地下水封石油洞庫(kù)圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種下水封石油洞庫(kù)圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的確定方法，由三軸流變力學(xué)試驗(yàn)獲取的巖石試樣流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線或勻速穩(wěn)態(tài)流變階段流變速率計(jì)算地下水封洞庫(kù)長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)。本發(fā)明充分考慮應(yīng)力-滲流的耦合作用才能得到比較真實(shí)的長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)，以用于判定洞室群圍巖的穩(wěn)定性。該確定方法是真實(shí)可靠的，在地下水封石油洞庫(kù)群的圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)確定中首次充分考慮應(yīng)力-滲流的耦合作用，其長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的值較未考慮滲流作用的值小，更加準(zhǔn)確地反映地下水封石油洞庫(kù)群的圍巖特性，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地下水封洞庫(kù)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定性具有參考價(jià)值。
【專利說(shuō)明】地下水封石油洞庫(kù)圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖石力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的評(píng)估方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)石油的需求量也日益增大，戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備對(duì)于應(yīng)對(duì)突發(fā)事件、穩(wěn)定石油供求關(guān)系和保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)的安全快速地發(fā)展都具有非常重要的意義。伴隨著石油進(jìn)口量的增長(zhǎng)，將石油、天然氣等儲(chǔ)存于地址條件優(yōu)越的地下水封洞庫(kù)是一種綜合經(jīng)濟(jì)效益良好的儲(chǔ)存方案。與傳統(tǒng)的地上石油儲(chǔ)存方式相比較，在地質(zhì)條件優(yōu)越的區(qū)域建造地下水封洞庫(kù)有著其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn):地下水封石油洞庫(kù)的防火、防爆以及防戰(zhàn)的性能明顯優(yōu)于地上儲(chǔ)備庫(kù)；同時(shí)，地下水封洞庫(kù)在環(huán)保、占用土地面積和延長(zhǎng)使用壽命等方面也具有其突出的優(yōu)勢(shì)。
[0003]石油儲(chǔ)備洞庫(kù)一般是由具有高邊墻、大跨度、不襯砌的洞室群組成，洞室群位于地下水位以下，處于應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用下的復(fù)雜環(huán)境中，研究地下水封石油洞室群圍巖在滲流-應(yīng)力耦合作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性對(duì)地下水封洞庫(kù)工程的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)有著至關(guān)重要的作用。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地下水封洞庫(kù)在滲流-應(yīng)力耦合作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，需要對(duì)洞室群圍巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。通常的評(píng)估方法有簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)法和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)法，上述方法各有其優(yōu)缺點(diǎn):簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)法是以單軸壓縮的應(yīng)力狀態(tài)為基礎(chǔ)提出的，可以確定扭轉(zhuǎn)、拉伸等簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度，但是實(shí)踐工程中的巖石處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，單通過(guò)簡(jiǎn)單的單軸壓縮試驗(yàn)是無(wú)法模擬巖石的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，故在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下確定的巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度無(wú)法準(zhǔn)確描述和反映處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的真實(shí)的巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)方法大多是以各種三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)，耗時(shí)較長(zhǎng)，工作量較大，且無(wú)法考慮滲流和應(yīng)力耦合下的圍巖真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于穩(wěn)態(tài)流變階段的穩(wěn)態(tài)流變速率或應(yīng)力變化進(jìn)行計(jì)算的地下水封石油洞庫(kù)圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的確定方法。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明提供了一種地下水封石油洞庫(kù)圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的確定方法，包括如下步驟:
[0006](I)選取現(xiàn)場(chǎng)巖石試樣:選取位于地下水位線以下水封洞庫(kù)圍巖代表性巖石試樣，選取的試樣為新鮮的巖芯試樣；
[0007](2)制備巖石試樣:將選取的巖芯試樣加工成高度為100mm、直徑為50mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件；
[0008](3)在巖石三軸滲流流變系統(tǒng)上進(jìn)行滲流-應(yīng)力耦合條件下的三軸流變力學(xué)試驗(yàn);
[0009](4)由三軸流變力學(xué)試驗(yàn)獲取的巖石試樣流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線或勻速穩(wěn)態(tài)流變階段流變速率計(jì)算地下水封洞庫(kù)長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)。
[0010]進(jìn)一步，步驟(4)根據(jù)采用應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線法得到長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)。在滲流-應(yīng)力耦合作用下，當(dāng)巖石所受外部荷載大于或等于某一定值時(shí)，巖石的流變變形會(huì)持續(xù)增大并最終發(fā)生破壞；當(dāng)外荷載小于某一定值時(shí)，巖石的流變變形速率會(huì)隨時(shí)間的推移逐漸變小，流變變形也會(huì)慢慢趨于收斂，巖石不會(huì)發(fā)生破裂，通常將這個(gè)應(yīng)力水平的臨界值稱為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。因此，對(duì)單個(gè)巖石試樣進(jìn)行分級(jí)加載流變?cè)囼?yàn)，獲得每一級(jí)應(yīng)力水平下的應(yīng)變-時(shí)間曲線，應(yīng)用Boltzmann疊加原理進(jìn)行疊加，以不同時(shí)間為參數(shù),得到一簇應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等時(shí)曲線，當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平即為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。
[0011]或者，步驟(4)根據(jù)勻速穩(wěn)態(tài)流變階段流變速率得到長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)。處于滲流-應(yīng)力耦合作用下的地下水封洞庫(kù)圍巖典型巖樣流變破壞會(huì)發(fā)生三個(gè)階段，即:初期衰減流變、勻速穩(wěn)態(tài)流變和加速流變階段；當(dāng)巖石處于加速流變階段時(shí)，可以認(rèn)為巖石最終會(huì)發(fā)生破壞；當(dāng)巖石只表現(xiàn)為初期衰減流變時(shí)，可以認(rèn)為巖石變形會(huì)隨著時(shí)間的發(fā)展而趨于收斂；當(dāng)巖石表現(xiàn)為勻速穩(wěn)態(tài)流變時(shí)，巖石變形隨時(shí)間推移既可以趨于收斂，也可以發(fā)展到加速流變階段并最后破壞，因此巖石流變的勻速穩(wěn)態(tài)流變階段的特性可以決定巖石是否會(huì)最終發(fā)生破壞。而巖石流變的勻速穩(wěn)態(tài)流變階段最基本特征是流變的速率保持為一特定值，所以從巖石穩(wěn)態(tài)流變階段的流變速率方面來(lái)研究巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度。具體為選取流變變形量較大，規(guī)律性較好的巖石試樣在不同圍壓不同應(yīng)力水平下的巖石穩(wěn)態(tài)流變階段的流變速率進(jìn)行分析研究，通過(guò)指數(shù)函數(shù)描述巖石試樣在不同應(yīng)力水平作用下穩(wěn)態(tài)流變階段的流變速率，指數(shù)函數(shù)能較好的反映應(yīng)力水平與態(tài)流變階段流變速率的關(guān)系規(guī)律性特征，從圖中指數(shù)函數(shù)的拐點(diǎn)處可確定出巖石試樣的長(zhǎng)期強(qiáng)度。
[0012]進(jìn)一步，步驟(3)試驗(yàn)過(guò)程中需要確定圍壓與滲壓:圍壓根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力值的結(jié)果，采用多元回歸等方法進(jìn)行數(shù)值反演計(jì)算得到；地下水封洞庫(kù)圍巖處于不同的滲壓作用下，通常巖石的孔隙度較低，因此采用放大滲壓的方法確定滲壓，選擇滲透壓力等級(jí)分別為3MPa、2MPa、lMPa。
[0013]有益效果:在地下水封石油洞庫(kù)的運(yùn)營(yíng)中，圍巖的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)是應(yīng)力-滲流耦合作用下的應(yīng)力狀態(tài)，本發(fā)明充分考慮應(yīng)力-滲流的耦合作用才能得到比較真實(shí)的長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)，以用于判定洞室群圍巖的穩(wěn)定性。該確定方法是真實(shí)可靠的，在地下水封石油洞庫(kù)群的圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)確定中首次充分考慮應(yīng)力-滲流的耦合作用，其長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的值較未考慮滲流作用的值小，更加準(zhǔn)確地反映地下水封石油洞庫(kù)群的圍巖特性，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地下水封洞庫(kù)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定性具有參考價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為不同應(yīng)力水平下流變?cè)囼?yàn)曲線；
[0015]圖2為應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線；
[0016]圖3為穩(wěn)態(tài)流變速率與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
[0018]實(shí)施例:采用應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線法獲得地下水封石油洞庫(kù)圍巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)方法:
[0019]1、選取取樣地點(diǎn):在我國(guó)沿海某地下水封石油洞庫(kù)工程現(xiàn)場(chǎng)，選取洞庫(kù)主洞室圍巖代表性巖石，鉆取試樣的地點(diǎn)應(yīng)位于地下水位以下并且?guī)r石的完整性較好；
[0020]2、鉆取巖芯試樣:在選好的地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)鉆取巖芯試樣,為避免試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，鉆取巖芯試樣應(yīng)在同一點(diǎn)按照相同的進(jìn)尺方向進(jìn)行鉆??；
[0021]3、制備圓柱形試樣:將現(xiàn)場(chǎng)鉆取的巖芯試樣通過(guò)切割等工序加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，直徑為50mm,高度為100mm,圓柱上下表面平行度在0.05mm以內(nèi)，表面平面度在0.02mm以內(nèi)；
[0022]4、室內(nèi)試驗(yàn):對(duì)于地下水封洞庫(kù)圍巖巖石試樣進(jìn)行等圍壓三軸滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)，軸向應(yīng)力采用分級(jí)加載方式，級(jí)數(shù)與每級(jí)加載大小根據(jù)常規(guī)的三軸試驗(yàn)確定，常規(guī)三軸試驗(yàn)可以確定該類巖石的瞬時(shí)強(qiáng)度，根據(jù)瞬時(shí)強(qiáng)度將其分為5至6級(jí)，確定每級(jí)加載的應(yīng)力水平，各級(jí)荷載的加載速率為1.5MPa/min，各級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間不小于72h，根據(jù)洞庫(kù)區(qū)域的地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，確定室內(nèi)滲流-應(yīng)力耦合作用下三軸流變的實(shí)驗(yàn)的最大圍壓4MPa。為充分體現(xiàn)地下水封洞庫(kù)在滲流-應(yīng)力耦合條件下巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度特性，試驗(yàn)前，將巖石試樣進(jìn)行飽水，使得巖石試樣孔隙內(nèi)部充滿水，將試樣放入水中浸泡養(yǎng)護(hù)4h以上；根據(jù)地下水封洞庫(kù)工程區(qū)域水文地質(zhì)條件以及洞庫(kù)運(yùn)營(yíng)期間的設(shè)計(jì)水幕壓力，確定了試驗(yàn)過(guò)程中施加的滲透水壓為lMPa、2MPa、3MPa，對(duì)比研究不同滲壓條件下巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)，并給出最終的長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)值。
[0023]滲流-應(yīng)力耦合作用下，巖石三軸流變?cè)囼?yàn)程序如下:
[0024]I)將飽水后的巖石試樣用高性能橡膠套裝好后，放入伺服儀的三軸壓力室中，調(diào)整軸向位移傳感器，并設(shè)定初值；
[0025]2)給試樣施加圍壓至預(yù)定值，待圍壓穩(wěn)定后，對(duì)試樣進(jìn)水口施加滲水壓力至試驗(yàn)設(shè)定的值；
[0026]3)通過(guò)油壓系統(tǒng)進(jìn)行軸向預(yù)加載，使試驗(yàn)機(jī)壓頭與試樣上端面之間充分接觸，以1.5MPa/min的加載速率施加軸向偏應(yīng)力直至第I級(jí)應(yīng)力水平時(shí)，保持軸向應(yīng)力不變，測(cè)試軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變與時(shí)間之間的關(guān)系；
[0027]4)在第I級(jí)加載維持72h后，視巖石流變應(yīng)變情況，進(jìn)行第2級(jí)應(yīng)力水平加載，加載完成后，保持軸向應(yīng)力不變，測(cè)試軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變與時(shí)間之間的關(guān)系；
[0028]5)在第3級(jí)及其更高級(jí)加載，重復(fù)上述操作，直至在最后一級(jí)應(yīng)力水平下試驗(yàn)巖樣發(fā)生加速流變破壞，取出巖樣，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理。
[0029]5、數(shù)據(jù)處理
[0030]基于某巖石試樣在圍壓不同應(yīng)力水平條件下的應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線，繪制出如圖1、圖2:圖1為不同應(yīng)力水平下流變?cè)囼?yàn)曲線，縱軸ε為流變變形，橫軸t為時(shí)間軸，tp......、t7代表不同的時(shí)間點(diǎn)，σ表示不同偏應(yīng)力級(jí)別；圖2為應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線,縱坐標(biāo)σ為偏應(yīng)力，橫坐標(biāo)ε為流變變形，……、tn代表不同時(shí)間點(diǎn)，σ ?為長(zhǎng)期屈服強(qiáng)度；通過(guò)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線中拐點(diǎn)的估算來(lái)求得巖石試樣的長(zhǎng)期強(qiáng)度值，利用Coulomb準(zhǔn)則求得其長(zhǎng)期黏聚力和長(zhǎng)期內(nèi)摩擦角。各長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)如下表所示:
[0031]表I某巖石試樣長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)
[0032]

【權(quán)利要求】
1.一種地下水封石油洞庫(kù)圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的確定方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)選取現(xiàn)場(chǎng)巖石試樣:選取位于地下水位線以下水封洞庫(kù)圍巖代表性巖石試樣，選取的試樣為新鮮的巖芯試樣； (2)制備巖石試樣:將選取的巖芯試樣加工成高度為100mm、直徑為50mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件； (3)在巖石三軸滲流流變系統(tǒng)上進(jìn)行滲流-應(yīng)力耦合條件下的三軸流變力學(xué)試驗(yàn)； (4)由三軸流變力學(xué)試驗(yàn)獲取的巖石試樣流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線或勻速穩(wěn)態(tài)流變階段流變速率計(jì)算地下水封洞庫(kù)長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水封石油洞庫(kù)圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的確定方法，其特征在于:步驟(4)根據(jù)采用應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線法得到長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù):對(duì)單個(gè)巖石試樣進(jìn)行分級(jí)加載流變?cè)囼?yàn)，獲得每一級(jí)應(yīng)力水平下的應(yīng)變-時(shí)間曲線，應(yīng)用Boltzmann疊加原理進(jìn)行疊力口，以不同時(shí)間為參數(shù)，得到一簇應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等時(shí)曲線，當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平即為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水封石油洞庫(kù)圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的確定方法，其特征在于:步驟(4)根據(jù)勻速穩(wěn)態(tài)流變階段流變速率得到長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù):通過(guò)指數(shù)函數(shù)描述巖石試樣在不同圍壓、不同應(yīng)力水平下的巖石穩(wěn)態(tài)流變階段的流變速率，從指數(shù)函數(shù)的拐點(diǎn)處確定巖石試樣的長(zhǎng)期強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水封石油洞庫(kù)圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的確定方法，其特征在于:步驟(3)試驗(yàn)過(guò)程中需要確定圍壓與滲壓:圍壓根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力值的結(jié)果，采用多元回歸等方法進(jìn)行數(shù)值反演計(jì)算得到；地下水封洞庫(kù)圍巖處于不同的滲壓作用下，通常巖石的孔隙度較低，因此采用放大滲壓的方法確定滲壓，選擇滲透壓力等級(jí)分別為3MPa、2MPa、lMPa。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK104132848SQ201410399007
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】徐衛(wèi)亞, 王如賓, 閆龍, 王環(huán)玲, 馮樹(shù)榮, 趙海斌, 梅松華, 賈朝軍 申請(qǐng)人:河海大學(xué)