CN116773773B - 基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法及产品，涉及石油天然气开发技术领域。所述方法包括：获取基质和层理的断裂韧度；在基质的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂缝在基质内沿着应力强度因子最大的方向扩展；在层理的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂纹沿着层理扩展。基于该方法，可以结合基质的断裂韧度和层理的断裂韧度判断层状岩石裂缝偏转方向。

Description

基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法及产品

技术领域

本发明实施例涉及石油天然气开发技术领域，尤其涉及一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法及产品。

背景技术

层状岩石在岩土工程中十分常见，因此其断裂特性受到广泛关注。在水力压裂、地下工程和爆破作业等工程实践中，揭示裂缝遇到层理弱面时的扩展机制是一个重要的问题。结构弱面的存在，如层理和叶理，使得裂缝在层状岩石中的传播非常复杂，裂缝偏转现象总是发生。因此，工程师必须弄清楚：(1)裂缝扩展发生所需的临界载荷和(2)裂缝的偏转方向。与各向异性的岩石相比，各向异性岩体工程的设计和施工对工程师提出更大的挑战。因此，准确预测层状岩石中的裂缝偏转行为对于保障工程实践的安全运行至关重要。

发明内容

本发明实施例提供一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法及产品，以至少部分解决相关技术中存在的问题。

本发明实施例第一方面提供了一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法，所述方法包括：

获取基质的断裂韧度和层理的断裂韧度；

基于基质的断裂韧度与层理的断裂韧度采用KMTS准则判断裂纹扩展方向，所述KMTS准则表示为：

其中，χ是基质与层理的断裂韧度比值，是裂纹尖端应力强度因子最大的方向，表示沿着与原始裂纹成/>角方向的I型应力强度因子，/>是层理倾角；

其中，可通过下式获得：

r和是层状岩石裂纹尖端一点的极坐标，/>表示复数的实部；

可选地，所述方法还包括：

针对切槽深梁试样，根据I型和II型应力强度因子和载荷的关系，确定断裂载荷：

其中，Y_I和Y_II分别为I型和II型无量纲形状因子，通过试样数值标定得到；

W表示裂缝宽度，P表示当前承受的垂直荷载，a表示裂缝长度，B表示试样的厚度，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度。

可选地，所述KMTS准则基于以下假设：

沿着层理面方向的断裂韧度小于其他方向的断裂韧度：

其中，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度；

裂纹沿最大SIF方向或沿顺层面/>偏转；

当达到基质断裂韧度或/>达到层理断裂韧度时，裂纹开始扩展。

可选地，所述基于基质的断裂韧度与层理的断裂韧度采用KMTS准则判断裂纹扩展方向，包括：

在基质的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂缝在基质内沿着应力强度因子最大的方向扩展；

在层理的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂纹沿着层理扩展。

本发明实施例第二方面提供了一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断装置，所述装置包括：

获取模块，用于获取基质的断裂韧度和层理的断裂韧度；

判断模块，用于基于基质的断裂韧度与层理的断裂韧度采用KMTS准则判断裂纹扩展方向，所述KMTS准则表示为：

其中，χ是基质与层理的断裂韧度比值，是裂纹尖端应力强度因子最大的方向，表示沿着与原始裂纹成/>角方向的I型应力强度因子，/>是层理倾角；

其中，可通过下式获得：

r和是层状岩石裂纹尖端一点的极坐标，/>表示复数的实部；

可选地，采所述装置还包括：

断裂载荷确定模块，用于针对切槽深梁试样，根据I型和II型应力强度因子和载荷的关系，确定断裂载荷：

其中，Y_I和Y_II分别为I型和II型无量纲形状因子，通过试样数值标定得到；

W表示裂缝宽度，P表示当前承受的垂直荷载，a表示裂缝长度，B表示试样的厚度，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度。

可选地，所述KMTS准则基于以下假设：

沿着层理面方向的断裂韧度小于其他方向的断裂韧度：

其中，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度；

裂纹沿最大SIF方向或沿顺层面/>偏转；

当最大达到基质断裂韧度或/>达到层理断裂韧度时，裂纹开始扩展。

可选地，所述判断模块，具体用于：

在基质的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂缝在基质内沿着应力强度因子最大的方向扩展；

在层理的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂纹沿着层理扩展。

本发明实施例第三方面提供一种电子设备，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，所述处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法中的步骤。

本发明实施例第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法中的步骤。

本发明实施例中，提出了一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转准则，

该方法，仅需要基质和层理的断裂韧度两个值，就可以确定层状岩石中沿任意角度的裂缝扩展遇到层理面时裂缝的扩展方向和临界载荷，且对于具有明显弱面的层状岩石预测效果更好。其中，断裂韧度可以基于试样的断裂试验直接获得，从而可以基于简单试验获得对层状岩石裂缝偏转进行准确判断。此外，本发明实施例中，还可以计算出断裂载荷，进而可以确定对于层状岩石裂缝载荷加载到多大的时候裂纹发生扩展以及往哪个方向扩展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中涉及的层状岩石裂纹尖端一点应力状态示意图；

图2是本发明实施例涉及到的切槽深梁试样构型示意图；

图3示出了本发明实施例的一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法的步骤流程示意图；

图4示出了本发明实施例的一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

页岩储层改造成功的关键是形成最大化的缝网展布。页岩的层理面发育，在大型的多段水力压裂中，由于水力主裂缝产生的附加应力，层理面会张开或滑移，并且可能干扰主裂缝的走向与路径，比如出现拐折等，进而形成复杂的裂缝网络。并且，在低渗透率的页岩中，层理面提供了距水力主裂缝较远的油气的重要运输通道，在整个缝网的运输效率中起到了关键作用。因此，对于页岩储层，层理对裂缝扩展规律影响的研究非常重要。

国外对非连续体影响下岩体水力裂缝的扩展已有较多研究。相关研究中研究了裂缝穿越隔层的行为，认为裂缝在界面处可穿越隔层或者沿界面扩展，竖向压应力的大小和界面性质决定了裂缝能否穿越界面。相关研究还指出地层中的天然裂缝对水力压裂裂缝扩展的影响是局部的，并不能彻底改变压裂裂缝的延伸方向。相关研究中基于含天然裂缝的页岩室内三轴水力压裂试验，分析了天然裂缝对水力压裂裂缝扩展的影响，该研究认为只有在大逼近角和高应力差条件下水力裂缝才会穿过天然裂缝扩展，而大多数情况中水力裂缝会在遇到天然裂缝时转向或止裂。国内对这方面研究相对较少，赵海峰等认为水力裂缝与地层界面相遇时，可能沿缝高方向穿过界面、转向或止裂；周健认为在低应力差、低逼近角或摩擦因数较小条件下，在水力裂缝的影响下，页岩储层中的天然裂缝易发生剪切破坏；陈治喜等基于水力裂缝在层状介质中垂向扩展的数值模拟，指出在一定地层条件下,作业压力的高低主要决定了裂缝是否向隔层扩展。衡帅等认为页岩层理面的发育程度、地应力状态和泵压大小对裂缝形态有明显影响，层理面过强或过弱都不利于裂缝网络的形成。

综上，对于页岩层理等结构面的研究目前还很有限，所以开展页岩层理对裂缝扩展规律影响的研究具有重要意义，同时，国内页岩气开发起步晚，针对我国地质条件的页岩气开发理论与开发技术研究工作滞后，页岩基础力学性质仍需重点探索。

页岩是一种典型的层状岩石，相关技术中通过各种测试方法对其各向异性的断裂韧性进行了广泛的研究，对其断裂行为有了准确的理解，包括：层理弱面通常表现出比页岩基质更低的断裂强度，表明层理弱面断裂要比基体断裂容易得多。因此，当裂缝在层状岩石中传播遇到层理弱面时，可能会沿层理弱面发生偏转。

相关研究中对龙马溪页岩在3PB弯曲下的裂缝偏转进行了实验研究，研究表明，当原始裂缝与层理弱面的夹角为30°时，裂缝发生偏转。该研究中，还观察到当预制裂缝与层理弱面之间的角度为30°或60°时，裂缝沿层理弱面偏转。然而，在该研究中只考虑了四个方向：层理弱面和预制裂缝之间的角度为0°，30°，60°和90°。

相关研究中，还对具有不同层理角度的Nash Point页岩半圆形弯曲(SCB)样品进行了测试。结果发现，如果预制裂缝和层理弱面之间的角度为60°，就会发生偏转。因此，对传播中的裂缝何时会穿越层理弱面而不发生偏转进行全面研究是非常重要的。

描述页岩中裂缝偏转的理论模型大致可以分为两类：非局部模型和局部模型。非局部模型通常采用损伤力学或非线性断裂力学方法来描述页岩中的偏转过程，而局部模型通常是基于线性弹性断裂力学的。局部模型一般将页岩中的层理视为弱面，这是因为层层与岩石基质之间的断裂强度存在差异。例如，相关研究定义了裂纹尖端能量释放率的比值G_θ/G_c ^rock，G_c ^fract/G_c ^rock为其临界值，其中G_θ代表该方向的能量释放率(ERR)，G_c ^rock是岩石基体的临界ERR，G_c ^fract是天然裂缝的临界ERR。然后，基于裂缝倾向于沿着ERR最大的路径扩展这一假设，采用了一个条件来确定是否会发生偏移。相关技术中，还提出了一种结合弱面模型和最大能量释放率(MERR)来确定是否发生裂缝偏转的方法。在这个准则中，通过将页岩视为各向同性的材料来计算能量释放率，并使用了页岩基质的弹性参数。相关技术中，还使用J-积分来计算裂缝尖端应力场，并寻找最大ERR来确定裂缝的偏转方向(即与Jk-向量相对应的向量zk)。裂纹扩展阻力的特点是由沿层理方向和垂直于层理方向的阻力插值的经验关系。然而，在计算Jk-向量准则的裂纹扩展阻力时，采用了各向同性的弹性参数。

可见，相关技术中已经提出了许多准则来描述各向异性材料的裂缝偏转行为，但每一个标准的提出都有明确的研究目标、必要的假设和简化。上述的一些标准不能计算断裂载荷，有些没有仔细考虑裂缝尖端的各向异性弹性参数。因此，仍然进一步发展对裂缝偏转的理论模型。

因此，本发明实施例提出了一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法。

本发明实施例中，首先考虑了裂纹尖端的各向异性局部应力场，具体如下：

相关技术中，针对各向同性材料提出最大切向应力(MTS)准则，该准则假设①裂纹沿着切向应力最大的方向扩展，②当切向应力达到材料抗拉强度时裂纹扩展发生。显然，基于各向同性模型的切向应力不再适用于层状岩石。横观各向同性模型是计算页岩这样的层状岩石各向异性应力场最常用的模型。在材料主坐标系中，层状岩石裂纹尖端一点的应力应变关系满足

其中，ε₁₁,ε₂₂和ε₁₂为沿着材料主方向的应变分量，σ₁₁,σ₂₂和σ₁₂为沿着材料主方向的应力分量_，a_ij＝a_ji(i,j＝1,2,6)是材料柔度矩阵的分量，可以用杨氏模量、剪切模量和泊松比来表示。

需要注意的是，本发明实施例中，考虑到页岩试件足够厚，后续所有分析均采用平面应变假设。对于平面应变的情况：

其中，E₁,E₃,v₁₂,v₁₃和G₁₃为横观各向同性材料的五个独立的弹性参数。其中，在笛卡尔坐标系下，原点为裂纹尖端，x轴与原裂纹平行，如图1所示，其示出了层状岩石裂纹尖端一点的应力应变关系示意图，笛卡尔坐标系下应力分量用I型应力强度因子和II型应力强度因子表示如下：

其中，r和是的层状岩石裂纹尖端一点极坐标，/>表示复数的实部。

本发明实施例中，考虑到材料坐标系与空间坐标系不一致，变换后的μ₁和μ₂由下式计算

其中，是层理倾角，μ’₁和μ’₂是特征方程的虚部非负的复数解，可以表示为：

a₁₁μ'⁴+(2a₁₂+a₆₆)μ'²+a₂₂＝0. (5)

极坐标和笛卡尔坐标下的应力分量满足如下关系：

其中，σ_rr为径向正应力，为环向正应力，/>为切应力。

将式(3)代入式(6)，整理得

其中，

本发明实施例中，还考虑了K型最大切向应力准则，具体如下：

已知应力强度因子(SIFs)描述了裂纹尖端的应力状态，当SIFs达到断裂韧度时，裂纹开始起裂。由于所测页岩的断裂韧度已通过断裂试验得到，在没有抗拉强度信息的情况下，将SIFs作为评估裂缝偏转的指标是较为方便和理想的。基于此，本发明实施例中提出一种新形式的扩展MTS准则。沿着与原始裂纹成θ角方向的I型应力强度因子可以表示为：

通过引入弱平面模型，得到了SIF形式的K型MTS判据(KMTS判据)。

该准则假设：

(1)沿着层理面方向的断裂韧度小于其他方向的断裂韧度，即:

其中，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度，是层理倾角。

(2)裂纹沿最大SIF方向或沿顺层面/>偏转；

(3)当最大达到基质断裂韧度或/>达到层理断裂韧度时，裂纹开始扩展。该准则可以用下式表达

其中，χ是基质与层理的断裂韧度比值。鉴于的值与施加的载荷无关，无论裂纹是否偏转是否仅取决于层理角度和岩石力学参数的各向异性。因此，应用KMTS准则可以轻松预测裂纹偏转。

为了便于理解，本发明实施例中，还提供了一种示例性了实施例，具体如下：

本发明实施例装实施例中，选用切槽深梁试样(notched deep beam,NDB)NDB是测试I型断裂韧度的一种试样构型，如图2所示，其示出了本发明实施例涉及到的NDB试样构型示意图。由图可见，长方体形的NDB试样中间有一条竖直的裂缝，长度是宽度W的两倍，厚度为B，裂缝长度为a。NDB试件在对称三点弯曲下承受垂直荷载P，加载夹具底部支撑间距为2d。此时，I型和II型应力强度因子和载荷的关系为

其中，Y_I和Y_II分别为I型和II型无量纲形状因子，可通过数值标定得到。

将式12和13代入式10，便可得到断裂载荷：

Y_I(θ)裂缝沿着θ方向扩展一段极小的距离后，裂缝尖端的I型应力强度因子的无量纲形状系数：

本发明实施例中，公式(14)适用于NDB试样，可以针对NBD试样，确定其断裂载荷，对于其他试样构型公式形式有所变化，但原理相同，本发明实施例在此不再赘述。

因此，利用KMTS准则可以同时得到偏转角和断裂载荷。当获得基质和层理的断裂韧度值时，可以方便地确定页岩中的裂纹扩展方向。

基于上述探索，本发明实施例提出一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法，所述方法包括：

S301，确定基质的断裂韧度与层理的断裂韧度。

本发明实施例中，可以基于断裂试验得到基质的断裂韧度与层理的断裂韧度。

S302，基于基质的断裂韧度与层理的断裂韧度采用KMTS准则判断裂纹扩展方向。

具体的，所述KMTS准则表示为：

其中，χ是基质与层理的断裂韧度比值，是裂纹尖端应力强度因子最大的方向，表示沿着与原始裂纹成/>角方向的I型应力强度因子，/>是层理倾角；

其中，可通过下式获得：

r和是层状岩石裂纹尖端一点的极坐标，/>表示复数的实部；

本发明实施例中，可以将该计算方法录入程序软件，在实际应用时，只需通过断裂试验得到基质的断裂韧度与层理的断裂韧度，并将基质的断裂韧度与层理的断裂韧度输入该程序软件，另外还可以将层状岩石裂纹的相关参数(例如：层理倾角)输入该程序软件，即可对裂纹扩展方向进行准确判断。

可选地，所述方法还包括：

根据I型和II型应力强度因子和载荷的关系，确定断裂载荷：

其中，Y_I和Y_II分别为I型和II型无量纲形状因子，通过试样数值标定得到；

W表示裂缝宽度，P表示当前承受的垂直荷载，a表示裂缝长度，B表示试样的厚度，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度。

本发明实施例中，可以基于简单试验获得对层状岩石裂缝偏转进行准确判断，本发明实施例中，仔细考虑了裂缝尖端的各向异性或弹性，得出的层状岩石裂缝偏转判断更为准确。此外，本发明实施例中，还可以计算出断裂载荷，进而确定对于层状岩石裂缝载荷加载到多大的时候裂纹发生扩展以及往哪个方向扩展。

可选地，所述KMTS准则基于以下假设：

沿着层理面方向的断裂韧度小于其他方向的断裂韧度：

其中，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度；

裂纹沿最大SIF方向或沿顺层面/>偏转；

当达到基质断裂韧度或/>达到层理断裂韧度时，裂纹开始扩展。

本发明实施例中，所述步骤S302具体可以，包括：

在基质的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂缝在基质内沿着应力强度因子最大的方向扩展；

在层理的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂纹沿着层理扩展。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断装置，如图4所示，图4示出了本发明实施例的一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断装置的结构框图，所述装置包括：

获取模块401，用于获取基质的断裂韧度和层理的断裂韧度；

判断模块402，用于基于基质的断裂韧度与层理的断裂韧度采用KMTS准则判断裂纹扩展方向，所述KMTS准则表示为：

其中，χ是基质与层理的断裂韧度比值，是裂纹尖端应力强度因子最大的方向，表示沿着与原始裂纹成/>角方向的I型应力强度因子，/>是层理倾角；

其中，可通过下式获得：

r和是层状岩石裂纹尖端一点的极坐标，/>表示复数的实部；

可选地，所述装置还包括：

断裂载荷确定模块，用于根据I型和II型应力强度因子和载荷的关系，确定断裂载荷：

其中，Y_I和Y_II分别为I型和II型无量纲形状因子，通过试样数值标定得到；

W表示裂缝宽度，P表示当前承受的垂直荷载，a表示裂缝长度，B表示试样的厚度，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度。

可选地，所述KMTS准则基于以下假设：

沿着层理面方向的断裂韧度小于其他方向的断裂韧度：

其中，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度；

裂纹沿最大SIF方向或沿顺层面/>偏转；

当最大达到基质断裂韧度或/>达到层理断裂韧度时，裂纹开始扩展。

可选地，所述判断模块402，具体用于：

在基质的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂缝在基质内沿着应力强度因子最大的方向扩展；

在层理的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂纹沿着层理扩展。

基于同一发明构思，本发明实施例提供一种电子设备，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，所述处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法中的步骤。

基于同一发明构思，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法中的步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例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，本发明实施例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。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(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面向无源器件的电磁响应优化终端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面向无源器件的电磁响应优化终端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面向无源器件的电磁响应优化终端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面向无源器件的电磁响应优化终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端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终端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。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法及产品进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法，其特征在于，所述方法包括：

获取基质的断裂韧度和层理的断裂韧度；

基于基质的断裂韧度与层理的断裂韧度采用KMTS准则判断裂纹扩展方向，所述KMTS准则表示为：

其中，χ是基质与层理的断裂韧度比值，θ_c是裂纹尖端应力强度因子最大的方向，K_I(θ)表示沿着与原始裂纹成θ角方向的I型应力强度因子，是层理倾角；

其中，K_I(θ)可通过下式获得：

σ_θθ为环向正应力，

r和θ是层状岩石裂纹尖端一点的极坐标，表示复数的实部；

μ₁和μ₂是在坐标系xoy下复数参数，由下式计算得到：μ’₁和μ’₂是在坐标系x’oy’下特征方程复数解的非负部分，特征方程为：a₁₁μ'⁴+(2a₁₂+a₆₆)μ'²+a₂₂＝0；

K_I和K_II分别为笛卡尔坐标系下的I型应力强度因子和II型应力强度因子，Y_I和Y_II分别为I型和II型无量纲形状因子，通过试样数值标定得到，W表示裂缝宽度，P表示当前承受的垂直荷载，a表示裂缝长度，B表示试样的厚度。

2.根据权利要求1所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法，其特征在于，所述方法还包括：

针对切槽深梁试样，根据I型和II型应力强度因子和载荷的关系，确定断裂载荷：

其中，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度。

3.根据权利要求1所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法，其特征在于，所述KMTS准则基于以下假设：

沿着层理面方向的断裂韧度小于页岩基质的断裂韧度：

其中，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度；

裂纹沿最大应力强度因子(SIF)方向θ＝θc或沿层理面偏转；

当K_I(θ)达到基质断裂韧度或达到层理断裂韧度时，裂纹开始扩展。

4.根据权利要求1所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法，其特征在于，所述基于基质的断裂韧度与层理的断裂韧度采用KMTS准则判断裂纹扩展方向，包括：

在基质的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂缝在基质内沿着应力强度因子最大的方向扩展；

在层理的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂纹沿着层理扩展。

5.一种基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取基质的断裂韧度和层理的断裂韧度；

判断模块，用于基于基质的断裂韧度与层理的断裂韧度采用KMTS准则判断裂纹扩展方向，所述KMTS准则表示为：

其中，χ是基质与层理的断裂韧度比值，θ_c是裂纹尖端应力强度因子最大的方向，K_I(θ)表示沿着与原始裂纹成θ角方向的I型应力强度因子，是层理倾角；

其中，K_I(θ)可通过下式获得：

σ_θθ为环向正应力，

r和θ是层状岩石裂纹尖端一点的极坐标，表示复数的实部；

μ₁和μ₂是在坐标系xoy下复数参数，由下式计算得到：μ’₁和μ’₂是在坐标系x’oy’下特征方程复数解的非负部分，特征方程为：a₁₁μ'⁴+(2a₁₂+a₆₆)μ'²+a₂₂＝0；

K_I和K_II分别为笛卡尔坐标系下的I型应力强度因子和II型应力强度因子，Y_I和Y_II分别为I型和II型无量纲形状因子，通过试样数值标定得到，W表示裂缝宽度，P表示当前承受的垂直荷载，a表示裂缝长度，B表示试样的厚度。

6.根据权利要求5所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断装置，其特征在于，所述装置还包括：

断裂载荷确定模块，用于针对切槽深梁试样，根据I型和II型应力强度因子和载荷的关系，确定断裂载荷：

其中，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度。

7.根据权利要求5所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断装置，其特征在于，所述KMTS准则基于以下假设：

沿着层理面方向的断裂韧度小于其他方向的断裂韧度：

其中，K_Ic,A为基质的断裂韧度，K_Ic,ST为层理的断裂韧度；

裂纹沿最大SIF方向θ＝θ_c或沿顺层面偏转；

当最大K_I(θ)达到基质断裂韧度或达到层理断裂韧度时，裂纹开始扩展。

8.根据权利要求6所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断装置，其特征在于，所述判断模块，具体用于：

在基质的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂缝在基质内沿着应力强度因子最大的方向扩展；

在层理的应力强度因子先达到其断裂韧度的情况下，判断裂纹沿着层理扩展。

9.一种电子设备，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1-4任一项所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述的基于断裂韧度的层状岩石裂缝偏转判断方法的步骤。