一种低渗透岩石流变渗透率与体积应变关系的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩石力学与工程领域，具体涉及一种低渗透岩石渗透率与体积应变关 系的确定方法。
【背景技术】
[0002] 低渗透岩石渗透特性的研究是目前岩石力学一个重要的研究课题，具有非常重要 的工程背景和意义。低渗透岩石在许多地下岩石工程中普遍存在，如地下存储洞库、大坝坝 基、地下引水隧洞等。对于深埋的低渗透岩石，由于存在一定地下水，通常会涉及水与岩石 的相互耦合作用，主要是渗透水压影响围岩的应力分布情况，改变岩石所处应力场，而应力 的重分布又导致岩石渗透特性发生变化，进而引起渗流场的改变。对于低渗透岩石而言，有 必要开展应力-应变全过程中的渗透性演化规律研究，分析低渗透率岩石渗流-应力耦合条 件下的渗透特性。
[0003] 岩石的流变力学特性试验是确定岩石长期稳定性的主要手段之一，而渗流-应力 耦合条件下的流变力学试验对于研究低渗透岩石在水环境中的长期稳定性具有十分重要 的意义。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种低渗透岩石流变渗 透率与体积应变关系的确定方法，通过低渗透岩石在渗流-应力耦合流变试验中渗透率演 化规律对相应的体积应变曲线进行分阶段划分，分析各阶段体积应变变化与渗透率变化特 征，确定各阶段渗透率与体积应变的关系。
[0005] 技术方案：本发明提供了一种低渗透岩石流变渗透率与体积应变关系的确定方 法，其特征在于:取岩芯试样放入三轴渗流-流变试验仪上，施加围压和渗压进行三轴渗流-应力耦合流变试验，得到渗流-应力耦合流变条件下的渗透率曲线和体积应变流变曲线，将 体积应变流变曲线根据渗透规律进行阶段划分，并利用函数拟合方式分析各阶段渗透率与 体积应变关系，得到渗流-应力耦合流变试验中低渗透岩石渗透率与体积应变的关系表达 式。
[0006] 进一步，所述三轴渗流-应力耦合流变试验采取分级加载的方式，先对同批次的岩 芯试样进行渗流-应力耦合三轴瞬时试验，取流变试验的初始加载水平为瞬时试验中峰值 强度的55 %~65 %，随后依次按峰值强度的5 %左右加载，每级流变时间不少于50小时，直 至岩样发生流变破坏。
[0007] 进一步，所述渗透率曲线的变化规律为：初始加载时渗透率迅速下降，并逐渐平 稳，在流变变形阶段基本保持定值，当最后一级加载后渗透率显著增加，并最终达到峰值。
[0008] 进一步，体积应变流变曲线可根据渗透率变化规律划分为三个阶段，分别为初始 加载阶段、流变变形阶段和流变破坏阶段;所述初始加载阶段为从岩样初始加载到第一级 加载水平的流变变形，所述流变变形阶段为中间各级应力水平下的流变变形，所述流变破 坏阶段为最后一级的流变破坏。
[0009] 进一步，将三个阶段的渗透率-体积应变关系进行函数拟合，其中流变破坏阶段的 体积应变取体积应变相对值，即实际体积应变与流变破坏阶段初始点体积应变之差的绝对 值;拟合各阶段渗透率与体积应变的关系曲线，并得到渗流-应力耦合流变试验中渗透率与 体积应变的关系表达式。
[0010] 有益效果:本发明将低渗透岩石在渗流-应力耦合流变试验中的体积应变根据渗 透率演化规律进行分阶段划分，能够根据渗流-应力耦合三轴流变试验中的渗透演化规律， 分析不同阶段的渗透率与体积应变关系，可以得到整个流变试验中的渗透率与体积应变关 系式，对准确评价岩石在渗透-应力耦合条件下的长期稳定性问题具有参考价值。
【附图说明】
[0011] 图1为本实施例岩样的体积应变流变曲线与渗透率流变曲线图；
[0012]图2为本发明方法确定初始加载阶段体积应变与渗透率关系曲线；
[0013]图3为本发明方法确定流变变形阶段体积应变与渗透率关系曲线；
[0014] 图4为本发明方法确定流变破坏阶段体积应变与渗透率关系曲线。
【具体实施方式】
[0015] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施 例。
[0016] 实施例:本实施例通过低渗透岩石试样在渗流-应力耦合条件下的流变力学特性 试验得到体积应变流变曲线与渗透率流变曲线，通过渗透率在流变试验中的变化规律对体 积应变曲线进行阶段划分，利用函数拟合分阶段研究渗流-应力耦合流变试验中的渗透率 与体积应变关系，得到渗透率与体积应变的关系表达式。
[0017] 本实施例的具体实施步骤如下：
[0018] ①利用取芯钻具获取地下花岗片麻岩岩芯试样，选取完好、无损且原始的内部结 构完整的岩芯试样加工成高度为1〇〇_、直径为50mm的标准圆柱形试样。
[0019]②取围压(〇3/MPa)为岩石所受实际地应力值4MPa，渗压(Pi/MPa)为岩石所受实际 渗透压力值2MPa，渗压加载采取岩样底端与顶端压力差的形式加载，其中底端渗压大于顶 端渗压，两者压力差即为岩样所施加的渗压。采取分级加载的方法进行渗流-应力耦合流变 力学特性试验:首先对与岩样同批次的试样进行渗流-应力耦合三轴瞬时试验，故本实施例 流变试验的初始加载水平取瞬时试验中峰值强度的5 5 %，即1 2 5.0 0 Μ P a，每级加载 10.0 OMPa，每级流变时间为72小时，直至岩样发生流变破坏。得到体积应变流变曲线与渗透 率流变曲线，如图1所示，图中K为岩石的渗透率，ε ν为岩石的体积应变、t为岩石的流变时 间。体积应变流变曲线的渗透率变化规律为:初始加载时渗透率迅速下降，并逐渐平稳，在 流变变形阶段基本保持定值，当最后一级加载后渗透率逐渐增加，随后急剧增加并最终达 到峰值。
[0020]③将体积应变流变曲线根据渗透率变化规律划分为三个阶段，分别为初始加载阶 段、流变变形阶段、流变破坏阶段;初始加载阶段为从岩样初始加载到第一级加载水平的流 变变形，流变变形阶段为中间各级应力水平下的流变变形，流变破坏阶段为最后一级的流 变破坏，取A点为初始加载阶段与流变变形阶段分界点，B点为流变变形阶段与流变破坏阶 段分界点，这两点的体积应变分别为εVA和εvB。
[0021] ④以体积应变εν为横坐标，渗透率K为纵坐标，画出各阶段渗透率-体积应变散点 图；其中，初始加载阶段采用指数函数拟合，如图2所示;流变变形阶段的渗透率剔除突变点 的数据后，均围绕一圆心点分布，故认为该阶段的渗透率为常数C，如图3所示;将流变破坏 阶段体积应变取体积应变相对值ε ν1，即实际体积应变与流变破坏阶段初始点体积应变之差 的绝对值：
[0022] ενι= | εν-ενβ
[0023] 然后采用指数函数拟合得到相应的拟合曲线(如图4所示）。
[0024]⑤通过分阶段拟合可以得到渗流-应力耦合条件下流变力学特性试验中的渗透率 与体积应变关系表达式：
[0026] 式中，tA、tB分别为Α点和8点的时间值，al、bl、Cl、a2、b2和C2均为参数，可通过渗流- 应力耦合流变试验结果拟合得到，本实施例渗透率与体积应变拟合结果如下表所示。
[0027]
【主权项】
1. 一种低渗透岩石流变渗透率与体积应变关系的确定方法，其特征在于：取岩芯试样 放入三轴渗流-流变试验仪上，施加围压和渗压进行三轴渗流-应力耦合流变试验，得到渗 流-应力耦合流变条件下的渗透率曲线和体积应变流变曲线，将体积应变流变曲线根据渗 透规律进行阶段划分，并利用函数拟合方式分析各阶段渗透率与体积应变关系，得到渗流-应力耦合流变试验中低渗透岩石渗透率与体积应变的关系表达式。2. 根据权利要求1所述的低渗透岩石流变渗透率与体积应变关系的确定方法，其特征 在于:所述三轴渗流-应力耦合流变试验采取分级加载的方式，先对同批次的岩芯试样进行 渗流-应力耦合三轴瞬时试验，取流变试验的初始加载水平为瞬时试验中峰值强度的55%~ 65%，随后依次按峰值强度的5%左右加载，每级流变时间不少于50小时，直至岩样发生流变 破坏。3. 根据权利要求2所述的低渗透岩石流变渗透率与体积应变关系的确定方法，其特征 在于:所述渗透率曲线的变化规律为:初始加载时渗透率迅速下降，并逐渐平稳，在流变变 形阶段基本保持定值，当最后一级加载后渗透率显著增加，并最终达到峰值。4. 根据权利要求2所述的低渗透岩石流变渗透率与体积应变关系的确定方法，其特征 在于:体积应变流变曲线可根据渗透率变化规律划分为三个阶段，分别为初始加载阶段、流 变变形阶段和流变破坏阶段;所述初始加载阶段为从岩样初始加载到第一级加载水平的流 变变形，所述流变变形阶段为中间各级应力水平下的流变变形，所述流变破坏阶段为最后 一级的流变破坏。5. 根据权利要求4所述的低渗透岩石流变渗透率与体积应变关系的确定方法，其特征 在于:将三个阶段的渗透率-体积应变关系进行函数拟合，其中流变破坏阶段的体积应变取 体积应变相对值，即实际体积应变与流变破坏阶段初始点体积应变之差的绝对值;拟合各 阶段渗透率与体积应变的关系曲线，并得到渗流-应力耦合流变试验中渗透率与体积应变 的关系表达式。
【专利摘要】本发明公开了一种低渗透岩石流变渗透率与体积应变关系的确定方法，取岩芯试样进行三轴渗流-应力耦合流变试验，得到渗流-应力耦合流变条件下的渗透率曲线和体积应变流变曲线，将体积应变流变曲线根据渗透规律进行阶段划分，并利用函数拟合方式分析各阶段渗透率与体积应变关系，得到渗流-应力耦合流变试验中低渗透岩石渗透率与体积应变的关系表达式。本发明将低渗透岩石在渗流-应力耦合流变试验中的体积应变根据渗透率演化规律进行分阶段划分，能够根据渗流-应力耦合三轴流变试验中的渗透演化规律，分析不同阶段的渗透率与体积应变关系，可以得到整个流变试验中的渗透率与体积应变关系式，对准确评价岩石在渗透-应力耦合条件下的长期稳定性问题具有参考价值。
【IPC分类】G01N15/08, G01N33/24, G01N11/00
【公开号】CN105606490
【申请号】CN201610060682
【发明人】刘琳, 徐卫亚, 王环玲, 王伟, 王如宾
【申请人】河海大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年1月28日