[论文解读] Temperature induced pore fluid pressurization in geomaterials

Siavash Ghabezloo, Jean Sulem|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2010

Rock Mechanics and Modeling参考文献 33被引用 15

一句话总结

本文提出了一套理论与实验相结合的框架，用于理解在不排水条件下饱和地质材料中温度引起的孔隙流体压力升高现象。该研究引入了一种校正方法，以考虑三轴仪中死体积的影响，表明排水系统柔度显著影响测得的孔隙压力和体积应变，其中孔隙率、排水压缩性以及系统体积与试样体积之比是影响误差的关键参数。研究揭示了洛特巴赫砂岩中强烈的应力与温度依赖性热压系数，范围在0.02至0.72 MPa/°C之间。

ABSTRACT

The theoretical basis of the thermal response of the fluid-saturated porous materials in undrained condition is presented. It has been demonstrated that the thermal pressurization phenomenon is controlled by the discrepancy between the thermal expansion of the pore fluid and of the solid phase, the stress-dependency of the compressibility and the non-elastic volume changes of the porous material. For evaluation of the undrained thermo-poro-elastic properties of saturated porous materials in conventional triaxial cells, it is important to take into account the effect of the dead volume of the drainage system. A simple correction method is presented to correct the measured pore pressure change and also the measured volumetric strain during an undrained heating test. It is shown that the porosity of the tested material, its drained compressibility and the ratio of the volume of the drainage system to the one of the tested sample, are the key parameters which influence the most the error induced on the measurements by the drainage system. An example of the experimental evaluation of undrained thermoelastic parameters is presented for an undrained heating test performed on a fluid-saturated granular rock.

研究动机与目标

• 建立在不排水条件下，流体饱和多孔材料中热压系数的理论基础。
• 识别并量化排水系统死体积对常规三轴仪中测得孔隙压力和体积应变的影响。
• 开发并验证实验室测试中不排水热-孔弹性性质的校正方法。
• 通过实验评估流体饱和颗粒状岩石（洛特巴赫砂岩）的热压系数和不排水热膨胀系数。
• 证明热压系数对有效应力和温度的强烈依赖性，这是由于流体和材料性质的变化所致。

提出的方法

• 通过将问题分解为三个子问题（a）机械加载，（b）热加载，以及（c）耦合热-机械响应，推导热-孔弹性行为的控制方程。
• 应用Biot-Willis概念和各向同性弹性理论，模拟在热和机械载荷下孔隙流体、固体相及多孔基质的体积变化。
• 提出一种基于排水系统死体积的校正方法，考虑其可压缩性和热膨胀，以校正测得的孔隙压力和应变。
• 采用非线性弹性模型，将测得的响应与材料本征性质相关联，引入水的温度和压力相关压缩系数与膨胀系数。
• 在三轴仪中对洛特巴赫砂岩进行不排水加热试验，应用校正方法以获得准确的热压系数和热膨胀系数。
• 通过将解析模拟结果与实验数据对比，验证校正模型，结果显示良好的一致性及较小的残差误差（平均约1%）。

实验结果

研究问题

• RQ1 三轴仪中排水系统的死体积在不排水加热试验中如何影响测得孔隙压力和体积应变的准确性？
• RQ2 哪些主导的材料与系统参数会因排水系统柔度而放大测量误差？
• RQ3 温度和有效应力如何影响饱和颗粒状岩石中热压系数？
• RQ4 多孔材料中的非弹性体积变化在热载荷下对孔隙压力演化有多大贡献？
• RQ5 能否开发并验证一种校正方法，以从标准三轴试验数据中恢复真实的不排水热-孔弹性性质？

主要发现

• 洛特巴赫砂岩的热压系数随有效应力（最高达15 MPa）和温度（20–90°C）变化，范围在0.02至0.72 MPa/°C之间，表现出强烈的应力与温度依赖性。
• 该砂岩的不排水热膨胀系数范围为3×10⁻⁵至13×10⁻⁵ °C⁻¹，随温度升高而增大，随有效应力增加而减小。
• 校正方法显著提升了测量精度：校正后的孔隙压力和热压系数高于实测值，而校正后的体积应变和热膨胀系数略低于实测值，平均偏差仅为约1%。
• 试样材料的孔隙率、其排水压缩性，以及排水系统体积与试样体积之比，是因死体积导致测量误差的三个最关键参数。
• 材料的非弹性体积变化会引发额外的孔隙压力变化——压缩使孔隙压力升高，而膨胀则使其降低。
• 热响应的强非线性主要由水的温度与压力相关压缩性及热膨胀性驱动，同时受到岩石应力相关压缩性的影响而加剧。