CN113884371B - 一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法及其计算装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工程技术领域，具体涉及一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法及其计算装置。本方法通过采集深部岩体工程中围岩的应力以及温度，再基于围岩的温度与应力，按照本发明提供的改进Poyting‑Thomson蠕变模型或者三维状态下改进Poyting‑Thomson蠕变模型，便可以得出围岩的蠕变与时间的关系，通过该关系得出围岩的蠕变达到允许围岩产生的最大蠕变所需要的时间，通过该时间判断是否需要对深部岩体工程中的围岩进行加固。利用本发明提供的计算装置能够提高计算围岩蠕变时间的计算效率。本发明提供的改进Poyting‑Thomson蠕变模型和三维状态下改进Poyting‑Thomson蠕变模型，考虑了温度变化对围岩物理性质以及流变性的影响，计算得到的围岩蠕变与围岩的实际蠕变更加相符，对采气作业更加具有指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算围岩蠕变时间的方法，特别是一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法及其计算装置。
背景技术
近年来，页岩气的开采量大幅增加，尤其是在中国四川西南地区。但是随着地层的深入，深层地质条件愈加复杂，岩石的力学性质随地应力和地热的增加而变化。蠕变是岩石的重要力学特性之一，影响岩体工程长期稳定性。围岩指隧道周围一定范围内，对洞身的稳定有影响的岩(土)体，深部岩体工程中的围岩多为岩石。在页岩气生产过程中需要根据围岩的蠕变与时间的关系，计算深部岩体工程中围岩的蠕变达到所允许的最大蠕变ε max 所需要的时间，根据该时间与采气时长的大小判断是否需要对围岩进行加固。因此，在页岩气生产过程中，研究围岩的蠕变特性对保持井壁稳定至关重要。
如图１所示，岩石的蠕变过程可分为三个阶段：I—衰减蠕变阶段、II—稳定蠕变阶段、III—加速蠕变阶段。可通过岩石所受应力判断岩石在蠕变过程中所处的蠕变阶段。在衰减蠕变阶段，岩石的应力与应变之间的关系可以通过粘弹性体表示；在稳定蠕变阶段，岩石的应力与应变之间的关系可以通过粘弹性体加粘性体表示；在加速蠕变阶段，岩石的应力与应变之间的关系可以通过粘弹性体加粘性体再加粘塑性体表示。目前，经典Poyting-Thomson蠕变模型仅能描述出岩石蠕变过程中衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段，无法描述当岩石的应力水平超过岩石长期强度时出现的加速蠕变阶段。因此，建立一个能够描述岩石加速蠕变阶段特征的蠕变模型具有重大意义，相关学者在岩石蠕变模型方面做了大量的工作。例如在文献“Wu F, Liu J, Zou Q, et al. A triaxial creep model for saltrocks based on variable-order fractional derivative [J]. Mechanics of Time-Dependent Materials, 2020.”中利用变阶分数导数代替Maxwell模型中的牛顿阻尼点，并将其从一维扩展到三维，描述盐岩在三轴载荷下的整个蠕变过程。又如文献“Ma S,Gutierrez M. A time-dependent creep model for rock based on damage mechanics[J]. Environmental Earth Sciences, 2020, 79(19).”中提出了一个基于损伤力学的蠕变模型来描述岩石在常规三轴加载条件下的三阶段蠕变变形。文献“Tang H, Wang D,Huang R, et al. A new rock creep model based on variable-order fractionalderivatives and continuum damage mechanics [J]. Bulletin of EngineeringGeology & the Environment, 2017.”中基于变阶分数导数和连续损伤力学提出了一个新的四元件蠕变模型。文献“Qian L, Zhang J, Wang X, et al. An Improved Creep Modelfor Granite Based on the Deviatoric Stress-to-Peak Strength Ratio [J]. 2021.”中对西原模型进行了改进，得到了改进模型的参数与围压和DPR（偏应力与峰值强度之比）的关系。
上述这些模型能够较好地描述岩体蠕变的加速阶段，但是并不适用于温度变化的条件下。在采气作业中，随着地层深入，岩石的应力与温度也相应升高，温度会对岩石内部造成损伤，影响岩石的粘性系数，此时如果用经典岩石蠕变模型或者上述的改进后的模型表示岩石的应力与蠕变的曲线关系，会因为忽略了温度对岩石的粘性系数的影响而导致效果不佳，模型不能反应深部岩体工程中的围岩在应力作用下产生的蠕变与时间的关系。因此，现有的改进岩石蠕变模型的方法均存在一定程度的不足，不适合应用于现场实践。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的目前的岩石蠕变模型均没有考虑温度对岩石蠕变的影响，不能反映实际采气作业过程中，围岩的蠕变与时间的关系，无法准确判断是否需要对围岩进行加固的问题，提供一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法及其计算装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法，包括步骤，
S1：利用应力计采集围岩的应力σ 0，利用测温装置采集围岩的温度T；
S2：利用改进Poyting-Thomson蠕变模型：
计算围岩在一维应力下所产生的蠕变ε(t)与时间t的关系；其中，E 1 (T)、E 2 (T)均为粘弹性体考虑温度效应的修正弹性模量，η 1 (T)为粘弹性体考虑温度效应的修正粘性系数，η 2 (T)为粘性体考虑温度效应的修正粘性系数，η 3 (T)为粘塑性体考虑温度效应的粘性系数，α(T)为考虑温度效应的材料系数，为围岩的蠕变应变率，σ s 为围岩的长期强度；
S3：根据围岩的蠕变ε(t)与时间t的关系，计算围岩的蠕变达到ε max 所需要的时间t max ，若t max 时间后，仍要在深部岩体工程内进行采气作业，则对深部岩体工程的围岩进行加固，否则不加固，其中ε max 为深部岩体工程允许围岩产生的最大蠕变。
上述模型包括三个公式，分别对应围岩在不同蠕变过程下，围岩应力与应变之间的关系；即，公式（1）中通过粘弹性体表示在围岩的衰减蠕变阶段，围岩在应力以及所受温度的作用下，产生的蠕变ε(t)与时间t之间的关系；公式（2）通过粘弹性体与粘性体表示在围岩的稳定蠕变阶段，围岩在应力以及所受温度的作用下，产生的蠕变ε(t)与时间t之间的关系；公式（3）通过粘弹性体、粘性体以及粘塑性体表示在围岩的加速蠕变阶段，围岩在应力以及所受温度的作用下，产生的蠕变ε(t)与时间t之间的关系。上述模型中的、E 2 (T)、η 1 (T)、η 2 (T)、η 3 (T)与α(T)均为与温度有关的参数，通过实验能够得到不同温度下各参数的数值，根据S1中采集的围岩温度T进行取值，再结合采气作业中允许的围岩产生的最大蠕变ε max 与测得的围岩所受应力σ 0，便可通过改进Poyting-Thomson蠕变模型准确地计算出围岩的蠕变达到ε max 所需要的时间t max ，若t max 时间后，仍要利用深部岩体工程进行采气作业，则对围岩进行加固，否则不加固，为采气作业过程提供了更加可靠的参考。
作为本发明的优选方案，所述E 1 (T)、E 2 (T)、η 1 (T)、η 2 (T)、η 3 (T)与α(T)均通过试验数据拟合得到。
作为本发明的优选方案，所述S2中，所述，其中，/>为围岩所受的有效应力，D为围岩的损伤变量。
损伤变量是表征材料或结构劣化程度的量度，引入损伤变量可以更真实地描述受损材料的宏观力学行为。
作为本发明的优选方案，D=1-e -α(T)t 。
α(T)为考虑温度效应的材料系数，其取值与围岩所受的温度有关，考虑了温度对围岩的损伤变量的影响，能够使得计算结果更加准确。
作为本发明的优选方案，在所述S1中，利用应力计采集围岩的三向主应力σ 1、σ 2与σ 3，利用广义胡克定律，将所述S2中的改进Poyting-Thomson蠕变模型从一维推广至三维，得到三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型，在所述S2中，利用所述三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型：
计算围岩在三维应力下所产生的蠕变ε ij 与时间t的关系；其中，i为空间中的面，i=（1，2，3），分别代表垂直于X轴的面、垂直于Y轴的面和垂直于Z轴的面，j为空间中的方向，j=（1，2，3），分别代表X轴、Y轴和Z轴；ε ij 为围岩在三维方向上的蠕变，即，、ε 22、ε 33；S ij 为偏应力张量，S 11=2(σ 1-σ 3)/3；S 22=2(σ 2-σ 3)/3；S 33=2(σ 3-σ 1)/3；G 1 (T)与G 2 (T)均是粘弹性体考虑温度效应的修正剪切模量；/>为围岩在三维方向上的蠕变应变率，F为围岩的屈服函数，与围岩所受应力强度有关，F 0为围岩屈服函数的初始值，F 0的取值为1，σ ij 为围岩在三维方向上的应力σ 11=σ 1，σ 22=σ 2，σ 33=σ 3。
上述模型中，通过F的值能够判断围岩所处的蠕变阶段，并通过对应的公式计算围岩的蠕变；该模型能够用于计算围岩不同方向上的蠕变；具体地，公式（4）用于计算围岩在衰减蠕变阶段中的蠕变量，公式（5）用于计算围岩在稳定蠕变阶段中的蠕变量，公式（6）用于计算围岩在加速蠕变阶段中的蠕变量。上述模型中的G 1 (T)、G 2 (T)、η 1 (T)、、η 3 (T)与α(T)均为与温度有关的参数，根据S1中围岩的温度T进行取值，能够更准确地反应围岩在不同温度下，因三维应力作用产生的蠕变ε ij 与时间t的关系。
作为本发明的优选方案，所述G 1 (T)、G 2 (T)、η 1 (T)、η 2 (T)、η 3 (T)与α(T)均通过试验数据拟合得到。
一种实施前述的基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法的计算装置，包括：应力计、测温装置、处理器与存储器；所述应力计、所述测温装置、所述存储器均与所述处理器通信连接；所述存储器存放有至少一份可执行指令；当所述计算装置运行时，所述处理器执行所述可执行指令，使所述处理器执行前述的基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法的步骤。
上述方案提供了一种计算装置计算围岩蠕变所需要的时间，提高了采集数据以及对数据进行计算的效率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、通过在模型中引入考虑温度效应的材料系数α(T)以及损伤变量，能够描述围岩蠕变过程中的所有阶段，包括围岩蠕变加速阶段；
2、考虑了温度变化对围岩物理性质以及流变性的影响，使模型能够反应采气作业等温度较高的场合下，围岩的蠕变与时间之间的关系，为采气作业提供更可靠的参考；
3、提供了一维与三维状态下计算围岩蠕变的模型，能够应对围岩在各种受力情况下的蠕变计算；
4、提供了一种计算装置计算围岩蠕变所需要的时间，提高了计算效率。
附图说明
图1是岩石蠕变过程的示意图。
图2为改进Poyting-Thomson蠕变模型示意图。
图3为参数α(T)的灵敏度分析图。
图4为衰减蠕变阶段、稳定蠕变阶段以及加速蠕变阶段中，利用三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型和经典Poyting-Thomson蠕变模型绘制的曲线，以及试验测得的真实数据的示意图。
图5为本发明所提供的计算装置的示意框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法，利用经典Poyting-Thomson蠕变模型，考虑温度对围岩蠕变的影响，得到基于温度效应的改进Poyting-Thomson蠕变模型，利用改进Poyting-Thomson蠕变模型表示在不同温度与应力下，围岩的蠕变与时间的关系。
围岩的蠕变量与围岩的应力以及应力作用时间的关系可使用粘弹性体、粘性体以及粘塑性体或者三者的组合表示。粘弹性体、粘性体以及粘塑性体三者在应力作用下产生的形变分别记为ε ve 、ε v 与ε vp ，如图2所示。在衰减蠕变阶段，围岩的蠕变ε(t)=ε ve ；在稳定蠕变阶段，围岩的蠕变ε(t)=ε ve +ε v ；在加速蠕变阶段，围岩的蠕变ε(t)=ε ve +ε v +ε vp 。
根据围岩的应力σ 0与围岩的长期强度σ s 的大小关系，以及围岩的蠕变应变率可判断围岩在蠕变过程中所处的阶段。其中，/>，σ 0为围岩的应力，/>为围岩所受的有效应力，η 3 (T)为粘塑性体考虑温度效应的修正粘性系数，D为围岩的损伤变量，D=1-e -α(T)t 。
当σ 0 <σ s 且时，围岩处于衰减蠕变阶段，围岩的蠕变ε(t)与围岩的应力σ 0以及应力σ 0的作用时间t之间的关系用粘弹性体表示，可通过在经典Poyting-Thomson蠕变模型中考虑温度对粘弹性体的粘性系数的影响，得到考虑温度效应的修正Poyting-Thomson蠕变模型的本构方程（即考虑温度效应的粘弹性体的本构方程）：
其中，E 1 (T)与E 2 (T)均为粘弹性体考虑温度效应的修正弹性模量，η 1 (T)为粘弹性体考虑温度效应的修正粘性系数。
当σ 0 <σ s 且时，围岩处于稳定蠕变状态，围岩的蠕变ε(t)与围岩的应力σ 0以及应力σ 0的作用时间t之间的关系可用粘弹性体与粘性体表示，考虑温度影响后，粘性体的本构方程为：
围岩在稳定蠕变阶段产生的蠕变为：
其中，η 2 (T)为粘性体考虑温度效应的修正粘性系数。
当σ 0 ≥σ s 时，围岩处于加速蠕变状态，围岩的蠕变ε(t)与围岩的应力σ 0以及应力σ 0的作用时间t之间的关系可用粘弹性体、粘性体以及粘塑性体表示，其中，粘塑性体反应加速蠕变过程中的粘塑性变形与应力以及时间的关系，通过对进行积分便可得到考虑温度影响后，粘塑性体的本构方程，即：
围岩在加速蠕变阶段产生的蠕变为：
其中，η 3 (T)为粘塑性体考虑温度效应的修正粘性系数，α(T)为考虑温度效应的材料系数。
不同温度下材料系数α(T)值对围岩蠕变的影响曲线如图3所示。当α(T)值处于较低水平(约0.4以下)时，蠕变加速曲线特征不明显，蠕变变形与时间呈近似线性关系。但随着温度的增大，α(T)值增加，曲线的非线性趋势愈加明显。因此，该模型可用于描述温度变化条件下围岩的加速蠕变阶段。
在上述过程中，将温度对围岩的蠕变的影响引入经典Poyting-Thomson蠕变模型，再结合不同应力条件下围岩的蠕变与应力、温度的关系得到改进Poyting-Thomson蠕变模型，即：
E 1 (T)、E 2 (T)、η 1 (T)、η 2 (T)、η 3 (T)与α(T)均是与围岩所述环境的温度有关的参数，可通过在不同温度下进行试验，记录围岩在不同应力下，蠕变随时间的变化曲线，通过使用改进Poyting-Thomson蠕变模型中相应的公式拟合该曲线，便可得到不同温度下，E 1 (T)、E 2 (T)、η 1 (T)、η 2 (T)、η 3 (T)与α(T)的取值，具体可参照实施例3。
在使用改进Poyting-Thomson蠕变模型进行地层深处围岩的蠕变研究时，只需先利用应力计测量该处围岩的应力σ 0，利用温度传感器或温度计等测温装置测量围岩的温度T；再根据σ 0与围岩的长期强度σ s 之间的大小关系，以及与0的大小关系，选择用于计算围岩蠕变的公式；之后再根据温度T确定E 1 (T)、E 2 (T)等参数的取值，便可得到到围岩的蠕变与时间的关系。
改进Poyting-Thomson蠕变模型能够预测深部岩体工程中围岩随时间推移的变形趋势，为采气作业中的围岩支护和施工提供理论依据。例如，深部岩体工程中围岩所允许的最大蠕变为ε max ，采集到的围岩的应力为σ 0，围岩的温度为T，根据改进Poyting-Thomson蠕变模型中对应的公式计算出围岩的蠕变达到ε max 所需要的时间为t max ，若经过t max 时间后，仍要利用该深部岩体工程进行采气作业，则需要提前对深部岩体工程的围岩进行加固，否则无需对深部岩体工程的围岩进行加固。由于考虑了温度对围岩蠕变的影响，因此采用本实施例中的围岩蠕变时间的方法，得到的围岩蠕变时间对采气作业中是否需要加固围岩提供了更加可靠的参考。
实施例2
一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法，本实施例在实施例1的基础上，将用于求取一维应力下围岩蠕变的改进Poyting-Thomson蠕变模型推广到了三维应力下求取围岩蠕变的模型，得到了三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型。
在三维应力状态下，根据广义胡克定律：
σ m =3Kε m
S ij =2Ge ij
式中，K为体积模量，G为剪切模量，σ m 和ε m 分别为球形应力张量和球形应变张量，i空间中的面，j为空间中的方向，i=（1，2，3），分别代表垂直于X轴的面、垂直于Y轴的面和垂直于Z轴的面，j为空间中的方向，j=（1，2，3），分别代表X轴、Y轴和Z轴，S ij 和e ij 分别为偏应力张量和偏应变张量；
结合实施例1中改进Poyting-Thomson蠕变模型以及三维应力状态下粘弹性体的本构关系，将围岩所受应力从一维推广到三维后，得到：
粘弹性体的三维蠕变方程表达式为：
其中，G 1 (T)，G 2 (T)均为粘弹性体考虑温度效应的修正剪切模量，η 1 (T)为粘弹性体考虑温度效应的粘性系数；
粘性体的三维蠕变方程表达式为：
其中，η 2 (T)为粘性体考虑温度效应的修正粘性系数；
粘塑性体的三维蠕变方程表达式为：
式中，F和Q为围岩的屈服函数和塑性势函数，α(T)为考虑温度效应的材料系数，η 3 (T)为粘塑性体考虑温度效应的修正粘性系数，采用相关联流动法则，即F=Q，F 0为围岩屈服函数的初始值，F 0的取值为1。
为围岩在三维方向上的蠕变应变率，当/>时，围岩处于衰减蠕变阶段，为粘弹性体，此时，围岩的蠕变/>；
当时，围岩处于稳定蠕变阶段，为粘性体，此时，围岩的蠕变/>；
当F≥0时，围岩处于加速蠕变阶段，为粘塑性体，此时，围岩的蠕变；
综上，三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型的本构方程为：
围岩在三维方向上的蠕变为ε 11、ε 22与ε 33；与之对应的S 11=2(σ 1-σ 3)/3，，S 33=2(σ 3-σ 1)/3。以i=1，j=1为例，ε 11为围岩在垂直于X轴的面上指向X轴方向的蠕变。三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型中所涉及的与温度有关的参数G 1 (T)、G 2 (T)、η 1 (T)、η 2 (T)、/>与α(T)，均可按照实施例3中的方法进行求取。通过三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型，能够预测深部岩体工程中围岩随时间推移的变形趋势，为采气过程中的围岩支护和施工提供理论依据。
实施例3
本实施例中，提供了一种能够用于拟合实施例１以及实施例２中与温度有关的参数的方法，该方法在不同的温度下对岩石试件施加应力，绘制岩石试件在不同应力作用下，岩石试件的蠕变与应力作用时间的曲线，并使用实施例1或实施例2中的模型对曲线进行拟合，得到不同温度下E 1 (T)、E 2 (T)、G 1 (T)、G 2 (T)、η 1 (T)、η 2 (T)、η 3 (T)与α(T)的取值。本实施例中各参数以及各物理量的含义与实施例１与实施例２中的含义一致。
本试验以拟合三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型中的参数为例，试验设备可采用MTS815岩石力学试验系统，试验采用分级加载法。在试验时首先以2MPa/min的速度将围压σ 3施加到预定值10MPa，保持稳定后再以30℃/h的速率加热，使温度达到预定值，再向试件施加30kN/min的轴向力σ 1至单轴抗压强度测定值的60%，保持围压不变，待变形稳定后施加下一级荷载直至试件在加速蠕变阶段被破坏。试件破坏后停止试验，通过多次试验测得的数据绘制岩石试件在蠕变过程中的蠕变曲线，并利用三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型根据试验条件拟合绘制的蠕变曲线，得到G 1 (T)、G 2 (T)、η 1 (T)、、η 3 (T)与α(T)等与温度有关的参数在不同温度下的取值。
本试验在不同温度条件下进行试验，拟合得到的部分数据如表1所示，其中，试件Z1的试验温度为60℃，其蠕变过程包括衰减蠕变阶段、稳定蠕变阶段与加速蠕变阶段。
利用拟合得到的参数以及试验条件，分别利用三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型和经典Poyting-Thomson蠕变模型计算岩石的蠕变，并与实验中测得的真实蠕变值进行对比。如图4所示，当出现加速蠕变阶段，根据经典Poyting-Thomson蠕变模型求得的蠕变值与测量的蠕变值的相关系数R2为0.92，而根据三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型求得的蠕变值与测量的蠕变值的相关系数R2为0.99，与试验数据拟合效果更好，验证了模型的优越性。由于三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型是根据改进Poyting-Thomson蠕变模型推广得到的，可知，本发明提出的改进Poyting-Thomson蠕变模型与三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型均能与试验数据更好地拟合。
表1三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型拟合参数
实施例4
一种实施实施例1中的基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法的计算装置，如图5所示，包括应力计、测温装置、处理器与存储器；应力计、测温装置与存储器均与处理器通信连接。应力计用于采集围岩的应力σ 0，并将测量得到的数据传输给处理器进行计算；测温装置用于测量围岩的温度T，并将测量得到的数据传输给处理器进行计算。其中，测温装置可以是温度计也可以是温度传感器；处理器可以是中央处理器CPU，也可以是被配置成实施本发明实施例1的一个或多个集成电路。存储器存放有实施例1中所提及的参数：E 1 (T)、、η 1 (T)、η 2 (T)、η 3 (T)、α(T)、σ s 与ε max ，以及至少一份可执行指令，其中，/>为深部岩体工程允许围岩产生的最大蠕变。
处理器执行可执行指令时，处理器能够控制应力计测量围岩的应力σ 0、控制测温装置测量围岩的温度T，之后利用实施例1中提供的改进Poyting-Thomson蠕变模型计算围岩在一维应力下所产生的蠕变ε(t)与时间t的关系；最后利用围岩在一维应力下所产生的蠕变ε(t)与时间t的关系，计算得到围压的蠕变达到ε max 所需要的时间t max ，若t max 时间后，仍要在深部岩体工程内进行采气作业，则对深部岩体工程中的围岩进行加固，否则不加固。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法，其特征在于，包括步骤，
S1：利用应力计采集围岩的应力σ0，利用测温装置采集围岩的温度T； S2：利用改进Poyting-Thomson蠕变模型：
计算围岩在一维应力下所产生的蠕变ε(t)与时间t的关系；其中，E1 (T)、E2 (T)均为粘弹性体考虑温度效应的修正弹性模量，η1 (T)为粘弹性体考虑温度效应的修正粘性系数，η2(T)为粘性体考虑温度效应的修正粘性系数，η3 (T)为粘塑性体考虑温度效应的粘性系数，α(T)为考虑温度效应的材料系数，可通过在不同温度下进行试验，记录围岩在不同应力下，蠕变随时间的变化曲线，通过使用改进 Poyting-Thomson 蠕变模型中相应的公式拟合该曲线，得到不同温度下E1(T)、 E2(T)、η1(T)、η2(T)、η3(T)和α(T)的取值；为围岩的蠕变应变率，σs为围岩的长期强度； S3：根据围岩的蠕变ε(t)与时间t的关系，计算围岩的蠕变达到εmax所需要的时间tmax，若tmax时间后，仍要在深部岩体工程内进行采气作业，则对深部岩体工程的围岩进行加固，否则不加固，其中εmax为深部岩体工程允许围岩产生的最大蠕变。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法，其特征在于，所述S2中，所述，其中，/>为围岩所受的有效应力，D为围岩的损伤变量。
3.根据权利要求2所述的一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法，其特征在于，。
4.根据权利要求1所述的一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法，其特征在于，在所述S1中，利用应力计采集围岩的三向主应力σ1、σ2与σ3，利用广义胡克定律，将所述S2中的改进Poyting-Thomson蠕变模型从一维推广至三维，得到三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型，在所述S2中，利用所述三维状态下改进Poyting-Thomson蠕变模型：
计算围岩在三维应力下所产生的蠕变εij与时间t的关系；其中，i为空间中的面，i=（1，2，3），分别代表垂直于X轴的面、垂直于Y轴的面和垂直于Z轴的面，j为空间中的方向，j=（1，2，3），分别代表X轴、Y轴和Z轴；εij为围岩在三维方向上的蠕变，即，ε11、ε22、ε33；Sij为偏应力张量，S11=2(σ1-σ3)/3；S22=2(σ2-σ3)/3；S33=2(σ3-σ1)/3；G1 (T)与G2 (T)均是粘弹性体考虑温度效应的修正剪切模量；为围岩在三维方向上的蠕变应变率，F为围岩的屈服函数，F0为围岩屈服函数的初始值，F0的取值为1；σij为围岩在三维方向上的应力σ11=σ1，σ22=σ2，σ33=σ3。
5.根据权利要求4所述的一种基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法，其特征在于，所述G1 (T)、G2 (T)均通过试验数据拟合得到。
6.一种实施权利要求1中所述的基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法的计算装置，其特征在于，包括：应力计、测温装置、处理器与存储器；所述应力计、所述测温装置、所述存储器均与所述处理器通信连接； 所述存储器存放有至少一份可执行指令；当所述计算装置运行时，所述处理器执行所述可执行指令，使所述处理器执行根据权利要求1所述的基于温度效应计算围岩蠕变时间的方法的步骤。
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Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1587381A1 (ru) * | 1988-06-14 | 1990-08-23 | Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела | Способ испытани горных пород на ползучесть |
| SU1735632A1 (ru) * | 1989-11-22 | 1992-05-23 | Вильнюсский Инженерно-Строительный Институт | Резьбовое соединение деталей |
| WO2012003027A1 (en) * | 2010-06-28 | 2012-01-05 | Exxonmobil Upstream Research Company | Method and system for modeling fractures in ductile rock |
| KR20140021880A (ko) * | 2012-08-13 | 2014-02-21 | 대전대학교 산학협력단 | 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법 |
| CN105334107A (zh) * | 2015-10-28 | 2016-02-17 | 西安石油大学 | 基于地层粘弹性的泥页岩井壁稳定钻井液密度确定方法 |
| CN106198259A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-12-07 | 辽宁工程技术大学 | 一种确定岩石非定常蠕变参数的方法 |
| CN108627137A (zh) * | 2018-05-09 | 2018-10-09 | 中国石油天然气集团公司 | 一种滑坡变形预测计算方法 |
| CN108843303A (zh) * | 2018-07-19 | 2018-11-20 | 西南石油大学 | 一种基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法 |
| CN109145478A (zh) * | 2018-08-31 | 2019-01-04 | 山东科技大学 | 一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型及其建立方法 |
| CN110346218A (zh) * | 2019-07-11 | 2019-10-18 | 辽宁工业大学 | 一种基于不同开采应力路径下的岩石蠕变试验方法 |
| CN111579390A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-08-25 | 浙江大学 | 一种节理岩体变形模量估计方法 |
| CN111666671A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-09-15 | 中南大学 | 一种围岩体蠕变参数的实时反演方法 |
| WO2021068148A1 (zh) * | 2019-10-10 | 2021-04-15 | 华东理工大学 | 蠕变强度分析考核方法与计算机设备 |
| CN112945750A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-06-11 | 大连海事大学 | 一种低温岩石蠕变试验装置及系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109885874B (zh) * | 2019-01-11 | 2022-12-23 | 华东理工大学 | 一种基于abaqus的多轴蠕变疲劳预测方法 |
-
2021
- 2021-09-30 CN CN202111164046.3A patent/CN113884371B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1587381A1 (ru) * | 1988-06-14 | 1990-08-23 | Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела | Способ испытани горных пород на ползучесть |
| SU1735632A1 (ru) * | 1989-11-22 | 1992-05-23 | Вильнюсский Инженерно-Строительный Институт | Резьбовое соединение деталей |
| WO2012003027A1 (en) * | 2010-06-28 | 2012-01-05 | Exxonmobil Upstream Research Company | Method and system for modeling fractures in ductile rock |
| KR20140021880A (ko) * | 2012-08-13 | 2014-02-21 | 대전대학교 산학협력단 | 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법 |
| CN105334107A (zh) * | 2015-10-28 | 2016-02-17 | 西安石油大学 | 基于地层粘弹性的泥页岩井壁稳定钻井液密度确定方法 |
| CN106198259A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-12-07 | 辽宁工程技术大学 | 一种确定岩石非定常蠕变参数的方法 |
| CN108627137A (zh) * | 2018-05-09 | 2018-10-09 | 中国石油天然气集团公司 | 一种滑坡变形预测计算方法 |
| CN108843303A (zh) * | 2018-07-19 | 2018-11-20 | 西南石油大学 | 一种基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法 |
| CN109145478A (zh) * | 2018-08-31 | 2019-01-04 | 山东科技大学 | 一种断层附近煤岩失稳诱发冲击地压的模型及其建立方法 |
| CN110346218A (zh) * | 2019-07-11 | 2019-10-18 | 辽宁工业大学 | 一种基于不同开采应力路径下的岩石蠕变试验方法 |
| WO2021068148A1 (zh) * | 2019-10-10 | 2021-04-15 | 华东理工大学 | 蠕变强度分析考核方法与计算机设备 |
| CN111579390A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-08-25 | 浙江大学 | 一种节理岩体变形模量估计方法 |
| CN111666671A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-09-15 | 中南大学 | 一种围岩体蠕变参数的实时反演方法 |
| CN112945750A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-06-11 | 大连海事大学 | 一种低温岩石蠕变试验装置及系统 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Viscous creep in room-dried unconsolidated Gulf of Mexico shale (I): experimental results;Chang C, Zoback MD;《J Petrol Sci Eng》;20091231;第69卷(第3期);239-246 * |
| 基于响应面法的油田深部地层变形的数值试验研究;刘建军;郑永香;张伯虎;纪佑军;;《油气藏评价与开发》;20180226(第01期);19-26 * |
| 基于应力和时间双重影响下岩石蠕变模型研究;刘文博;张树光;;《中南大学学报(自然科学版)》;20200826(第08期);215-224 * |
| 改进的Poyting-Thomson岩石蠕变模型研究;杨广雨;王伟;赵腾;李学浩;秦志军;;《三峡大学学报(自然科学版)》;20180322(第02期);49-53 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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