì)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)

行反復(fù)修改，形成了標(biāo)準(zhǔn)工作組討論稿，并明確了標(biāo)準(zhǔn)化需求和標(biāo)準(zhǔn)研制重點(diǎn)方向。

⑤確定終稿。2023年12月-2024年5月，在相關(guān)討論和修改的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果、

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、參數(shù)提取精度，最終確定了標(biāo)準(zhǔn)的終稿。

四、制定標(biāo)準(zhǔn)的原則

堅(jiān)持高起點(diǎn)、嚴(yán)要求與適宜性、可操作性相結(jié)合原則。高起點(diǎn)即標(biāo)準(zhǔn)編制所涉及的原材

3

料及產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)不低于目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量指標(biāo)；嚴(yán)要求即標(biāo)準(zhǔn)的編

制應(yīng)嚴(yán)格遵循GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的

規(guī)定及相關(guān)法律法規(guī)的要求；適宜性既要充分考慮到行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與特點(diǎn)，又要有一個(gè)適

宜的范圍與程度，從而提高標(biāo)準(zhǔn)貫徹實(shí)施的可操作性。

五、與現(xiàn)行有關(guān)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。

本標(biāo)準(zhǔn)符合國(guó)家環(huán)保、安全生產(chǎn)等方面的相關(guān)法律；

本標(biāo)準(zhǔn)符合GB/T1.1-2020中的規(guī)定；

本標(biāo)準(zhǔn)與其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化文件無(wú)沖突。

六、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容說(shuō)明

本標(biāo)準(zhǔn)提出了適用于高頻巖石物理實(shí)驗(yàn)及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)的技術(shù)要求，主要包括實(shí)驗(yàn)

指標(biāo)的測(cè)定及分級(jí)要求等內(nèi)容，適用于利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)計(jì)算，對(duì)樣品在高頻條件下進(jìn)行

測(cè)定，并對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有效提取。本標(biāo)準(zhǔn)中涉及的主要的技術(shù)指標(biāo)和調(diào)研報(bào)告如下：

附件1:《測(cè)量原理》；

附件2:《儀器設(shè)備》；

附件3:《樣品準(zhǔn)備》；

附件4:《測(cè)試步驟》；

附件5:《反演流程》；

七、貫徹標(biāo)準(zhǔn)的措施建議

1.組織措施

在中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的組織協(xié)調(diào)下，以標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)成員為主，成立標(biāo)準(zhǔn)宣貫小

組。

2.技術(shù)措施

組織撰寫標(biāo)準(zhǔn)宣貫材料，組織標(biāo)準(zhǔn)宣貫培訓(xùn)，爭(zhēng)取標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施后盡快在低頻巖石物理

實(shí)驗(yàn)中推廣應(yīng)用。

附件1：

測(cè)量原理

目前用于提取巖石孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)典方法為D-Z方法。該方法假設(shè)巖石由固體礦物基

質(zhì)、一組具有相同孔隙縱橫比的硬孔和多組孔隙縱橫比不同的軟孔構(gòu)成，并認(rèn)為壓力對(duì)固體

礦物基質(zhì)和硬孔的影響可以忽略不計(jì)；在此基礎(chǔ)上，利用干燥巖石的超聲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（即速度-

壓力關(guān)系）反演巖石硬孔縱橫比以及各組軟孔的孔隙縱橫比和體積百分比。D-Z方法的關(guān)鍵點(diǎn)

4

在于，以累積裂隙密度為橋梁，借助等效介質(zhì)理論將實(shí)驗(yàn)可測(cè)量的彈性模量與巖石微觀孔隙

結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。然而，D-Z方法直接采用單重孔隙裂隙密度公式來(lái)實(shí)現(xiàn)多重孔隙巖石累積

裂隙密度的計(jì)算，導(dǎo)致在許多情形下難以獲得良好的反演精度。本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)經(jīng)典D-Z方法進(jìn)行

了改進(jìn)，并提出種基于等效介質(zhì)理論的孔隙縱橫比分布反演方法，通過(guò)多個(gè)假想降壓過(guò)程實(shí)

現(xiàn)了多重孔隙巖石累積裂隙密度的準(zhǔn)確計(jì)算。

附件2：

儀器設(shè)備

2.1超聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及流程見(jiàn)圖1

圖1超聲實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

2.2測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括：左側(cè)部分為電腦-系統(tǒng)自動(dòng)化控制、波形讀取、

數(shù)據(jù)處理；中間部分為電子控制模塊包括示波器、信號(hào)發(fā)生器、溫度、壓力等控制；右側(cè)部

分為溫壓容器和巖芯加持部分提供圍壓、孔壓、溫度等實(shí)驗(yàn)條件，其中最關(guān)鍵的器件是產(chǎn)生

聲源和把聲波轉(zhuǎn)化電信號(hào)的超聲換能器，其決定了工作主頻、發(fā)射效力與接收靈敏度。

2.3測(cè)試過(guò)程及條件

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)樣品由膠套包裹，兩端安裝超聲換能器并固定在巖心夾持器上，整體置于裝

有液體（油）的圍壓容器中。實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)三軸變圍壓測(cè)量，由測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)的圍

壓測(cè)試條件為5-40MPa，壓力間隔為5MPa，采用降壓測(cè)量的方式，每個(gè)壓力點(diǎn)穩(wěn)定40min后開(kāi)

始人工讀取縱橫波速度的初至?xí)r間，測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)扣除聲波探頭對(duì)零時(shí)間。實(shí)驗(yàn)的流體條件

為干燥、25%、50%和92%等四個(gè)含油飽和度狀態(tài)，樣品飽和度由覆壓飽和裝置和稱重法進(jìn)行

控制，流體飽和度誤差為±2%。

2.4測(cè)試流程應(yīng)按下列步驟進(jìn)行

a)電腦端實(shí)驗(yàn)操作軟件中錄入巖芯基本信息；

b)巖心樣品裝填，保證夾持器上樣品端面與超聲換能器耦合；

c)軟件控制圍壓變化，控制增壓/降壓間隔與恒定時(shí)間；

d)拾取縱波和橫波的波形初至?xí)r間，生成速度測(cè)試結(jié)果。

附件3：

5

樣品準(zhǔn)備

地層取芯巖樣在低溫條件下采用線切割的方式切制成長(zhǎng)度為40mm-55mm之間、直徑為

25mm和38mm的柱塞樣。樣品長(zhǎng)度需滿為超聲波波長(zhǎng)的10倍左右，樣品過(guò)短可能引起礦物

顆粒間的散射作用。制成的柱塞樣品需進(jìn)行端面磨平，保證兩端面的傾角誤差為±2°。此外需

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)柱塞樣品進(jìn)行洗油處理，過(guò)程采用獨(dú)特的索氏抽提器分餾洗油法，以二氯甲烷(沸點(diǎn)

39.75°)作為萃取劑，洗油周期為20天。洗油后樣品在40℃恒溫干燥箱中干燥24小時(shí)后將樣

品用保鮮膜包裹置于裝有干燥劑的低溫箱中保存。

附件4：

測(cè)試步驟

1、超聲換能器的發(fā)射端和接收端分別放置在巖石樣品兩端，脈沖發(fā)生器激發(fā)電信號(hào)迫使發(fā)射

換能器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，該振動(dòng)穿透過(guò)樣品到達(dá)接收換能器并在示波器上顯示出來(lái)；

2、在示波器上拾取波形的初至?xí)r間t0,結(jié)合換能器本身的對(duì)零時(shí)間t_sys計(jì)算超聲波脈沖穿透

巖石樣品的時(shí)間Δt=t0-t_sys;

3、用巖石樣品的長(zhǎng)度L除以時(shí)差t，計(jì)算得到速度V，樣品的衰減信息，可以通過(guò)對(duì)比同樣

條件下超聲波穿透完全彈性樣品（鋁）和巖石樣品的振幅譜，利用譜比法得到;

4、改變壓力并重復(fù)上述步驟，獲得不同壓力下的縱、橫波速度。

附件5：

反演流程

5.1基于虛擬降壓的孔隙縱橫比分布反演流程圖2

圖2基于虛擬降壓的孔隙縱橫比分布反演流程圖

5.2基于虛擬降壓的孔隙縱橫比分布反演應(yīng)按下列步驟進(jìn)行

基于虛擬降壓的反演流程主要包括三部分:

5.2.1累積裂隙密度反演

根據(jù)假想降壓思路，我們將降壓過(guò)程分為N個(gè)變化狀態(tài)，在每個(gè)變化狀態(tài)，干