CN103018568B - 一种稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，可有效防止一定含水率岩石试块在电阻率测量过程中的水分散失，保证含水率的稳定性，从而获得较为稳定的电阻率测量数据。主要包括以下几个步骤：（1）按照《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》制作岩石试块；（2）在岩石试块表面钻多个孔；（3）制作一定含水率的岩石试块；（4）在岩石试块上打好的孔中填充耦合剂；（5）对岩石试块蜡封；（6）布置供电电极；（7）布置测量电极；（8）将供电电极、测量电极与测量装置连接形成闭合电路；（9）电阻率测量，并记录测量数据；（10）数据处理，据公式其中，D是岩石试块直径，L是测量电极间距的平均值，计算出岩石试块的电阻率值ρ。

Description

一种稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法

技术领域

本发明涉及一种岩石试块的电阻率测定方法，特别涉及一种稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法。

背景技术

岩石的电阻率是表征岩石导电性的基本参数，是反映岩石内部结构与成份的一个物理量。它与岩石弹性模量、密度及裂隙赋存状态密切相关，并能够有效地反映岩石内部微裂隙的变化，对研究岩石的固有特性和赋存状态有着重要的作用。在地球物理勘探中，电阻率法在矿产普查、能源勘查、研究地质构造、工程地质调查等方面有着广泛的应用，其物质基础就是地壳中岩石和矿石之间的电阻率存在差异。在石油测井领域，实验室中测量的岩石电阻率值对于阿尔奇公式中m、a、n、b等参数的确定有着很大影响，进而对于油田利用测井资料确定地层含油饱和度、计算地质储量来说也是至关重要的。因此，寻找一种可以在实验室内较准确地测定岩石电阻率的方法是非常有必要的。

现有的岩石电阻率测试方法，主要有二极法和四极法两种。二极法是把电极对称布置在岩石试块的两端面上，直接测试岩石试块的欧姆电阻，然后求电阻率，但由于接触电阻的存在，会引起较大的测量误差。目前用的较多的是四极法，利用打孔的方法在岩石试块中插入四个电极，然后根据供电电极流过的电流和测量电极间的电位差来计算岩石试块电阻率。四极法的优点在于它可以消除接触电阻的影响，但测试结果受电极位置处电流密度分布不均匀的影响较大，难以全面反映岩石试块整体的电阻率情况。

另一方面，现有的岩石电阻率测量技术，大都针对的是自然状态下的岩石试块，很少有专门关于一定含水率状态下岩石试块的电阻率测量方法，但在岩土力学、地球物理以及石油测井等领域的研究中，对不同含水率条件下岩石试块的电阻率进行测量是非常有必要的。同时，如何防止一定含水率岩石试块在电阻率测量过程中的水分散失，获得较为稳定的电阻率测量数据，也是一个需要解决的难题。

综上所述，现有的岩石电阻率测定方法存在如下问题：①二极法由于受到接触电阻的影响，会引起较大的测量误差；②由于电流线密度分布受到岩石试块形状的影响，并非是均匀分布的，导致四极法测试结果受电极位置处电流密度分布不均匀的影响较大，难以全面反映岩石整体的电阻率情况；③缺少专门针对一定含水率岩石试块电阻率的测量方法，同时，如何防止一定含水率岩石试块在电阻率测量过程中的水分散失，获得较为稳定的电阻率测量数据，也是一个需要解决的难题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，主要包括以下几个步骤：

（1）按照《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》制作岩石试块；

（2）在岩石试块表面钻多个孔；

（3）制作一定含水率的岩石试块；

（4）在岩石试块上打好的孔中填充耦合剂；

（5）对岩石试块蜡封；

（6）布置供电电极；

（7）布置测量电极；

（8）将供电电极、测量电极与测量装置连接形成闭合电路；

（9）电阻率测量，并记录测量数据；

（10）数据处理，据公式其中，D是岩石试块直径，L是测量电极间距的平均值，计算出岩石试块的电阻率值ρ。

所述步骤（2）中，所述岩石试块表面钻孔每排多个，共有多排，每个钻孔直径约3mm，孔深约8mm，相邻两排钻孔之间夹角为90°，呈十字型对称分布。

所述步骤（3）中，将制作好的岩石试块放入烘箱中，在105~110℃恒温下烘干24h，然后放入干燥器内冷却至室温，称重，精确至0.01g，得到质量为m₁的干燥岩石试块，再将干燥的岩石试块泡水，一段时间后取出，将岩石试块表面水分擦干，然后称重，精确至0.01g，得到一定含水率的岩石试块，质量记作m₂，具体的含水率由公式

$\mathrm{\ω}=\frac{m_2-m_1}{m_1}\×100\%$

计算得到。

所述步骤（5）中，所述蜡封过程为在试块上系一细线，置于60℃左右的熔蜡中约1~2s，使岩石试块表面涂抹上一层厚度约1mm的均匀蜡膜，当岩石试块表面的蜡膜有气泡存在时，应用热针刺穿并用蜡液涂平即可。

所述步骤（6）中，所述供电电极是直径3cm的圆形，圆心附近涂满耦合剂，四周边沿涂有302胶，粘贴在岩石试块的上下端面。

所述步骤（7）中，测量电极布置过程为：取导线一端剥开导线外皮，露出约5~8mm长的铜丝，将其扭成一股作为测量电极，然后刮去钻孔处的蜡膜，同时把导线的铜丝端插入钻孔，与耦合剂紧密接触，之后再用302胶封堵钻孔周围区域。

所述步骤（8）中，所述测量装置包括100Ω定值电阻和干电池箱、多路数据采集卡，测量电极与多路数据采集卡连接，供电电极一端与干电池箱连接，另一端经100Ω定值电阻与干电池箱连接；同时多路数据采集卡还与100Ω定值电阻两端连接。

所述步骤（9）中，正式测量前应先持续供电几分钟，然后控制多路数据采集卡同时采集每排相邻两测量电极之间的电位差ΔU₁，以及100Ω定值电阻两端的电位差ΔU₂，并将两者记录下来，重复测量多次，共得到供电电压条件下、该排电极间电位差数据的多次测量值；然后，再通过连接干电池箱不同的接线柱，依次测量不同供电电压条件下、该排电极间的电位差数据，并分别记录下来；

重复步骤（8）和（9），依次测量下一排电极间的电位差数据，直至各排电极测量完毕，这样就能得到各排电极不同供电电压条件下的电位差数据。

将测量得到的数据绘制成散点图，通过数据的最小二乘法拟合，得到一条直线，直线斜率即为岩石试块电阻R，然后计算出岩石试块的电阻率值。

本发明的有益效果是：

（1）提供了一种专门针对一定含水率岩石试块的电阻率测量方法，能够有效防止一定含水率岩石试块在电阻率测量过程中的水分散失，保证含水率的稳定性，从而获得较为稳定的电阻率测量数据；

（2）在传统四极法的基础上，在待测岩石试块的两个端面上安置大面积供电电极，保证了岩石试块内部电流线的稳定，同时，在岩石试块表面打十字型对称分布的四排钻孔布置测量电极，消除了普通四极法中电压测试的片面性，能够更加全面地反映岩石整体的电阻率情况；

（3）将待测岩石试块与定值电阻串联，通过测量定值电阻两端电压来计算电路中流经的电流，这样可以在测量仪器精度一定的情况下提高电流测量精度；

（4）每排电极都在不同供电电压条件下进行多次测量，并将最后得到的数据绘制成散点图，再利用最小二乘法拟合得到岩石试块的电阻率值，可以有效地减小测量误差，得到更加真实的电阻率值。

附图说明

图1是本发明实施例所述稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法流程图；

图2是本发明实施例所述测定方法中各部分的连接关系示意图；

其中，1.岩石试块，2.钻孔，3.供电电极，4.多路数据采集卡，5.100Ω定值电阻，6.干电池箱，7.测量电极。

具体实施方式

下面通过具体实例和附图对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

如图1所示，为本发明实施例所述一种稳定含水率岩石的电阻率测定方法流程图，主要包括以下步骤：

（1）制作岩石试块：选取待测岩石，加工得到常规的圆柱体标准试块1，尺寸为Ф50mm×100mm，符合《GB/T50266-99工程岩体试验方法标准》的要求。

（2）岩石试块表面钻孔：如图2所示，利用台式钻床在岩石试块表面打孔，每排2个，共有4排；每个钻孔2直径约3mm，孔深约8mm，与相邻同排钻孔2之间距离约50mm；相邻两排钻孔2之间夹角为90°，呈十字型对称分布。

（3）制作一定含水率的岩石试块：首先，将制作好的岩石试块1放入烘箱中，在105~110℃恒温下烘干24h，然后放入干燥器内冷却至室温，称重，精确至0.01g，得到干燥的岩石试块1，质量记作m₁；然后再将干燥的岩石试块1泡水，一段时间后取出，将岩石试块1表面水分擦干，然后称重，精确至0.01g，得到一定含水率的岩石试块1，质量记作m₂；具体的含水率可以由公式

$\mathrm{\ω}=\frac{m_2-m_1}{m_1}\×100\%$

计算得到。

（4）填充耦合剂：在已经打好的钻孔2中填充耦合剂，试验时可以起到减小岩石与电极之间接触电阻的作用，同时在下一步蜡封过程中，可以阻止蜡液进入钻孔2内部、不利于电极与岩石间的耦合。

（5）蜡封：为了防止一定含水率岩石试块1在电阻率测试过程中的水分蒸发，得到稳定的电阻率数值，需要将岩石试块1进行蜡封处理：在岩石试块1上系一细线，置于60℃左右的熔蜡中约1~2s，使岩石试块1表面涂抹上一层厚度约1mm的均匀蜡膜，当岩石试块1表面的蜡膜有气泡存在时，应用热针刺穿并用蜡液涂平。

（6）布置供电电极：蜡封过后，先用铜片裁剪出直径3cm的圆形，上下面打磨光滑，并用酒精擦拭干净后，作为供电电极3；然后在岩石试块1上下两端的中心位置，用刀子刮去表面蜡膜，清理出直径约3cm的圆形区域，并擦拭干净；之后在供电电极3圆心附近涂满耦合剂，再在供电电极3四周边沿涂抹302胶，并将其迅速粘贴在岩石试块1的上下表面，施加一段时间压力使两者相互粘结。

（7）布置测量电极：先准备好长度合适的导线，一端剥开导线外皮，露出约5~8mm长的铜丝，将其扭成一股作为测量电极7；然后用刀子刮去钻孔处的蜡膜，同时把导线的铜丝端插入钻孔2，与耦合剂紧密接触；之后再用302胶封堵钻孔2周围区域，一方面起到固定导线的作用，另一方面还可以尽量减少水分散失。

（8）连接电路：按照图2所示，用导线将岩石试块1上下两端的供电电极3分别与100Ω定值电阻5和干电池箱6的24V接线柱相连接，形成闭合回路，并将多路数据采集卡4的第一通道与任意一排测量电极7相连，第二通道与100Ω定值电阻5相连。检查电路，确定连接无误后，打开电源。

（9）电阻率测量：为避免测量过程中极化效应的影响，正式测量前应先持续供电几分钟，然后控制多路数据采集卡4同时采集相邻两测量电极7之间的电位差ΔU₁，以及100Ω定值电阻5两端的电位差ΔU₂，并将两者记录下来，重复测量3次，共得到24V供电电压条件下、该排电极间电位差数据的3次测量值。然后，再通过连接干电池箱6不同的接线柱，依次测量30V、36V供电电压条件下、该排电极间的电位差数据，并分别记录下来。

重复步骤（8）和（9），依次测量下一排电极间的电位差数据，直至四排电极测量完毕，这样就能得到四排电极不同供电电压条件下、共计36组电位差数据。

（10）数据处理：将测量得到的36组数据绘制成以电流为横轴、测量电极7之间电位差ΔU₁为纵轴的散点图，通过数据的最小二乘法拟合，得到一条直线，直线斜率即为岩石试块1的电阻R，再根据公式（D是岩石试块1直径，L是四排测量电极间距的平均值）计算出岩石试块的电阻率值ρ。

Claims (8)

1.一种稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，其特征是，主要包括以下几个步骤：

(1)按照《GB/T 50266-99工程岩体试验方法标准》制作岩石试块；

(2)在岩石试块表面钻多个孔:所述岩石试块表面钻孔每排多个，共有多排，每个钻孔直径3mm，孔深8mm，相邻两排钻孔之间夹角为90°，呈十字型对称分布；

(3)制作一定含水率的岩石试块；

(4)在岩石试块上打好的孔中填充耦合剂；

(5)对岩石试块蜡封；

(6)布置供电电极；

(7)布置测量电极；

(8)将供电电极、测量电极与测量装置连接形成闭合电路；

(9)电阻率测量，并记录测量数据；

(10)数据处理，据公式其中，D是岩石试块直径，L是测量电极间距的平均值，计算出岩石试块的电阻率值ρ。

2.如权利要求1所述的稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，其特征是，所述步骤(3)中，将制作好的岩石试块放入烘箱中，在105～110℃恒温下烘干24h，然后放入干燥器内冷却至室温，称重，精确至0.01g，得到质量为m₁的干燥岩石试块，再将干燥的岩石试块泡水，一段时间后取出，将岩石试块表面水分擦干，然后称重，精确至0.01g，得到一定含水率的岩石试块，质量记作m₂，具体的含水率由公式

$\mathrm{\ω}=\frac{m_1-m_2}{m_1}\×100\%$

计算得到。

3.如权利要求1所述的稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，其特征是，所述步骤(5)中，所述蜡封过程为在试块上系一细线，置于60℃的熔蜡中1～2s，使岩石试块表面涂抹上一层厚度1mm的均匀蜡膜，当岩石试块表面的蜡膜有气泡存在时，应用热针刺穿并用蜡液涂平即可。

4.如权利要求1所述的稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，其特征是，所述步骤(6)中，所述供电电极是直径3cm的圆形，圆心附近涂满耦合剂，四周边沿涂有302胶，粘贴在岩石试块的上下端面。

5.如权利要求1所述的稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，其特征是，所述步骤(7)中，测量电极布置过程为：取导线一端剥开导线外皮，露出5～8mm长的铜丝，将其扭成一股作为测量电极，然后刮去钻孔处的蜡膜，同时把导线的铜丝端插入钻孔，与耦合剂紧密接触，之后再用302胶封堵钻孔周围区域。

6.如权利要求1所述的稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，其特征是，所述步骤(8)中，所述测量装置包括100Ω定值电阻和干电池箱、多路数据采集卡，测量电极与多路数据采集卡链接，供电电极一端与干电池箱连接，另一端经100Ω定值电阻与干电池箱连接；同时多路数据采集卡还与100Ω定值电阻两端连接。

7.如权利要求1所述的稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，其特征是，所述步骤(9)中，正式测量前应先持续供电几分钟，然后控制多路数据采集卡同时采集每排相邻两测量电极之间的电位差ΔU1，以及100Ω定值电阻两端的电位差ΔU2，并将两者记录下来，重复测量多次，共得到供电电压条件下、该排电极间电位差数据的多次测量值；然后，再通过连接干电池箱不同的接线柱，依次测量不同供电电压条件下、该排电极间的电位差数据，并分别记录下来；

重复步骤(8)和(9)，依次测量下一排电极间的电位差数据，直至各排电极测量完毕，这样就能得到各排电极不同供电电压条件下的电位差数据。

8.如权利要求1所述的稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法，其特征是，将测量得到的数据绘制成散点图，通过数据的最小二乘法拟合，得到一条直线，直线斜率即为岩石试块电阻R，然后计算出岩石试块的电阻率值。