CN110174313B - 一种层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法及系统，所述方法包括：加工或制备有预制裂缝的试件块；在所述试件块的一面上制造出散斑图案，得到有散斑面的待测试件块；对所述待测试件块进行三点弯曲试验形成拉伸破坏，获得不同荷载下的拉应力信息，同时用工业测量相机记录所述散斑面在不同荷载下拉伸破坏的图片；结合数字图像相关法，采用DIC配套的图像处理软件分析所述图片，得到所述散斑面在不同荷载下的位移信息；根据所述拉应力信息、位移信息计算界面拉伸刚度。本发明提供的测量方法及系统操作简单，结果可靠，实用性强。

Description

一种层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法及系统

技术领域

本发明属于石油与天然气技术领域，具体涉及一种层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法及系统。

背景技术

自然界中存在许多层状岩石，例如页岩、煤层、砂泥互层等等，因此对层状岩石的层间界面刚度的确定，有利于对一些实际工程问题提供指导，例如在页岩气、煤层气、薄互层状油气资源的水力压裂当中，层状岩石的界面刚度与水力裂缝的形成有着密切的关系，而水力裂缝的形成又决定了压裂效果的好坏，直接影响了油气产量。因此在与层状岩石力学性质相关的工程问题当中，对层间的界面刚度问题进行研究，建立一种简单可靠的界面刚度测量方法，具有广泛而实用的工程意义。

鉴于非常规油气资源低孔、低渗、非均质等储层特征，水力压裂增产技术已成为其开发的关键技术之一，水力压裂过程中，经常面临页岩、煤岩、薄互层等层状岩石；对于此类层状储层，水力裂缝层间扩展关系到水力压裂的效果与成败，而层状岩石的界面刚度是开展水力裂缝层间扩展研究的基础。

发明内容

本发明提出了一种结合三点弯曲试验和DIC数字图像法的层状岩石界面拉伸刚度的实验测试方法及系统，用于完善传统界面刚度测试方法的不足。

本发明第一方面，提出一种层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法，所述法包括：

S1、加工或制备有预制裂缝的试件块；

S2、在所述试件块的一面上制造出散斑图案，得到有散斑面的待测试件块；

S3、对所述待测试件块进行三点弯曲试验形成拉伸破坏，获得不同荷载下的拉应力信息，同时用工业测量相机记录所述散斑面在不同荷载下拉伸破坏的图片；结合数字图像相关法，采用DIC配套的图像处理软件分析所述图片，得到所述散斑面在不同荷载下的位移信息；

S4、根据所述拉应力信息、位移信息计算界面拉伸刚度。

可选的，所述待测试件块尺寸及形状满足三点弯曲试验规范要求，待测试件块制备考虑的因素包括：预制裂缝深度比、试件大小、配比、胶结面性质。

可选的，三点弯曲试验过程中，以预设速度向所述待测试件块施加荷载，荷载施加位置在所述预制裂缝中心正上方。

可选的，所述步骤S3中，用工业测量相机记录所述散斑面在不同拉应力状态下拉伸破坏的图片之前还包括：

在所述散斑面上选取一个计算区域，该计算区域在试件破坏过程中应始终包含形成的裂纹；以所述预制裂缝的尖端为坐标原点，以所述预制裂缝的轴向为y轴，垂直y轴方向为x轴正向建立直角坐标系，在x轴上取一条以y轴为对称轴选取一条线段M1N1，在此基础上，沿y轴向上依次以预设间隔选取多条与M1N1平行且长度相等的直线段；在每一条平行直线段上选取两个以y轴为对称轴的计算点。

可选的，所述步骤S3中，所述采用DIC配套的图像处理软件计算位移信息时，以每一条平行直线段为一次计算，利用图像处理软件对直线段上所有选取的计算点进行分析，计算得出每一个计算点在拉伸破坏过程中的位移量大小。

可选的，所述步骤S4中，所述拉伸刚度的计算方法为：根据不同荷载下的拉应力信息、位移信息计算拉应力变化量dp_N以及与所述拉应力变化量dp_N对应的位移变变化量du，然后计算拉伸刚度K：

本发明第二方面，提供一种层状岩石界面拉伸刚度的实验测量系统，所述系统包括压力机、压力机控制模块、工业测量相机、控制箱、图像处理模块，其特征在于：

所述压力机与压力机控制模块电连接，所述控制箱与所述工业测量相机、图像处理模块通信连接；工业测量相机位于所述压力机正前方且与待测试件块同轴设置，所述待测试件块上有预制裂缝且包括散斑面，所述散斑面朝向所述工业测量相机；

所述压力机控制模块用于控制所述压力机对待测试件块以一定速度施加荷载、进行三点弯曲试验形成拉伸破坏，计算不同荷载下的拉应力信息；所述控制箱用于控制所述工业测量相机与所述压力机同步触发并通过所述工业测量相机记录所述待测试件块在不同荷载下拉伸破坏的图片；

所述图像处理模块用于采用DIC配套的图像处理软件分析所述拉伸破坏图片，获得位移信息，根据所述拉应力信息、位移信息计算界面拉伸刚度。

可选的，所述待测试件块尺寸及形状满足三点弯曲试验规范要求，待测试件块制备考虑的因素包括：预制裂缝深度比、试件大小、配比、胶结面性质。

可选的，所述图像处理模块具体包括：

位移计算单元：用于以工业测量相机调试过程中选取的计算区域中的平行直线段以及计算点为基础，在采集到拉伸破坏过程图片后，以每一条平行直线段为一次计算，利用DIC图像处理软件对直线段上所有选取的计算点进行分析，得出每一个计算点在拉伸破坏过程中的位移大小；

刚度计算单元：根据不同荷载下的拉应力信息、位移信息计算在相同荷载变化下的拉应力变化量dP_N和位移变化量du，根据所述拉应力变化量dP_N和对应的位移变化量du计算得出界面处的拉伸刚度K，

本发明提供的界面拉伸刚度测量方法及系统操作简单，结果可靠，实用性强，可为层状岩石力学性质相关的工程问题提供技术参考，所提出方法同样适用于混凝体等两种材料试件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的测量方法流程图；

图2为本发明制作待测试件块使用的挡板和预制裂缝片的三视图；

图3为本发明在待测试件块上制作的散斑面图像；

图4(a)为本发明三点弯曲试验荷载施加位置示意图；

图4(b)为本发明三点弯曲试验分析简图；

图5为本发明选取的计算区域平行直线段示意图；

图6为本发明选取的计算区域平行直线段上的对称计算点示意图；

图7为本发明的测量系统结构示意图。

具体实施方式

本发明提出了采用数字图像法结合三点弯曲试验法测量层状岩石的界面拉伸刚度，该方法简单可靠，且同样适用于混凝体等两种材料试件。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提出一种层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法，所述法包括：

S1、加工或制备有预制裂缝的试件块；

在进行拉伸刚度测量之前要获得待测的试件块，此试件块的尺寸形状大小应符合相关行业的测量规范所规定的尺寸大小。根据目前的试验规范流程，层状岩石的试件块制备首先需考虑以下几个方面的因素，分别是：预制裂缝深度比、试件尺寸大小、配比(胶结物含量)、胶结面性质(体现于养护时间的不同)。在采用相似材料模拟时，泥岩采用纯水泥模拟，砂岩采用灰砂比1:1～1:5的质量比来进行模拟，每种试件尺寸采用三种尺寸，长×宽×高尺寸分别为80mm×20mm×20mm、160mm×40mm×40mm、240mm×60mm×60mm。预制裂纹的深度比分别为0.2、0.4、0.6，养护时间为一到五天，全部常温养护。具体如下：

考虑不同试件尺寸为影响因素时，砂岩采用的灰砂比为1:3；泥岩为纯硅酸盐水泥(灰砂质量比为1:0)；预制裂缝深度a₀分别为4mm、8mm、12mm，对应裂缝a₀和试件高度B的比值a₀/B都为0.2；养护时间都为48小时；唯一的变量为试件尺寸大小，三种试件的长×宽×高尺寸大小分别为80mm×20mm×20mm、160mm×40mm×40mm、240mm×60mm×60mm。具体见表1。

表1不同试件尺寸

同理，考虑预制裂缝深度比值时，唯一的变量为预制裂纹深度与试件高度的比值a₀/B，分别为0.2、0.4、0.6，具体见表2。

表2不同预制裂缝深度比

考虑砂岩不同灰砂质量比时，唯一的变量为砂岩的灰砂质量比，分别为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5。具体见表3。

表3不同灰砂质量比

当考虑不同养护时间的影响时，唯一的变量为养护时间，分别为24h、48h、72h、96h、120h。具体如表4所示。

表4不同养护时间

试件在浇筑的过程中为了模拟层状岩石并形成预制裂缝，需要采用设计好的与模具配套的挡板和裂缝片。图2为挡板(左)和裂缝片(右)结构示意图，例如，尺寸大小为240mm×60mm×60mm的试件，裂纹深度比为0.2的挡板尺寸可为：长度和高度均为60mm，下部部厚度为2mm，上部分厚度为1mm；预制裂缝片的尺寸可为：高度16mm，长度60mm，宽2mm，预制裂缝的尖端夹角为15度。

S2、在所述试件块上制造出散斑图案，得到有散斑面的待测试件块；

要保证能够使用DIC获取形变位移量的大小，在进行实验之前要在试件块上采用黑白两种喷漆制造出散斑图案。具体方法是：首先使用白色油漆将试件的一面喷成白色，再用黑色油漆在距离试件表面一定距离的位置轻轻喷出粒状油漆液滴，让油漆液滴飘落在白色油漆上形成散斑图像，并静置，油漆风干待用。喷好的散斑面图像如图3所示。

S3、对所述待测试件块进行三点弯曲试验形成拉伸破坏，获得拉应力信息，同时用工业测量相机记录所述散斑面在不同荷载下拉伸破坏的图片，采用DIC配套的图像处理软件分析所述图片，得到散斑面在不同荷载下的位移信息；

在获得了待测试件块以后，具体试验之前，进行设备的安装，将高速工业测量相机安装于三脚架上，并放置于伺服液压机的正前方适当位置，将伺服液压机、高速工业测量相机、安装有图像数据处理软件的计算机利用数据传输装置连接，所述伺服液压机包括压力机与压力机控制模块。

将待测试件放置在伺服液压机三点弯曲梁上，使带有散斑图像的一面朝向摄像机，荷载施加位置在所述预制裂缝中心正上方，具体请参阅4(a)。同时启动伺服液压机和工业测量相机，对待测试件进行一定速度的荷载施加，直到试件破坏。在施加荷载的过程中，保持伺服液压机和高速工业测量相机的同步，计算机记录荷载的施加过程，工业测量相机记录试件在不同荷载条件下的破坏过程。

荷载施加过程中，拉应力信息可由三点弯曲伺服液压机荷载计算所得，请参阅图4(b)的三点弯曲试验简图，其中包括弯矩分析M图，x，y，z为坐标轴，计算过程如下：

由材料力学相关理论可知，在三点弯曲条件下，存在一个中性层，中性层以上部分受压、中性层以下部分受拉，理论上在梁的横截面上的正应力σ沿梁高呈线性分布，即：

式中，Iz为横截面对中心轴z轴的惯性矩，y为截面计算点的y轴坐标值，Mx为图4(b)中所示弯矩图确定的作用于距加载点x远横截面上的弯矩，

其中P为施加的荷载，L为三点弯曲试验的两个支点之间的距离。图4(b)中，H为试件块高度，B为试件块宽度。

由于I_z和M_x都是荷载P的函数，可以根据施加的荷载值计算得出。因此，可以分别计算待测试件块在不同荷载作用下沿y方向上的拉应力分布，从而可以进一步计算相应位置的拉应力变化量dP_N，用于步骤S4的拉伸刚度计算。

在拍照之前需要对实际的情况进行相关的考虑，在调试相机的过程中需要确定拍照区域，然后选取计算区域作为相机拍摄及图像分析的基础。首先在散斑面上选取一个计算区域，该计算区域在试件破坏过程中应始终包含形成的裂纹，如图5所示。以预制裂缝的尖端为坐标原点，向上为y轴向，垂直y轴方向为x轴正向建立如图所示坐标系。在x轴上取一条以y轴为对称轴选取一条线段M1N1，线段长度取决于相机的像素大小和所选取的计算区域大小，在此基础上，沿y轴向上依次每隔i个像素取一条与M1N1长度相等的平行的直线段M2N2，以此类推，继续向上选取平行直线段至MiNi。其中每条平行直线段的间距可以根据相机的像素值大小计算，若每个像素对应的大小为1pixel＝p mm，则间距计算公式为l＝i×p。

选取好平行直线后，在每一条平行直线上选取两个以y轴为对称轴的计算点，如图6所示，两个计算点之间隔l个像素，即两点间距离可计算。在选择堆成计算点时两点间的像素点应是合理的，既要保证分布在胶结面两侧又要保证有足够近的距离。

在选好平行直线和平行直线上的计算点之后，利用DIC配套的图像处理软件进行计算分析。计算分析时以每一条平行直线为一次计算。假设在荷载由P1增长到P2过程中，以直线M1N1为例，利用图像处理软件对直线上所有选取的计算点进行分析，计算得出每一个点在裂纹形成之前的位移量大小。

S4、根据所述拉应力信息、位移信息计算界面拉伸刚度。

根据不同荷载下的拉应力信息、位移信息计算拉应力变化量dp_N以及与所述拉应力变化量dp_N对应的位移变化量du，然后计算拉伸刚度K：

由步骤S3的拉应力计算方法可计算荷载变化时对应的拉应力变化量dp_N，然后根据利用图像处理软件得到的位移信息计算位移变化量，具体为：

以直线M1N1上的两个对称点M点和N点为例，如图6所示，假设由图像处理软件计算分析得出两点在荷载为P1时的位移量大小分别为S1和S2,；在荷载为P2时位移量大小分别为S1’和S2’，那么在荷载由P1增加到P2的过程当中，位移的变化量du为：

du＝S1'-S1+S2'-S2

同理可以计算其他直线上的所有对称点在荷载由P1增大到p2时位移变化量大小。此时，所有平行直线上的拉应力变化量dP_N和对应的界面位移变化量du都由实验测量计算得到，代入拉伸刚度的定义公式

即可计算得出界面处的拉伸刚度。

请参阅图7，本发明还提供一种层状岩石界面拉伸刚度的实验测量系统，所述系统包括压力机1、压力机控制模块2、工业测量相机3、控制箱4、图像处理模块5，其特征在于：

所述压力机1与压力机控制模块2电连接，所述控制箱4与所述工业测量相机3、图像处理模块5通信连接；工业测量相机3位于所述压力机正前方且与待测试件块同轴设置，所述待测试件块上有预制裂缝且包括散斑面，所述散斑面朝向所述工业测量相机3；

所述压力机控制模块2用于控制所述压力机1对待测试件块以一定速度施加荷载、进行三点弯曲试验形成拉伸破坏，计算不同荷载下的拉应力信息；所述控制箱4用于控制所述工业测量相机3与所述压力机同步触发并通过所述工业测量相机3记录所述待测试件块在不同荷载下拉伸破坏的图片；

所述图像处理模块5用于采用DIC配套的图像处理软件分析所述拉伸破坏图片，获得位移信息，根据所述拉应力信息、位移信息计算界面拉伸刚度。

所述待测试件块尺寸及形状满足三点弯曲试验规范要求，待测试件块制备考虑的因素包括：预制裂缝深度比、试件大小、配比、胶结面性质。

所述图像处理模块5具体包括：

位移计算单元：用于以工业测量相机调试过程中选取的计算区域中的平行直线段以及计算点为基础，在采集到拉伸破坏过程图片后，以每一条平行直线段为一次计算，利用DIC图像处理软件对直线段上所有选取的计算点进行分析，得出每一个计算点在拉伸破坏过程中的位移大小；

刚度计算单元：根据不同荷载下的拉应力信息、位移信息计算在相同荷载变化下的拉应力变化量dP_N和位移变化量du，根据所述拉应力变化量dP_N和对应的位移变化量du计算得出界面处的拉伸刚度K，

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，采用所述系统进行层状岩石界面拉伸刚度的实验测试的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。其他未详细说明的部分均为本领域公知常识。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、加工或制备有预制裂缝的试件块；

S2、在所述试件块的一面上制造出散斑图案，得到有散斑面的待测试件块；

S3、对所述待测试件块进行三点弯曲试验形成拉伸破坏，获得不同荷载下的拉应力信息，同时用工业测量相机记录所述散斑面在不同荷载下拉伸破坏的图片；结合数字图像相关法，采用DIC配套的图像处理软件分析所述图片，得到所述散斑面在不同荷载下的位移信息；

S4、根据所述拉应力信息、位移信息计算界面拉伸刚度；

所述步骤S3中，用工业测量相机记录所述散斑面在不同荷载下拉伸破坏的图片之前还包括：

在所述散斑面上选取一个计算区域，该计算区域在试件破坏过程中应始终包含形成的裂纹；以所述预制裂缝的尖端为坐标原点，以所述预制裂缝的轴向为y轴，垂直y轴方向为x轴正向建立直角坐标系，在x轴上以y轴为对称轴选取一条线段M1N1，在此基础上，沿y轴向上依次以预设间隔选取多条与M1N1平行且长度相等的线段；在每一条平行线段上选取两个以y轴为对称轴的计算点；

所述步骤S4中，所述拉伸刚度的计算方法为：

根据不同荷载下的拉应力信息、位移信息计算拉应力变化量

以及与所述拉应力变化量

对应的位移变化量

，然后计算拉伸刚度K：

；

由步骤S3的拉应力计算方法可计算荷载变化时对应的拉应力变化量

，然后根据利用图像处理软件得到的位移信息计算位移变化量，具体为：

选择线段M1N1上的两个对称点M点和N点，由图像处理软件计算分析得出两点在荷载为P1时的位移量大小分别为S1和S2；在荷载为P2时位移量大小分别为S1’和S2’，那么在荷载由P1增加到P2的过程当中，位移的变化量

为：

同理计算其他线段上的所有对称点在荷载由P1增大到P2时位移变化量大小，此时，所有平行线段上的拉应力变化量

和对应的界面位移变化量

都由实验测量计算得到，代入拉伸刚度的定义公式

即可计算得出界面处的拉伸刚度。

2.根据权利要求1所述的层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法，其特征在于，所述待测试件块尺寸及形状满足三点弯曲试验规范要求，待测试件块制备考虑的因素包括：预制裂缝深度比、试件大小、配比、胶结面性质。

3.根据权利要求1所述的层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法，其特征在于，三点弯曲试验过程中，以预设速度向所述待测试件块施加荷载，荷载施加位置在所述预制裂缝中心正上方。

4.根据权利要求3所述的层状岩石界面拉伸刚度的实验测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述采用DIC配套的图像处理软件计算位移信息时，以每一条平行线段为一次计算，利用图像处理软件对线段上所有选取的计算点进行分析，计算得出每一个计算点在拉伸破坏过程中的位移量大小。

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