[發明專利]脈動壓裂循環載荷下巖石強度計算方法

有效

• 申請號: 201910488510.0
• 申請日: 2019-06-05
• 公開（公告）號: CN110208087B
• 公開（公告）日: 2020-01-07
• 發明（設計）人: 李玉偉;張軍;王潁驊;董卓鑫;范家偉;李吉
• 申請（專利權）人: 東北石油大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/32
• 代理公司: 23118 哈爾濱東方專利事務所
• 代理人: 曹愛華

本發明涉及的是脈動壓裂循環載荷下巖石強度計算方法，它包括一、獲取脈動壓裂巖石應力?應變滯回環曲線，獲取一定脈動頻率和應力水平下脈動壓裂巖石應力?應變滯回環曲線的耗散能和彈性能；獲取巖石彈性模量、泊松比，并記載試驗軸向壓力、圍壓以及軸向應變；二、建立描述脈動壓裂過程中巖石損傷演化計算模型；三、將步驟一獲取的目的壓裂區塊一定脈動頻率和應力水平下巖石應力?應變滯回環曲線的耗散能和彈性能，代入步驟二中的計算模型，獲取巖石累積損傷變量；步驟四、獲取脈動壓裂循環載荷下巖石損傷本構關系公式；步驟五、計算得到給定的某個圍壓下給定脈動壓裂循環載荷下的巖石強度。本發明可以實現脈動壓裂過程對巖石強度變化的預測。

技術領域：

本發明涉及的是巖石強度特性的變化規律的描述方法，具體涉及的是脈動壓裂循環載荷下巖石強度計算方法。

背景技術：

脈動壓裂是一項非常規油氣資源開發的新型技術，該技術的核心是施加周期性變化的脈動壓力。在擾動應力的反復加-卸載作用下，使巖石發生疲勞損傷和破壞，一方面導致巖石強度降低，另一方面當擾動應力達到巖石相應強度極限后使巖石發生破裂形成裂縫，從而增加儲層改造體積，提高油氣產量。

脈動壓裂過程巖石在脈動載荷作用下，承受周期變化的應力作用會導致巖石的強度逐漸減小，而以往對于脈動壓裂的研究，假定巖石強度不變必然會使相關研究結果產生較大誤差，所以必須提供一種計算和預測脈動壓裂巖石強度變化規律的新模型和新方法。

巖石的破壞過程是非常復雜的，如果只是單純地用經典彈塑性力學或斷裂力學的方法來描述，將難以獲得理想的結果，因此，有必要將損傷理論引入到對巖石強度的研究中。

損傷，即在外界荷載作用下，由細觀結構缺陷萌生、擴展等不可逆變化引起的材料或結構宏觀力學性能的劣化。在損傷力學范疇內，材料內部的孔隙、裂隙等天然缺陷的結構演化可反映出材料力學性能的劣化，由此將損傷與材料力學性能聯系起來。材料的損傷是客觀存在的，并不是一種獨立的物理性質，其結構演化同時伴隨著能量變化，往往通過損傷變量來描述材料損傷的優劣性。

巖石損傷與巖石強度及變形特性等密切相關，可以認為巖石的加載變形破壞過程是從無損傷巖石到完全損傷的損傷演化過程，因此可以通過巖石損傷演化特征來描述巖石強度特性的變化規律。

以往巖石損傷演化模型中累積損傷變量的表達方式多種多樣，但仍沒有適用于描述脈動壓裂巖石強度的損傷演化模型，因此，需要結合損傷理論提出一種新的脈動壓裂循環載荷下巖石強度計算方法。

發明內容：

本發明的目的是提供脈動壓裂循環載荷下巖石強度計算方法，這種脈動壓裂循環載荷下巖石強度計算方法用于解決脈動壓裂循環載荷下巖石強度變化規律的描述。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：這種脈動壓裂循環載荷下巖石強度計算方法:

步驟一、開展目的壓裂區塊巖芯周期循環載荷壓縮的破壞實驗，通過開展一定脈動頻率和應力水平下周期循環載荷壓縮破壞實驗，獲取脈動壓裂巖石應力-應變滯回環曲線，進而獲取一定脈動頻率和應力水平下脈動壓裂巖石應力-應變滯回環曲線的耗散能和彈性能；

通過三軸壓縮破壞實驗獲取巖石彈性模量、泊松比，并記載試驗軸向壓力、圍壓以及軸向應變；

步驟二、根據脈動壓裂巖石應力-應變曲線滯回環所反映的能量演化特征，建立描述脈動壓裂過程中巖石損傷演化計算模型：

式中：D為累積損傷變量；D_i為第i次脈動循環下的單次損傷變量；U_di為第i次脈動循環下的耗散能；U_ei為第i次脈動循環下的彈性能；U_i為第i次脈動循環外界輸入總能；