CN110487635B - 一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统及方法，该系统包括岩芯、电极片组、导线、底座、轴压加载装置、电阻率测试模块、声波探头、探头连接线、波速测试模块、数据传输线、计算机；岩芯置于底座和轴压加载装置之间；电极片、导线、电阻率测试模块、数据传输线与计算机构成电阻率测试系统；声波探头、探头连接线、波速测试模块、数据传输线与计算机构成波速测试系统。采用本发明测试系统及方法可使测量值更接近于岩体开挖过程中岩石处于地层环境中的真实值，更具参考意义。本发明对加压状态下的岩芯进行电阻率和波速的快速、准确测试，同时进行多参量测试，能够从多角度记录岩芯物理量的变化。
Description
技术领域
本发明涉及地质、钻探岩芯测试等领域，具体涉及一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统及方法。
背景技术
近年来，随着城市建设的快速发展，对浅层地下空间和深部矿产资源的需求日益增大。工程施工过程中难免会遇到很多工程地质问题，快速有效地获取岩石物理力学性质是解决这些问题不可或缺的前提。故，如何快速、准确地获取钻孔岩芯的物理力学参数就显得尤为重要。
电阻率和波速是两个重要的岩石物理力学参数。
电阻率是岩石的基本物理参数，直接反映岩石导电性的优劣，当岩石内部结构稳定时，其电阻率恒定。当岩石在外力作用下发生压裂破坏时，内部结构发生变化，其电阻率也会发生变化。所以电阻率变化情况能反映岩芯内部裂隙的发育，从而可以获得岩石内部破坏状态。但是，在岩芯电阻率测试中，如何采用科学有效的电极布设是一大难点。
声波在岩芯内传播过程中，其与岩芯介质相互作用，岩芯介质会对波速产生一定的影响，这种作用会使声波携带岩芯物理力学性质等信息。可以通过测量加载状态下的岩石纵横波速度，根据弹性波理论来计算岩石的物理力学参数进而获得岩芯破坏的全周期过程。但是，目前已有的岩芯波速测试方法，大多是在岩芯不受力下完成的，无法模拟出岩石储层的高地应力环境，更无法采集岩石发生压裂破坏时波速的变化响应特征，所以静态下的波速测试对实际工程施工的帮助较小。
总的来说，传统岩芯物理力学测试手段大多存在以下问题：①已有测试方法多在常压下进行，缺乏对岩石所处的高地应力环境的考虑；②无法进行多参量测试，单一的岩石物理力学参数的获取不能从多角度描述岩芯的固有属性；③常用测试方法耗时较长，耗费大量的人力物力，无法达到快速测试的目的。
因此，如何克服现有技术的缺陷，研究出一种系统与方法来解决岩芯在加载状态下电阻率及波速快速准确测试的问题，是本领域技术人员亟须解决的一个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统，该系统包括包括岩芯、电极片组、导线、底座、轴压加载装置、电阻率测试模块、声波探头、探头连接线、波速测试模块、数据传输线、计算机，其中，
岩芯置于底座和轴压加载装置之间；
电极片组包括若干个电极片，若干个电极片均固定于岩芯的表面且沿岩芯的轴向方向直线排列；每个电极片分别通过导线与电阻率测试模块连接，电阻率测试模块通过数据传输线与计算机连接；电极片、导线、电阻率测试模块、数据传输线与计算机构成电阻率测试系统；
声波探头包括一个声波激发探头和至少两个声波接收探头，声波激发探头和声波接收探头均固定于岩芯的表面且在岩芯表面呈对称位置设置；声波激发探头和声波接收探头分别通过探头连接线与波速测试模块连接，波速测试模块通过数据传输线与计算机连接；声波激发探头、声波接收探头、探头连接线、波速测试模块、数据传输线与计算机构成波速测试系统。
本发明中的电极片和声波探头采用简单、有效的布设方式固定在岩芯的表面，在准确测试的前提下，还将岩芯电阻率测试系统和波速测试系统整合到了一起，可同时对加压状态下的岩芯进行电阻率和波速的快速测试，节省了测试时间，提高了测试效率。
本发明采用轴压多级加载方式，在动态变化中捕捉岩芯电阻率和波速的变化，使测试结果更具参考意义。
本发明能够多参量采集，从多角度观察岩芯内部变形破坏响应特征。
在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：
优选的，底座、轴压加载装置与岩芯两个端面之间设置有绝缘垫片，以增加系统的安全性。
优选的，电极片呈圆弧状且其外表面需经过打磨，以防止电极片表面具有氧化层，影响测量。
优选的，电极片通过导电胶水固定在岩芯表面。
优选的，声波激发探头、声波接收探头与岩芯表面的连接处涂抹有凡士林，以增强耦合。
优选的，声波激发探头位于岩芯靠近端部的位置，声波接收探头位于岩芯上远离声波激发探头的一侧且多个声波接收探头呈一定间距沿岩芯的轴向方向排列设置。
本发明波速测试采用一激多收的透射方式，可以得到岩芯不同部位的变形破坏情况，使测试结果更加准确，更具参考意义。
优选的，若干个电极片沿岩芯的轴向方向等间距直线排列。
优选的，电阻率测试模块主要由电法仪构成，例如并行电法仪。
优选的，波速测试模块主要由波速测试仪构成。
另一方面，本发明还提供了一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试方法，包括以下步骤：
利用上述测试系统，将岩芯置于底座和轴压加载装置之间；测试时，轴压加载装置向岩芯提供轴向压力，分级加载；加载前，通过电阻率测试系统和波速测试系统，先分别采集岩芯电阻率和波速的背景值；每级加载完毕后，再通过电阻率测试系统和波速测试系统同时进行岩芯电阻率及波速的快速测试，测试完成后进行下一级压力的加载，直至岩芯破坏。
进一步的，岩芯电阻率测试时，通过改变供电电极和测量电极的顺序，完成加载状态下岩芯电阻率的测试；通过多级加载，能够得到每级加载对应的岩芯电阻率剖面图，加载至岩芯完全破坏后会获得不同轴压下的岩芯电阻率剖面图；
将不同轴压下的岩芯电阻率剖面图对比分析，对于电阻率变化较大区域设置监测点，并提取监测点的电阻率值，利用origin软件得到轴压P-岩芯电阻率ρ曲线图，通过对轴压P-岩芯电阻率ρ曲线分析得到不同轴压下岩芯电阻率变化响应特征。
进一步的，岩芯波速测试时，采用一激多收的透射方式完成加载状态下岩芯波速的测试；通过多级加载，能够得到每级加载对应的岩芯波速值，由于设置了多个声波接收探头，因此，每级加载后能够获得多组波速值，利用origin软件得到多组轴压P-波速v曲线图；
通过对同一轴向压力下的多组轴压P-波速v曲线对比分析，能够得到岩芯不同部位的变形破坏情况；通过对同一声波接收探头测试得到的轴压P-波速v曲线的分析，能够得到不同轴向压力下岩芯波速变化响应特征。
进一步的，电阻率测试系统采用温纳四极法，包括供电电极A极、B极，测量电极M极、N极，电阻率的计算公式为：
式中，AM表示电极A与电极M之间距离；AN表示电极A与电极N之间距离；BM表示电极B与电极M之间距离；BN表示电极B与电极N之间距离；△UMN表示电极M与电极N之间的电位差；I表示供电电流强度。
进一步的，波速v的计算公式为：
式中，l表示声波激发探头和声波接收探头之间的直线距离；t1表示首波进入岩芯的时刻；t2表示首波离开岩芯的时刻。
与现有技术相比，本发明一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统及方法，具有以下有益效果：
(1)、因考虑了岩芯在轴向受压下的波速与电阻率会实时发生动态变化，采用本发明测试系统及方法可使测量值更接近于岩体开挖过程中岩石处于地层环境中的真实值，更具参考意义；
(2)、本发明同时对加压状态下的岩芯进行电阻率和波速的快速、准确测试，同时进行多参量测试，能够从多角度记录岩芯物理量的变化。
(3)、本发明测试过程耗时短，准确、高效。
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简单地介绍。
图1为本发明中电极片的形状及布设方式图；
图2为本发明中声波探头的布设方式图；
图3为岩芯电阻率测试系统连接示意图；
图4为岩芯波速测试系统连接示意图；
图5为本发明一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统的布设及测试方法简易流程图；
其中，图中，
1-岩芯；2-电极片；3-导线；4-绝缘垫片；5-底座；6-轴压加载装置；7-电阻率测试模块；8-声波激发探头；9-声波接收探头；10-探头连接线；11-波速测试模块；12-数据传输线；13-计算机。
具体实施方式
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在没有做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。
实施例1：
如图1-5所示，本发明实施例公开了一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统，该系统包括岩芯1、电极片组、导线3、底座5、轴压加载装置6、电阻率测试模块7、声波探头、探头连接线10、波速测试模块11、数据传输线12、计算机13，其中，
岩芯1优选为柱状结构且岩芯1置于底座5和轴压加载装置6之间，轴压加载装置6可以为岩芯1提供轴向压力。
电极片组包括若干个电极片2，本实施例中为六个电极片2，六个电极片2均固定于岩芯1的表面且沿岩芯1的轴向方向直线排列；每个电极片2分别通过导线3与电阻率测试模块7连接，电阻率测试模块7通过数据传输线12与计算机13连接；电极片2、导线3、电阻率测试模块7、数据传输线12与计算机13构成电阻率测试系统。
声波探头包括一个声波激发探头8和至少两个声波接收探头9，本实施例中为两个声波接收探头9，声波激发探头8和两个声波接收探头9均固定于岩芯1的表面且在岩芯1表面呈对称位置设置，即本实施例采用的是一激两收的透射方式；声波激发探头8和声波接收探头9分别通过探头连接线10与波速测试模块11连接，波速测试模块11通过数据传输线12与计算机13连接；声波激发探头8、声波接收探头9、探头连接线10、波速测试模块11、数据传输线12与计算机13构成波速测试系统。
为了进一步优化上述实施例，底座5、轴压加载装置6与岩芯1两个端面之间设置有绝缘垫片4。
为了进一步优化上述实施例，电极片2呈圆弧状，其外表面需经过经打磨去除表面氧化层。
为了进一步优化上述实施例，电极片2通过导电胶水固定在岩芯1表面，在胶粘的过程中应避免电极片2与岩芯1间存在气泡。
为了进一步优化上述实施例，声波激发探头8、声波接收探头9与岩芯1表面的连接处涂抹有能够增强耦合作用的凡士林。
为了进一步优化上述实施例，声波激发探头8位于岩芯1靠近端部的位置，声波接收探头9位于岩芯1上远离声波激发探头8的一侧且两个声波接收探头9呈一定间距沿岩芯1的轴向方向排列设置。
为了进一步优化上述实施例，六个电极片2沿岩芯1的轴向方向等间距直线排列。
为了进一步优化上述实施例，电阻率测试模块7由电法仪构成。
为了进一步优化上述实施例，波速测试模块11由波速测试仪构成。
实施例2：
如图1-5所示，本发明实施例还公开了一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试方法，具体包括以下步骤：
首先利用上述实施例1中的测试系统，将岩芯1置于底座5和轴压加载装置6之间；测试时，轴压加载装置6向岩芯1提供轴向压力，并且岩芯1的轴压加载采用分级加压的方式；
加载前，通过电阻率测试系统和波速测试系统，先分别采集岩芯电阻率和波速的背景值；然后每级加载完毕后，再通过电阻率测试系统和波速测试系统同时进行岩芯电阻率及波速的快速测试，测试完成后进行下一级压力的加载，直至岩芯1破坏。
换句话说，即，在加载前，通过电阻率测试系统和波速测试系统，先分别采集岩芯电阻率和波速的背景值；接着进行第一级轴压加载，加载完成进行岩芯电阻率和波速采集，若岩芯1未发生破坏，则进行下一级轴压加载和数据采集，若岩芯1发生破坏，则停止加载，进行相关数据处理与分析。
在岩芯电阻率测试时，本实施例是通过改变供电电极和测量电极的顺序，完成加载状态下岩芯电阻率的测试，具体的，电阻率测试系统中的电阻率测试模块采用温纳四极法，包括供电电极A极、B极，测量电极M极、N极，电阻率的计算公式为：
式中，AM表示电极A与电极M之间距离；AN表示电极A与电极N之间距离；BM表示电极B与电极M之间距离；BN表示电极B与电极N之间距离；△UMN表示电极M与电极N之间的电位差；I表示供电电流强度。
通过多级加载，能够得到每级加载对应的岩芯电阻率剖面图，加载至岩芯完全破坏后会获得不同轴压下的岩芯电阻率剖面图，分析可得轴压加载下岩芯的变形破坏部位；
将不同轴压下的岩芯电阻率剖面图对比分析，对于电阻率变化较大区域设置监测点，监测点的数量视具体情况而定，提取监测点的电阻率值，利用or igin软件得到轴压P-岩芯电阻率ρ曲线图，再对轴压P-岩芯电阻率ρ曲线进行分析，进而得到不同轴压下岩芯电阻率变化响应特征。
在岩芯波速测试时，采用一激两收的透射方式完成加载状态下岩芯波速的测试，具体的，波速v的计算公式为：
式中，l表示声波激发探头和声波接收探头之间的直线距离；t1表示首波进入岩芯的时刻；t2表示首波离开岩芯的时刻；
上述测试的原理为，将岩芯1表面对称布置声波激发探头8和声波接收探头9，波速测试仪内产生一个高频脉冲信号，信号通过声波激发探头8激发为超声波信号，接着在岩芯1内部传导，然后通过声波接收探头9接收，记录下超声波在岩芯1中的旅行时间，测量声波激发探头8和声波接收探头9间的距离，距离与旅行时间的比值即为岩芯1的波速。
通过多级加载，能够得到每级加载对应的岩芯波速值，加载至岩芯1完全破坏后会获得不同轴压下的岩芯波速值；由于设置了两个声波接收探头9，因此，每级加载后能够获得两组波速值，利用origin软件将得到两组轴压P-波速v曲线图；
鉴于，当岩芯1内部结构完好时，岩芯波速值变化不大；当岩芯1发生变形破坏时，测试获得的波速会发生较大的变化；
因此，通过对同一轴向压力下的两组轴压P-波速v曲线对比分析，能够得到岩芯1不同部位的变形破坏情况；通过对同一声波接收探头9测试得到的轴压P-波速v曲线的分析，能够得到不同轴向压力下岩芯波速变化响应特征。
Claims (8)
1.一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统，其特征在于，包括岩芯、电极片组、导线、底座、轴压加载装置、电阻率测试模块、声波探头、探头连接线、波速测试模块、数据传输线、计算机，其中，
岩芯置于底座和轴压加载装置之间；
电极片组包括若干个电极片，若干个电极片均固定于岩芯的表面且沿岩芯的轴向方向直线排列；每个电极片分别通过导线与电阻率测试模块连接，电阻率测试模块通过数据传输线与计算机连接；电极片、导线、电阻率测试模块、数据传输线与计算机构成电阻率测试系统；
声波探头包括一个声波激发探头和至少两个声波接收探头，声波激发探头和声波接收探头均固定于岩芯的表面且在岩芯表面呈对称位置设置；声波激发探头和声波接收探头分别通过探头连接线与波速测试模块连接，波速测试模块通过数据传输线与计算机连接；声波激发探头、声波接收探头、探头连接线、波速测试模块、数据传输线与计算机构成波速测试系统；
岩芯电阻率测试时，通过改变供电电极和测量电极的顺序，完成加载状态下岩芯电阻率的测试；通过多级加载，能够得到每级加载对应的岩芯电阻率剖面图，加载至岩芯完全破坏后会获得不同轴压下的岩芯电阻率剖面图；
将不同轴压下的岩芯电阻率剖面图对比分析，对于电阻率变化较大区域设置监测点，并提取监测点的电阻率值，利用origin软件得到轴压P-岩芯电阻率ρ曲线图，通过对轴压P-岩芯电阻率ρ曲线分析得到不同轴压下岩芯电阻率变化响应特征；
岩芯波速测试时，采用一激多收的透射方式完成加载状态下岩芯波速的测试；通过多级加载，能够得到每级加载对应的岩芯波速值，由于设置了多个声波接收探头，因此，每级加载后能够获得多组波速值，利用origin软件得到多组轴压P-波速v曲线图；
通过对同一轴向压力下的多组轴压P-波速v曲线对比分析，能够得到岩芯不同部位的变形破坏情况；通过对同一声波接收探头测试得到的轴压P-波速v曲线的分析，能够得到不同轴向压力下岩芯波速变化响应特征。
2.根据权利要求1所述的一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统，其特征在于，底座、轴压加载装置与岩芯两个端面之间设置有绝缘垫片。
3.根据权利要求1所述的一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统，其特征在于，电极片通过导电胶水固定在岩芯表面。
4.根据权利要求1所述的一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统，其特征在于，声波探头与岩芯表面的连接处涂抹有凡士林。
5.根据权利要求1或4所述的一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试系统，其特征在于，声波激发探头位于岩芯靠近端部的位置，声波接收探头位于岩芯上远离声波激发探头的一侧且多个声波接收探头呈一定间距沿岩芯的轴向方向排列设置。
6.一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试方法，其特征在于，包括以下步骤：利用权利要求1至5任一项所述的测试系统，将岩芯置于底座和轴压加载装置之间；测试时，轴压加载装置向岩芯提供轴向压力，分级加载；加载前，通过电阻率测试系统和波速测试系统，先分别采集岩芯电阻率和波速的背景值；每级加载完毕后，再通过电阻率测试系统和波速测试系统同时进行岩芯电阻率及波速的快速测试，测试完成后进行下一级压力的加载，直至岩芯破坏。
7.根据权利要求6所述的一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试方法，其特征在于，电阻率测试系统采用温纳四极法，包括供电电极A极、B极，测量电极M极、N极，电阻率的计算公式为：
式中，AM表示电极A与电极M之间距离；AN表示电极A与电极N之间距离；BM表示电极B与电极M之间距离；BN表示电极B与电极N之间距离；△UMN表示电极M与电极N之间的电位差；I表示供电电流强度。
8.根据权利要求6所述的一种加载状态下岩芯电阻率及波速的快速测试方法，其特征在于，波速v的计算公式为：
式中，l表示声波激发探头和声波接收探头之间的直线距离；t1表示首波进入岩芯的时刻；t2表示首波离开岩芯的时刻。
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