CN110208086A - 脉动压裂岩石累积损伤求解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是脉动压裂岩石累积损伤求解方法，它包括步骤一、获取脉动压裂岩石应力‑应变滞回环曲线，进而获取一定脉动频率和应力水平下脉动压裂岩石应力‑应变滞回环曲线的耗散能和弹性能；步骤二、建立描述脉动压裂过程中岩石损伤演化计算模型；步骤三、将步骤一获取的目的压裂区块一定脉动频率和应力水平下岩石应力‑应变滞回环曲线的耗散能和弹性能，代入步骤二中的计算模型，获取岩石累积损伤变量；步骤四、重复步骤一至三，得到目的压裂区块不同脉动频率和应力水平条件下的岩石累积损伤变量；步骤五、分析不同脉动频率和应力水平条件下目的压裂区块岩石损伤演化规律。本发明可为目的压裂区块实际脉动压裂施工设计提供技术依据。

Description

脉动压裂岩石累积损伤求解方法
技术领域：
本发明涉及的是脉动压裂岩石损伤演化的表征方法，具体涉及的是脉动压裂岩石累积损伤求解方法。
背景技术：
脉动压裂是一项非常规油气资源开发的新型技术，该技术的核心是施加周期性变化的脉动压力。在扰动应力的反复加-卸载作用下，使岩石发生疲劳损伤和破坏，一方面导致岩石强度降低，另一方面当扰动应力达到岩石相应强度极限后使岩石发生破裂形成裂缝，从而增加储层改造体积，提高油气产量。
岩石可视为一种非均质的多相复合结构，而且存在大量的天然缺陷，且这些缺陷的分布完全是随机的。岩石的破坏过程是非常复杂的，如果只是单纯地用经典弹塑性力学或断裂力学的方法来描述，将难以获得理想的结果，因此，有必要将损伤理论引入到对岩石的研究中。
损伤，即在外界荷载作用下，由细观结构缺陷萌生、扩展等不可逆变化引起的材料或结构宏观力学性能的劣化。在损伤力学范畴内，材料内部的孔隙、裂隙等天然缺陷的结构演化可反映出材料力学性能的劣化，由此将损伤与材料力学性能联系起来。材料的损伤是客观存在的，并不是一种独立的物理性质，其结构演化同时伴随着能量变化，往往通过损伤变量来描述材料损伤的优劣性。
损伤变量是岩石力学特性和结构特征的中间桥梁，也是损伤力学中有待解决的核心问题，其定义应具有涉及参数少且能够充分体现材料损伤特征的特点，既要考虑岩石实际特点，又要具有实际适用性和可行性。
目前对于岩石损伤变量的定义主要从宏观和微观两个方面：
宏观上基于弹性模量定义损伤变量，该方法实际可操作性强，但条件过于理想化，岩石中富含天然缺陷，实际获取的无损弹性模量与真实弹性模量数值仍有一定差异。
基于微缺陷面积定义损伤变量，尽管从微观角度定义的损伤变量物理意义明确，能够较为真实地反映岩石材料性能，但这些微观参数很难测量，不利于推广使用。
以往岩石损伤演化模型中累积损伤变量的表达方式多种多样，但在表征岩石损伤演化规律时都存在不同程度的不适用性，因此，需要提出适用于脉动压裂岩石累积损伤求解新方法。
发明内容：
本发明的目的是提供脉动压裂岩石累积损伤求解方法，这种脉动压裂岩石累积损伤求解方法用于解决现有技术中表征岩石损伤演化规律的方法时都存在不同程度的不适用性问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种脉动压裂岩石累积损伤求解方法:
步骤一、开展目的压裂区块岩芯周期循环载荷压缩的破坏实验，通过开展一定脉动频率和应力水平下周期循环载荷压缩破坏实验，获取脉动压裂岩石应力-应变滞回环曲线，进而获取一定脉动频率和应力水平下脉动压裂岩石应力-应变滞回环曲线的耗散能和弹性能；
步骤二、根据脉动压裂岩石应力-应变曲线滞回环所反映的能量演化特征，建立描述脉动压裂过程中岩石损伤演化计算模型：
式中：D为累积损伤变量；Di为第i次脉动循环下的单次损伤变量；Udi为第i次脉动循环下的耗散能；Uei为第i次脉动循环下的弹性能；Ui为第i次脉动循环外界输入总能；
步骤三、将步骤一获取的目的压裂区块一定脉动频率和应力水平下岩石应力-应变滞回环曲线的耗散能和弹性能，代入步骤二中的脉动压裂过程中岩石损伤演化计算模型，获取岩石累积损伤变量；
步骤四、重复步骤一至步骤三，得到目的压裂区块不同脉动频率和应力水平条件下的岩石累积损伤变量；
步骤五、依据目的压裂区块岩石累积损伤变量计算结果，分析不同脉动频率和应力水平条件下目的压裂区块岩石损伤演化规律，为目的压裂区块实际脉动压裂施工设计提供技术依据。
本发明具有以下有益效果：
1、通过本发明提供的脉动压裂岩石累积损伤求解方法，可以更准确评价脉动压裂岩石损伤；
2、通过本发明提供的脉动压裂岩石累积损伤求解方法进行求解时，只需要开展周期循环载荷压缩破坏实验，简单易行，易于实现；
3、通过本发明提供的脉动压裂岩石累积损伤求解方法，能够为储层脉动压裂选取施工频率和应力水平而获取最大损伤提供依据，有利于改善压裂效果；
4、本发明提供的脉动压裂岩石累积损伤变量要根据周期循环载荷压缩破坏实验结果进行计算，应用于不同区块时，通过开展不同区块岩芯周期循环载荷压缩破坏实验来重新计算，能够确保该方法适用于不同区块，实用性强。
附图说明：
图1为周期循环载荷下岩石应力-应变滞回环曲线示意图；
图2为周期循环载荷下单个应力-应变滞回环曲线的耗散能和弹性能示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
这种脉动压裂岩石累积损伤求解方法如下：
步骤1、开展目标压裂井层的岩石现场取芯，制备周期循环载荷压缩破坏实验标准岩样，φ25*50mm或φ50*100mm岩芯，开展一定脉动频率和应力水平下周期循环载荷压缩破坏实验；
通过周期循环载荷压缩破坏实验获取应力-应变滞回环曲线(如图1所示)和每个滞回环下的耗散能和弹性能(如图2所示)，图2为单个滞回环下的耗散能和弹性能示意图，其中OA为加载曲线，AB为卸载曲线，面积OAB的大小即为该滞回环下的耗散能，面积BAC的大小即为该滞回环下的弹性能，实验可直接获取各部分面积大小；
步骤2、根据脉动压裂岩石应力-应变曲线滞回环所反映的能量演化特征，建立全新的描述脉动压裂过程中岩石损伤演化的计算模型：
式中：D为累积损伤变量；Di为第i次脉动循环下的单次损伤变量；Udi为第i次脉动循环下的耗散能；Uei为第i次脉动循环下的弹性能；Ui为第i次脉动循环外界输入总能；
步骤3、将步骤一获取的目的压裂区块一定脉动频率和应力水平下岩石应力-应变滞回环曲线的耗散能和弹性能，代入步骤二中的脉动压裂过程中岩石损伤演化计算模型，获取岩石累积损伤变量；
步骤4、重复步骤1至步骤3，可计算得到目的压裂区块不同脉动频率和应力水平条件下的岩石累积损伤变量；
步骤5、依据目的压裂区块岩石累积损伤变量计算结果，分析不同脉动频率和应力水平条件下目的压裂区块岩石损伤演化规律，为实际脉动压裂施工设计提供技术依据。

Claims (1)

1.一种脉动压裂岩石累积损伤求解方法，其特征在于：
步骤一、开展目的压裂区块岩芯周期循环载荷压缩的破坏实验，通过开展一定脉动频率和应力水平下周期循环载荷压缩破坏实验，获取脉动压裂岩石应力-应变滞回环曲线，进而获取一定脉动频率和应力水平下脉动压裂岩石应力-应变滞回环曲线的耗散能和弹性能；
步骤二、根据脉动压裂岩石应力-应变曲线滞回环所反映的能量演化特征，建立描述脉动压裂过程中岩石损伤演化计算模型：
式中：D为累积损伤变量；Di为第i次脉动循环下的单次损伤变量；Udi为第i次脉动循环下的耗散能；Uei为第i次脉动循环下的弹性能；Ui为第i次脉动循环外界输入总能；
步骤三、将步骤一获取的目的压裂区块一定脉动频率和应力水平下岩石应力-应变滞回环曲线的耗散能和弹性能，代入步骤二中的脉动压裂过程中岩石损伤演化计算模型，获取岩石累积损伤变量；
步骤四、重复步骤一至步骤三，得到目的压裂区块不同脉动频率和应力水平条件下的岩石累积损伤变量；
步骤五、依据目的压裂区块岩石累积损伤变量计算结果，分析不同脉动频率和应力水平条件下目的压裂区块岩石损伤演化规律，为目的压裂区块实际脉动压裂施工设计提供技术依据。
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