CN105973698A - 一种低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量方法与装置，其中，方法包括：将岩石样品进行预处理；预处理后的岩石样品放置于上、下压头之间，并在含水岩石样品两端涂抹耦合剂；将轴向和径向引伸计安装在岩石样品上；开启启动阀门，围压单元向压力室内注入液压油，直至液压油从气动阀门溢出，则关闭启动阀门；调节温控系统使岩石样品处于预设温度；上压头、下压头以及套筒对岩石样品施加三轴压力；根据轴向和径向引伸计测量的轴向变形长度和径向变形长度确定岩石样品的蠕变过程中的实时横截面积和长度；根据实时横截面积和长度确定岩石样品的电阻率值。本发明考虑围压、温度、蠕变等方面对岩石压缩试验的测量结果更准确。

Description

一种低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量方法与装置

技术领域

本发明实施例涉及岩石电阻率测量技术领域，尤其涉及一种低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量方法与装置。

背景技术

岩石在受荷破坏过程中，受多种因素的影响，矿物组成、含水率、孔隙裂隙等缺陷的发育扩展，孔隙度和孔隙结构的变化，导电性质的改变，都会使岩石的电阻率出现比较明显的变化。电阻率是岩石电学特性最重要的参数，通过观测岩石电阻率的变化，反推岩石的力学性质，可判断岩石内部的应力状态，对岩石破坏程度进行预测。

目前根据岩石电阻率反映岩石压缩过程中损伤变化的方法非常少，一般采用4极法较多，但4极法操作繁杂，需要在岩样径向上钻孔，蜡封等。最主要是，在施加围压后，电极很容易遭到挤压、损坏，使得试验失败，这也是三轴状态下测电阻率的方法难以实现的因素之一。导致模拟工程实际有极大误差的。

发明内容

本发明实施例提供一种，以克服上述技术问题。

本发明提供一种低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量方法，包括：

将岩石样品进行预处理；

将预处理后的岩石样品放置于上、下压头之间，并在所述含水岩石样品两端涂抹耦合剂；

将轴向和径向引伸计安装固定在所述岩石样品上；

开启启动阀门，围压单元向压力室内注入液压油，直至所述液压油从所述气动阀门溢出，则关闭所述启动阀门；

调节温控系统使所述岩石样品处于预设温度；

所述上压头、所述下压头以及套筒对所述岩石样品施加三轴压力；

根据所述轴向和径向引伸计测量的轴向变形长度和径向变形长度确定所述岩石样品的蠕变过程中的实时横截面积和长度；

根据所述实时横截面积和长度确定所述岩石样品的电阻率值。

进一步地，所述将岩石试样进行预处理，包括：

将岩石试样进行烘干、并冷却至室温；

经所述岩石试样喷洒水制成含水岩石试样。

进一步地，所述根据所述实时横截面积和长度确定所述岩石样品的电阻率值，包括：

根据公式

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\Δ}U}{I}\frac{S_t}{L_t}---\left(1\right)$

确定岩石样品的电阻率值，其中，ΔU为M、N两极间的电势差；I为通过A、B两极间的电流；S_t为岩样在t时刻的横截面积；L_t为t时刻M、N之间的距离。

进一步地，所述耦合剂包括腻子粉、硫酸铜、水，质量比为5:4:1.8。

本发明还提供一种低温压实压缩蠕变过程中电阻率测量装置，包括：

压力室、设置于所述压力室内的上压头、下压头、上绝缘垫片、下绝缘垫片、垫块、活塞，底座、围压单元、进油管、酒精贮存套筒、测试信号源、激电接收机以及设置于所述压力室上端的启动阀门；

所述上绝缘胶片、下绝缘胶片一端与所述上压头、下压头连接，所述上绝缘胶片、下绝缘胶片另一端通过第一耦合剂、第二耦合剂固定岩石样品，所述上压头另一端通过所述垫块与所述活塞连接，所述下压头的另一端与所述底座连接，所述测试信号源与所述激电接收机分别设置于所述底座两侧，所述测试信号源的正极、所述激电接收机的正极与所述第一耦合剂连接，所述测试信号源的负极、所述激电接收机的负极与所述第二耦合剂连接，所述酒精贮存套筒设置于所述岩石试样的外围，所述围压单元通过进油管与所述压力室连接，并向所述压力室内注入油液。

进一步地，还包括：

冷浴箱、酒精槽、进液管以及出液管；

所述酒精槽设置于所述冷浴箱内部，所述进液管与所述出液管两端分别连通与所述酒精槽和所述压力室底部。

进一步地，所述压力室内层还设置有保温棉。

本发明考虑围压、温度、蠕变等方面测量对岩石压缩试验的影响，测量结果更准确。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量方法流程图；

图2为本发明低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量方法流程图，本实施例方法，包括：

步骤101、将岩石样品进行预处理；

步骤102、将预处理后的岩石样品放置于上、下压头之间，并在所述含水岩石样品两端涂抹耦合剂；

步骤103、将轴向和径向引伸计安装固定在所述岩石样品上；

步骤104、开启启动阀门，围压单元向压力室内注入液压油，直至所述液压油从所述气动阀门溢出，则关闭所述启动阀门；

步骤105、调节温控系统使所述岩石样品处于预设温度；

步骤106、所述上压头、所述下压头以及套筒对所述岩石样品施加三轴压力；

步骤107、根据所述轴向和径向引伸计测量的轴向变形长度和径向变形长度确定所述岩石样品的蠕变过程中的实时横截面积和长度；

步骤108、根据所述实时横截面积和长度确定所述岩石样品的电阻率值。

进一步地，所述将岩石试样进行预处理，包括：

将岩石试样进行烘干、并冷却至室温；

经所述岩石试样喷洒水制成含水岩石试样。

进一步地，所述根据所述实时横截面积和长度确定所述岩石样品的电阻率值，包括：

根据公式

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\Δ}U}{I}\frac{S_t}{L_t}---\left(1\right)$

确定岩石样品的电阻率值，其中，ΔU为M、N两极间的电势差；I为通过A、B两极间的电流；S_t为岩样在t时刻的横截面积；L_t为t时刻M、N之间的距离。

进一步地，所述耦合剂包括腻子粉、硫酸铜、水，质量比为5：4：1.8。

具体来说，本实施例中，制备试验岩样，用钻石级机和磨石机制成圆柱形性标准试样或模具制作类岩石(尺寸控制在Φ50mm×100mm)；岩样在105～110℃下烘干24h，然后放入冷然后放入干燥器内冷却至室温。喷洒定量的水制成试验所需的含水率岩样。含水率计算公式为

$\mathrm{\ω}=\frac{m_2-m_1}{m_1}\×100\%---\left(2\right)$

其中，ω为含水率，m₁为岩样烘干后质量，m₂为岩样饱和质量。

在试样两端涂抹耦合剂，起到固定、黏合、充当电极的作用；耦合剂的主要成分是腻子粉、硫酸铜、水，质量比为5：4：1.8，拌匀后涂抹与铜片等厚度的在试样两端。还可以在该耦合剂中放置一个薄铜片，每个铜片上引出2根细导线。将上述装置两端分别加一个绝缘胶片，防止铜片和上下压头之间导电。然后将上述装置固定在上下压头中间；以热缩管和防水胶带密封试样。将轴向和径向引伸计安装固定试样上；将上述装置放入压力室内，采用焊锡式烙铁焊接在三轴流变仪压力室预留的接线柱上。接线方式为在保温桶外壁套上带有保温棉的控温线圈，保温棉置于筒壁与线圈之间可加快筒内气温的升高；在顶盖上端铺设保温棉，并将接线焊点漏出，接上相应导线。电极分别为A、M、N、B，其中A、B为供电电极，M、N为测量电压电极，接线顺序为A–B接岩样测试信号源，M–N接数字直流激电接收机。先打开阀门，启动围压单元向压力室内充液压油，当发现液压油从阀门中流出后关闭阀门和围压单元。在压力室的外壳裹一层保温棉保温；

首先，施加2kN的轴向荷载，使得试样和压头、绝缘片和热缩管之间保持紧密接触；打开围压单元，向压力室内继续充油，围压增加至试验所需目标值停止，并进行围压控制，保持稳定。

启动右侧的制冷系统，制冷系统包括冷浴箱和酒精槽。将温度降至试验所需温度后进行温度控制；这个过程中，温度由室温23℃降到0℃以下，岩样内的水分将从液态变为固态。经研究，电阻率的大小因岩样内冰水混合物的影响很大。采集电阻率数据，按照每降低1℃记录一次的频率，并记录所经历的时间。将数据绘制成横坐标轴为温度，纵轴为电阻率的曲线，可对比研究不同含水率，不同围压的电阻率变化规律。

保持低温和围压状态稳定后，开始进行三轴蠕变加载试验。采用分级加轴压的方式进行试验，如图第一级荷载2MPa，第二级4MPa，第三级6MPa，第四级8MPa。仪器自动记录下加载过程中的轴向变形Δy，径向变形Δx。

则某时刻的应变为，

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{\mathrm{\Δ}y}{L},{\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{\mathrm{\Δ}x}{D}---\left(3\right)$

式中：ε₁为轴向应变，ε₂为径向应变，L为试样长度，D为试样直径。

提取应变数据和电阻率测试数据，并对获取的测试数据进行分析。三轴轴压缩蠕变试验过程中，通过干电池箱在A，B两极施加3V的恒定电压，并根据如下公式计算各个时刻的电阻率值：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\Δ}U}{I}\frac{S_t}{L_t}---\left(4\right)$

式中：ΔU为M、N两极间的电势差；I为通过A、B两极间的电流；S_t为岩样在t时刻的横截面积；L_t为t时刻M、N之间的距离。

蠕变过程中，岩样由于受轴向荷载，Δy是逐渐增大的，直径D在围压的作用下也发生变化，试验中可通过应变计获得Δy，Δx的值。则，

$S_t=\frac{\mathrm{\π}}{4}{(D-\mathrm{\Δ}x)}^2---\left(5\right)$

L_t＝L-Δy (6)

例如，试验获得的围压为3MPa，温度为-7℃，4％的含水率状态下的蠕变曲线和电阻率变换规律。能够提供模拟低温条件下的恒定温度环境，能调节和控制制冷液温度，精度为±0.5℃，最低制冷温度为-20℃。

图2为本发明低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量装置结构示意图，本实施例装置，包括：

压力室122、设置于所述压力室内的上压头102、下压头103、上绝缘垫片104、下绝缘垫片105、垫块106、活塞107，底座108、围压单元109、进油管110、酒精贮存套筒111、测试信号源112、激电接收机113以及设置于所述压力室上端的启动阀门114；

所述上绝缘胶片104、下绝缘胶片105一端与所述上压头102、下压头103连接，所述上绝缘胶片、下绝缘胶片另一端通过第一耦合剂115、第二耦合剂117固定岩石试样116，所述上压头102通过所述垫块106活塞107所述下压头103的另一端与所述底座108连接，所述测试信号源112与所述激电接收机113分别设置于所述底座108两侧，所述测试信号源的正极、所述激电接收机的正极与所述第一耦合剂115连接，所述测试信号源的负极、所述激电接收机的负极与所述第二耦合剂117连接，所述酒精贮存套筒111设置于所述岩石试样116的外围，所述围压单元109通过进油管110与所述压力室122连接，并向所述压力室内注入油液。

进一步地，还包括：

冷浴箱118、酒精槽119、进液管120以及出液管121；

所述酒精槽设置于所述冷浴箱内部，所述进液管与所述出液管两端分别连通与所述酒精槽和所述压力室底部。

进一步地，所述压力室内层还设置有保温棉101。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种低温岩石压缩蠕变过程中电阻率测量方法，其特征在于，包括：

将岩石样品进行预处理；

将预处理后的岩石样品放置于上、下压头之间，并在所述含水岩石样品两端涂抹耦合剂；

将轴向和径向引伸计安装固定在所述岩石样品上；

开启启动阀门，围压单元向压力室内注入液压油，直至所述液压油从所述气动阀门溢出，则关闭所述启动阀门；

调节温控系统使所述岩石样品处于预设温度；

所述上压头、所述下压头以及套筒对所述岩石样品施加三轴压力；

根据所述轴向和径向引伸计测量的轴向变形长度和径向变形长度确定所述岩石样品的蠕变过程中的实时横截面积和长度；

根据所述实时横截面积和长度确定所述岩石样品的电阻率值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将岩石试样进行预处理，包括：

将岩石试样进行烘干、并冷却至室温；

经所述岩石试样喷洒水制成含水岩石试样。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述实时横截面积和长度确定所述岩石样品的电阻率值，包括：

根据公式

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\Δ}U}{I}\frac{S_t}{L_t}---\left(1\right)$

确定岩石样品的电阻率值，其中，ΔU为M、N两极间的电势差；I为通过A、B两极间的电流；S_t为岩样在t时刻的横截面积；L_t为t时刻M、N之间的距离。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述耦合剂包括腻子粉、硫酸铜、水，质量比为5:4:1.8。

5.一种低温压实压缩蠕变过程中电阻率测量装置，其特征在于，包括：

压力室、设置于所述压力室内的上压头、下压头、上绝缘垫片、下绝缘垫片、垫块、活塞，底座、围压单元、进油管、酒精贮存套筒、测试信号源、激电接收机以及设置于所述压力室上端的启动阀门；

所述上绝缘胶片、下绝缘胶片一端与所述上压头、下压头连接，所述上绝缘胶片、下绝缘胶片另一端通过第一耦合剂、第二耦合剂固定岩石样品，所述上压头另一端通过所述垫块与所述活塞连接，所述下压头的另一端与所述底座连接，所述测试信号源与所述激电接收机分别设置于所述底座两侧，所述测试信号源的正极、所述激电接收机的正极与所述第一耦合剂连接，所述测试信号源的负极、所述激电接收机的负极与所述第二耦合剂连接，所述酒精贮存套筒设置于所述岩石试样的外围，所述围压单元通过进油管与所述压力室连接，并向所述压力室内注入油液。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

冷浴箱、酒精槽、进液管以及出液管；

所述酒精槽设置于所述冷浴箱内部，所述进液管与所述出液管两端分别连通与所述酒精槽和所述压力室底部。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述压力室内层还设置有保温棉。