应力条件下多孔岩石有效应力系数与孔隙率同时测试方法

摘要

本发明公开了一种应力条件下多孔岩石有效应力系数与孔隙率同时测试方法，该测试方法通过孔压加载泵对岩石试样孔隙加压，同时定位泵内活塞位置记录泵内流体体积，利用泵内流体体积变化数据得到岩石试样孔隙体积数据，通过标准圆柱钢样标定试验消除试验设备孔压回路耗损流体体积对孔隙体积测量造成的误差。利用外部荷载和孔压加载过程中的岩石应变数据、应力数据以及孔隙体积变化数据得到岩石的有效应力系数和孔隙率参数。本发明通过改变不同的围压条件、偏压条件以及孔压条件，可测试多孔岩石在不同应力条件下的有效应力系数和孔隙率。

主权项

应力条件下多孔岩石有效应力系数与孔隙率同时测试方法，其特征在于，该测试方法包括耗损流体体积标定和多孔岩石有效应力系数与孔隙率的同时测试，测试方法按以下步骤进行：耗损流体体积标定a将直径50mm，高度100mm的标准圆柱钢样装入密封套管内，标准圆柱钢样上下端面均放置渗透钢片，将密封套管固定于三轴流变仪三轴室内压头(1)与底座(2)之间，在压头(1)与底座(2)之间安装LVDT(3)，在密封套管中间安装横向变形计(4)，分别采集标准圆柱钢样加载过程中的轴向变形和横向变形数据；b三轴流变仪底座(2)上的渗流通道入口(5)与孔压加载泵(7)用不锈钢管相连，压头上的渗透通道出口(6)通过三向阀门(9)与孔压加载泵(7)和真空泵(8)分别用不锈钢管相连，不锈钢管与密封套管形成孔压回路；c打开三向阀门(9)，启动真空泵(8)，对孔压回路抽真空30min以上，关闭三向阀门(9)结束抽真空过程，记录标定过程中孔压加载泵(7)内初始流体体积d打开围压阀门(10)施加围压到σ₃后，启动孔压加载泵(7)，以0.1cm³/min的流量向孔压回路注入，轴向变形和横向变形数据发生明显变化时，停止孔压加载泵(7)的工作，此时记录标定过程中孔压加载泵(7)的压力值p和泵内流体体积由此得到孔压回路的耗损流体体积V_u，即$V_u={\bar{V}}_0-\bar{V}$  式一多孔岩石有效应力系数与孔隙率的同时测试a将标准圆柱钢样从密封套管内取出，换入直径50mm，高度100mm的标准圆柱岩石试样，标准圆柱岩石试样上下端面均放置渗透钢片，将密封套管固定于三轴流变仪三轴室内压头(1)与底座(2)之间，在压头(1)与底座(2)之间安装LVDT(3)，在密封套管中间安装横向变形计(4)，分别采集标准圆柱岩石试样加载过程中的轴向变形和横向变形数据；b打开三向阀门(9)，启动真空泵(8)，对标准圆柱岩石试样及孔压回路抽真空30min以上，关闭三向阀门(9)结束抽真空过程，记录测试过程中孔压加载泵(7)内初始液体体积V₀、轴向变形初始数据L₀和横向变形初始数据D₀；c启动充满流体的孔压加载泵(7)，以0.1cm³/min的流量向标准圆柱岩石试样及孔压回路注入流体，轴向变形和横向变形数据发生明显变化时，停止孔压加载泵(7)的工作，流体充分饱和标准圆柱岩石试样及孔压回路；d启动充满流体的孔压加载泵(7)，设定孔压值恒定为0MPa，达到排水三轴压缩加载条件，打开围压阀门(10)，对标准圆柱岩石试样匀速缓慢施加围压到σ₃，加载过程排出的流体通过渗流通道出口(6)和入口(5)回到孔压加载泵内；e待围压和变形恒定后，打开偏压阀门(11)，施加偏压到σ₁‑σ₃，记录偏压加载过程中轴向变形数据L、横向变形数据D和孔压加载泵(7)内流体体积V，停止孔压加载泵(7)的工作，由此得到偏压加载过程中标准圆柱岩石试样的轴向应变ε₁和横向应变ε₃分别为：ε₁＝(L‑L₀)/L_sample  式二ε₃＝(D‑D₀)/D_sample  式三其中，L_sample为标准圆柱岩石试样的高度，D_sample为标准圆柱岩石试样的直径，标准圆柱岩石试样在围压为σ₃、偏压为σ₁‑σ₃和孔压为0条件下的总体积V_all为V_all＝π(D_sample‑(D‑D₀))²(L_sample‑(L‑L₀))/4  式四标准圆柱岩石试样在围压为σ₃、偏压为σ₁‑σ₃和孔压为0条件下孔隙体积V_p为V_p＝V₀‑V‑V_u  式五其中，V_u为上述耗损流体体积标定过程得到孔压回路的耗损流体体积，由此得到偏压加载过程中孔隙率φ为φ＝V_p/V_all  式六f待偏压σ₁‑σ₃也恒定后，启动孔压加载泵(7)，匀速施加孔压到p，记录该级孔压加载过程中的轴向变形数据L′、横向变形数据D′以及孔压加载泵(7)内流体体积数据V′，由此得到孔压加载过程中标准圆柱岩石试样的轴向应变ε′₁和横向应变ε′₃分别为：ε′₁＝(L′‑L₀)/L_sample  式七ε′₃＝(D′‑D₀)/D_sample  式八标准圆柱岩石试样在围压为σ₃、偏压为σ₁‑σ₃和孔压为p条件下的总体积V′_all为V′_all＝π(D_sample‑(D′‑D₀))²(L_sample‑(L′‑L₀))/4  式九标准圆柱岩石试样在围压为σ₃、偏压为σ₁‑σ₃和孔压为p条件下孔隙体积V′_p为V′_p＝V₀‑V′‑V_u  式十由此得到孔压加载过程中孔隙率φ′为φ′＝V′_p/V′_all  式十一根据虎克定律，步骤e偏压加载过程中有${ϵ}_1=\frac{{\sigma }_1}{E}-\frac{{2\mathrm{\gamma \sigma }}_3}{E},{ϵ}_3=\frac{{\sigma }_3}{E}-\frac{\gamma ({\sigma }_1+{\sigma }_3)}{E}$  式十二其中，E为弹性模量，γ为泊松比，代入围压σ₃、偏压σ₁‑σ₃以及式二、式三的ε₁和ε₃，利用最小二乘法线性拟合求解式十二中的E和γ，根据虎克定律，步骤f孔压加载过程中有${ϵ}_1^{\prime }=\frac{{\sigma }_1^{\prime }}{E}-\frac{{2\mathrm{\gamma \sigma }}_3^{\prime }}{E},{ϵ}_3^{\prime }=\frac{{\sigma }_3^{\prime }}{E}-\frac{\gamma ({\sigma }_1^{\prime }+{\sigma }_3^{\prime })}{E}$  式十三其中，σ′₁为轴向有效应力，σ′₃为横向有效应力，代入式七、式八的ε′₁和ε′₃以及式十二求解得到的E和γ，联立式十三得到孔压加载过程中的σ′₁和σ′₃，根据有效应力定义，孔压加载过程中σ′₁和σ′₃分别为σ′₁＝σ₁‑b₁p，σ′₃＝σ₃‑b₃p  式十四其中，b₁为轴向有效应力系数，b₃为横向有效应力系数，代入围压σ₃、偏压σ₁‑σ₃以及式十三求得的σ′₁和σ′₃得到轴向和横向有效应力系数b₁、b₃。