CN110473597A - 砾岩力学性质评价分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种砾岩力学性质评价分析方法及系统，包括：对获取的砾岩样品进行X‑ray CT扫描，获得三维数字岩心数据体，对其进行空间结构重构，获得砾石颗粒和基质空间信息；根据砾石颗粒和基质空间信息对砾岩样品进行分离，获得砾石颗粒和基质；对砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒和基质的宏观力学参数；根据砾石颗粒和基质的宏观力学参数，利用离散元数值方法分析砾石颗粒和基质的细观力学参数；根据砾石颗粒和基质的细观力学参数，建立用于分析砾石颗粒和基质细观力学性质的离散元数值模拟模型。该方案可以很好地对岩心或地层的真实砾岩分布进行准确建模，其结果满足实际要求。
Description
技术领域
本发明涉及岩土力学技术领域，特别涉及一种砾岩力学性质评价分析方法及系统。
背景技术
砾岩是一种广泛存在的岩石材料。工程中，水坝修建、地下巷道施工、油气储层开发等工况下都有砾岩出现。砾岩中，砾石颗粒的粒径都在2毫米以上。砾石颗粒间的基质为岩屑、黏土矿物等，它们呈现一种砾石颗粒镶嵌于基质上的空间结构。一方面，这种空间结构造成砾岩本身具有强烈的不均质性和不连续性，因而致使常规的实验方法对砾岩进行岩石力学性质评价时，限于实验试件尺寸和选样代表性的问题，无法给出合理的砾岩真实力学性质，更无法满足工程中对数据精度的要求。另一方面，由于砾石颗粒具有多样性，且分布无法直观描述，给准确建立刻画砾岩力学性质的力学模型带来困难。因此，一般的数值模拟方法无法对岩心或地层的真实砾岩分布进行准确建模，其结果同样无法满足实际要求。
发明内容
本发明实施例提供了一种砾岩力学性质评价分析方法及系统，可以很好地对岩心或地层的真实砾岩分布进行准确建模，其结果满足实际要求。
本发明实施例提供了一种砾岩力学性质评价分析方法，该方法包括：
对获取的砾岩样品进行X-ray CT扫描，获得三维数字岩心数据体；
对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，获得砾石颗粒空间信息和基质空间信息；
根据所述砾石颗粒空间信息和基质空间信息，对所述砾岩样品进行分离，获得砾石颗粒和基质；
对所述砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数；
根据砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数，利用离散元数值方法分析砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数；
根据砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数，建立用于分析砾石颗粒和基质细观力学性质的离散元数值模拟模型。
本发明实施例还提供了一种砾岩力学性质评价分析系统，该系统包括：
X-ray CT扫描装置用于：对获取的砾岩样品进行X-ray CT扫描，获得三维数字岩心数据体；
数据处理装置用于：
对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，获得砾石颗粒空间信息和基质空间信息；
样品分离装置，用于根据所述砾石颗粒空间信息和基质空间信息，对所述砾岩样品进行分离，获得砾石颗粒和基质；
数据处理装置还用于：
对所述砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数；
根据砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数，利用离散元数值方法分析砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数；
根据砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数，建立用于分析砾石颗粒和基质细观力学性质的离散元数值模拟模型。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述方法的计算机程序。
在本发明实施例中，应用数字岩心三维重构方法，可获取砾石颗粒空间分布统计规律，除一般力学问题以外，还可以建立真实地层尺度下的砾岩地层模型，分析地层力学性质；应用离散元法建立离散元数值模拟模型来对砾岩地层进行力学性质分析，可避免砾岩本身具有胶结性差、力学性质受环境湿度影响大等特点造成的误差；应用离散元的可视化方法，可直观反映砾岩内部的力学行为。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种砾岩力学性质评价分析方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种砾岩力学性质评价分析系统结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
X-ray CT扫描作为一种无损检测物质内部结构的技术是当前建立三维数字岩心最直接和准确的方法，其原理是根据岩石中不同密度的成分对X射线吸收系数不同以达到区分岩石内部不同成分的目的。将X-ray CT扫描与数字岩心重构技术应用到砾岩的研究当中，可以准确地对砾岩颗粒的几何形状和空间位置进行描述，为后续的数值模型建立提供真实可靠的依据。
离散元的方法着重于数目众多、具有不连续特性的接触面或点的材料进行数值模拟实验。颗粒流的方法是一种可以广泛地用于研究沉积岩力学特性的离散元方法。利用颗粒流的方法模拟砾岩的力学特性具有良好的效果，它能动态地模拟出砾岩在各种加载条件下的历史颗粒和基质之间的相互作用模式和受力破坏形式。该方法还可以获得单轴压缩实验的应力-应变曲线等结果。近年来，颗粒流的方法受到了广泛的应用，但大都是基于直接建模或简化实际工程来实现数值模拟实验。
基于上述技术，本发明提出了一种砾岩力学性质评价分析方法，通过对真实砾岩岩心进行X-ray CT扫描获取真实砾岩数字岩心并重构三维模型、区分颗粒和基质，进一步利用力学实验手段得到颗粒和基质的宏观力学参数，并根据三维重构结果和宏观力学参数测试结果，完成离散元数值模拟建模，最终实现对真实砾岩的岩石力学性质进行评价。
具体砾岩力学性质评价分析方法的步骤如图1所示，包括：
步骤101：对获取的砾岩样品进行X-ray CT扫描，获得三维数字岩心数据体；
步骤102：对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，获得砾石颗粒空间信息和基质空间信息；
步骤103：根据所述砾石颗粒空间信息和基质空间信息，对所述砾岩样品进行分离，获得砾石颗粒和基质；
步骤104：对所述砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数；
步骤105：根据砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数，利用离散元数值方法分析砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数；
步骤106：根据砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数，建立用于分析砾石颗粒和基质细观力学性质的离散元数值模拟模型。
在本发明实施例中，在步骤101中，须获取现场的真实岩心，并加工成Φ10×10cm的岩心柱。然后对岩心进行X-ray CT扫描，形成三维数字岩心数据体。
在本发明实施例中，认为砾石颗粒是一种内部均匀的各向同性材料；基质是一种均匀的混合物材料，由与砾石颗粒相同碎屑与黏土矿物构成。依据砾石颗粒的密度不同可以对砾石颗粒进行分类标记。
因此，在步骤102：对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，可以按照密度对砾岩颗粒的种类进行划分。进一步地，识别出砾石颗粒几何形状信息、体积信息和空间坐标信息等。然后将砾石颗粒之外的区域确定为基质部分，并确定基质空间信息。在识别颗粒的空间位置以后，还可进行空间分布的统计学分析，从而获得砾岩颗粒三维分布的统计规律。
在本发明实施例中，在步骤103：根据步骤102中所标记的若干中砾石颗粒，将砾岩拆分，取出砾石颗粒和完整的基质岩块样本。
在本发明实施例中，在步骤104中：对步骤103分出的砾岩颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试。首先，利用布氏硬度计对砾石颗粒进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的破碎时最大载荷、砾石颗粒的压膜面积，然后根据砾石颗粒的破碎时最大载荷和砾石颗粒的压膜面积，确定砾石颗粒的布氏硬度。进一步地，基于布氏硬度与岩石单轴抗压强度、弹性模量的关系式，根据所述砾石颗粒的布氏硬度确定砾石颗粒宏观力学参数(即单轴抗压强度和弹性模量)。然后，选取完整的基质岩块样本，进行与上述获取砾石颗粒宏观力学参数同样的操作，获取基质部分的宏观力学参数。
其中，按照如下公式确定布氏硬度：
其中，HB表示布氏硬度；P表示破碎时最大载荷，单位kg；S表示压膜面积，单位mm2；
所述布氏硬度与岩石单轴抗压强度、弹性模量的关系式如下：
其中，σc表示岩石单轴抗压强度；HB表示布氏硬度；E表示弹性模量；a、b、c、d为与具体的岩石材料性质有关的待定参数，可以通过实验确定。
在本发明实施例中，在步骤105和106中，根据三维重构所获取的颗粒形状、空间位置等信息，建立离散元数值模拟模型，生成内部均匀分布离散球体单元、外部边界清晰的砾石颗粒模型。同时，再生成均匀分布且包络于颗粒外部的基质颗粒。
该离散元数值模拟模型是用于分析砾石颗粒和基质细观力学性质的，其中涉及细观力学参数：单元间接触刚度KN和摩擦刚度KS。
在建立离散元数值模拟模型时，赋予砾岩中砾石颗粒和基质进行单元刚度参数设置时，要分别进行颗粒和基质的单轴压缩离散元数值模拟实验。
采用的单轴压缩离散元数值模拟实验的模型宜采用粘结颗粒模型。根据国际岩石力学推荐的实验标准进行数值模拟单轴压缩实验。
设定的岩石样品几何形状为标准圆柱体试样，具体参数为：直径50mm，高度100mm。最小颗粒半径宜为1.2mm，最大半径与最小半径之比宜为1.66，颗粒密度应当取决于具体的材料(砾石颗粒或基质)。
细观力学参数(单元间接触刚度KN和摩擦刚度KS)设定应当预先根据具体的材料给定初值，在进行数值模拟实验得到抗压强度、弹性模量和泊松比等结果后，与根据布氏硬度估计所得结果进行比较。通过调整单元间接触刚度KN和摩擦刚度KS，使砾石颗粒的单轴抗压强度、弹性模量满足根据所述砾石颗粒的布氏硬度确定的砾石颗粒的单轴抗压强度和弹性模量，使基质的单轴抗压强度、弹性模量满足根据所述基质的布氏硬度确定的基质的单轴抗压强度和弹性模量。
基于以上步骤所建立的离散元数值模拟模型可以对砾岩的多方面力学性质进行评价分析：单轴、三轴、拉伸、断裂韧性等常规岩石力学性质。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种砾岩力学性质评价分析系统，如下面的实施例所述。由于砾岩力学性质评价分析系统解决问题的原理与砾岩力学性质评价分析方法相似，因此砾岩力学性质评价分析系统的实施可以参见砾岩力学性质评价分析方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图2是本发明实施例的砾岩力学性质评价分析系统结构示意图，如图2所示，包括：
X-ray CT扫描装置用于：对获取的砾岩样品进行X-ray CT扫描，获得三维数字岩心数据体；
数据处理装置用于：
对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，获得砾石颗粒空间信息和基质空间信息；
样品分离装置，用于根据所述砾石颗粒空间信息和基质空间信息，对所述砾岩样品进行分离，获得砾石颗粒和基质；
数据处理装置还用于：
对所述砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数；
根据砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数，利用离散元数值方法分析砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数；
根据砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数，建立用于分析砾石颗粒和基质细观力学性质的离散元数值模拟模型。
在本发明实施例中，所述数据处理装置具体用于：
按照如下方式对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，获得砾石颗粒空间信息和基质空间信息：
按照密度对砾石颗粒的种类进行划分；
确定每种类型中的每个砾石颗粒几何形状信息、体积信息和空间坐标信息；
将利砾石颗粒之外的区域确定为基质部分，并确定基质空间信息。
在本发明实施例中，所述数据处理装置包括布氏硬度计；
所述数据处理装置具体用于：
按照如下方式对所述砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数：
使用布氏硬度计对所述砾石颗粒和基质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的破碎时最大载荷、砾石颗粒的压膜面积、基质的破碎时最大载荷和基质的压膜面积；
根据砾石颗粒的破碎时最大载荷和砾石颗粒的压膜面积，确定砾石颗粒的布氏硬度，根据基质的破碎时最大载荷和基质的压膜面积，确定基质的布氏硬度；
基于布氏硬度与岩石单轴抗压强度、弹性模量的关系式，根据所述砾石颗粒的布氏硬度确定砾石颗粒的单轴抗压强度和弹性模量，根据所述基质的布氏硬度确定基质的单轴抗压强度和弹性模量。
在本发明实施例中，所述数据处理装置具体用于：
按照如下公式确定布氏硬度：
其中，HB表示布氏硬度；P表示破碎时最大载荷，单位kg；S表示压膜面积，单位mm2；
所述布氏硬度与岩石单轴抗压强度、弹性模量的关系式如下：
其中，σc表示岩石单轴抗压强度；HB表示布氏硬度；E表示弹性模量；a、b、c、d为与具体的岩石材料性质有关的待定参数，可以通过实验确定。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述方法的计算机程序。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、由于砾岩本身具有胶结性差、力学性质受环境湿度影响大等特点，进行离散元数值模拟实验可避免人为误差；
2、应用数字岩心三维重构方法，可获取砾石颗粒空间分布统计规律，可以建立模拟真实地层尺度下的砾岩地层力学性质，进行深入研究；
3、离散元的可视化功能可直观的反映砾岩内部的力学行为。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种砾岩力学性质评价分析方法，其特征在于，包括：
对获取的砾岩样品进行X-ray CT扫描，获得三维数字岩心数据体；
对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，获得砾石颗粒空间信息和基质空间信息；
根据所述砾石颗粒空间信息和基质空间信息，对所述砾岩样品进行分离，获得砾石颗粒和基质；
对砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数；
根据砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数，利用离散元数值方法分析砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数；
根据砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数，建立用于分析砾石颗粒和基质细观力学性质的离散元数值模拟模型。
2.如权利要求1所述的砾岩力学性质评价分析方法，其特征在于，对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，获得砾石颗粒空间信息和基质空间信息，包括：
按照密度对砾石颗粒的种类进行划分；
确定每种类型中的每个砾石颗粒几何形状信息、体积信息和空间坐标信息；
将砾石颗粒之外的区域确定为基质部分，并确定基质空间信息。
3.如权利要求1所述的砾岩力学性质评价分析方法，其特征在于，对所述砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数，包括：
对所述砾石颗粒和基质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的破碎时最大载荷、砾石颗粒的压膜面积、基质的破碎时最大载荷和基质的压膜面积；
根据砾石颗粒的破碎时最大载荷和砾石颗粒的压膜面积，确定砾石颗粒的布氏硬度，根据基质的破碎时最大载荷和基质的压膜面积，确定基质的布氏硬度；
基于布氏硬度与岩石单轴抗压强度、弹性模量的关系式，根据所述砾石颗粒的布氏硬度确定砾石颗粒的单轴抗压强度和弹性模量，根据所述基质的布氏硬度确定基质的单轴抗压强度和弹性模量。
4.如权利要求3所述的砾岩力学性质评价分析方法，其特征在于，按照如下公式确定布氏硬度：
其中，HB表示布氏硬度；P表示破碎时最大载荷，单位kg；S表示压膜面积，单位mm2；
所述布氏硬度与岩石单轴抗压强度、弹性模量的关系式如下：
其中，σc表示岩石单轴抗压强度；HB表示布氏硬度；E表示弹性模量；a、b、c、d为与具体的岩石材料性质有关的待定参数。
5.一种砾岩力学性质评价分析系统，其特征在于，包括：
X-ray CT扫描装置用于：对获取的砾岩样品进行X-ray CT扫描，获得三维数字岩心数据体；
数据处理装置用于：
对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，获得砾石颗粒空间信息和基质空间信息；
样品分离装置，用于根据所述砾石颗粒空间信息和基质空间信息，对所述砾岩样品进行分离，获得砾石颗粒和基质；
数据处理装置还用于：
对所述砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数；
根据砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数，利用离散元数值方法分析砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数；
根据砾石颗粒的细观力学参数和基质的细观力学参数，建立用于分析砾石颗粒和基质细观力学性质的离散元数值模拟模型。
6.如权利要求5所述的砾岩力学性质评价分析系统，其特征在于，所述数据处理装置具体用于：
按照如下方式对所述三维数字岩心数据体进行空间结构重构，获得砾石颗粒空间信息和基质空间信息：
按照密度对砾石颗粒的种类进行划分；
确定每种类型中的每个砾石颗粒几何形状信息、体积信息和空间坐标信息；
将砾石颗粒之外的区域确定为基质部分，并确定基质空间信息。
7.如权利要求5所述的砾岩力学性质评价分析系统，其特征在于，所述数据处理装置包括布氏硬度计；
所述数据处理装置具体用于：按照如下方式对所述砾石颗粒和基质的力学性质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的宏观力学参数和基质的宏观力学参数：
使用布氏硬度计对所述砾石颗粒和基质进行布氏硬度测试，获得砾石颗粒的破碎时最大载荷、砾石颗粒的压膜面积、基质的破碎时最大载荷和基质的压膜面积；
根据砾石颗粒的破碎时最大载荷和砾石颗粒的压膜面积，确定砾石颗粒的布氏硬度，根据基质的破碎时最大载荷和基质的压膜面积，确定基质的布氏硬度；
基于布氏硬度与岩石单轴抗压强度、弹性模量的关系式，根据所述砾石颗粒的布氏硬度确定砾石颗粒的单轴抗压强度和弹性模量，根据所述基质的布氏硬度确定基质的单轴抗压强度和弹性模量。
8.如权利要求7所述的砾岩力学性质评价分析系统，其特征在于，所述数据处理装置具体用于：
按照如下公式确定布氏硬度：
其中，HB表示布氏硬度；P表示破碎时最大载荷，单位kg；S表示压膜面积，单位mm2；
所述布氏硬度与岩石单轴抗压强度、弹性模量的关系式如下：
其中，σc表示岩石单轴抗压强度；HB表示布氏硬度；E表示弹性模量；a、b、c、d为与具体的岩石材料性质有关的待定参数。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4任一项所述方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至4任一项所述方法的计算机程序。
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