[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及一种在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，属于多孔岩石力学性质研究范畴。主要用于研究多孔岩石在孔隙水压力作用下孔隙度与有效应力系数之间的相互影响规律。适用于深部多孔岩层储体的流体类物质开采和注入过程中多场耦合科学问题的试验研究。

背景技术

有效应力系数和孔隙率是多孔岩石储体工程中重要的评价指标。二氧化碳地质封存、增强型地热系统开发、核废物地质处置、能源地下储存等都属于储体工程。在岩层储体注入和抽取的过程中，孔隙水压力的升降引起岩层变形导致孔隙率发生改变。孔隙的变形情况不但反映了孔隙结构还反映了岩层颗粒之间的接触情况，即孔隙的变形不但会影响地下水的流动通道和岩石的渗流特性还会影响有效应力系数。因此，获得岩石变形过程中有效应力系数与孔隙率数据对于研究多孔岩石储体工程中应力场、渗流场等多场耦合机制非常重要。

为了研究上述渗流场与应力场的耦合机理，可以通过室内耦合试验得到描述渗透特性、变形特性的参数来分析研究渗流场和应力场之间的相互作用规律。岩石材料中骨架与孔隙水压力共同承担外部荷载，其中骨架所承担的有效应力可由有效应力系数(biot系数)和孔隙水压力根据有效应力原理得到。根据有效应力系数b的定义，其与颗粒接触面积率R_c之间的关系为b＝1-R_c。颗粒接触面积率R_c为某一横截面上多孔岩石颗粒接触处面积A_c与介质总面积A的比值。颗粒接触面积率反映的是颗粒接触面积与受力面总面积之间的关系，而孔隙率反映的是孔隙体积与总体积之间的关系。多孔岩石变形过程势必导致孔隙体积的压缩变形和固体颗粒接触面改变，这两个过程同时发生，相互影响，两者之间存在一定的关系。因此如何通过室内试验同时获得应力条件下多孔岩石的孔隙率与有效应力系数是合理描述深部多孔岩层的储体渗透特性和变形特性演化规律的关键问题之一，也是深部地热开采和温室气体封存等项目开展实施的理论基础和技术参数确定的前提。

目前，关于在应力条件下同时测试多孔岩石孔隙率与有效应力系数的试验方法尚未见报道。目前针对岩石孔隙度测试方法例如，公开号：CN102841046A公开日期：2012.12.26发明名称为“测量岩石孔隙度的方法以及测量装置”，该发明专利无法同时获得不同应力状态下的岩石孔隙度和有效应力系数。贺玉龙在博士学位论文“三场耦合作用相关试验及耦合强度量化研究”中采用TEMCO公司的3006型岩石压缩系数仪测得孔隙体积来计算岩石试样在有效应力下的孔隙度。(贺玉龙.三场耦合作用相关试验及耦合强度量化研究[D].成都：西南交通大学博士学位论文.2003.)该方法具有如下特点：1)应力条件仅设定围压，只考虑围压条件下的孔隙变化，而深部多孔储层的应力条件往往并不是静水压力状态，还应考虑偏应力作用；2)加载系统施加围压后，岩石试样受到压缩，岩石试样的孔隙体积减少，孔隙体积的减少导致孔隙压力的升高，通过调节体积泵的活塞位置可以将孔隙压力调节到参考值，这种孔隙水压力的被动施加方式具有一定的局限性，首先不便于压力值的控制，其次对于孔隙率较小的岩石其达到孔隙压力稳定的时间很难掌握，在深部储层贮存过程中，常常会出现超孔隙水压力的情况，这种被动的孔隙水压力施加方式无法控制并维持这种压力状态；3)分析试验数据时单纯地认为有效应力是围压与孔隙水压力的差值，实际上，有效应力系数一般情况都不为1，随着岩石的变形、孔隙结构的改变必然导致有效应力系数的改变。虽然目前可以通过岩石孔隙体积压缩系数测定仪获得应力条件下岩石孔隙度，但没有同时测得岩石有效应力系数的变化。

现有的孔隙率测试方法中尚未能在应力条件下同时测试有效应力系数与孔隙率。为了弥补该不足，采用法国TOP industrie生产的型号为PMHP50-500的电机伺服泵。该电机伺服泵不但能够通过设定流量值和压力值对岩石试样施加孔隙压力还能够通过泵内活塞位置采集模块记录该泵内流体体积，刻度精确到10^-3mm³。通过泵内压缩系数较大的流体对岩石孔隙施压，利用岩石变形过程中的弹性线性段的变形可恢复特征，控制岩石外部荷载和孔隙压力获得变形数据和孔隙流体体积数据，从而结合虎克定律和孔隙度定义分别计算得到该应力条件下的有效应力系数与孔隙率参数。

在岩石荷载控制过程中，压力值应控制在岩石线弹性变形范围内，则保证岩石试样在固体骨架应力和孔隙压力作用下的变形处于弹性阶段，即该变形为可逆的。