岩石力学、渗透率、电阻率、超声波波速等参数是表征岩石物理性质的关键指标，也是岩石工程设计、施工、生产等环节的重要依据。面向深地科技战略，岩石工程向深部进军，但深部处于超高温高应力极端环境，如我国塔科1井深度超过万米，温度达230℃、应力达200MPa。超高温高应力极端环境给深部岩石工程带来严峻挑战，面临着能不能干成、能不能干好的难题。其主要原因在于，传统实验装置难以模拟超高温高应力环境并在此环境下开展力-渗-电-声多参数测试，导致难以准确认知超高温高压环境下岩石变形破裂和传质机理，进而造成深部岩石工程设计、施工、生产缺乏理论依据。
为解决以上问题，中国科学院武汉岩土力学研究所岩体工程多场耦合效应研究团队与中国石油测井有限公司联合研发了超高温高应力岩石力-渗-电-声多参数测试系统（图1），该系统集成了力学、渗透率、电阻率、超声波等多种测试模块，支持超高温高应力（230℃、200MPa）的单/三轴压缩试验、有效应力系数（孔隙压力140MPa）试验、渗透率试验，试验过程可实时监测岩石应变、超声波、电阻率、稳态/瞬态法渗透率。超高温高应力实验舱是测试系统的核心单元（图2），专为模拟深部超高温高应力环境而设计，采用高强度合金材料制造，底座集成变形、电阻、超声波、温度、孔隙压力等多功能接口，内置专门研发的高性能超声波激发探头和绝缘接头，确保在230℃高温、200MPa高应力及140MPa高孔隙压力状态下，实现对岩心力-渗-电-声多参数的精准测量与分析。
目前，该设备已经通过验收，各项技术参数达到预定要求，获得了一些典型实验结果，主要包括以下内容：
1、岩石力学测试结果：对砂岩开展了系统的三轴压缩试验，研究了不同围压和孔隙压力条件下的岩石力学行为。试验结果显示（图3）：（1）围压效应：40MPa围压时，试样呈现脆-延性转换特征，表现为准脆性破坏；80-200MPa围压范围内，应力-应变曲线表现出显著的应变硬化行为。（2）孔隙压力效应（固定围压160MPa）：20-120MPa孔压时，试样表现为延性破坏；孔压增至140MPa时，破坏模式转变为明显脆性特征。（3）有效应力控制规律（围压和孔隙压力差值60MPa）：四种不同围压/孔压组合条件下的应力-应变曲线表现出高度一致性，表明有效应力原理在深部仍然成立。
这些发现为准确认知超高温高应力下岩石变形破裂和传质机理提供了重要实验依据，特别揭示了围压和孔隙压力对深部岩石破坏模式的协同控制机制。
2、循环加卸载中饱和盐水砂岩损伤的应变与电阻表征：通过对饱和盐水砂岩试件加卸载过程的电阻-应变耦合响应分析，揭示了岩石破坏的不同阶段与两种典型模式。前屈服阶段特征：（1）加卸载过程呈现应力-体积应变-电阻的同步响应：加载时体积压缩、电阻增大，卸载时体积回弹、电阻减小；（2）首次完全卸载（偏应力归零）时，体积应变与电阻未出现明显恢复，证实压密阶段裂缝闭合具有不可逆性；（3）随循环次数增加和应力水平提高，卸载残余体积应变和电阻呈现累积效应。屈服后破坏模式分异（以体积应变拐点为判据），模式Ⅰ（贯通型破坏）：电阻响应发生反转，由加载增大转为减小，表征宏观贯通裂缝网络形成；孔压模式Ⅱ（压缩型破坏）：电阻持续增长但斜率突变，反映微观裂缝压缩主导。
如图4所示，在80MPa围压和20MPa孔压条件下，试样呈现第一种破坏模式（贯通型破坏）；当围压提升至160MPa时，破坏模式转变为第二种类型（压缩型破坏）；而进一步将孔压增加至140MPa后，破坏模式又恢复为第一种类型。该研究建立了电阻-应变耦合指标与岩石破坏模式的对应关系，为深部储层稳定性监测提供了新的评价方法。
3、岩石三轴压缩过程中的声-电-力联合测量：图5为温度175℃、围压160MPa、孔压100MPa条件下的饱和盐水砂岩声波/电阻/偏应力-应变曲线，根据应变、纵波波速及电阻率演化规律可将划分为四个阶段：Ⅰ裂纹闭合阶段：此时纵波波速快速增大，电阻由于内部孔隙的闭合也呈增大趋势；Ⅱ弹性阶段，该阶段应变、波速、电阻均呈线性变化特征；Ⅲ裂纹稳定扩展阶段：此时应变不在遵循线性规律，变形模量减小，波速增速放缓，由于裂纹的扩展，导电路径增加，电阻开始减小；Ⅳ裂纹非稳定扩展阶段：岩石开始扩容，体积应变出现拐点，波速与电阻开始急剧下降。
该超高温高应力岩石力-渗-电-声多参数测试系统已在各大深层/超深层油气田中成功应用，准确、高效地提供了相关参数，有力支撑了工程的设计、施工、生产。相关成果已申请发明专利4项，相关研究得到了地球深部探测与矿产资源勘查国家科技重大专项（No. 2024ZD1003600）资助。
已申请的发明专利：
（1）一种超高温高压的三轴试验装置，ZL202311070939.0
（2）一种高温三轴的快速加热装置及其使用方法，ZL202510435287.9
（3）一种高温高压电-渗-力联合测量试验装置及其使用方法，ZL202510435286.4
（4）一种高温高压声-电联合测量试验装置及其使用方法，ZL202510435285.X
图1 超高温高应力岩石力-渗-电-声多参数测试系统
图2 超高温高应力实验舱：(a)联合加热示意图(a)实验舱实物图
图3 偏应力-应变曲线：(a)不同围压条件偏应力-应变曲线(b)不同孔压条件下偏应力-应变曲线（σ3=160MPa）(c)相同压差条件下偏应力-应变曲线(σ3-p=160MPa)
图4 偏应力/电阻/体积应变-时间曲线：(a)σ3=80MPa,p=20MPa(b)σ3=160MPa,p=20MPa(c)σ3=160MPa,p=140MPa
图5 T=175℃,σ3=160MPa,p=140MPa条件下声波/电阻/偏应力-应变曲线
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鄂公网安备 42010602003514 