CN111323455A - 一种测量水下岩石加压过程动态电阻的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种测量水下岩石加压过程动态电阻的装置和方法，属于岩石试验技术领域。技术要点是：包括：轴向加载系统、应力应变采集系统、电阻采集系统，所述轴向加载系统包括：加压缸、垫块、底座、压头；所述应力应变采集系统包括：力传感器、lvdt位移传感器、lvdt支架、数据线、采集仪、电脑A；所述电阻采集系统包括：正极片、负极片、导线、电阻采集仪、电脑B；有益效果：本发明能方便、有效、快速地测量浸水、高温、低温、不同应力路径等前期处理过岩石试样加压过程的电阻值；能测量水下不同压力作用下岩石电阻的变化值，即采用间接方法避免了水对岩石电阻的干扰，实现了在水下测量岩石动态电阻；操作简单、价格低廉。

Description

一种测量水下岩石加压过程动态电阻的装置和方法

技术领域

本发明属于岩石试验技术领域，尤其涉及一种测量水下岩石加压过程动态电阻的装置和方法。

背景技术

岩石裂隙是岩石中存在的空间不连续形态,因受外部作用而发生裂变的现象,裂变本质上是缺陷的变化,包括岩矿颗粒内部或颗粒边界的缺陷,以及它们的扩展连通形式。岩石缺陷将随力学条件、温度环境和化学反应等因素变化，岩石的裂隙或孔隙缺陷数量巨大种类繁多,仅采用应力、应变两个变量及其相互关系还不能直接表征裂隙变化对岩石力学性质产生的影响，直接测量岩石裂隙不是一件容易完成的工作。为了尝试一种以特定物理效应为基础的测试手段我们引入了岩石物理学，岩石物理学的研究重点是与地质学、地球物理学、地球化学、石油工程、岩土工程、地热学和环境科学密切相关的岩石物理属性。岩石的电阻作为岩石重要的物理学参数，可以用来判断岩石性质、解决岩石裂隙的量化问题，探索工程结构状态及其演变规律，保证工程的安全。

岩石电阻变化的范围很大，通常认为岩石的电阻与它的成分、结构(矿物颗粒排列方式、颗粒之间孔隙和裂隙状况)、含水状况以及水的矿化度等有密切关系，除此之外，还受到它所处环境的热力学条件(温度和压力状况)的影响。为了揭示岩石受压时内部微裂隙结构的整体演变规律、裂隙的不可逆性与其物理力变量间的对应关系,本发明借助岩石试件的电阻分析岩石裂隙或孔隙的变化,但通常测量岩石的电阻值是由两电极法通过电桥仪直接测量，这种方法只可以简单测量加压过程岩石电阻的变化，然而工程实践中的岩体往往在水下，对于测水下岩石在加压工程中电阻的变化值，目前还没有相应的方法。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种测量水下岩石加压过程动态电阻的装置和方法，该方案能方便、快速地测量浸水、高温、低温、不同应力路径等前期处理过岩石试样加压过程的电阻值；能测量水下不同压力作用下岩石电阻的变化值，即采用间接方法避免了水对岩石电阻的干扰，实现了在水下测量岩石动态电阻。

技术方案如下：

一种测量水下岩石加压过程动态电阻的装置，其特征在于，

包括：轴向加载系统、应力应变采集系统、电阻采集系统；

所述轴向加载系统包括：加压缸、垫块、底座、压头；

所述应力应变采集系统包括：力传感器、lvdt位移传感器、lvdt支架、数据线、采集仪、电脑A；

所述电阻采集系统包括：正极片、负极片、导线、电阻采集仪、电脑B；

在所述底座上设置所述垫块,所述垫块上设置所述负极片，所述lvdt支架一端与所述垫块连接、另一端与所述lvdt位移传感器连接，所述lvdt位移传感器与所述压头连接，所述压头下端与所述正极片连接，所述正极片与负极片相对设置、二者之间的区域用于放置岩样，所述压头上方设置所述力传感器，所述力传感器上方设置所述加压缸；所述正极片和负极片通过所述导线与所述电阻采集仪连接，所述电阻采集仪与所述电脑B连接；所述lvdt位移传感器和力传感器通过所述数据线与所述采集仪连接，所述采集仪与所述电脑A连接。

进一步的，还包括环境系统，所述环境系统包括：环境箱底座、箱体，所述箱体与所述环境箱底座连接，所述环境系统设置在所述负极片之上、用于放置所述岩样。

进一步的，所述电阻采集系统还包括串口数据线，所述电阻采集仪通过所述串口数据线与所述电脑B连接。

进一步的，所述正极片和负极片均包括：紫铜片、接头，所述紫铜片其中一面设置有绝缘胶，所述接头设置在所述紫铜片的边缘，所述接头与所述导线连接。

进一步的，所述负极片还包括用于对准所述紫铜片与所述环境箱底座中心的定位孔。

本发明还包括一种测量水下岩石加压过程动态电阻的方法，步骤如下：

S1、打开电脑调整相关控制软件；

S2、调整垫块，然后将负极片放在垫块上，岩样放在负极片上；

S3、将正极片、压头依次放在岩样上，lvdt支架上的lvdt位移传感器顶在压头上，把lvdt位移传感器调整到相应量程，lvdt位移传感器、力传感器通过数据线依次连接采集仪和电脑A，正极片和负极片通过导线连接电阻采集仪，电阻采集仪通过串口数据线连接连接电脑B；

S4、点击电脑A界面的加压按钮，同时点击电脑B的电阻接收按钮，试验机加载装置通过加压缸进行向下移动加压，压力通过力传感器依次加载到压头和岩石试样上；

S5、随着压力的不断增大，岩石试样应变也不断增大，压头向下运动的同时压动lvdt位移传感器，采集仪通过数据线采集岩石的应力应变的变化值，最后由电脑A接收；正极片和负极片测量岩石试样在加压工程中的电阻变化值，并通过导线传输给电阻采集仪；

S6、电阻采集仪通过串口数据线传输给电脑B,当岩石破坏后结束电脑的数据采集，并结束实验、进行数据处理。

进一步的，将环境箱底座放在负极片上，岩石试样放在环境箱底座的中心位置，同时向箱体内加蒸馏水或配定好的溶液，当岩石试样全部浸在蒸馏水或溶液中停止添加溶液，从而进行下一步测试。

进一步的，岩石试样电阻的计算方法步骤如下：

S1、计算岩石孔隙度，表达式为：

式中：V表示岩石体积；V_f表示岩石裂隙，V表示孔隙体积；

S2、计算岩石的电阻率，均质材料的电阻公式为：

式中：ρ表示电阻率；R表示电阻；A表示导体截面积；L表示导体长度；

S3、岩石电阻与导电有效路径长度成正比，与路径有效横截面积成反比，即：

式中：L_f表示岩石裂隙溶液导电路径统计平均长度,亦为导电有效长度；S_f表示岩石裂隙溶液导电路径统计平均横截面积,亦为导电有效横截面积；ρ表示岩石裂隙溶液电阻率；

S4、对上式取对数并微分得到：

推到得出岩石孔隙度与电阻的关系为：

式中：k_s表示比例系数。

本发明所述的测量水下岩石加压过程动态电阻的装置和方法具有以下有益效果：

1.能方便、有效、快速地测量浸水、高温、低温、不同应力路径等前期处理过岩石试样加压过程的电阻值；

2.能测量水下不同压力作用下岩石电阻的变化值，即采用间接方法避免了水对岩石电阻的干扰，实现了在水下测量岩石动态电阻；

3.环境箱内可掺加不同种离子溶液，测不同金属离子溶液和压力共同作用下岩石电阻的变化值；

4.操作简单、价格低廉。

附图说明

图1为本发明试验系统整体组成结构示意图；

图2为本发明测量水下岩石加压过程的电阻示意图；

图3为本发明电极片结构示意图；

图4为本发明标样时间-电阻分布图；

图5为本发明标样时间-电抗分布图；

图6为本发明未加水情况下标样和环境箱的时间-电阻分布图；

图7为本发明未加水情况下标样和环境箱的时间-电抗分布图；

图8为本发明加水情况下标样和环境箱的时间-电阻分布图；

图9为本发明加水情况下标样和环境箱的时间-电抗分布图；

图10为本发明岩石试样在水中蠕变的时间-电阻分布图；

图11为本发明岩石试样在水中蠕变的时间-电抗分布图；

图中附图标记：1-加压缸、2-力传感器、3-垫块、4-底座、5-压头、6-lvdt位移传感器、7-lvdt支架、8-数据线、9-采集仪、10-1-电脑A、10-2-电脑B、11-串口数据线、12-电阻采集仪、13-正极片、14-负极片、15-导线、16-环境箱底座、17-箱体、18-紫铜片、19-定位孔、20-接头。

具体实施方式

下面结合附图1-11对测量水下岩石加压过程动态电阻的装置和方法做进一步说明。

岩石电介质由各种矿物组成，理论上说应该类似绝缘体完全不导电的，或者说电阻无限大，但实际上岩石电介质在直流电压作用下会有微弱电流流过，主要导电形式有电子电导和晶体离子电导和两种。含水岩石的导电主要是利用导电水溶液充当岩石导电介质,岩石中孔隙、裂隙的变化会密切影响岩石导电能力的变化。岩石中存在的缺陷按几何特征分为体、面、线和点四种，通过测量岩石孔隙度表达,可用电阻数值直接描述裂变新产生的岩石孔隙、裂隙大小。本发明包括轴向加载系统、应力应变采集系统、环境系统和电阻采集系统几部分。适用于测量水下岩石在加压过程中电阻的动态变化值。

本发明采用间接方法避免了水对岩石电阻的干扰，实现测量水下岩石动态电阻的方法。主要创新点是可以测量水下岩石在加压过程中电阻的动态变化值，即采用间接方法避免了水对岩石电阻的干扰，解决以往无法在水下测量岩石动态电阻的问题。

(1)轴向加载系统

轴向加载系统由加压缸1、垫块3、底座4、压头5组成。

(2)应力应变采集系统

应力应变采集系统由力传感器2、lvdt位移传感器6、lvdt支架7、数据线8、采集仪9、电脑A10-1组成。

(3)环境系统

环境系统由环境箱底座16、箱17体组成。

(4)电阻采集系统

电阻采集系统由正极片13、负极片14、导线15、电阻采集仪12、串口数据线11、电脑B10-2、紫铜片18、定位孔19、接头20组成。

相关基础计算公式：

岩石孔隙度表达式为：

式中：V-岩石体积；V_f-岩石裂隙与孔隙体积。

岩石的电阻率：各种岩石具有不同程度的导电能力，导电能力可用电阻率来表示，根据物理学可知，均质材料的电阻公式为：

式中：ρ--电阻率；R--电阻；A--导体截面积；L--导体长度。

岩石导电过程主要通过岩石裂隙、孔隙内的溶液(或蒸馏水)完成，较高频率如交流电通过时，对于一定饱和度导电溶液，岩石电阻与导电有效路径长度成正比，与路径有效横截面积成反比，即：

式中：L_f--岩石裂隙溶液导电路径统计平均长度,亦为导电有效长度；

S_f--岩石裂隙溶液导电路径统计平均横截面积,亦为导电有效横截面积；

ρ--岩石裂隙溶液电阻率。

在寻找岩石电阻与岩石孔隙度之间的联系时，需要对上式取对数并微分得到：

推到得出岩石孔隙度与电阻的关系为：

式中：k_s--比例系数。

参见图1，本发明的试验系统整体组成结构示意图，由加压缸1；力传感器2；垫块3；底座4；压头5；lvdt位移传感器6；lvdt支架7；数据线8；采集仪9；电脑10；串口数据线11；电阻采集仪12；正极片13；负极片14；导线15等主要部分组成。

在试验中，先打开电脑10(10-1、10-2)调整相关控制软件，调整垫块3，然后将负极片14放在垫块3上，岩样放在负极片14上，将正极片13、压头5依次放在岩样，lvdt支架7上的lvdt位移传感器6顶在压头5上，把lvdt位移传感器6调整到相应量程，lvdt位移传感器6、力传感器2通过数据线8依次连接采集仪9和电脑10-1，正极片13和负极片14通过导线15连接电阻采集仪12，电阻采集仪12通过串口数据线11连接连接电脑10-2。调整结束后点击电脑10-1界面的加压按钮，同时点击电脑10-2的电阻接收按钮，试验机加载装置通过加压缸1进行向下移动加压，压力通过力传感器2依次加载到压头5和岩石试样上，随着应力的不断增大，岩石试样应变也不断增大，压头5向下运动的同时压动lvdt位移传感器6，采集仪9通过数据线8采集岩石的应力应变的变化值，最后由电脑10-1接收。另一面，正极片13和负极片14测量岩石试样在加压工程中的电阻变化值，并通过导线15传输给电阻采集仪12，电阻采集仪12通过串口数据线11传输给电脑10-2,当岩石破坏后结束电脑10(10-1、10-2)的数据采集，并结束实验、进行数据处理。

参见图2，本发明的测量水下岩石加压过程的电阻示意图，由力传感器2；底座4；压头5；lvdt位移传感器6；lvdt支架7；电脑B10-2；串口数据线11；电阻采集仪12；正极片13；负极片14；导线15；环境箱底座16；箱体17等主要部分组成。

在试验中，将负极片14放在底座4上，再将环境箱底座16放在负极片14上，岩石试样放在环境箱底座16的中心位置，压头5放在岩样上，为了防止水对极片的影响将正极片13放在压头5上，lvdt支架7上的lvdt位移传感器6顶在压头5上，把lvdt位移传感器6调整到相应量程，lvdt位移传感器6、力传感器2通过数据线8依次连接采集仪9和电脑10-1，正极片13和负极片14通过导线15连接电阻采集仪12，电阻采集仪12通过串口数据线11连接连接电脑10-2。调整结束后点击电脑10-1界面的加压按钮和电脑10-2的电阻接收按钮，同时向箱体17内加蒸馏水或配定好的溶液，当岩石试样全部浸在蒸馏水或溶液中停止添加溶液。试验机通过加压缸1进行向下移动加压，压力通过力传感器2依次加载到压头5和岩石试样上，随着应力的不断增大，岩石试样应变也不断增大，压头5向下运动的同时压动lvdt位移传感器6，采集仪9通过数据线8采集岩石的应力应变的变化值，最后由电脑10-1接收。另一面，正极片13和负极片14测量岩石试样在加压工程中的电阻变化值，并通过导线15传输给电阻采集仪12，阻采集仪12通过串口数据线11传输给电脑10-2,当岩石破坏后结束电脑10(10-1、10-2)的数据采集，并结束实验、进行数据处理。

参见图3，本发明的电极片示意图，由导线15；紫铜片18；定位孔19；接头20等主要部分组成。

负极片14的紫铜片18一面用绝缘胶绝缘，另一面金属面与岩石试样或环境箱底座16接触；正极片13的紫铜片18一面用绝缘胶绝缘，另一面金属面与岩石试样或压头5接触；接头20在紫铜片18边缘，将紫铜片18和导线15连接，导线15另一端连接电阻采集仪12；负极片14-2紫铜片18中心打通一个定位孔19，定位孔19用来对准紫铜片18与环境箱底座16的中心。

实例1：测量标样电阻值和电抗值

用45号钢做直径75mm、高150mm的圆柱标样，与岩石尺寸相同，实际测量直径为74.89mm、高为150.13mm，在预加载条件下测量其电阻值、电抗值八分钟，每秒采集一次数据，求其平均值为标样的电阻值和电抗值。

其中：R₀为标样电阻值；R_总为所测标样电阻的总和；X₀为标样电抗值；X_总为所测标样电阻的总和；N为采集次数。

标样的电阻和电抗随时间分布图如图4和图5所示：

求得：R₀＝1091.87Ω；X₀＝138.49Ω。

实例2：测量标样和环境箱电阻值和电抗值(未加水)

根据实例1同理得到未加水情况下标样和环境箱的电阻和电抗随时间分布图如图6和图7所示：

求得：R₀＝1670.13Ω；X₀＝195.46Ω。

实例3：测量标样和环境箱电阻值和电抗值(加水)

根据实例1、实例2同理得到加水情况下标样和环境箱的电阻和电抗随时间分布图如图8和图9所示：

求得：R₀＝1497.25Ω；X₀＝179.23Ω。

通过实例2与实例1对比发现其电阻增加了52.96％、电抗增加了41.14％，说明增加的环境箱(底座)使标准样电阻增加；

通过实例3与实例2对比发现其电阻减小了11.55％、电抗减小了9.06％，说明加水后环境箱(底座)和标准样的电阻降低；

通过实例3与实例1对比发现其电阻增加了37.13％、电抗增加了29.42％，说明水和环境箱(底座)共同作用下标准样电阻增加了405.38Ω、电抗增加了40.74Ω。

实例4：测量岩石试样

以直径75mm、高150mm的黑砂岩为例，实际测量尺寸为直径74.3mm、高150.15mm。在加满水的环境箱内，以黑砂岩干燥强度的53％为标准进行加压蠕变，直到黑砂岩破坏，测其电阻和电抗值如图10和图11所示：

以图10岩石试样在水中蠕变的时间-电阻分布图为例进行解析：A点时压头5和正极片13没有完全接触，所以初始电阻较大；随着试验机压力的增大压头5和正极片13接触面积增大，到达B点时预加载结束，压力稳定岩石开始蠕变；BC阶段属于岩石压密阶段，岩石内部的孔隙、裂隙不断压密，所以电阻略有下降；C点为此压力下岩样的最密点，C点到D点岩石内部裂隙开始扩展，扩展到D点结束，电阻逐渐增大，D点前岩石孔隙裂隙变化相对较小，水渗入岩石内部速度较慢，水对岩石电阻的影响也较小；D点到E点水逐渐渗入岩石，电阻逐渐降低，11个小时的时候到达E点，E点时岩石已经饱和，E点后水对岩石电阻基本没有影响，所以EF间岩石的电阻趋于稳定阶段；FG间岩石裂隙逐渐增加，电阻逐渐增大；G点为岩石的破坏点，岩石破坏后压头5和正极片13不再完全接触，电阻迅速增加，即GH阶段。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量水下岩石加压过程动态电阻的装置，其特征在于，

包括：轴向加载系统、应力应变采集系统、电阻采集系统；

所述轴向加载系统包括：加压缸(1)、垫块(3)、底座(4)、压头(5)；

所述应力应变采集系统包括：力传感器(2)、lvdt位移传感器(6)、lvdt支架(7)、数据线(8)、采集仪(9)、电脑A(10-1)；

所述电阻采集系统包括：正极片(13)、负极片(14)、导线(15)、电阻采集仪(12)、电脑B(10-2)；

在所述底座(4)上设置所述垫块(3),所述垫块(3)上设置所述负极片(14)，所述lvdt支架(7)一端与所述垫块(3)连接、另一端与所述lvdt位移传感器(6)连接，所述lvdt位移传感器(6)与所述压头(5)连接，所述压头(5)下端与所述正极片(13)连接，所述正极片(13)与负极片(14)相对设置、二者之间的区域用于放置岩样，所述压头(5)上方设置所述力传感器(2)，所述力传感器(2)上方设置所述加压缸(1)；所述正极片(13)和负极片(14)通过所述导线(15)与所述电阻采集仪(12)连接，所述电阻采集仪(12)与所述电脑B(10-2)连接；所述lvdt位移传感器(6)和力传感器(2)通过所述数据线(8)与所述采集仪(9)连接，所述采集仪(9)与所述电脑A(10-1)连接。

2.如权利要求1所述的测量水下岩石加压过程动态电阻的装置，其特征在于，还包括环境系统，所述环境系统包括：环境箱底座(16)、箱体(17)，所述箱体(17)与所述环境箱底座(16)连接，所述环境系统设置在所述负极片(14)之上、用于放置所述岩样。

3.如权利要求1所述的测量水下岩石加压过程动态电阻的装置，其特征在于，所述电阻采集系统还包括串口数据线(11)，所述电阻采集仪(12)通过所述串口数据线(11)与所述电脑B(10-2)连接。

4.如权利要求2所述的测量水下岩石加压过程动态电阻的装置，其特征在于，所述正极片(13)和负极片(14)均包括：紫铜片(18)、接头(20)，所述紫铜片(18)其中一面设置有绝缘胶，所述接头(20)设置在所述紫铜片(18)的边缘，所述接头(20)与所述导线(15)连接。

5.如权利要求4所述的测量水下岩石加压过程动态电阻的装置，其特征在于，所述负极片(14)还包括用于对准所述紫铜片(18)与所述环境箱底座(16)中心的定位孔(19)。

6.一种测量水下岩石加压过程动态电阻的方法，其特征在于，步骤如下：

S1、打开电脑(10-1、10-2)调整相关控制软件；

S2、调整垫块(3)，然后将负极片(14)放在垫块(3)上，岩样放在负极片(14)上；

S3、将正极片(13)、压头(5)依次放在岩样上，lvdt支架(7)上的lvdt位移传感器(7)顶在压头(5)上，把lvdt位移传感器(6)调整到相应量程，lvdt位移传感器(6)、力传感器(2)通过数据线(8)依次连接采集仪(8)和电脑A(10-1)，正极片(13)和负极片(14)通过导线(15)连接电阻采集仪(12)，电阻采集仪(12)通过串口数据线(11)连接连接电脑B(10-2)；

S4、点击电脑A(10-1)界面的加压按钮，同时点击电脑B(10-2)的电阻接收按钮，试验机加载装置通过加压缸(1)进行向下移动加压，压力通过力传感器(2)依次加载到压头(5)和岩石试样上；

S5、随着压力的不断增大，岩石试样应变也不断增大，压头(5)向下运动的同时压动lvdt位移传感器(6)，采集仪(9)通过数据线(8)采集岩石的应力应变的变化值，最后由电脑(10-1)接收；正极片(13)和负极片(14)测量岩石试样在加压工程中的电阻变化值，并通过导线(15)传输给电阻采集仪(12)；

S6、电阻采集仪(12)通过串口数据线(11)传输给电脑B(10-2),当岩石破坏后结束电脑(10-1、10-2)的数据采集，并结束实验、进行数据处理。

7.如权利要求6所述的测量水下岩石加压过程动态电阻的方法，其特征在于，将环境箱底座(16)放在负极片(14)上，岩石试样放在环境箱底座(16)的中心位置，同时向箱体(17)内加蒸馏水或配定好的溶液，当岩石试样全部浸在蒸馏水或溶液中停止添加溶液，从而进行下一步测试。

8.如权利要求6所述的测量水下岩石加压过程动态电阻的方法，其特征在于，岩石试样电阻的计算方法步骤如下：

S1、计算岩石孔隙度，表达式为：

式中：V表示岩石体积；V_f表示岩石裂隙，V表示孔隙体积；

S2、计算岩石的电阻率，均质材料的电阻公式为：

式中：ρ表示电阻率；R表示电阻；A表示导体截面积；L表示导体长度；

S3、岩石电阻与导电有效路径长度成正比，与路径有效横截面积成反比，即：

式中：L_f表示岩石裂隙溶液导电路径统计平均长度,亦为导电有效长度；S_f表示岩石裂隙溶液导电路径统计平均横截面积,亦为导电有效横截面积；ρ表示岩石裂隙溶液电阻率；

S4、对上式取对数并微分得到：

推到得出岩石孔隙度与电阻的关系为：

式中：k_s表示比例系数。

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