确定裂隙岩体渗透率及孔隙度对有效应力敏感程度的方法

摘要

本发明公开一种确定裂隙岩体渗透率及孔隙度对有效应力敏感程度的方法，其中，确定渗透率对有效应力敏感程度的方法包括：模拟实际裂隙岩体，制备不同倾角相似材料；选任一倾角相似材料逐级施加围压，每级围压稳定后测量其渗透率，确定该倾角方向的渗透率与围压的函数关系式；对函数关系式求导，所得导函数表示该倾角方向相似材料的渗透率对有效应力的变化率；对导函数进行标准化处理，得到该倾角方向单位应力变化引起的单位渗透率的变化量，即为该倾角方向的渗透率对有效应力变化的敏感程度；重复上述，得到不同倾角方向的渗透率对有效应力变化的敏感程度。本发明可准确表征渗透率差异较大的岩体不同方向渗透率对有效应力的敏感程度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定裂隙岩体对有效应力敏感程度的方法，具体涉及一种确定裂隙 岩体渗透率及孔隙度对有效应力敏感程度的方法。

背景技术

经历了漫长的地质成生改造作用和表生演化，赋存于一定地质应力环境中的岩体内 部都广泛发育着节理、层理、接触带、剪切带、断层等结构面，因此在实际工程中遇到 的岩体大多都是由结构面和完整岩块组成的裂隙岩体，由于裂隙岩体中复杂的不连续的 结构面对岩体的渗透性质有控制作用，使得裂隙岩体的渗透性质比一般的均质、连续、 各向同性材料的渗透性质复杂的多，对工程安全有着显著的影响。

在实际环境中影响岩体渗透率和孔隙结构的因素有很多，如岩体所处的应力环境， 岩体的埋深，岩体所处渗流场的影响等，因此很难对各因素的影响关系逐一描述清楚， 于是引入渗透率和孔隙度对有效应力的敏感程度，对影响岩体渗透率和孔隙度的因素进 行归一化处理，通过这一系数可以清晰的得到有效应力对渗透率和孔隙度的影响关系， 敏感程度值越大，表示岩体渗透率和孔隙度对有效应力的变化就越敏感，反之则敏感程 度不高。

现有关于岩体渗透率和孔隙度对应力敏感程度的研究如下：

专利号为104977195A的中国发明专利“采用人造裂缝性碳酸盐岩岩心进行应力敏 感实验的方法”公开了一种测试不同充填状况裂隙岩体渗透率对应力敏感程度的方法， 该方法只能确定含充填的裂隙岩体的渗透率对应力的敏感程度，对于无充填的裂隙岩体 不同方向渗透率对应力的敏感程度没有涉及；

专利号为104405374A的中国发明专利“一种致密气藏储层应力敏感程度的测量方 法”公开了测量一种致密气藏储层应力敏感程度的方法，该方法通过数值分析计算岩体 的渗透率对应力的敏感程度，可靠性较差；

专利号为101038251的中国发明专利“全自动敏感综合测试仪”公布了一种自动测 试各向同性岩体应力敏感程度的方法，该方法仅能测量各向同性岩体渗透率对应力的敏 感程度，不能测量裂隙岩体不同方向渗透率对应力的敏感程度；

专利号为104834807A的中国发明专利“一种基于分形理论的应力敏感储层相对渗 透率计算方法”公开了一种基于分形理论计算储层渗透率对应力敏感程度的方法，该方 法采用理论分析求得岩体渗透率对应力的敏感程度，采用了太多的假设，结果可靠性差；

专利号为103528934A的中国发明专利“一种测量超低渗岩石渗透率应力敏感程度 的互相关技术“公开了一种测量超低渗透完整岩心渗透率对应力敏感程度的方法”，该 方法仅能测量超低渗透率的完整岩石渗透率对应力的敏感程度，不能测量渗透率较高的 裂隙岩体渗透率对应力的敏感程度；

专利号为102721636A的中国发明专利“一种基于尺度模型确定裂缝性低渗储层应 力敏感程度的方法”公开了一种考虑了尺度效应的完整岩体渗透率对应力敏感程度的测 试方法，该方法采用数值模拟的方法求得岩体渗透率对应力的敏感程度，采用了太多的 假设，结果可靠性差。

专利号为104089823A的中国专利申请“一种基于孔隙压缩实验确定岩石有效应力 系数的方法”，该方法通过液体在应力作用下的压缩测量岩石的孔隙度，在测量过程中 液体难免会在岩石孔隙结构中有残留，得到的岩石孔隙度对应力的敏感性不够精确。

专利号为104133050A的中国发明专利“应力条件下多孔岩石有效应力系数与孔隙 率同时测试方法”，该方法利用在应力加载过程中的岩石应变数据、应力数据以及孔隙 体积变化数据通过理论推导得到岩石的孔隙率参数，运用了较多假设，结果难免会有误 差，得到的岩石孔隙度对应力的敏感性不够精确。

综上所述，目前关于测试岩体渗透率和孔隙度对应力敏感程度的方法多是针对各向 同性岩体，对于各向异性岩体渗透率对有效应力敏感程度的测试方法未见有报道，但实 际工程中遇到的岩体内部大都广泛发育着节理、层理、接触带、剪切带、断层等结构面， 岩体表现出显著的渗透各向异性，其不同方向渗透率的大小与岩体所受的有效应力关系 紧密，对工程安全有着显著的影响，且目前多采用数值分析和理论推导的方法确定岩体 渗透率和孔隙度对应力的敏感程度，采用过多假设，可靠性较差，结果精确性不足。因 此迫切需要一种较为完备的确定渗透各向异性岩体不同方向渗透率和孔隙度对有效应 力敏感程度的方法。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种确定裂隙岩体渗透率对有效应力敏感程度 的方法，本发明的第二目的是提供一种确定裂隙岩体孔隙度对有效应力敏感程度的方 法。

技术方案：本发明涉及一种确定裂隙岩体渗透率对有效应力敏感程度的方法，包括 如下步骤：

步骤1，模拟实际裂隙岩体，制备与水平方向呈不同倾角的相似材料；

步骤2，选任一倾角相似材料逐级施加围压，每级围压稳定后测量其渗透率，确定 该倾角方向相似材料的渗透率与围压的函数关系式；

步骤3：对该函数关系式求导，所得导函数表示该倾角方向相似材料的渗透率对有 效应力的变化率；

步骤4，对该导函数进行标准化处理，得到该倾角方向单位应力变化引起的单位渗 透率的变化量，该变化量即为待测实际裂隙岩体该倾角方向的渗透率对有效应力变化的 敏感程度；

步骤5，重复步骤2～4，得到待测实际裂隙岩体不同倾角方向的渗透率对有效应力 变化的敏感程度。

通过本发明的方法得到不同倾角方向的渗透率对有效应力变化的敏感程度，充分反 映了各向异性岩体渗透率对有效应力的敏感程度，并且，标准化处理后能够得到单位应 力变化引起的单位渗透率变化量，可准确表征渗透率差异较大的渗透各向异性岩体不同 方向渗透率对有效应力敏感程度。

具体的，步骤1中，制备与水平方向呈不同倾角的相似材料的方法包括：

(1)根据实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，制作该裂隙 岩体的三维数字模型；

(2)将该三维数字模型输入3D打印机，旋转该三维数字模型，以实际裂隙岩体的 粉末为原料打印出与水平方向呈不同倾角的相似材料。

上述倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°或90°。

上述步骤2中，根据测得的每级围压下的渗透率，以围压为横坐标、渗透率为纵坐 标，作出该倾角方向围压与渗透率的散点图，通过迭代法得出与散点图拟合度最高的函 数关系式，即为该倾角方向相似材料的渗透率与围压的函数关系式。

较优的，步骤2中，逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30MPa及35MPa 的围压。

上述步骤4中，对导函数进行标准化处理的方法为：将步骤3所得的导函数除以该 倾角相似材料的初始渗透率，该初始渗透率为初始围压下测得的相似材料的渗透率。

本发明所述的一种确定裂隙岩体孔隙度对有效应力敏感程度的方法，包括如下步 骤：

步骤1，模拟实际裂隙岩体，制备裂隙岩体的相似材料；

步骤2，对该相似材料逐级施加围压，每级围压稳定后测量其孔隙度，确定孔隙度 与围压的函数关系式；

步骤3：对该函数关系式求导，所得导函数表示孔隙度对有效应力的变化率；

步骤4，对该导函数进行标准化处理，得到单位应力变化引起的单位孔隙度的变化 量，该变化量即为待测实际裂隙岩体孔隙度对有效应力变化的敏感程度。

通过本发明的方法得到孔隙度对有效应力变化的敏感程度，标准化处理后能够得到 单位应力变化引起的单位孔隙度变化量，可准确表征孔隙度差异较大的裂隙岩体孔隙度 对有效应力敏感程度。

具体的，步骤2中，根据测得的每级围压下的孔隙度，以围压为横坐标、孔隙度为 纵坐标，作出围压与孔隙度的散点图，通过迭代法得出与散点图拟合度最高的函数关系 式，即为孔隙度与围压的函数关系式。

上述步骤2中，逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30MPa及35MPa的围压。

上述步骤4中，对导函数进行标准化处理的方法为：将步骤3所得的导函数除以初 始孔隙度，该初始孔隙度为初始围压下测得的相似材料的孔隙度。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：(1)本发明通过制备相似材 料来模拟实际裂隙岩体，不必进行原位试验，通过室内模型试验即可确定渗透各向异性 裂隙岩体不同方向渗透率对有效应力的敏感程度，节省了大量物力和财力；同时，以数 学分析方法定量确定裂隙岩体不同方向渗透率对有效应力的变化率，并对该变化率表达 式进行标准化处理，得到不同倾角方向上单位有效应力变化引起的单位渗透率的变化 量，可以准确表征渗透率差异较大的裂隙岩体不同方向渗透率对有效应力的敏感程度； (2)本发明以数学分析方法定量确定裂隙岩体孔隙度对有效应力的变化率，并对该变 化率表达式进行标准化处理，得到单位有效应力变化引起的单位孔隙度的变化量，可准 确表征孔隙度大小差异较大的裂隙岩体孔隙度对有效应力敏感程度；

(3)本发明的相似材料可通过3D打印方法制备，可以精确反应各裂隙的空间形态 和分布，所得相似材料能够充分模拟实际裂隙岩体的性质，将其用于定量分析渗透各向 异性岩体的渗透率及孔隙度对有效应力的敏感系数时，实验结果具有代表性。

附图说明

图1为实施例中测得的不同倾角方向相似材料的渗透率与围压的散点图；

图2为实施例中测得的相似材料的孔隙度与围压的散点图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种确定裂隙岩体渗透率对有效应力敏感程度的方法，包括如下步骤：

步骤1，模拟实际裂隙岩体，制备与水平方向呈不同倾角的相似材料；

倾角可为0°、15°、30°、45°、60°、75°或90°；具体的，制备与水平方向 呈不同倾角的相似材料的方法包括如下两种：

第一种，根据实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，分别制作 用于制备不同倾角相似材料的模具；根据实际裂隙岩体的力学性能配置水泥砂浆，倒入 模具，养护、脱模，得到不同倾角的相似材料。

第二种，根据实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，制作该裂 隙岩体的三维数字模型；将该三维数字模型输入3D打印机，旋转该三维数字模型，以 实际裂隙岩体的粉末为原料打印出与水平方向呈不同倾角的相似材料。通过3D打印方 法制备相似材料，可以精确反应各裂隙的空间形态和分布，所得相似材料能够充分模拟 实际裂隙岩体的性质，将其用于定量分析渗透各向异性时，实验结果具有代表性。

步骤2，选任一倾角相似材料逐级施加围压，每级围压稳定后测量其渗透率，确定 该倾角方向相似材料的渗透率与围压的函数关系式；

可逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30MPa及35MPa的围压。

根据测得的每级围压下的渗透率，以围压为横坐标、渗透率为纵坐标，在坐标轴内 作出该倾角方向围压与渗透率的散点图，通过迭代法得出与散点图拟合度最高的函数关 系式，即为该倾角方向相似材料的渗透率与围压的函数关系式。

步骤3：对该函数关系式求导，所得导函数表示该倾角方向相似材料的渗透率对有 效应力的变化率；

步骤4，对该导函数进行标准化处理，得到该倾角方向单位应力变化引起的单位渗 透率的变化量，该变化量即为待测实际裂隙岩体该倾角方向的渗透率对有效应力变化的 敏感程度；

初始围压下测得的相似材料的渗透率为初始渗透率，将导函数除以该初始渗透率， 作为裂隙岩体渗透率对有效应力敏感程度的定量表达式，该表达式表示单位应力变化引 起的单位渗透率的变化量，表征了渗透率对有效应力变化的敏感程度。

步骤5，重复步骤2～4，得到待测实际裂隙岩体不同倾角方向的渗透率对有效应力 变化的敏感程度。

通过制备相似材料来模拟实际裂隙岩体，不必进行原位试验，通过室内模型试验即 可确定渗透各向异性裂隙岩体不同方向渗透率对有效应力的敏感程度，节省了大量物力 和财力；同时，以数学分析方法定量确定裂隙岩体不同方向渗透率对有效应力的变化率， 并对该变化率表达式进行标准化处理，得到不同倾角方向上单位有效应力变化引起的单 位渗透率的变化量，该变化量可以准确表征渗透率差异较大的裂隙岩体不同方向渗透率 对有效应力的敏感程度；

本发明的一种确定裂隙岩体孔隙度对有效应力敏感程度的方法，包括如下步骤：

步骤1，模拟实际裂隙岩体，制备裂隙岩体的相似材料；

步骤2，对该相似材料逐级施加围压，每级围压稳定后测量其孔隙度，确定孔隙度 与围压的函数关系式；

可逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30MPa及35MPa的围压。根据测得的 每级围压下的孔隙度，以围压为横坐标、孔隙度为纵坐标，在坐标轴内作出围压与孔隙 度的散点图，通过迭代法得出与散点图拟合度最高的函数关系式，即为孔隙度与围压的 函数关系式。

步骤3：对该函数关系式求导，所得导函数表示孔隙度对有效应力的变化率；

步骤4，对该导函数进行标准化处理，得到单位应力变化引起的单位孔隙度的变化 量，该变化量即为待测实际裂隙岩体孔隙度对有效应力变化的敏感程度。

初始围压下测得的相似材料的孔隙度为初始孔隙度，将导函数除以该初始孔隙度， 作为裂隙岩体孔隙度对有效应力敏感程度的定量表达式，该表达式表示单位应力变化引 起的单位孔隙度的变化量，表征了孔隙度对有效应力变化的敏感程度。

以数学分析方法定量确定裂隙岩体孔隙度对有效应力的变化率，并对该变化率表达 式进行标准化处理，得到单位有效应力变化引起的单位孔隙度的变化量，可通过该变化 量准确表征孔隙度差异较大的裂隙岩体孔隙度对有效应力敏感程度。

实施例

以定量确定某水电站河床坝基处渗透各向异性岩体不同方向渗透率以及孔隙度对 应力敏感程度为例，本发明的确定裂隙岩体渗透率、孔隙度对有效应力敏感程度的方法 包括如下步骤：

(1)根据实际渗透各向异性裂隙岩体的体积及岩体中结构面的空间形态、数量及 分布情况，制作该裂隙岩体的三维数字模型，将三维数字模型输入3D打印机，旋转该 三维数字模型，以待测实际裂隙岩体的粉末为原材料，分别打印出与水平方向成0°、15°、 30°、45°、60°、75°及90°倾角的裂隙岩体相似材料。

(2)对不同倾角相似材料分别逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30MPa 及35MPa的围压，利用岩石气体渗透率测试装置测量不同围压下不同倾角相似材料的 渗透率，以围压为横坐标，渗透率为纵坐标，做出不同倾角方向相似材料的渗透率与围 压的散点图，如图1，然后用迭代法分别计算出与各倾角方向相似材料的渗透率与围压 的散点图拟合度最高的函数关系式，作为裂隙岩体不同方向渗透率与围压的函数关系 式，如表1。

表1裂隙岩体不同方向渗透率与围压的函数关系式

倾角/° 渗透率与围压的函数关系式 0 y＝6.15e^-0.073x15 y＝69.07e^-0.097x30 y＝90.32e^-0.058x45 y＝68.42e^-0.095x60 y＝65.63e^-0.071x75 y＝69.45e^-0.066x90 y＝70.44e^-0.079x

同理，利用岩石气体渗透率测试装置测量不同围压下相似材料的孔隙度，以围压为 横坐标，孔隙度为纵坐标，做出相似材料的孔隙度与围压的散点图；由于不同倾角方向 相似材料孔隙度的大小以及随围压的变化规律接近一致，因此以0°倾角相似材料在不 同围压下的孔隙度代表相似材料的孔隙度，并做出0°倾角方向相似材料的孔隙度与围 压的散点图，如图2，并计算出与该散点图拟合度最高的函数关系式，作为裂隙岩体孔 隙度与围压的函数关系式y＝3.799x^-0.026。

(3)对不同倾角方向相似材料的渗透率与围压的函数关系式进行求导，得到裂隙 岩体不同方向渗透率对围压的变化率的表达式，如表2。

表2裂隙岩体不同方向渗透率对围压的变化率的表达式

倾角/° 渗透率与围压的函数关系式 0 y＝-0.45e^-0.073x15 y＝-6.69e^-0.097x30 y＝-5.24e^-0.058x45 y＝-6.5e^-0.095x60 y＝-4.66e^-0.071x75 y＝-4.59e^-0.066x90 y＝-5.56e^-0.079x

同理，对孔隙度与围压的函数关系式进行求导，得到裂隙岩体孔隙度对围压的变化 率的表达式，y＝0.098x^-1.026。

(4)对裂隙岩体不同方向渗透率对围压的变化率的表达式进行标准化处理，初始 围压3MPa时0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°倾角方向处的初始渗透率分别为5.11 ×10^-17、5.07×10^-16、7.38×10^-16、5.23×10^-16、2.05×10^-15、1.33×10^-16、5.87×10^-16， 以对应方向裂隙岩体的渗透率对围压的变化率的表达式除以该方向的初始渗透率，并取 绝对值，得到裂隙渗透各向异性岩体渗透率对有效应力敏感程度的定量表达式，如表3， 与倾角对应的表达式分别表示该方向上单位应力变化引起的单位渗透率的变化量，该变 化量表征了对应方向渗透率对有效应力变化的敏感程度。

表3裂隙岩体不同方向渗透率对有效应力敏感程度的定量表达式

同理，对裂隙岩体不同方向孔隙度对围压的变化率的表达式进行标准化处理，初始 围压3MPa对应的初始孔隙度为5.531，以裂隙岩体的孔隙度对围压的变化率的表达式 除以该方向的初始孔隙度，并取绝对值，得到裂隙岩体孔隙度对有效应力敏感程度的定 量表达式，y＝0.0179x^-1.026，此表达式表示单位应力变化引起的单位孔隙度的变化量，该 变化量表征了孔隙度对有效应力变化的敏感程度。