一种应用于测量岩石有效应力系数的方法
阅读：936发布：2023-02-26
专利汇可以提供一种应用于测量岩石有效应力系数的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种应用于测量 岩石 有效应 力 系数的方法，属于测量技术领域。所述方法包括:对目标样品进行排 水 加载，使目标样品处于静水压力状态；对目标样品进行压力加载，依据所获得目标样品的轴向 变形 量、目标样品的横向变形量、目标样品的直径和目标样品的高度，来获得目标样品的体积应变量；获得目标样品的静水压力；依据静水压力和体积应变量，获得目标样品的体积压缩模量；对目标样品进行孔隙力加载，获得进行孔隙力加载之后的体积应变量；依据进行孔隙力加载之后的体积应变量，获得目标样品的耦合参数；依据体积压缩模量和耦合参数，获得有效 应力 系数。本发明达到提高有效应力系数的计算 精度 ，简化了实验操作步骤的技术效果。，下面是一种应用于测量岩石有效应力系数的方法专利的具体信息内容。
1.一种应用于测量岩石有效应力系数的方法，其特征在于，所述方法包括：
对目标样品进行排水加载，使所述目标样品处于静水压力状态；
对所述目标样品进行压力加载，获得所述目标样品的轴向变形量、所述目标样品的横向变形量、所述目标样品的直径和所述目标样品的高度；
依据所述轴向变形量、所述横向变形量、所述直径和所述高度，获得所述目标样品的体积应变量；
获得所述目标样品的静水压力；
依据所述静水压力和所述体积应变量，获得所述目标样品的体积压缩模量，所述静水压力是σm；所述体积压缩模量是Kb；
向所述目标样品的孔隙内注入流体，对所述目标样品进行孔隙力加载，获得所述进行孔隙力加载之后的体积应变量；所述进行孔隙力加载之后的体积应变量是εv0；
依据所述进行孔隙力加载之后的体积应变量，获得所述目标样品的耦合参数；所述耦合参数是H；所述耦合参数依据公式H＝(△p/△εv0)∣σm＝0获得；p为孔隙力；
依据所述体积压缩模量和所述耦合参数，获得所述有效应力系数；所述有效应力系数是b；所述有效应力系数依据公式b＝Kb/H获得。
2.依据权利要求1所述应用于测量岩石有效应力系数的方法，其特征在于：
所述目标样品是圆柱形岩石，所述目标样品的直径是50mm，所述目标样品的高度是
100mm。
3.依据权利要求2所述应用于测量岩石有效应力系数的方法，其特征在于，所述对目标样品进行排水加载包括：
调节所述目标样品的孔隙力，使所述孔隙力为零。
4.依据权利要求2所述应用于测量岩石有效应力系数的方法，其特征在于：
所述轴向变形量是L；
所述横向变形量是D；
所述目标样品的高度是L0；
所述目标样品的直径是D0；
所述目标样品的第一应变量是ε1；
所述目标样品的第二应变量是ε2；
所述第一应变量依据公式ε1＝L/L0获得；
所述第二应变量依据公式ε2＝D/D0获得。
5.依据权利要求4所述应用于测量岩石有效应力系数的方法，其特征在于，所述依据所述静水压力和所述目标样品的体积应变量，获得所述目标样品的体积压缩模量包括：
将所述静水压力和所述目标样品的体积应变量形成散点图；
分析所述散点图，根据所述目标样品的体积应变量的线性关系，获得所述目标样品的体积压缩模量。
6.依据权利要求5所述应用于测量岩石有效应力系数的方法，其特征在于：
所述目标样品的体积应变量是εv；
所述目标样品的体积应变量依据公式εv＝ε1+2ε2获得；
所述体积压缩模量依据公式Kb＝(△σm/△εv)∣△p＝0获得。
一种应用于测量岩石有效应力系数的方法
技术领域
背景技术
[0002] 对于有效应力中的Biot系数，即有效应力系数而言，有效应力系数是评价储层岩石的重要指标，对于研究储层岩石流固耦合机制尤为重要。有效应力是指土壤在荷载作用下，通过粒间接触面传递的平均法向应力，又叫粒间应力；会引起土体的变形和决定土的抗剪强度；土体的有效应力越大，其抗剪强度也越大。产生有效应力的原因主要有土体的重力作用和附加应力作用等。有效应力在二氧化碳地质封存、核废料地下处置以及油气资源开发过程中有着重要的应用。
[0003] 在现有技术书，测量有效应力系数的常用方法是基于岩芯渗透率变化的Cross-plotting方法，通过获得恒定围压作用下，渗透率随孔隙力变化的关系曲线。取一系列渗透率作为参考值，来得到围压与孔隙力值的组合，围压与孔隙力值的线性关系的斜率即为有效应力系数。由于Cross-plotting方法主要适用于低渗透性岩石，并且假定在渗透率相同的条件下具有相同的有效应力系数，再运用图表线性拟合得到有效应力系数，所以Cross-plotting方法存在计算结果的精确性较差。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是在现有的测量有效应力系数技术中，存在计算结果精度较差，测量步骤复杂的技术缺陷。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于测量岩石有效应力系数的方法，所述方法包括：对目标样品进行排水加载，使所述目标样品处于静水压力状态；对所述目标样品进行压力加载，获得所述目标样品的轴向变形量、所述目标样品的横向变形量、所述目标样品的直径和所述目标样品的高度；依据所述轴向变形量、所述横向变形量、所述直径和所述高度，获得所述目标样品的体积应变量；获得所述目标样品的静水压力；依据所述静水压力和所述体积应变量，获得所述目标样品的体积压缩模量；对所述目标样品进行孔隙力加载，获得所述进行孔隙力加载之后的体积应变量；依据所述进行孔隙力加载之后的体积应变量，获得所述目标样品的耦合参数；依据所述体积压缩模量和所述耦合参数，获得所述有效应力系数。
[0007] 进一步地，所述应用于测量岩石有效应力系数的方法包括：所述目标样品是圆柱形岩石，所述目标样品的直径是50mm，所述目标样品的高度是100mm。
[0008] 进一步地，所述所述对目标样品进行排水加载包括：调节所述目标样品的孔隙力，使所述孔隙力为零。
[0009] 进一步地，所述依据所述轴向变形量和所述横向变形量，获得所述目标样品的体积应变量包括：所述轴向变形量是L；所述横向变形量是D；所述目标样品的高度是L0；所述目标样品的直径是D0；所述目标样品的第一应变量是ε1；所述目标样品的第二应变量是ε2；所述第一应变量依据公式ε1＝L/L0计算；所述第二应变量依据公式ε2＝D/D0获得。
[0010] 进一步地，所述依据所述静水压力和所述体积应变量，获得所述目标样品的体积压缩模量包括：将所述静水压力和所述体积应变量形成散点图；分析所述散点图，根据所述体积应变量的线性关系，获得所述目标样品的体积压缩模量。
[0011] 进一步地，所述应用于测量岩石有效应力系数的方法包括：所述体积应变量是εv；所述体积应变量依据公式εv＝ε1+2ε2计算；所述孔隙力是p；所述静水压力是σm；所述体积压缩模量是Kb；所述体积压缩模量依据所述公式Kb＝(△σm/△εv)∣△p＝0获得。
[0012] 进一步地，所述依据所述进行孔隙力加载之后的体积应变量，获得所述目标样品的耦合参数包括：向所述目标样品的孔隙内注入所述流体，对所述目标样品进行孔隙力加载；获得所述进行孔隙力加载之后的体积应变量；依据所述进行孔隙力加载之后的体积应变量，获得所述目标样品的耦合参数。
[0013] 进一步地，所述应用于测量岩石有效应力系数的方法包括：所述耦合参数是H；所述进行孔隙力加载之后的体积应变量是εv0；所述耦合参数依据公式H＝(△p/△εv0)∣σm＝0获得。
[0014] 进一步地，所述依据所述体积压缩模量和所述耦合参数，获得所述有效应力系数包括：所述有效应力系数是b；所述有效应力系数依据公式b＝Kb/H获得。
[0015] 有益效果：
[0016] 本发明提供一种应用于测量岩石有效应力系数的方法，通过对目标样品进行排水加载，使目标样品处于静水压力状态；在目标样品处于静水压力状态中，对所述目标样品进行压力加载。在压力加载过程中，依据所述轴向变形量、所述横向变形量、所述直径和所述高度，来计算出所述目标样品的积应变量；并且依据所述静水压力和所述体积应变量，来计算出所述目标样品的体积压缩模量。同时，对所述目标样品进行孔隙力加载，根据所述孔隙力加载之后的体积应变量，来计算出所述目标样品的耦合参数。最后，依据上述所计算出的体积压缩模量和耦合参数，来计算出有效应力系数。从而使目标样品保持静水压力不变，只需通过对目标样品的孔隙进行压力加载，使孔隙压力引起目标样品的体积应变，将压力加载过程中所获得的体积压缩模量和耦合参数，即可求出有效应力系数。从而达到了提高有效应力系数的计算精度，简化了实验操作步骤的技术效果。附图说明
[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018] 图1为本发明实施例提供的一种应用于测量岩石有效应力系数的方法流程图。
具体实施方式
[0019] 本发明公开了一种应用于测量岩石有效应力系数的方法，通过对目标样品进行排水加载，使目标样品处于静水压力状态；在目标样品处于静水压力状态中，对所述目标样品进行压力加载。在压力加载过程中，依据所述轴向变形量、所述横向变形量、所述直径和所述高度，来计算出所述目标样品的积应变量；并且依据所述静水压力和所述体积应变量，来计算出所述目标样品的体积压缩模量。同时，对所述目标样品进行孔隙力加载，根据所述孔隙力加载之后的体积应变量，来计算出所述目标样品的耦合参数。最后，依据上述所计算出的体积压缩模量和耦合参数，来计算出有效应力系数。从而使目标样品保持静水压力不变，只需通过对目标样品的孔隙进行压力加载，使孔隙压力引起目标样品的体积应变，将压力加载过程中所获得的体积压缩模量和耦合参数，即可求出有效应力系数。从而达到了提高有效应力系数的计算精度，简化了实验操作步骤的技术效果。
[0020] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；其中本实施中所涉及的“和/或”关键词，表示和、或两种情况，换句话说，本发明实施例所提及的A和/或B，表示了A和B、A或B两种情况，描述了A与B所存在的三种状态，如A和/或B，表示：只包括A不包括B；只包括B不包括A；包括A与B。
[0021] 同时，本发明实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本发明实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。
[0022] 请参见图1，图1是一种应用于测量岩石有效应力系数的方法流程图。本发明实施例提供一种应用于测量岩石有效应力系数的方法，所述方法包括：
[0023] 步骤S100，对目标样品进行排水加载，使所述目标样品处于静水压力状态；
[0024] 所述目标样品是圆柱形岩石，所述目标样品的直径是50mm，所述目标样品的高度是100mm。
[0025] 调节所述目标样品的孔隙力，使所述孔隙力为零。
[0026] 具体而言，所述目标样品可以是标准圆柱岩石试样，标准圆柱岩石试样的形状可以呈圆柱体形状。标准圆柱岩石试样的直径可以是50mm，标准圆柱岩石试样的高度可以是100mm。排水加载可以是指排水三轴压缩。
[0027] 对所述目标样品进行有效应力系数测量的实验设备可以选用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的“岩土介质温度-渗流-应力-化学耦合多功能试验仪”。“岩土介质温度-渗流-应力-化学耦合多功能试验仪”实验设备主要由围压、轴压和孔隙水压力套独立的加载部分组成，“岩土介质温度-渗流-应力-化学耦合多功能试验仪”(以下简称为“实验设备”)实验设备可以实现对所述目标样品的静水压力和孔隙压力加载。
[0029] 步骤S200，对所述目标样品进行压力加载，获得所述目标样品的轴向变形量、所述目标样品的横向变形量、所述目标样品的直径和所述目标样品的高度；
[0030] 具体而言，所述目标样品的轴向变形量可以是目标样品的轴向变形；所述目标样品的横向变形量可以是横向变形；所述目标样品的直径可以是目标样品的直径数值大小；所述目标样品的高度可以是目标样品的高度数值大小。所述压力加载可以是指孔隙压力加载。
[0031] 可以先将所述目标样品用高性能热缩管进行密封，然后在所述目标样品经过密封后的上下端面均放置多孔的金属垫板，再将密封好的所述目标样品固定于实验设备的三轴室内压头与底座之间。通过在压头与底座之间安装轴向LVDT，和在密封热缩管中间安装横向应变计，使用所安装的轴向LVDT和横向应变计来测量试样在加载过程中的轴向变形和横向变形。
[0032] 步骤S300，依据所述轴向变形量、所述横向变形量、所述直径和所述高度，获得所述目标样品的体积应变量；
[0033] 假设所述轴向变形量是L，所述横向变形量是D，所述目标样品的高度是L0，所述目标样品的直径是D0，所述目标样品的第一应变量是ε1，所述目标样品的第二应变量是ε2；则所述第一应变量可以依据公式ε1＝L/L0计算；则所述第二应变量可以依据公式ε2＝D/D0计算。假设所述体积应变量是εv，则所述体积应变量可以依据公式εv＝ε1+2ε2计算；
[0034] 具体而言，通过步骤S200获得所述目标样品的轴向变形量、横向变形量、直径和高度。假设用L表示所述轴向变形量，用D表示所述横向变形量，用L0表示所述目标样品的高度，用D0表示所述目标样品的直径，用ε1表示所述目标样品的第一应变量，用ε2表示所述目标样品的第二应变量，用εv表示所述目标样品的体积应变量。
[0035] 第一应变量和第二应变量可以是指所述目标样品的主应变。
[0036] 第一应变量的大小可以根据公式ε1＝L/L0进行计算，第二应变量的大小可以根据公式ε2＝D/D0进行计算。
[0037] 根据上述所计算出的第一应变量和第二应变量，可以根据公式εv＝ε1+2ε2计算出所述目标样品的体积应变量εv。
[0038] 步骤S400，获得所述目标样品的静水压力；
[0039] 具体而言，所述目标样品的静水压力可以是指在步骤S100中以较低的速率加载围压所到达的预定值，该预定值是所述目标样品的静水压力。静水压力即是静水压力值。
[0040] 可以使上述实验设备外部的孔隙压力加载泵通过上游阀门、上游压力容器与三轴室底座上的孔隙压力上游相连，并且在压头上设置孔隙压力下游出口，通过钢管经底座与外部下游压力计和下游阀门相连。孔隙流体由孔隙压力上游进入，经目标样品到达孔隙压力下游排出，形成孔隙压力通路。继而获得在排水条件下的，所述目标样品的静水压力。
[0041] 步骤S500，依据所述静水压力和所述体积应变量，获得所述目标样品的体积压缩模量；
[0042] 将所述静水压力和所述体积应变量形成散点图；分析所述散点图，根据所述体积应变量的线性关系，计算所述目标样品的体积压缩模量。
[0043] 假设所述孔隙力是p，所述静水压力是σm，所述体积压缩模量是Kb；则所述体积压缩模量可以依据所述公式Kb＝(△σm/△εv)∣△p＝0计算。
[0044] 具体而言，所述目标样品的体积压缩模量可以是指在步骤S100中的排水条件下，目标样品的体积压缩模量。
[0045] 在步骤S200中对目标样品进行加载的阶段，由于目标样品中的裂纹和孔隙的逐渐闭合发生非线性变形。在目标样品中，由于岩样内部结构(层理)各向异性，导致静水压力所引起的轴向和侧向应变并不一定完全重合。在静水压力达到一定水平后，目标样品的轴向应变和侧向应变均表现为线性。在轴向应变和侧向应变均表现为线性的阶段，反映了目标样品在静水压力加载条件下的弹性行为。取目标样品的三个主应变之和为体积应变，即计算出在步骤S300中所述目标样品的体积应变量εv，εv＝ε1+2ε2。
[0046] 通过绘制所述目标样品的静水压力σm，和体积应变的散点图，在所述目标样品的体积应变曲线的线性段，可以计算出所述目标样品在排水条件下的体积压缩模量。假设用p表示所述目标样品的孔隙力，用σm表示所述目标样品的静水压力，用Kb表示所述目标样品的体积压缩模量。
[0047] 所述体积压缩模量的数值大小，可以根据公式Kb＝(△σm/△εv)∣△p＝0进行计算获得。
[0048] 步骤S600，对所述目标样品进行孔隙力加载，获得所述进行孔隙力加载之后的体积应变量；
[0049] 具体而言，孔隙力可以是指孔隙压力。使所述目标样品的静水压力继续保持和步骤S200中的静水压力相同，在目标样品的内部，向目标样品的孔隙压力上游和孔隙压力下游两端同时注入孔隙流体，进行孔隙压力加载(使△p＜σm)。尤其需要注意，目标样品的孔隙压力增量的幅度应该控制在一定范围内，该控制范围数值的大小根据岩石的种类而确定，控制孔隙压力增量在该范围数值内是为了避免由于目标样品的孔隙压力加载，而引起目标样品中裂纹产生新的扩展，从而保证了对目标样品进行孔隙力加载的整个过程为弹性。在对目标样品进行孔隙力加载过程中，可以测量出由于孔隙压力加载所导致的目标样品的体积应变，该体积应变即是所述进行孔隙力加载过程中的体积应变量。
[0050] 步骤S700，依据所述进行孔隙力加载之后的体积应变量，获得所述目标样品的耦合参数；
[0051] 向所述目标样品的孔隙内注入所述流体，对所述目标样品进行孔隙力加载；获得所述进行孔隙力加载之后的体积应变量；依据所述进行孔隙力加载之后的体积应变量，计算出所述目标样品的耦合参数。
[0052] 假设所述耦合参数是H，所述进行孔隙力加载之后的体积应变量是εv0，则所述耦合参数可以依据公式H＝(△p/△εv0)∣σm＝0计算。
[0053] 具体而言，所述流体可以是指液态的水。通过上述步骤S600中，在目标样品的内部，向目标样品的孔隙压力上游和孔隙压力下游两端同时注入孔隙流体，进行孔隙压力加载(使△p＜σm)，获得所述进行孔隙力加载过程中的体积应变量。该进行孔隙力加载之后的体积应变量可以用εv0来表示。
[0054] 假设用H来表示目标样品的耦合参数，耦合参数大小的计算，可以根据公式H＝(△p/△εv0)∣σm＝0来计算获得。
[0055] 步骤S800，依据所述体积压缩模量和所述耦合参数，获得所述有效应力系数。
[0056] 假设所述有效应力系数是b，则所述有效应力系数可以依据公式b＝Kb/H计算。
[0057] 具体而言，假设用b来表示目标样品的有效应力系数。可以通过上述步骤S500来获得所述目标样品的体积压缩模量Kb，通过上述步骤S700来获得所述目标样品的耦合参数H。
[0058] 目标样品的有效应力系数的大小，可以根据公式b＝Kb/H来计算得出。由于对目标样品有效应力系数的计算，是通过上述所建立的力学模型和耦合参数来获得。从而简化了测量有效应力系数的实验操作步骤；而且在对目标样品进行部分排水条件下，保持静水压力不变，只需施加孔隙压力(使△p＜σm)，和测得由于孔隙压力所引起的体积应变，通过上述力学模型求出耦合参数H，便能有效克服了在部分排水条件下，目标样品的围压与孔隙水压力以相同速率加载时，所造成的加载泵不易于控制的技术缺陷，从而达到了实验过程省时省力。在实验中还能有效地控制目标样品的变形，便于对目标样品位移传感器进行监测。
[0059] 本发明提供了一种应用于测量岩石有效应力系数的方法，通过对目标样品进行排水三轴压缩，使目标样品处于静水压力状态；依据所述目标样品的轴向变形量、横向变形量、直径和高度，来计算出所述目标样品的体积应变量；并且依据所述静水压力和所述体积应变量，来计算出所述目标样品的体积压缩模量。在目标样品处于静水压力状态过程中，对所述目标样品进行孔隙压力加载。在孔隙压力加载过程中，依据所述轴向变形量、所述横向变形量、所述直径和所述高度，来计算出所述目标样品的体积应变量；并且依据所述孔隙压力和所述体积应变量，来计算出所述目标样品的耦合参数。最后，依据上述所计算出的体积压缩模量和耦合参数，来计算出所述目标样品的有效应力系。从而达到了提高有效应力系数的计算精度，简化了实验操作步骤的技术效果。
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