CN110208087A - 脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法，它包括一、获取脉动压裂岩石应力‑应变滞回环曲线，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；获取岩石弹性模量、泊松比，并记载试验轴向压力、围压以及轴向应变；二、建立描述脉动压裂过程中岩石损伤演化计算模型；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、获取脉动压裂循环载荷下岩石损伤本构关系公式；步骤五、计算得到给定的某个围压下给定脉动压裂循环载荷下的岩石强度。本发明可以实现脉动压裂过程对岩石强度变化的预测。

Description

脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法

技术领域：

本发明涉及的是岩石强度特性的变化规律的描述方法，具体涉及的是脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法。

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。

脉动压裂过程岩石在脉动载荷作用下，承受周期变化的应力作用会导致岩石的强度逐渐减小，而以往对于脉动压裂的研究，假定岩石强度不变必然会使相关研究结果产生较大误差，所以必须提供一种计算和预测脉动压裂岩石强度变化规律的新模型和新方法。

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强度的研究中。

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。

岩石损伤与岩石强度及变形特性等密切相关，可以认为岩石的加载变形破坏过程是从无损伤岩石到完全损伤的损伤演化过程，因此可以通过岩石损伤演化特征来描述岩石强度特性的变化规律。

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，但仍没有适用于描述脉动压裂岩石强度的损伤演化模型，因此，需要结合损伤理论提出一种新的脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法。

发明内容：

本发明的目的是提供脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法，这种脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法用于解决脉动压裂循环载荷下岩石强度变化规律的描述。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法:

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；

通过三轴压缩破坏实验获取岩石弹性模量、泊松比，并记载试验轴向压力、围压以及轴向应变；

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；D_i为第i次脉动循环下的单次损伤变量；U_di为第i次脉动循环下的耗散能；U_ei为第i次脉动循环下的弹性能；U_i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、结合广义胡克定律、累积损伤变量，得到脉动压裂循环载荷下岩石损伤本构关系公式：

σ₁＝2μσ₃+E(1-D)ε₁ (3)

式中：σ₁和σ₃为轴向压力和围压，MPa；E为步骤一得到的岩石弹性模量，MPa；μ为步骤一得到的泊松比；D为累积损伤变量；ε₁为轴向应变；

步骤五、通过脉动压裂循环载荷下岩石损伤本构关系公式，计算得到给定的某个围压下给定脉动压裂循环载荷下的岩石强度。

本发明具有以下有益效果：

1、通过本发明提供的脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法，可以得到脉动压裂循环载荷下岩石损伤和强度演化规律，对岩石损伤和强度性特性研究具有重要意义；

2、通过本发明提供的脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法确定脉动压裂岩石强度时，只需要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和三轴压缩实验，简单易行，易于实现；

3、通过本发明提供的脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法，可计算得到一定围压和脉动频率以及应力水平下脉动压裂循环载荷下岩石强度，实现脉动压裂过程对岩石强度变化的预测；

4、本发明提供的脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法要根据周期循环载荷压缩破坏实验和三轴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心周期循环载荷压缩破坏实验和三轴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：

这种脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法如下：

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和三轴压缩破坏实验；

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；

通过三轴压缩破坏实验获取岩芯弹性模量、泊松比，并记载试验轴向压力、围压以及轴向应变；

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；D_i为第i次脉动循环下的单次损伤变量；U_di为第i次脉动循环下的耗散能；U_ei为第i次脉动循环下的弹性能；

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、结合广义胡克定律、累积损伤变量，可得脉动压裂循环载荷下岩石损伤本构关系公式：

σ₁＝2μσ₃+E(1-D)ε₁ (3)

式中：σ₁和σ₃为轴向压力和围压；E为步骤一得到的岩石弹性模量，MPa；μ为步骤1得到的泊松比；D为累积损伤变量；D为累积损伤变量；ε₁为轴向应变；

步骤5、通过脉动压裂循环载荷下岩石损伤本构关系公式即可计算得到一定围压下给定脉动压裂循环载荷下的岩石强度。

步骤6、重复步骤1至5可获得任意给定围压条件下不同脉动频率和应力水平压裂的岩石强度变化规律。

Claims (1)

1.脉动压裂循环载荷下岩石强度计算方法，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；

通过三轴压缩破坏实验获取岩石弹性模量、泊松比，并记载试验轴向压力、围压以及轴向应变；

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；D_i为第i次脉动循环下的单次损伤变量；U_di为第i次脉动循环下的耗散能；U_ei为第i次脉动循环下的弹性能；U_i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、结合广义胡克定律、累积损伤变量，得到脉动压裂循环载荷下岩石损伤本构关系公式：

σ₁＝2μσ₃+E(1-D)ε₁ (3)

式中：σ₁和σ₃为轴向压力和围压，MPa；E为步骤一得到的岩石弹性模量，MPa；μ为步骤一得到的泊松比；D为累积损伤变量；ε₁为轴向应变；

步骤五、通过脉动压裂循环载荷下岩石损伤本构关系公式，计算得到给定的某个围压下给定脉动压裂循环载荷下的岩石强度。