CN110763577A - 一种获取岩石断裂韧性的各向异性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取岩石断裂韧性的各向异性的方法及装置，属于岩石力学评价领域。本发明通过沿第一岩心的轴向进行轴向造槽重复刻划和轴向断裂重复刻划，获取第一岩心处于脆性破坏状态时在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性的连续剖面，沿第二岩心的周向进行周向造槽重复刻划和周向断裂重复刻划，第二岩心处于脆性破坏状态时在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性的连续剖面，从而获取沿井深方向岩石的断裂韧性的各向异性，为压裂施工选井选层提供依据，且试验过程中无需使第一岩心和第二岩心断裂，试验结束后第一岩心和第二岩心还可重复使用，避免浪费。

Description

一种获取岩石断裂韧性的各向异性的方法及装置

技术领域

本发明涉及岩石力学评价领域，特别涉及一种获取岩石断裂韧性的各向异性的方法及装置。

背景技术

岩石的断裂韧性是指岩石裂纹失稳扩展导致岩石断裂时的临界应力强度因子，其大小反映了岩石裂缝扩展难易程度，研究岩石的断裂韧性对低渗透储层水力压裂具有重要意义，岩石断裂韧性的值越小，岩石的裂缝越容易延伸，越有利于对低渗透储层进行水力压裂，研究岩石的断裂韧性的各向异性，可以对低渗透储层进行水力压裂时裂缝的走向进行预测。

目前测试岩石断裂韧性的方法主要为巴西圆盘法，该方法可以获取沿岩心轴向的断裂韧性，但需要在试件中心钻取中心孔，并预制裂纹，对试件施加载荷直至试件断裂，测量其临界载荷，然后根据预裂纹长度，试样尺寸以及预裂纹与施加载荷间夹角，求取断裂韧性。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

通过巴西圆盘法求取岩石的断裂韧性需要钻取中心孔，并预制裂纹，对试件施加载荷直至试件断裂，由于试件断裂之后不能再重复利用，导致岩心的浪费较为严重，且巴西圆盘法无法获取岩石的断裂韧性的各向异性。

发明内容

为了解决现有技术中采用巴西圆盘法求取岩石的断裂韧性存在的岩心浪费较为严重的问题，本发明实施例提供了一种获取岩石断裂韧性的各向异性的方法及装置。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种获取岩石断裂韧性的各向异性的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：沿井深方向获取第一岩心和第二岩心，所述第一岩心和所述第二岩心的质心之间距离小于预设距离；

步骤2：沿所述第一岩心的轴向在所述第一岩心表面上进行轴向造槽重复刻划，以在所述第一岩心表面刻划出沿所述第一岩心轴向的沟槽，在所述轴向造槽重复刻划过程中，轴向刻划速度保持恒定，轴向刻划深度单次恒定且逐次增加；

步骤3：根据刀具尖部所述第一岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第一岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第一岩心所处的破坏状态，若判断所述第一岩心处于塑性破坏状态，则回到所述步骤2，若判断所述第一岩心处于脆性破坏状态，则进入步骤4，并记录所述第一岩心由塑性破坏状态到脆性破坏状态的轴向临界刻划深度；

步骤4：以所述轴向临界刻划深度为轴向初次刻划深度，沿所述沟槽在所述第一岩心表面进行轴向断裂重复刻划，获取每一次刻划过程中不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的大小，其中，在所述轴向断裂重复刻划过程中，轴向刻划速度保持恒定，轴向刻划深度单次恒定且逐次增加；

步骤5：将轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划的轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的数值代入公式(1)，获取所述第一岩心处于脆性破坏状态时，其在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性：

在公式(1)中，K_c1为轴向断裂韧性，F_t1为第一切向力，F_n1为第一法向力，d₁为轴向刻划深度，w₁为轴向刻划宽度，所述轴向刻划宽度w₁为所述刀具尖部的宽度；

步骤6：根据不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下所述第一岩心的轴向断裂韧性的数值，获取所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面；

步骤7：沿所述第二岩心的周向在所述第二岩心表面上进行周向造槽重复刻划，以在所述第二岩心表面刻划出沿所述第二岩心周向的沟槽，在所述周向造槽重复刻划过程中，周向刻划速度保持恒定，周向刻划深度单次恒定且逐次增加；

步骤:8：根据刀具尖部所述第二岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第二岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第二岩心所处的破坏状态，若判断所述第二岩心处于塑性破坏状态，则回到所述步骤7，若判断所述第二岩心处于脆性破坏状态，则进入步骤9，并记录所述第二岩心由塑性破坏状态到脆性破坏状态的周向临界刻划深度；

步骤9：以所述周向临界刻划深度为第二刻划深度，沿所述沟槽在所述第二岩心表面进行周向断裂重复刻划，获取每一次刻划过程中不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的大小，其中，在所述周向断裂重复刻划过程中，周向刻划速度保持恒定，周向刻划深度单次恒定且逐次增加；

步骤10：将断裂重复刻划过程中每一次刻划的第二刻划深度、不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的数值代入公式(2)，获取所述第二岩心处于脆性破坏状态时，其在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性：

在公式(2)中，K_c2为周向断裂韧性，F_t2为第二切向力，F_n2为第二法向力，d₂为周向刻划深度，w₂为周向刻划宽度，所述周向刻划宽度w₂为所述刀具尖部的宽度；

步骤11：根据不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下所述第二岩心的周向断裂韧性，获取所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面；

步骤12：根据所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面和所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，获取岩石的断裂韧性的各向异性。

进一步地，所述根据刀具尖部所述第一岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第一岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第一岩心所处的破坏状态，包括：

若与刀具尖部接触的第一岩心表面出现较大裂纹，且裂纹在刀具前部向前不稳定扩展，刀具尖部擦挂产生较大的岩屑和碎块，刻划过程伴随较大声响，力值信号显示出明显的锯齿状，则判断所述第一岩心处于脆性破坏状态；

若与刀具尖部接触的第一岩心表面发生碎裂，刀具尖部擦挂产生粉末且粉末在刀具前部积累，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号，则判断所述第一岩心处于塑性破坏状态。

进一步地，所述根据刀具尖部所述第二岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第二岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第二岩心所处的破坏状态，包括：

若与刀具尖部接触的第二岩心表面出现较大裂纹，且裂纹在刀具前部向前不稳定扩展，刀具尖部擦挂产生较大的岩屑和碎块，刻划过程伴随较大声响，力值信号显示出明显的锯齿状，则判断所述第二岩心处于脆性破坏状态；

若与刀具尖部接触的第二岩心表面发生碎裂，刀具尖部擦挂产生粉末且粉末在刀具前部积累，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号，则判断所述第二岩心处于塑性破坏状态。

具体地，所述第一法向力、所述第一切向力、所述第二法向力和所述第二切向力由设置在所述刀具尖部的力值传感器检测。

具体地，所述第一岩心和所述第二岩心长度均在150～460毫米之间，直径为65毫米或100毫米。

另一方面，提供了一种获取岩石断裂韧性的装置，所述装置应用于所述获取岩石断裂韧性的各向异性的方法，其包括：

夹持部，固定在试验机架上，用于夹持第一岩心和第二岩心，可带动所述第一岩心和所述第二岩心绕其轴向旋转，其中，所述第一岩心和所述第二岩心的质心之间距离小于预设距离；

刻划部，固定安装在试验机架上，用于对所述第一岩心进行轴向造槽重复刻划和轴向断裂重复刻划，对所述第二岩心进行周向造槽重复刻划和周向断裂重复刻划；

数据采集部，用于在判断所述第一岩心和所述第二岩心处于脆性破坏状态后，采集轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划不同轴向刻划距离下第一法向力、第一切向力、周向断裂重复刻划过程中每一次刻划不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的大小，其中，所述第一岩心和所述第二岩心所处的破坏状态根据刀具尖部第一岩心和第二岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第一岩心和所述第二岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号判断；

数据处理部，用于根据轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划的轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的数值和如下公式(1)，获取所述第一岩心处于脆性破坏状态时在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性，并根据不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下所述第一岩心的轴向断裂韧性的数值，获取所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面，根据周向断裂重复刻划过程中每一次刻划的周向刻划深度、不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的数值和如下公式(2)，获取所述第二岩心处于脆性破坏状态时在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性，并根据不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下所述第二岩心的周向断裂韧性的数值，获取所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，根据所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面和所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，获取岩石的断裂韧韧性的各向异性；

在公式(1)中，K_c1为轴向断裂韧性，F_t1为第一切向力，F_n1为第一法向力，d₁为轴向刻划深度，w₁为轴向刻划宽度，所述轴向刻划宽度w₁为所述刀具尖部的宽度；

在公式(2)中，K_c2为周向断裂韧性，F_t2为第二切向力，F_n2为第二法向力，d₂为周向刻划深度，w₂为周向刻划宽度，所述周向刻划宽度w₂为所述刀具尖部的宽度。

具体地，所述夹持部一端设有卡爪，用于夹持所述第一岩心或所述第二岩心，另一端与电机连接，用于带动所述卡爪旋转。

具体地，所述数据采集部包括力值信息传感器，所述力值信息传感器设置在所述刀具尖部，用于采集所述第一切向力、所述第一法向力、所述第二法向力和所述第二切向力。

具体地，所述刻划部为划痕仪。

具体地，所述第一岩心和所述第二岩心长度均在150～460毫米之间，直径均为65毫米或100毫米。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明通过沿第一岩心的轴向进行轴向造槽重复刻划和轴向断裂重复刻划，获取第一岩心处于脆性破坏状态时在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性的连续剖面，沿第二岩心的周向进行周向造槽重复刻划和周向断裂重复刻划，第二岩心处于脆性破坏状态时在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性的连续剖面，从而获取沿井深方向岩石的断裂韧性的各向异性，为压裂施工选井选层提供依据，且试验过程中无需使第一岩心和第二岩心断裂，试验结束后第一岩心和第二岩心还可重复使用，避免浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明一实施例提供的获取岩石断裂韧性的各向异性的方法的流程图；

图2是本发明又一实施例提供的第一岩心脆性破坏状态下第一法向力和第一切向力与轴向刻划距离的关系图；

图3是本发明又一实施例提供的第一岩心的轴向断裂韧性与轴向刻划距离的关系图(第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面图)；

图4本发明又一实施例提供的第二岩心脆性破坏状态下第二法向力和第二切向力与周向刻划距离的关系图；

图5是本发明又一实施例提供的第二岩心的周向断裂韧性与周向刻划距离的关系图(第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面图)；

图6是本发明又一实施例提供的获取岩石断裂韧性的各向异性的装置的结构示意图。

其中：

1 实验机架，

2 岩心，

3 夹持部，

4 刻划部，41刀具，

5 数据采集部，

6 数据处理部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种获取岩石断裂韧性的各向异性的方法，所述方法包括如下步骤：

在步骤101中，沿井深方向获取第一岩心和第二岩心，所述第一岩心和所述第二岩心的质心之间距离小于预设距离。

在本发明实施例中，第一岩心和第二岩心的质心之间的距离小于预设距离，将第一岩心和第二岩心视为同一的岩心进行研究。在本发明实施例中，优选地，第一岩心和第二岩心的质心之间的距离小于600毫米，第一岩心和第二岩心由一段岩心截成两段所得。

在步骤102中，沿所述第一岩心的轴向在所述第一岩心表面上进行轴向造槽重复刻划，以在所述第一岩心表面刻划出沿所述第一岩心轴向的沟槽，在所述轴向造槽重复刻划过程中，轴向刻划速度保持恒定，轴向刻划深度单次恒定且逐次增加。

在本发明实施例中，优选地，所述第一岩心的长度在150～460毫米之间，直径为65毫米或100毫米，由井下取出全直径的第一岩心后，若第一岩心的长度大于460毫米，可对第一岩心进行断面处理，无需进行其他处理，而后将第一岩心固定，按照恒定轴向刻划速度在第一岩心表面上进行轴向造槽重复刻划，并在保持单次轴向刻划深度恒定的情况下逐次增加轴向刻划深度，以在第一岩心表面形成沿第一岩心轴向的沟槽。其中，优选地，相邻两次刻划过程中轴向刻划深度的增加值为定值。

在步骤103中，根据刀具尖部所述第一岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第一岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第一岩心所处的破坏状态，若判断所述第一岩心处于塑性破坏状态，则回到所述步骤102，若判断所述第一岩心处于脆性破坏状态，则进入步骤104，并记录所述第一岩心由塑性破坏状态到脆性破坏状态的轴向临界刻划深度。

在本发明实施例中，随着轴向刻划深度逐渐增加，第一岩心会由塑性破坏状态过渡到脆性破坏状态，刻划过程中刀具尖部第一岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第一岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，会随着轴向刻划深度的增加而发生变化，据此变化可判断第一岩心所处破坏状态。

在本发明实施例中，所述根据刀具尖部所述第一岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第一岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第一岩心所处的破坏状态，包括：

若与刀具尖部接触的第一岩心表面出现较大裂纹，且裂纹在刀具前部向前不稳定扩展，刀具尖部擦挂产生较大的岩屑和碎块，刻划过程伴随较大声响，力值信号显示出明显的锯齿状，则判断所述第一岩心处于脆性破坏状态；

若与刀具尖部接触的第一岩心表面发生碎裂，刀具尖部擦挂产生粉末且粉末在刀具前部积累，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号，则判断所述第一岩心处于塑性破坏状态。

在本发明实施例中，由设置在刀具尖部的力值传感器采集力值信号，刻划过程中，观察第一岩心被刀具尖部擦挂后形成的颗粒形态以及刀具尖部岩心破损情况。塑性破坏状态下，第一岩心在刀具前部发生强烈剪切破坏，岩石变为粉末或颗粒并在刀具前部逐渐积累，刻划过程较为连续、平稳，试验机架稳定，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号；脆性破坏状态下，刀具尖端区域出现较大裂纹，且裂纹向前不稳定扩展，从而产生较大的岩屑和碎块，刻划过程中，刀具可将岩屑和碎块清除，刀具尖部应力的连续增加和突然释放可使试验机架产生振动，刻划过程伴随较大的声响，力值信号显示出明显的锯齿状。在刻划过程中，综合考虑上述因素确定第一岩心是否进入脆性破坏状态，上述因素第一次共同出现时，可判断第一岩心已达到轴向临界刻划深度，即将进入脆性破坏状态。由于研究岩石的断裂韧性需在岩石处于脆性破坏状态下，故若判断第一岩心处于塑性破坏状态，则回到步骤102，继续对第一岩心进行轴向造槽重复刻划，直至其进入脆性破坏状态后，进入步骤103研究第一岩心的断裂韧性，并记录第一岩心由塑性破坏状态到脆性破坏状态的临界刻划深度。

在步骤104中，以所述轴向临界刻划深度为轴向初次刻划深度，沿所述沟槽在所述第一岩心表面进行轴向断裂重复刻划，获取每一次刻划过程中不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的大小，其中，在所述轴向断裂重复刻划过程中，轴向刻划速度保持恒定，轴向刻划深度单次恒定且逐次增加；

在本发明实施例中，第一岩心进入脆性破坏状态后，逐次增加轴向刻划深度对其进行轴向断裂重复刻划。其中，每一次刻划的轴向刻划深度为本次刻划开始时刀具尖部与第一岩心一端端面的接触点沿第一岩心的径向到第一岩心表面的距离。轴向刻划距离为在一次刻划过程中，刀具尖部沿第一岩心轴向在第一岩心表面上进行刻划的长度。第一法向力及第一切向力由设置在刀具尖部的力值传感器检测，当轴向刻划速度为定值时，由于第一岩心的物性差异，会使得第一法向力和第一切向力的大小有所不同。其中，第一法向力和第一切向力与轴向刻划距离的关系图如图2所示。

在步骤105中，将轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划的轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的数值代入公式(1)，获取所述第一岩心处于脆性破坏状态时，其在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性：

在公式(1)中，K_c1为轴向断裂韧性，F_t1为第一切向力，F_n1为第一法向力，d₁为轴向刻划深度，w₁为轴向刻划宽度，所述轴向刻划宽度w₁为所述刀具尖部的宽度。

在本发明实施例中，在不同轴向刻划深度条件下，不同的轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的大小不同，将轴向刻划距离、轴向刻划深度、轴向刻划宽度、第一法向力和第一切向力的数值代入公式(1)求取的第一岩心的断裂韧性也不同。

在步骤106中，根据不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下所述第一岩心的轴向断裂韧性的数值，获取所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面。

在本发明实施例中，若在第一岩心处于脆性破坏状态时对第一岩心进行4次刻划，四次刻划的轴向刻划深度呈等差数列，将四次刻划过程中同一轴向刻划距离下所求得的四个断裂韧性值取平均值，得到第一岩心在该轴向刻划距离处的断裂韧性，获取第一岩心在各轴向刻划距离处的轴向断裂韧性，即可得到第一岩心的轴向断裂韧性的变化曲线，也即如图3所示的第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面图。

若要研究某一区域岩石的断裂韧性，可沿井深方向取连续岩心分别进行试验后分析该区域岩石的断裂韧性。

在步骤107中，沿所述第二岩心的周向在所述第二岩心表面上进行周向造槽重复刻划，以在所述第二岩心表面刻划出沿所述第二岩心周向的沟槽，在所述周向造槽重复刻划过程中，周向刻划速度保持恒定，周向刻划深度单次恒定且逐次增加。

在本发明实施例中，优选地，所述第二岩心的长度在150～460毫米之间，直径为65毫米或100毫米，由井下取出全直径的第二岩心后，若第二岩心的长度大于460毫米，可对第二岩心进行断面处理，无需进行其他处理，而后将第二岩心固定，按照恒定周向刻划速度在第二岩心表面上进行周向造槽重复刻划，并在保持单次周向刻划深度恒定的情况下逐次增加周向刻划深度，以在第二岩心表面形成沿第二岩心周向的沟槽。其中，优选地，相邻两次周向造槽刻划过程中周向刻划深度的增加值为定值。刻划过程中由夹持第二岩心的部件带动第二岩心转动。

在步骤108中，根据刀具尖部所述第二岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第二岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第二岩心所处的破坏状态，若判断所述第二岩心处于塑性破坏状态，则回到所述步骤107，若判断所述第二岩心处于脆性破坏状态，则进入步骤109，并记录所述第二岩心由塑性破坏状态到脆性破坏状态的周向临界刻划深度。

在本发明实施例中，随着周向刻划深度逐渐增加，第二岩心会由塑性破坏状态过渡到脆性破坏状态，刻划过程中刀具尖部第二岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第二岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，会随着周向刻划深度的增加而发生变化，据此变化可判断第二岩心所处破坏状态。

在本发明实施例中，所述根据刀具尖部所述第二岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第二岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第二岩心所处的破坏状态，包括：

若与刀具尖部接触的第二岩心表面出现较大裂纹，且裂纹在刀具前部向前不稳定扩展，刀具尖部擦挂产生较大的岩屑和碎块，刻划过程伴随较大声响，力值信号显示出明显的锯齿状，则判断所述第二岩心处于脆性破坏状态；

若与刀具尖部接触的第二岩心表面发生碎裂，刀具尖部擦挂产生粉末且粉末在刀具前部积累，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号，则判断所述第二岩心处于塑性破坏状态。

在本发明实施例中，由设置在刀具尖部的力值传感器采集力值信号，周向造槽刻划过程中，观察第二岩心被刀具尖部擦挂后形成的颗粒形态以及刀具尖部岩心破损情况。塑性破坏状态下，第二岩心在刀具前部发生强烈剪切破坏，岩石变为粉末或颗粒并在刀具前部逐渐积累，刻划过程较为连续、平稳，试验机架稳定，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号；脆性破坏状态下，刀具尖端区域出现较大裂纹，且裂纹向前不稳定扩展，从而产生较大的岩屑和碎块，刻划过程中，刀具可将岩屑和碎块清除，刀具尖部应力的连续增加和突然释放可使试验机架产生振动，刻划过程伴随较大的声响，力值信号显示出明显的锯齿状。在刻划过程中，综合考虑上述因素确定第二岩心是否进入脆性破坏状态，上述因素第一次共同出现时，可判断第二岩心已达到周向临界刻划深度，即将进入脆性破坏状态。由于研究岩石的断裂韧性需在岩石处于脆性破坏状态下，故若判断岩心处于塑性破坏状态，则回到步骤107，继续对岩心进行周向造槽重复刻划，直至其进入脆性破坏状态后，进入步骤109研究第二岩心的断裂韧性，并记录第二岩心由塑性破坏状态到脆性破坏状态的周向临界刻划深度。

在步骤109中，以所述周向临界刻划深度为第二刻划深度，沿所述沟槽在所述第二岩心表面进行周向断裂重复刻划，获取每一次刻划过程中不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的大小，其中，在所述周向断裂重复刻划过程中，周向刻划速度保持恒定，周向刻划深度单次恒定且逐次增加。

在本发明实施例中，第二岩心进入脆性破坏状态后，逐次增加周向刻划深度对其进行周向刻划。其中，周向刻划距离为在一次刻划过程中，刀具尖部沿第二岩心周向在第二岩心表面上进行刻划的长度。第二法向力及第二切向力由设置在刀具尖部的力值传感器检测，当周向刻划速度为定值时，由于第二岩心的物性差异，会使得第二法向力和第二切向力的大小有所不同。其中，第二法向力和第二切向力与周向刻划距离的关系图如图4所示。

在步骤110中，将周向断裂重复刻划过程中每一次刻划的第二刻划深度、不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的数值代入公式(2)，获取所述第二岩心处于脆性破坏状态时，其在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性：

在公式(2)中，K_c2为周向断裂韧性，F_t2为第二切向力，F_n2为第二法向力，d₂为周向刻划深度，w₂为周向刻划宽度，所述周向刻划宽度w₂为所述刀具尖部的宽度。

在本发明实施例中，在不同周向刻划深度条件下，不同的周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的大小不同，将周向刻划距离、周向刻划深度、周向刻划宽度、第二法向力和第二切向力的数值代入公式(2)求取的第二岩心的周向断裂韧性也不同。

在步骤111中，根据不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下所述第二岩心的周向断裂韧性，获取所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面。

在本发明实施例中，若在第二岩心处于脆性破坏状态时对第二岩心进行4次周向断裂重复刻划，四次刻划的周向刻划深度呈等差数列，将四次刻划过程中同一周向刻划距离下所求得的四个断裂韧性值取平均值，得到第二岩心在该周向刻划距离处的断裂韧性，获取第二岩心在各周向刻划距离处的周向断裂韧性，即可得到第二岩心的周向断裂韧性的变化曲线，也即如图5所示的第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面图。

步骤12：根据所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面和所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，获取岩石的断裂韧性的各向异性。

在本发明实施例中，根据第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面和第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，可以分析第一岩心和第二岩心所在层段岩石的断裂韧性的各向异性，进而为压裂施工中的选井选层提供更为科学的依据。

在本发明实施例中，步骤107至步骤111可与步骤102至步骤106同步实施，也可在步骤102至步骤106之前实施，在本发明实施例中不作具体限定。

本发明通过沿第一岩心的轴向进行轴向造槽重复刻划和轴向断裂重复刻划，获取第一岩心处于脆性破坏状态时在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性的连续剖面，沿第二岩心的周向进行周向造槽重复刻划和周向断裂重复刻划，第二岩心处于脆性破坏状态时在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性的连续剖面，从而获取沿井深方向岩石的断裂韧性的各向异性，为压裂施工选井选层提供依据，且试验过程中无需使第一岩心和第二岩心断裂，试验结束后第一岩心和第二岩心还可重复使用，避免浪费。

实施例二

如图4所示，本发明实施例提供了一种获取岩石断裂韧性的装置，该装置应用于实施例一中所述的方法，其包括：

夹持部3，固定在试验机架1上，用于夹持第一岩心和第二岩心(第一岩心和第二岩心均用序号2表示)，并带动所述第一岩心2和所述第二岩心2绕其轴向旋转，其中，所述第一岩心2和所述第二岩心2的质心之间的距离小于预设距离；

刻划部4，固定安装在试验机架1上，用于对所述第一岩心2进行轴向造槽重复刻划和轴向断裂重复刻划，，对所述第二岩心2进行周向造槽重复和周向断裂重复刻划；

数据采集部5，用于在判断所述第一岩心2和所述第二岩心2处于脆性破坏状态后，采集轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划不同轴向刻划距离下第一法向力、第一切向力、周向断裂重复刻划过程中每一次刻划不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的大小，其中，所述第一岩心2和所述第二岩心2所处的破坏状态根据刀具尖部第一岩心2和第二岩心2破碎形态、刀具41尖部擦挂所述第一岩心2和所述第二岩心2表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号判断；

数据处理部6，用于根据轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划的轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的数值和如下公式(1)，获取所述第一岩心处于脆性破坏状态时在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性，并根据不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下所述第一岩心的轴向断裂韧性的数值，获取所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面，根据周向断裂重复刻划过程中每一次刻划的周向刻划深度、不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的数值和如下公式(2)，获取所述第二岩心处于脆性破坏状态时在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性，并根据不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下所述第二岩心的周向断裂韧性的数值，获取所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，根据所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面和所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，获取岩石的断裂韧韧性的各向异性；

在公式(1)中，K_c1为轴向断裂韧性，F_t1为第一切向力，F_n1为第一法向力，d₁为轴向刻划深度，w₁为轴向刻划宽度，所述轴向刻划宽度w₁为所述刀具尖部的宽度；

在公式(2)中，K_c2为周向断裂韧性，F_t2为第二切向力，F_n2为第二法向力，d₂为周向刻划深度，w₂为周向刻划宽度，所述周向刻划宽度w₂为所述刀具尖部的宽度

如图6所示，在本发明实施例中，所述夹持部3的一端设有卡爪，用于夹持所述第一岩心2或所述第二岩心2，另一端与电机连接，用于带动所述第一岩心2或所述第二岩心2旋转。所述数据采集部5包括力值信息传感器，所述力值信息传感器设置在所述刀具41尖部，用于采集所述第一切向力、所述第一法向力、所述第二法向力和所述第二切向力。

所述刻划部4为划痕仪。

试验过程中，选取长度为150～460mm，直径为65mm或100mm的全直径的第一岩心2，根据第一岩心2直径大小，选择夹持部3，确保夹持部3的卡爪能够稳固夹持第一岩心2。而后启动划痕仪，沿第一岩心2轴向移动刀具41寻找第一岩心2两端面，确定第一岩心2长度；沿第一岩心2径向移动刀具41寻找第一岩心2高低点，确定初始刻划深度。在软件中输入第一岩心2编号、第一岩心2长度、第一岩心2取样位置等基本参数；输入轴向刻划速度、轴向刻划宽度、初始轴向刻划深度、轴向刻划深度增加值等实验参数。将刻划刀具41尖部归至第一岩心2起始端面，开始以恒定轴向刻划速度沿全直径第一岩心2表面进行刻划。由于第一岩心2物性问题，第一次造面结束后，需检查造面情况，重复刻划，直至在第一岩心2表面形成沟槽，则造面成功(岩心2起点至终点均有力值信号显示)，而后逐次增加轴向刻划深度进行轴向造槽重复刻划，记录刻划过程中第一法向力和第一切向力随轴向刻划距离的变化情况，记录的第一法向力和第一切向力随刻划距离的变化情况可用于与脆性破坏状态下的参数结合，判断第一岩心2的临界刻划深度，为研究第一岩心2提供更多参数。

而后根据刀具41尖部第一岩心2破碎形态、刀具41尖部擦挂所述第一岩心2表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第一岩心2所处的破坏状态，具体地：

若与刀具41尖部接触的第一岩心2表面出现较大裂纹，且裂纹在刀具41前部向前不稳定扩展，刀具41尖部擦挂产生较大的岩屑和碎块，刻划过程伴随较大声响，力值信号显示出明显的锯齿状，则判断所述第一岩心2处于脆性破坏状态；

若与刀具41尖部接触的第一岩心2表面发生碎裂，刀具41尖部擦挂产生粉末且粉末在刀具41前部积累，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号，则判断所述第一岩心2处于塑性破坏状态。

当判断第一岩心2进入脆性破坏状态后，以轴向临界刻划深度为初始刻划深度，沿沟槽在第一岩心2表面进行轴向断裂重复刻划，记录轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划的轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的大小，将第一岩心2处于脆性破坏状态后每一次刻划过程中的轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的数值代入如下公式(1)，获取在所述第一岩心2处于脆性破坏状态时在不同刻划深度、不同刻划距离下的轴向断裂韧性，而后根据不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下第一岩心2的断裂韧性的数值，获取所述第一岩心2的轴向断裂韧性的连续剖面：

在公式(1)中，K_c1为轴向断裂韧性，F_t1为第一切向力，F_n1为第一法向力，d₁为轴向刻划深度，w₁为轴向刻划宽度，所述轴向刻划宽度w₁为所述刀具尖部的宽度。

选取长度为150～460mm，直径为65mm或100mm的全直径的第二岩心2，根据第二岩心2直径大小，选择夹持部3，确保夹持部3的卡爪能够稳固夹持第二岩心2，并带动第二岩心2旋转。在软件中输入第二岩心2编号、第二岩心2长度、第二岩心2取样位置等基本参数；输入周向刻划速度、周向刻划宽度、初始周向刻划深度、周向刻划深度增加值、第二岩心2旋转角速度等实验参数。将刻划刀具41尖部归至第二岩心2表面，开始以恒定周向刻划速度沿全直径第二岩心2表面进行刻划。由于第二岩心2内部结构问题，第二次造面结束后，需检查造面情况，重复刻划，直至在第二岩心2表面形成沟槽，则造面成功(岩心2起点至终点均有力值信号显示)，而后逐次增加周向刻划深度进行造槽重复刻划，记录刻划过程中第二法向力和第二切向力随周向刻划距离的变化情况，记录的第二法向力和第二切向力随周向刻划距离的变化情况可用于与脆性破坏状态下的参数结合，判断第二岩心2的周向临界刻划深度，为研究岩心2提供更多参数。

而后根据刀具41尖部第二岩心2破碎形态、刀具41尖部擦挂所述第二岩心2表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第二岩心2所处的破坏状态，具体地：

若与刀具41尖部接触的第二岩心2表面出现较大裂纹，且裂纹在刀具41前部向前不稳定扩展，刀具41尖部擦挂产生较大的岩屑和碎块，刻划过程伴随较大声响，力值信号显示出明显的锯齿状，则判断所述第二岩心2处于脆性破坏状态；

若与刀具41尖部接触的第二岩心2表面发生碎裂，刀具41尖部擦挂产生粉末且粉末在刀具41前部积累，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号，则判断所述第二岩心2处于塑性破坏状态。

当判断第二岩心2进入脆性破坏状态后，以周向临界刻划深度为初始刻划深度，沿沟槽在第二岩心2表面进行周向断裂重复刻划，记录周向断裂重复刻划过程中每一次刻划的周向刻划深度、不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的大小，将第二岩心2处于脆性破坏状态后每一次刻划过程中的周向刻划深度、不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的数值代入如下公式(2)，获取在所述第二岩心2处于脆性破坏状态时在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性，而后根据不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下第二岩心2的断裂韧性的数值，获取所述第二岩心2的周向断裂韧性的连续剖面：

在公式(2)中，K_c2为周向断裂韧性，F_t2为第二切向力，F_n2为第二法向力，d₂为周向刻划深度，w₂为周向刻划宽度，所述周向刻划宽度w₂为所述刀具尖部的宽度。

而后根据第一岩心2的轴向断裂韧性的连续剖面和第二岩心2的周向断裂韧性的连续剖面，获取第一岩心和第二岩心所在层段岩石的断裂韧性的连续剖面。

本发明通过沿第一岩心的轴向进行轴向造槽重复刻划和轴向断裂重复刻划，获取第一岩心处于脆性破坏状态时在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性的连续剖面，沿第二岩心的周向进行周向造槽重复刻划和周向断裂重复刻划，第二岩心处于脆性破坏状态时在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性的连续剖面，从而获取沿井深方向岩石的断裂韧性的各向异性，为压裂施工选井选层提供依据，且试验过程中无需使第一岩心和第二岩心断裂，试验结束后第一岩心和第二岩心还可重复使用，避免浪费。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种获取岩石断裂韧性的各向异性的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：沿井深方向获取第一岩心和第二岩心，所述第一岩心和所述第二岩心的质心之间距离小于预设距离；

步骤2：沿所述第一岩心的轴向在所述第一岩心表面上进行轴向造槽重复刻划，以在所述第一岩心表面刻划出沿所述第一岩心轴向的沟槽，在所述轴向造槽重复刻划过程中，轴向刻划速度保持恒定，轴向刻划深度单次恒定且逐次增加；

步骤3：根据刀具尖部所述第一岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第一岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第一岩心所处的破坏状态，若判断所述第一岩心处于塑性破坏状态，则回到所述步骤2，若判断所述第一岩心处于脆性破坏状态，则进入步骤4，并记录所述第一岩心由塑性破坏状态到脆性破坏状态的轴向临界刻划深度；

步骤4：以所述轴向临界刻划深度为轴向初次刻划深度，沿所述沟槽在所述第一岩心表面进行轴向断裂重复刻划，获取每一次刻划过程中不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的大小，其中，在所述轴向断裂重复刻划过程中，轴向刻划速度保持恒定，轴向刻划深度单次恒定且逐次增加；

步骤5：将轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划的轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的数值代入公式(1)，获取所述第一岩心处于脆性破坏状态时，其在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性：

在公式(1)中，K_c1为轴向断裂韧性，F_t1为第一切向力，F_n1为第一法向力，d₁为轴向刻划深度，w₁为轴向刻划宽度，所述轴向刻划宽度w₁为所述刀具尖部的宽度；

步骤6：根据不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下所述第一岩心的轴向断裂韧性的数值，获取所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面；

步骤7：沿所述第二岩心的周向在所述第二岩心表面上进行周向造槽重复刻划，以在所述第二岩心表面刻划出沿所述第二岩心周向的沟槽，在所述周向造槽重复刻划过程中，周向刻划速度保持恒定，周向刻划深度单次恒定且逐次增加；

步骤:8：根据刀具尖部所述第二岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第二岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第二岩心所处的破坏状态，若判断所述第二岩心处于塑性破坏状态，则回到所述步骤7，若判断所述第二岩心处于脆性破坏状态，则进入步骤9，并记录所述第二岩心由塑性破坏状态到脆性破坏状态的周向临界刻划深度；

步骤9：以所述周向临界刻划深度为第二刻划深度，沿所述沟槽在所述第二岩心表面进行周向断裂重复刻划，获取每一次刻划过程中不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的大小，其中，在所述周向断裂重复刻划过程中，周向刻划速度保持恒定，周向刻划深度单次恒定且逐次增加；

步骤10：将断裂重复刻划过程中每一次刻划的第二刻划深度、不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的数值代入公式(2)，获取所述第二岩心处于脆性破坏状态时，其在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性：

在公式(2)中，K_c2为周向断裂韧性，F_t2为第二切向力，F_n2为第二法向力，d₂为周向刻划深度，w₂为周向刻划宽度，所述周向刻划宽度w₂为所述刀具尖部的宽度；

步骤11：根据不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下所述第二岩心的周向断裂韧性，获取所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面；

步骤12：根据所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面和所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，获取岩石的断裂韧性的各向异性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据刀具尖部所述第一岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第一岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第一岩心所处的破坏状态，包括：

若与刀具尖部接触的第一岩心表面出现较大裂纹，且裂纹在刀具前部向前不稳定扩展，刀具尖部擦挂产生较大的岩屑和碎块，刻划过程伴随较大声响，力值信号显示出明显的锯齿状，则判断所述第一岩心处于脆性破坏状态；

若与刀具尖部接触的第一岩心表面发生碎裂，刀具尖部擦挂产生粉末且粉末在刀具前部积累，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号，则判断所述第一岩心处于塑性破坏状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据刀具尖部所述第二岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第二岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号，判断所述第二岩心所处的破坏状态，包括：

若与刀具尖部接触的第二岩心表面出现较大裂纹，且裂纹在刀具前部向前不稳定扩展，刀具尖部擦挂产生较大的岩屑和碎块，刻划过程伴随较大声响，力值信号显示出明显的锯齿状，则判断所述第二岩心处于脆性破坏状态；

若与刀具尖部接触的第二岩心表面发生碎裂，刀具尖部擦挂产生粉末且粉末在刀具前部积累，刻划过程声音较小，力值信号表现为白噪声信号，则判断所述第二岩心处于塑性破坏状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一法向力、所述第一切向力、所述第二法向力和所述第二切向力由设置在所述刀具尖部的力值传感器检测。

5.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一岩心和所述第二岩心长度均在150～460毫米之间，直径为65毫米或100毫米。

6.一种获取岩石断裂韧性的各向异性的装置，其特征在于，所述装置应用于权利要求1-5任一项权利要求所述的方法，其包括：

夹持部，固定在试验机架上，用于夹持第一岩心和第二岩心，并带动所述第一岩心和所述第二岩心绕其轴向旋转，其中，所述第一岩心和所述第二岩心的质心之间距离小于预设距离；

刻划部，固定安装在试验机架上，用于对所述第一岩心进行轴向造槽重复刻划和轴向断裂重复刻划，对所述第二岩心进行周向造槽重复刻划和周向断裂重复刻划；

数据采集部，用于在判断所述第一岩心和所述第二岩心处于脆性破坏状态后，采集轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划不同轴向刻划距离下第一法向力、第一切向力、周向断裂重复刻划过程中每一次刻划不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的大小，其中，所述第一岩心和所述第二岩心所处的破坏状态根据刀具尖部第一岩心和第二岩心破碎形态、刀具尖部擦挂所述第一岩心和所述第二岩心表面产生的颗粒形态、试验过程中的声音信号和力值信号判断；

数据处理部，用于根据轴向断裂重复刻划过程中每一次刻划的轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下第一法向力和第一切向力的数值和如下公式(1)，获取所述第一岩心处于脆性破坏状态时在不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下的轴向断裂韧性，并根据不同轴向刻划深度、不同轴向刻划距离下所述第一岩心的轴向断裂韧性的数值，获取所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面，根据周向断裂重复刻划过程中每一次刻划的周向刻划深度、不同周向刻划距离下第二法向力和第二切向力的数值和如下公式(2)，获取所述第二岩心处于脆性破坏状态时在不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下的周向断裂韧性，并根据不同周向刻划深度、不同周向刻划距离下所述第二岩心的周向断裂韧性的数值，获取所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，根据所述第一岩心的轴向断裂韧性的连续剖面和所述第二岩心的周向断裂韧性的连续剖面，获取岩石的断裂韧韧性的各向异性；

在公式(1)中，K_c1为轴向断裂韧性，F_t1为第一切向力，F_n1为第一法向力，d₁为轴向刻划深度，w₁为轴向刻划宽度，所述轴向刻划宽度w₁为所述刀具尖部的宽度；

在公式(2)中，K_c2为周向断裂韧性，F_t2为第二切向力，F_n2为第二法向力，d₂为周向刻划深度，w₂为周向刻划宽度，所述周向刻划宽度w₂为所述刀具尖部的宽度。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述夹持部一端设有卡爪，用于夹持所述第一岩心或所述第二岩心，另一端与电机连接，用于带动所述卡爪旋转。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据采集部包括力值信息传感器，所述力值信息传感器设置在所述刀具尖部，用于采集所述第一切向力、所述第一法向力、所述第二法向力和所述第二切向力。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述刻划部为划痕仪。

10.根据权利要求6-9任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一岩心和所述第二岩心长度均在150～460毫米之间，直径均为65毫米或100毫米。

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