低頻巖石物理頻散衰減測試方法-編制說明

2一、工作簡況1.任務(wù)來源近年來，雖然已有諸多考慮巖石的流體流動機制建立的巖石物理理論用于預(yù)測與流體相關(guān)的頻散和衰減，但是大多缺乏相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)來驗證，這對將巖石物理理論應(yīng)用于頻率相關(guān)的地震頻散反演及分析造成了困難。因此借助應(yīng)力-應(yīng)變跨頻段設(shè)備的測量結(jié)果來尋找一種能夠更加準(zhǔn)確預(yù)測飽和流體多孔巖石中地震波頻散與衰減規(guī)律的巖石物理理論。本文件的制定任務(wù)主要來源于自選課題，并得到了國家科技重大專項課題“下古生界－前寒武系地球物理勘探關(guān)鍵技術(shù)研究”和國家自然科學(xué)基金“針對碳酸鹽巖儲層的跨頻段（從地震頻率—超聲頻率）巖石物理實驗與建模研究”以及“跨頻段巖石物理實驗與理論驅(qū)動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(以下簡稱中綠盟)發(fā)布了《關(guān)于征集2022年度團體標(biāo)準(zhǔn)項目的通知》。按照通知要求，項目組提交了《低頻巖石物理頻散衰減測試方法》的中綠盟團體標(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年度團體標(biāo)準(zhǔn)制訂計劃》。2.起草單位、參編單位本文件起草單位：中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院本文件參編單位：中國石油大學(xué)（北京）3、主要起草人文件的主要起草人：李闖、趙建國、潘樹新、王斌、曲永強、李智、王宏斌、閆博鴻、田雷、張宇、王國棟、姚清洲、豐超、王振卿、李慧珍、房啟飛。表1主要起草人所做的主要工作序號姓名工作單位主要工作1李闖中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院可行性調(diào)研，參編人員協(xié)調(diào)分工2趙建國中國石油大學(xué)（北京）項目主要技術(shù)負責(zé)人，制定技術(shù)路線設(shè)計3潘樹新中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院項目主要文案負責(zé)人，組織分工章節(jié)撰寫，按照標(biāo)準(zhǔn)格式統(tǒng)稿4王斌中國石油大學(xué)（北京）負責(zé)巖心處理標(biāo)準(zhǔn)化工作，撰寫巖心處理相關(guān)文案5中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院協(xié)助巖心處理工作6李智中國石油大學(xué)（北京）負責(zé)室內(nèi)實驗設(shè)備操作，撰寫實驗測試相關(guān)文案7王宏斌中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院協(xié)助實驗測試相關(guān)工作8閆博鴻中國石油大學(xué)（北京）負責(zé)實驗中理論分析，撰寫文案中理論相關(guān)章節(jié)9中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院輔助理論分析，開展立項論證前期文獻調(diào)研張宇中國石油大學(xué)（北京）協(xié)助室內(nèi)試驗和理論分析王國棟中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院協(xié)助室內(nèi)試驗和理論分析姚清洲中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院協(xié)助室內(nèi)試驗和理論分析豐超中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院協(xié)助室內(nèi)試驗和理論分析王振卿中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院協(xié)助室內(nèi)試驗和理論分析李慧珍中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院協(xié)助室內(nèi)試驗和理論分析房啟飛中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院協(xié)助室內(nèi)試驗和理論分析二、制定標(biāo)準(zhǔn)的必要性和意義當(dāng)前雖然已有諸多考慮巖石的孔隙結(jié)構(gòu)以及可能的流體流動機制建立的巖石物理理論用于預(yù)測與流體相關(guān)的頻散和衰減，但是大多缺乏相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)來驗證，這是由于傳統(tǒng)的對巖石彈性性質(zhì)的實驗測量通常是在超聲頻率下完成的，和地震頻段不符合，這對將巖石物理理論應(yīng)用于頻率相關(guān)的地震頻散反演及分析造成了困難，所以有必要更準(zhǔn)確地測量頻散和衰減來更好地識別不同性質(zhì)的孔隙流體。因此借助應(yīng)力-應(yīng)變跨頻段設(shè)備的測量結(jié)果來尋找一種能夠更加準(zhǔn)確預(yù)測飽和流體多孔巖石中地震波頻散與衰減規(guī)律的巖石物理理論，并研究這些性質(zhì)對地震響應(yīng)的影響是依賴頻率的地震分析及疊前反演的前提與基礎(chǔ)。而本文件基于室內(nèi)實驗，提出一套適用于低頻巖石物理頻散與衰減的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它可為測量低頻情況下的流體的頻散和衰減提供統(tǒng)一的技術(shù)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。5三、主要起草過程1、前期準(zhǔn)備2021年12月-2022年4月，開展了前期研究與資料收集工作，包括巖石物理頻散模型、應(yīng)力-應(yīng)變跨頻段巖石物理測量技術(shù)、跨頻段測量與理論計算對比分析，探討立項的必要性和結(jié)構(gòu)要點，為本標(biāo)準(zhǔn)編制打下了良好基礎(chǔ)。2、標(biāo)準(zhǔn)立項2022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)起草團隊，標(biāo)準(zhǔn)起草團隊就《低頻巖石物理頻散衰減測試方法》團體標(biāo)準(zhǔn)研制工作召開了專題會議，擬定了標(biāo)準(zhǔn)編制工作方案，對標(biāo)準(zhǔn)編制工作進行總體部署和任務(wù)分工，力求科學(xué)性和實用性。3、確定標(biāo)準(zhǔn)編制原則標(biāo)準(zhǔn)編制團隊在充分研究國內(nèi)現(xiàn)有的綠色礦山發(fā)展相關(guān)政策及要求，對比巖石物理實驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并在結(jié)合流體的頻散和衰減的性質(zhì)的基礎(chǔ)上，確定了本標(biāo)準(zhǔn)的編制原則。4、標(biāo)準(zhǔn)起草過程①立項。2022年7月，成立標(biāo)準(zhǔn)起草團隊，召開專題會議，擬定了標(biāo)準(zhǔn)編制工作方案，對標(biāo)準(zhǔn)編制工作進行總體任務(wù)部屬和任務(wù)分工，力求科學(xué)性和實用性。②擬定初稿。2022年10月，標(biāo)準(zhǔn)起草團隊在中國知網(wǎng)等網(wǎng)站廣泛收集國內(nèi)外有關(guān)低頻巖石物理實驗評價的法律法規(guī)、規(guī)章、相關(guān)政策文件、標(biāo)準(zhǔn)，以及網(wǎng)站報道，期刊論文等材料，并對其進行綜合分析整理，搭建了標(biāo)準(zhǔn)編制的框架，完成了標(biāo)準(zhǔn)初稿。③實驗論證。2022年7月-2022年11月，進行相應(yīng)的巖石物理低頻實驗，研究測定方法、分級要求等具體問題，對標(biāo)準(zhǔn)初稿進行內(nèi)容填充和細節(jié)完善。④內(nèi)部研討。2022年12月，標(biāo)準(zhǔn)起草團隊就標(biāo)準(zhǔn)初稿召開了多次內(nèi)部討論會，對標(biāo)準(zhǔn)進行反復(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)研制重點方向。⑤確定終稿。2022年12月-2023年3月，在相關(guān)討論和修改的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗結(jié)果、數(shù)據(jù)統(tǒng)計，最終確定了標(biāo)準(zhǔn)的終稿。四、制定標(biāo)準(zhǔn)的原則堅持高起點、嚴(yán)要求與適宜性、可操作性相結(jié)合原則。高起點即標(biāo)準(zhǔn)編制所涉及的原材料及產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)不低于目前國內(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，又要有一個適宜的范圍與程度，從而提高標(biāo)準(zhǔn)貫徹實施的可操作性。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)化文件無沖突。六、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容說明本標(biāo)準(zhǔn)提出了適用于低頻巖石物理頻散衰減測試的測試方法，主要包括室內(nèi)指標(biāo)的測定及分級要求等內(nèi)容，適用于利用室內(nèi)實驗和相關(guān)計算，對樣品在低頻條件下測定流體的頻散和衰減。本標(biāo)準(zhǔn)中涉及的主要的技術(shù)指標(biāo)和調(diào)研報告如下：附件1:《測量原理》；附件2:《儀器設(shè)備》；附件3:《樣品制備》；附件4:《樣品安裝》；附件5:《測試步驟》；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)起草團隊成員為主，成立標(biāo)準(zhǔn)宣貫小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)，爭取標(biāo)準(zhǔn)頒布實施后盡快在低頻巖石物理實驗中推廣應(yīng)用。測量原理低頻測量的原理基于胡克定律（應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系）。直接測量彈性常數(shù)而不是速度。在各向同性介質(zhì)中，只有兩個獨立的彈性常數(shù)。為了利用成熟的應(yīng)變片測量技術(shù)，選擇楊氏模量E和泊松比v。正弦應(yīng)力場垂直施加到巖心樣品上。將一組應(yīng)變片垂直粘貼在標(biāo)準(zhǔn)樣品上，兩組應(yīng)變片垂直和水平地附著在樣品表面上，直接測量獲得的分別為粘貼在標(biāo)準(zhǔn)鋁樣的縱向應(yīng)變εAl、巖石樣品表面平行于應(yīng)力的應(yīng)變εrv和垂直于應(yīng)力的應(yīng)變εrh。這樣可以根據(jù)巖石與標(biāo)準(zhǔn)鋁樣的等應(yīng)力過程計算得到巖石的楊氏模量，并根據(jù)其相位數(shù)據(jù)計算衰減的大小。儀器設(shè)備低頻巖石物理實驗設(shè)備和測試流程如圖1所示。圖1低頻實驗測試流程低頻巖石物理測量系統(tǒng)總共包括計算機控制系統(tǒng)、信號發(fā)生與接收系統(tǒng)、溫度和壓力加載系統(tǒng)、流體驅(qū)替系統(tǒng)，具體由以下各個儀器組成：2.1函數(shù)發(fā)生器；2.2電信號功率放大器；2.3激振器；2.4應(yīng)變片；2.5接收信號放大器；2.6高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器；2.7溫度控制系統(tǒng)：溫度控制器、高溫高壓釜、高精度溫度傳感器；2.8壓力加載系統(tǒng)：氮氣儲氣罐、耐高壓流體管線、加壓泵、高精度壓力傳感器；2.9流體驅(qū)替系統(tǒng)：柱塞泵、蒸餾水、流體管線、回壓裝置；樣品制備低頻巖石物理實驗樣品制備流程如下：3.1首先，保證巖芯端面平整，在巖芯兩端粘貼鋁塊，如圖2所示：圖2巖芯兩端粘貼鋁塊3.2在四個相互垂直的對稱方向畫出應(yīng)變片粘貼位置；3.3巖芯兩端纏繞保護層：在巖芯兩端約25mm處用透明膠帶纏繞一圈避免后續(xù)工作中將巖芯兩端污染），中間留出約30mm的地方，為下道工序做準(zhǔn)備；3.4粘貼中間絕緣層：在巖芯中間約30mm處粘貼絕緣層。首先將環(huán)氧樹脂均勻的涂抹在絕緣膠帶上，然后將絕緣膠帶粘貼在巖芯的中間部位；3.5固化：為使絕緣膠帶很好的與巖芯粘接牢固，需要用透明膠帶將絕緣層的接口處粘住，注意用力要均勻，不然容易將環(huán)氧樹脂擠出。然后放置24小時，讓其自然固化；3.6巖芯中間纏繞保護層：將絕緣層接口處的透明膠帶除掉，然后用寬透明膠帶將絕緣層整個纏繞一圈，免除絕緣層受污染；3.7巖芯與粘接換能器粘接：將換能器及巖芯表面用酒精擦拭干凈，均勻的涂抹上環(huán)氧樹脂，使換能器與巖芯粘接在一起。粘接時注意：A一定要縱波對縱波，橫波對橫波，上下對齊；B將換能器中間的空隙用透明膠帶粘住以防環(huán)氧樹脂進入；C粘接時將換能器與巖芯固定牢固以防換能器滑動；3.8固化：將粘好換能器的巖芯放置24小時，讓其自然固化；3.9換能器纏繞保護層：將粘接在巖芯兩端的換能器上端約2cm處用透明膠帶纏繞一圈，以防受污染；3.10粘貼巖芯兩端絕緣層：將巖芯兩端起保護作用的透明膠帶除掉，把均勻涂抹環(huán)氧樹脂后的絕緣膠帶纏繞在巖芯兩端及換能器2/3位置上，并用膠帶將絕緣層接口處粘住，放置24小時，讓其自然固化；3.11換能器粘接應(yīng)變片：在換能器上粘貼垂直方向的應(yīng)變片2片；3.12巖芯上粘貼應(yīng)變片：在巖芯中間部分粘貼垂直方向和水平方向應(yīng)變片4對8片，應(yīng)變片如圖3；圖3應(yīng)變片3.13焊接應(yīng)變片和導(dǎo)線；3.14外表澆鑄環(huán)氧樹脂。附件4：樣品安裝低頻巖石物理實驗安裝樣品前，要清潔樣品上下兩端探頭和流體導(dǎo)管，用酒精擦拭探頭。注意不要讓膠體殘余落入流體導(dǎo)管，堵塞導(dǎo)管。直接安裝樣品和底部震源，調(diào)整震源位置，使震源能夠壓在樣品上同時在軸向上有足夠空間震動。此過程中需注意，考慮到波傳播的邊際效應(yīng)，應(yīng)盡量保證樣品中心軸與樣品軸重合。涂抹AB膠，使樣品固定在上下震源中。用螺絲將底部震源固定在金屬架上。靜止等待膠體凝將電橋與樣品表面應(yīng)變片和電信號接收系統(tǒng)連接。將輸出信號接入示波器，檢查信號波形的相位振幅是否符合預(yù)期。檢查通過后，用膠帶包裹金屬架，其目的是束縛金屬架內(nèi)的導(dǎo)線及電橋，防止在將金屬架放入腔體內(nèi)的時候，與腔壁摩擦損壞電路。附件5：測試步驟低頻巖石物理實驗樣品安裝完畢后，首先要進行壓力、溫度、流體驅(qū)替控制的設(shè)置，其步驟如下：5.1打開冷熱循環(huán)器總開關(guān)，打開并設(shè)置溫度。5.2檢查增壓系統(tǒng)的電腦主機，系統(tǒng)連接是否正常，打開電腦。5.3關(guān)閉高溫高壓釜的放氣閥門。5.4電腦操作增壓系統(tǒng)，設(shè)置加壓到約40MPa，測量思路是先加壓到最高圍壓，再加孔壓，測量后每降5MPa，再測量直到降為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。5.5當(dāng)圍壓加到待測的最高值時，停止加壓，不要關(guān)閉壓力控制系統(tǒng)，關(guān)閉進氣閥，關(guān)閉氮氣瓶閥門。5.6打開流體驅(qū)替管線，打開流體柱塞泵，可以根據(jù)流體柱塞泵注入的液體體積來粗略計算進入巖芯的液體，注意記錄控制面板上的液體體積變化；由于流體驅(qū)替系統(tǒng)管線和閥門比較多，有進液管線有出液管線，壓力監(jiān)測表，因此才操作的過程中一定要嚴(yán)格依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作流程操作，防止串壓、超壓，避免出現(xiàn)不當(dāng)操作。在系統(tǒng)調(diào)試階段還要檢測驅(qū)替裝置的氣密性，以保證流體驅(qū)替過程順利安全。設(shè)備設(shè)置完畢后進行數(shù)據(jù)采集，步驟如下：5.7打開