[發明專利]一種測定巖性非衰減蠕變階段在不同應力下的失穩時間的方法

在審

• 申請號: 201510801486.3
• 申請日: 2015-11-19
• 公開（公告）號: CN105352787A
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發明（設計）人: 范翔宇;梁永昌;張千貴;聶聞;夏宏泉;趙鵬斐;徐烽淋
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司 51230
• 代理人: 晏輝

技術領域

屬于石油天然氣勘探開發及其他巖石工程領域，具體涉及一種從能量轉換角度描述巖性蠕變的方法，通過判別分析，建立能夠有效描述巖石第三蠕變階段的本構模型，解決了常規蠕變模型難以解釋、描述巖石蠕變第三階段的問題，

背景技術

流變作為巖石的一項重要力學性質與許多工程質量息息相關，在油氣鉆井工程及其他巖土工程中，由巖石流變導致工程失穩所造成的施工安全及經濟損失不可小覷。

國內外學者對巖石的流變特性做了大量的理論及實驗研究。毛東風等從理論上對均勻地應力場下及非均勻地應力場下蠕變引起的巖壓外載及因遠近含水量不同而引起的變化進行了分析；范翔宇等對煤巖儲氣層巖石蠕變特性與本構模型進行了研究，建立了飽依丁–湯姆遜體與賓漢姆體串聯模型；楊逾等建立了西原加速模型；何峰等對破碎煤巖峰后滲流-蠕變進行了實驗研究；李金和等通過單軸壓縮蠕變實驗研究了大理巖蠕變模型參數；陳紹杰等采用LS-DYNA數值方法分析了深部煤柱的蠕變支撐效應；周長冰等建立了高溫三軸應力條件下的煤巖蠕變模型；趙斌等對不同應力水平條件下煤巖蠕變破壞特征進行了研究；劉欽等對灰質頁巖蠕變特性進行了試驗研究；楊紅偉等對三軸壓縮條件下巖石孔隙水壓力分級加載蠕變試驗進行了蠕變特性及模型研究；趙洪寶等對處于不同載荷水平作用下的紅砂巖試樣剪切蠕變力學特性進行了系統的研究，并基于試驗結果嘗試解釋了一些邊坡失穩發生時的現象；黃達等開展相同初始高應力狀態條件下恒軸壓分級卸圍壓三軸卸荷蠕變試驗。

以上理論和方法基本是從力學的角度研究了巖石的蠕變特性，為后人研究巖石蠕變特性打下了一定的基礎。由于從不同角度研究巖石的蠕變特性，取得的效果會有所差別。

巖石蠕變通常分為兩種形式，即衰減蠕變和非衰減蠕變。在巖石所受荷載小于巖石的長期強度時，巖石發生衰減蠕變；在巖石所受荷載大于長期強度時，巖石發生非衰減蠕變。

巖石的工程失穩很多情況是由非衰減蠕變引起的。現在從能量轉換的角度分析巖石非衰減蠕變的三個階段：(1)減速蠕變階段，該階段主要以彈性形變為主。其原因是巖石要破裂，首先要破壞各基元的價鍵。而巖石基元粒子之間是通過各種化學鍵相結合的，這些價鍵的結合力是吸引力和排斥力共同作用的結果。在此階段，外力功主要轉變為彈性勢能(由于巖石先天性的缺陷，因此該階段并非表現理想彈性體的特點)。(2)穩定蠕變階段，主要以塑性變形為主。其原因是巖石彈性勢能達到一定程度，價鍵開始斷裂，巖石的不同組元內開始大量產生各種缺陷，使得巖石所受的外力功主要轉化為塑性變形能。使該階段主要表現為塑性變形的特點，使組元結構發生不可逆的畸變。(3)加速蠕變階段，該階段發展迅速，并且在短時間內發生破壞。主要是因為巖石在外力功的作用下，巖石內部積蓄的塑性變形能已經達到極限，巖石產生宏觀裂紋并迅速擴展。在此階段，外力功主要轉化為動能，導致該階段應變迅速增大，并使巖石快速破裂。

在油氣鉆采及其他巖石工程開挖過程中，隨著時間的推移，井壁及其他巖石工程失穩事故時有發生，很大一部分是由巖石蠕變失穩造成的。傳統的巖石蠕變模型對于描述蠕變的全過程效果不理想，主要存在以下問題：

(1)無法有效描述巖石蠕變的第三階段(即巖石的加速蠕變階段)。

(2)只能解釋巖石蠕變的現象而不能解釋巖石發生蠕變的內在原因及無法解釋巖石的蠕變為什么會分為三個階段。

西原模型是由胡克體、開爾文體和理想粘塑性體串聯而成(見圖1)，能夠較全面反映巖石的彈-粘彈-粘塑性特征。

模型中，當巖石所受荷載(σ)小于巖石的長期強度(σ_S)時，只有胡克體和開爾文體發生形變；當巖石所受荷載大于巖石長期強度時，除了胡克體及開爾文體發生形變外，理想粘塑性體也會發生形變。

圖1中E₁、E₂分別為胡克體和開爾文體中的彈性模量；該模型對應的蠕變方程為：

(1)當時，蠕變方程：