巖石電阻率各向異性測試方法-編制說明

中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟團體標準

《巖石電阻率各向異性測試方法》

編制說明

標準編制工作組

2023年5月

一、工作簡況

1.1任務(wù)來源

根據(jù)《團體標準管理規(guī)定》和《中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟團體標準管理辦法》的要求，

結(jié)合2022年團體標準立項專家評審意見，中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟批準了中國石油西南

油氣田公司勘探開發(fā)研究院申報的《巖石電阻率各向異性測試方法》的團體標準立項，并

由該單位開展后續(xù)的團體標準制定工作。本項團體標準制定項目的批準號為GRMP-2022-

34，起始時間為2022年6月。

1.2起草單位、參編單位

本文件起草單位為：中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，

參編單位包括：頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室、中國石油集團測井有限公司地質(zhì)研

究院、西南石油大學(xué)、長江大學(xué)、電子科技大學(xué)、同濟大學(xué)、四川省地質(zhì)調(diào)查研究院、中

國礦業(yè)大學(xué)（北京）、畢節(jié)市工業(yè)和信息化局、武昌理工學(xué)院、四川科力特油氣技術(shù)服務(wù)

有限公司、中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司實驗檢測研究院。

1.3主要起草人

本文件主要起草人：張本健、唐志娟、何家歡、肖占山、周克明、李閩、肖文聯(lián)、唐

雁冰、唐軍、王華、劉堂晏、謝冰、賴強、鄒夢文、張清秀、張永浩、戚明輝、劉虎、師

素珍、張松、萬旸璐、黃媚、張燈、鄭玲麗、吳文河、彭旭、王子強。

二、制定（修訂）標準的必要性和意義

在漫長的地質(zhì)演化過程中，經(jīng)歷沉積、成巖及后期構(gòu)造等作用，地層巖石普遍存在各

向異性，導(dǎo)致地層不同方向上的巖石電阻率亦存在差異。早在1934年，斯倫貝謝等人從

野外觀測中注意到垂直于地質(zhì)走向巖石的電阻率是平行于地質(zhì)走向巖石電阻率的2到40

倍，他們認為電流更容易通過充滿地層水的裂縫，同時更能平行于地質(zhì)走向通過。國內(nèi)電

阻率各向異性研究起始于20世紀80年代，陳大元等人研究了長方體巖石受力致裂過程中，

電阻率隨應(yīng)力產(chǎn)生的各向異性變化，隨后，許多學(xué)者參與到電阻率各向異性的測試及研究

工作。

1

傳統(tǒng)的巖石電阻率各向異性測試是基于長方體巖樣，測量方向為3個正交方向，針對

圓柱體巖樣只能測定軸向的電阻率。而取心巖樣普遍為圓柱形巖樣，通過旋轉(zhuǎn)巖樣，可測

量圓柱形的徑向多個方位的電阻率。基于圓柱體巖樣徑向電阻率的測試需求，標準起草單

位建立了徑向電阻率計算公式、計算方法、實驗方法，研發(fā)了實驗裝置，并通過實驗測試、

數(shù)值模擬等驗證了其可行性和準確性，實現(xiàn)了圓柱體巖樣各向異性的測定。

標準中涉及的技術(shù)已成功應(yīng)用于四川盆地頁巖氣藏、深層海相碳酸鹽巖氣藏，以及中

國南海砂巖氣藏的勘探開發(fā)研究，為水平井、大斜度井電測井評價提供了實驗數(shù)據(jù)；在四

川頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司獲得應(yīng)用，支撐了現(xiàn)場生產(chǎn)。標準中涉及的技術(shù)具有實用

性、普適性和經(jīng)濟性，除在油氣行業(yè)獲得應(yīng)用外，獲得了土木工程、巖土工程、鐵道工程

的廣泛關(guān)注，在煤炭、有色金屬、材料和地熱、礦產(chǎn)資源勘查等領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。

表1中統(tǒng)計了目前國內(nèi)外涉及巖石電阻率測試的相關(guān)標準信息。其中，國內(nèi)現(xiàn)有的涉

及巖石電阻率參數(shù)測定標準：SY/T5385-2007《巖石電阻率參數(shù)實驗室測量及計算方法》，

規(guī)范的是柱塞樣品軸向電阻率測定；DZ/T0276.16-2015《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程第

16部分：巖石體積電阻率和表面電阻率試驗》，規(guī)范的是長方體巖樣在烘干后的兩平行

端面之間的電阻率測定。國外僅印度發(fā)布有IS14436-1997《GuidelinesonDeterminationof

ResistivityofRockSpecimen（巖石試樣電阻率實驗室測定方法）》，該標準亦未涉及巖石

不同方向的電阻率測試。本項標準基于自主建立的圓柱體巖樣徑向電阻率計算公式和實驗

方法，規(guī)定了實驗室制備成長方體、圓柱體形狀的各種類型巖石，測定并計算巖石在任意

含水或烘干條件下的不同方向的電阻率，具體信息見表1。

2

表1涉及巖石電阻率測試標準

序含水飽

國家標準號標準名稱樣品規(guī)定測試方向

號和度

SY/T5385-巖石電阻率參數(shù)實驗室

1中國柱塞巖樣軸向未規(guī)定

2007測量及計算方法

巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗

DZ/T0276.16-規(guī)程第16部分：巖石軸向（單向，兩

2中國長方體巖樣烘干

2015體積電阻率和表面電阻平行端面）

率試驗

Guidelineson

Determinationof原始含

3印度IS14436-1997柱塞巖樣軸向

ResistivityofRock水狀態(tài)

Specimen

長方體三個正交

巖石電阻率各向異性測長方體巖樣、

本項標準方向；圓柱體軸0~100%

試方法圓柱體巖樣

向、徑向多方位

本項標準規(guī)定了長方體、圓柱體巖石不同方向電阻率的測定方法，以及主要儀器設(shè)備、

樣品處理、實驗報告等內(nèi)容。本項標準的制定將有助于：1）彌補電阻率各向異性測試標

準的空白；2）統(tǒng)一和規(guī)范巖石不同方向電阻率的測定，實現(xiàn)長方體、圓柱體巖樣電阻率

各向異性的測試；3）為不同行業(yè)的研究人員提供可復(fù)制推廣的普適性技術(shù)，支撐多行業(yè)、

多領(lǐng)域的研究工作；4）因徑向電阻率測定技術(shù)是國際上首項，有利于提高我國在巖石電

阻率各向異性測試實驗技術(shù)體系上的話語權(quán)。

三、主要起草過程

（1）現(xiàn)已完成的工作內(nèi)容及時間：

2022年6月——2022年7月，資料收集及調(diào)研。主要完成工作有：①調(diào)研中國石油

西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院自2018年以來通過持續(xù)攻關(guān)，發(fā)明的徑向電阻率測試

技術(shù)以及建立的求解徑向電阻率的計算公式；②調(diào)研并統(tǒng)計在科研項目《頁巖氣藏儲層巖

石電學(xué)性質(zhì)研究》（基于四川省省部級項目，2020.05~2021.04）和《巖石電阻率各向異

性測定方法研究及裝置研制》（中國石油西南油氣田分公司，2021.01~2022.06）中完成

的主要電阻率相關(guān)成果，即：針對圓柱體巖樣，基于建立的徑向電阻率計算公式，研制了

3

電阻率各向異性實驗裝置，開展了徑向電阻率及軸向電阻率的實驗測試及驗證工作；針對

長方體巖樣，開展了三個正交方向的實驗測試及驗證工作；③調(diào)研了解國內(nèi)外涉及電阻率

的相關(guān)標準，及電阻率各向異性測試的實驗需求。

2022年8月，基于調(diào)研、實驗測試及驗證結(jié)果，開展了本項標準相關(guān)文件的擬稿工

作，形成文件初稿。

2022年9月，起草單位召開內(nèi)部討論會，并通過電話、郵件、網(wǎng)絡(luò)等方式，與西南

石油大學(xué)、電子科技大學(xué)、長江大學(xué)等單位進行詳細咨詢討論，形成標準討論稿和編制說

明。

2022年9月——10月，針對標準討論稿，在標準的參與單位之間開展意見征求工作。

共發(fā)出13個單位，收到反饋意見11家：中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司

勘探開發(fā)研究院、頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室、中國石油集團測井有限公司地質(zhì)

研究院、長江大學(xué)、同濟大學(xué)、西南石油大學(xué)、四川省地質(zhì)調(diào)查研究院、中國礦業(yè)大學(xué)

（北京）、畢節(jié)市工業(yè)和信息化局、武昌理工學(xué)院、四川科力特油氣技術(shù)服務(wù)有限公司，

共收到修改意見43條。

2022年11月——2023年3月，起草單位召開會議，通過討論決定采納修改意見39

條、不采納4條，給出了采納/不采納理由，并根據(jù)專家意見對討論稿進行進一步的修改

完善，形成征求意見稿初稿。

2023年4月，召集本項標準的起草人，召開了線上、線下相結(jié)合的研討會，再次對

標準相關(guān)文件進行審查。根據(jù)會議研討結(jié)果，結(jié)合試驗結(jié)果、數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對標準相關(guān)文件

做進一步優(yōu)化及調(diào)整，形成征求意見稿。其中，根據(jù)專家意見，將標準名稱修定為《巖石

電阻率各向異性測試方法》。

（2）預(yù)期完成工作內(nèi)容及時間：

2023年6月，形成標準送審稿。

2023年9月，完成標準報批稿。

4

四、制定（修訂）標準的原則和依據(jù)

文件編寫格式及內(nèi)容符合GB/T1.1-2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的

結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定要求編寫，并力求標準具有“簡潔性、通用性、指導(dǎo)性、引導(dǎo)性

和可擴展性”的特點。

本標準制定過程中，主要參考了DZ∕T0276.16《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程第16

部分：巖石體積電阻率和表面電阻率試驗中》、SY/T5385《巖石電阻率參數(shù)實驗室測量

及計算方法》的部分內(nèi)容。

五、與現(xiàn)行有關(guān)法律、法規(guī)和標準的關(guān)系

本標準符合GB/T1.1-2020的規(guī)定，與現(xiàn)行有關(guān)法律、法規(guī)和標準具有協(xié)調(diào)性，不存

在相沖突的情況。

六、標準主要內(nèi)容說明

《巖石電阻率各向異性測試方法》適用于常溫常壓條件下，長方體巖石三個正交軸方

向、圓柱體巖石軸向和徑向多方向電阻率的測試。本規(guī)定了長方體、圓柱體巖石不同方向

電阻率的測試方法，以及主要儀器設(shè)備、樣品處理、實驗報告等內(nèi)容。

6.1主要儀器設(shè)備、參數(shù)、公式

（1）主要儀器設(shè)備

巖石電阻率各向異性測試裝置主要由兩部分組成：巖樣夾持器和電阻測試儀器。巖樣

夾持器的主要構(gòu)件包括：支架、電極、壓塊等。

軸向電阻率巖樣夾持器結(jié)構(gòu)參見圖1，徑向電阻率巖樣夾持器結(jié)構(gòu)參見圖2，巖樣夾

持器具有調(diào)節(jié)接觸電極片和巖石被測面接觸力的功能，保證電極與被測巖樣具有良好的接

觸性。電阻測試儀器包括：檢流計、高阻計、數(shù)字電橋（直流模式）等，根據(jù)實驗樣品和

用戶需求自主選擇。

5

說明：說明：

1——旋轉(zhuǎn)手輪；2——支架；1——可調(diào)節(jié)鎖扣；2——曲面壓塊；

3——壓塊；4——電極；3——海綿；4——電極；

5——巖樣；5——巖樣；6——分度盤；

A、B——接線端子。7——支架；

A、B——接線端子。

圖1軸向電阻率巖樣夾持器示意圖圖2徑向電阻率巖樣夾持器示意圖

（2）參數(shù)及公式

根據(jù)歐姆定律得到被測樣品不同方向的電阻值。采用電阻定律計算得到長方體巖樣三

個正交軸向、圓柱體巖樣軸向電阻率。在圓柱體巖樣徑向電阻率測定中，采用曲面電極片

與樣品側(cè)面接觸，徑向電阻率采用歐姆定律的微分形式和電荷守恒定律計算得到。

1）長方體巖樣X、Y、Z三個正交軸向及圓柱體巖樣軸向的電阻率計算公式見式

（1）。其中，L按測量對象可以?。篴（長方體巖樣長度）、b（長方體巖樣寬度）、c

（長方體巖樣高度）、l（圓柱體巖樣長度）。

AR

=t0.01…………（1）

tL

式中：

在溫度時，巖樣的電阻率，單位為歐姆米（）

t——t·Ω·m

A——巖樣的端面面積，單位為平方厘米（cm2）

L——電極距（巖樣兩測量端面間的距離），單位為厘米（cm）

在溫度時，巖樣的電阻，單位為歐姆（）

Rt——tΩ

6

2）圓柱體巖樣徑向電阻率計公式為式（2）和式（3），公式的詳細推導(dǎo)過程見參考

文獻[1]。在徑向電阻率計算中，當接觸巖心的曲面電極片弧心角為90°（見圖3），即

K

1

=45時，K'，計算公式（2）可簡化為式（4）。

K

lR0.01…………（2）

tK't

1dt（）

K…………3

0222

其中，1t1t

式中：

——接觸巖樣的曲面電極片弧心角補角的一半，單位為度（°）

K——第一類完全橢圓積分

K'——K的導(dǎo)數(shù)

l——圓柱體巖樣的長度，單位為厘米（cm）

（）

t=lRt0.01…………4

說明：a、b——接線端子。

圖3曲面電極片弧心角為90°示意圖

）因電阻率受溫度的影響，實驗結(jié)束后，當需將巖樣的電阻率換算至某一目標溫

3t

度T下的值，換算公式見式（5）。

t21.5

=…………（5）

TtT21.5

式中：

目標溫度下巖樣的電阻率，單位為歐姆米（）

T——T·Ω·m

T——目標溫度，單位為攝氏度（℃）

7

t——測量時的溫度，單位為攝氏度（℃）

6.2試驗方法

巖石電阻率各向異性測試包括以下實驗步驟：

（1）巖樣的制備與處理

巖樣選?。焊鶕?jù)實驗需求，確定選取巖樣的位置和數(shù)量，所選取的巖樣應(yīng)具有代表性。

巖樣制取：按SY/T5385規(guī)定執(zhí)行巖樣鉆取、切割、磨平工作。制取長方體巖樣時，應(yīng)確

保制取的巖樣的對立面平整且互相平行；制取圓柱體巖樣時，應(yīng)確保制取的巖樣的上下兩

端面平整，且垂直于軸線，制取樣品的質(zhì)量滿足SY/T5385規(guī)定。巖樣編號：對巖樣進

行唯一性編號。巖樣測量方向標定：長方體巖樣測量方向可為X、Y、Z三個軸向方向，

見圖4，觀察巖樣裂縫、層理、導(dǎo)電礦物等發(fā)育特性，確定測量方向，并在相應(yīng)測量端面

上分別標記X、Y、Z；圓柱體巖樣測量方向為軸向及徑向多個方向，見圖5，觀察巖樣

裂縫、層理、導(dǎo)電礦物等發(fā)育特性，設(shè)計并確定徑向測量方向，并在巖樣端面標記徑向測

量的起始方向（參見圖5（b）中帶箭頭實線），并記為0°，從起始方向沿巖樣圓周旋轉(zhuǎn)

至第二徑向測試方向進行測量，如有多個徑向測試方向，依次旋轉(zhuǎn)測量。

（說明：a、b、c分別為長方體的長、寬、高）

圖4長方體巖樣測量方向標定示意圖

8

軸向

（a）軸向測量方向（側(cè)面圖）（b）徑向測量方向，以每旋轉(zhuǎn)30°測量為例（端面圖）

圖5圓柱體巖樣測量方向示意圖

巖樣幾何尺寸測量：用分度值為0.01mm的游標卡尺測量長方體巖樣的長a、寬b、

高c，測量圓柱體巖樣的長度l和直徑D，將測量的尺寸填寫于數(shù)據(jù)表中，測量要求參照

SY/T5385的規(guī)定執(zhí)行。烘干巖樣準備：根據(jù)實驗需求，當需要測量烘干條件下的巖樣電

阻率各向異性時，按DZ∕T0276.16規(guī)定烘干巖樣并保存。含水巖樣準備：根據(jù)實驗需求，

當需要測量含水條件下的巖樣電阻率各向異性時，按SY/T5385規(guī)定建立含水飽和度。

（2）電阻測試

在巖樣夾持器上安裝電極片，當需測量巖樣軸向電阻時，安裝與接觸面尺寸相符的

平面電極片；當需測量巖樣徑向電阻時，安裝與巖樣側(cè)面接觸面尺寸相符的弧心角為90°

的曲面電極片。根據(jù)選用的電阻測試儀器性能要求，校準并使用。連接巖樣夾持器和電阻

測試儀器。

長方體巖樣電阻測量：將巖樣裝入夾持器，測量X軸方向的穩(wěn)定電阻；轉(zhuǎn)動巖樣，

測量Y和Z軸方向的穩(wěn)定電阻；將測得的電阻數(shù)據(jù)和實驗溫度填寫于數(shù)據(jù)表中。

圓柱體巖樣電阻測量：按徑向測量起始方向裝好巖樣，測量其穩(wěn)定電阻，旋轉(zhuǎn)巖樣，

測量徑向不同方向的穩(wěn)定電阻；按長方體軸向測量步驟，測量圓柱體巖樣軸向方向的穩(wěn)定

電阻；將測得的電阻數(shù)據(jù)和實驗溫度填寫于數(shù)據(jù)表中。

（3）數(shù)據(jù)處理

長方體巖樣X、Y、Z三個正交軸向及圓柱體巖樣軸向的電阻率計算公式見式（1）；

接觸巖心的曲面電極片弧心角為90°，圓柱體巖樣徑向電阻率的計算公式見式（4）；當

需將巖樣的電阻率換算至某一目標溫度T，換算公式見式（5）。最后，繪制長方體巖樣、

圓柱體巖樣對應(yīng)的電阻率各向異性圖，參見圖6、圖7。

9

圖6長方體巖樣電阻率各向異性示意圖（目標溫度條件下）

圖7圓柱體巖樣電阻率各向異性示意圖（目標溫度條件下）

6.3主要試驗（驗證）分析

長方體巖樣三個正交軸向、圓柱體巖樣軸向的測試及計算采用的是傳統(tǒng)電阻率測試技

術(shù)，本節(jié)主要介紹針對徑向電阻率、圓柱體巖樣電阻率各向異性測試開展的實驗及驗證分

析工作。

基于四川省省部級項目：2020ZYD062《頁巖氣藏儲層巖石電學(xué)性質(zhì)研究》

（2020.05~2021.04），西南油氣田分公司項目：20210301-28《巖石電阻率各向異性測定

方法研究及裝置研制》（2021.01~2022.06），開展了系列相關(guān)實驗研究，主要驗證分析

內(nèi)容如下：

（1）標準電阻箱驗證數(shù)字電橋準確性

本實驗采用的是數(shù)字電橋（直流模式），如圖8所示。開機前需確保環(huán)境溫度控制在

10oC~30oC，檢查儀器各功能、顯示器、端子等正確無誤，開始測試前儀器需預(yù)熱至少30

分鐘，預(yù)熱后正確地對儀器進行開路、短路清零，設(shè)置測試量程為“AUTO”選項，再接入

標準電阻器進行準確性測試。

10

圖8數(shù)字電橋

采用圖標準電阻箱（六組開關(guān)）對電橋及電阻率各向異性測試裝置進行校準。電阻箱

的阻值設(shè)置范圍為001~111111.11Ω，最小步進值為0.01Ω。從表3中的數(shù)據(jù)可以得到：使

用數(shù)字電橋測得的值與標準電阻設(shè)定值的相對誤差最大為0.10%，即使用的數(shù)值電子橋測

得的數(shù)據(jù)準確且穩(wěn)定。

表3標準電阻箱校準測試數(shù)據(jù)表

電阻器設(shè)定值，Ω500004700300.047.0033.00

第一次測試，Ω500124709300.246.9033.02

第二次測試，Ω500064706300.547.0633.09

第三次測試，Ω499864701300.546.9133.01

第四次測試，Ω500124700300.147.0332.99

第五次測試，Ω500314699300.047.0133.05

平均值，Ω500094703300.346.9833.03

相對誤差，%0.020.060.090.040.10

（2）各向同性材料測定

選擇各向同性的硅碳棒進行徑向和軸向電阻值測試并計算電阻率。制定硅碳棒尺寸為

長4.00cm、直徑2.50cm，如圖9所示。使用電阻率各向異性測試實驗裝置分別測試了硅

碳棒的軸向和徑向兩個相互垂直的方向，測試數(shù)據(jù)見表4。測試數(shù)據(jù)顯示，徑向與軸向的

測試數(shù)據(jù)相對誤差僅為0.50%，證明了實驗方法及裝置的可靠性。

11

圖9各向同性硅碳棒

表4硅碳棒軸向與徑向電阻率測試數(shù)據(jù)

測試次數(shù)軸向徑向1徑向2

第一次測試，Ω·m4.7854.7604.759

第二次測試，Ω·m4.7864.7614.760

第三次測試，Ω·m4.7854.7594.760

第四次測試，Ω·m4.7844.7614.759

平均值，Ω·m4.7854.7604.760

注：為較精確計算測試數(shù)據(jù)的相對誤差，表中電阻率保留了4位有效數(shù)字。

（3）各向異性特征較弱的巖石樣品對比實驗

選擇不同方向滲透率數(shù)值相近的全直徑砂巖巖樣，見表5，此樣品各向異性較弱，并

對樣品開展徑向與軸向的電阻率測試數(shù)據(jù)的比對。測得不同飽和度下的各向電阻率數(shù)據(jù)結(jié)

果見圖10。圖中，1號和2號樣品徑向方向的電阻率數(shù)據(jù)相近，含水飽和度100%時，軸

向與徑向電阻率值相近，隨著含水飽和度降低，因水微觀分布影響。軸向電阻率略低于徑

向。與巖樣各向異性弱的特征相符，進一步驗證了電阻率各向異性測試實驗裝置的可靠性。

12

表5砂巖樣品不同方向滲透率值數(shù)據(jù)表

樣品軸向

樣品樣品長度徑向滲透徑向滲透率

層位直徑滲透率12

編號（cm）率（mD）（mD）

（cm）（mD）

1#沙溪廟組10.09410.0650.2510.5560.495

2#沙溪廟組9.99410.4650.3460.6440.767

（a）1號（b）2號

圖10全直徑砂巖樣品在25℃條件下的電阻率各向異性圖

選擇各向異性較弱的砂巖柱塞樣進行徑向與軸向測試數(shù)據(jù)的比對，徑向1方向垂直徑

向2，測得不同飽