一种横观各向同性岩样抗压剪强度参数的快速测定方法与流程

本发明涉及岩石力学技术领域，具体涉及一种横观各向同性岩样抗压剪强度参数的快速测定方法。

背景技术：

随着我国国民经济的快速发展，对天然气的需求急剧增长，供需矛盾日益突出，能源安全面临新的挑战。受北美页岩气成功开发的影响，我国也正在采取有效措施，加大页岩油气、致密油气、煤层气等非常规油气资源的勘探开发力度。页岩油气、致密油气、煤层气等非常规油气储层岩石中富含层理、裂隙、节理、割理等软弱结构面，导致这类岩石的强度表现为各向异性，其中，最为典型的是横观各向同性假设，即假设地层除了有一组平行的强度较低的弱面外，在其他方向上地层岩石的强度是相同的。强度各向异性的存在给油气勘探开发带来了巨大的挑战，如强度各向异性使得钻井井壁更加容易坍塌失稳，强度各向异性也使得水力裂缝的起裂与扩展更加复杂。如果仍然采用传统的各向同性摩尔-库伦准则和三轴压缩测试表征岩石的强度，将无法准确反映岩石强度各向异性对非常规油气勘探开发的影响。因此，强度各向异性的表征对于非常规油气勘探开发意义重大。

通常，横观各向同性地层岩石的抗压剪强度可以通过单弱面强度理论进行描述，岩石的各向异性强度取决于岩石基质和弱面的强度，即基质内聚力、基质内摩擦角和弱面内聚力、弱面内摩擦角4个抗压剪强度材料参数。但是，由于岩石基质和弱面之间的差异，采用常规的三轴压缩测试方法很难直接确定岩石基质和弱面的抗压剪强度参数，常用的确定方法主要有两类：第一类，通过制备不同取样角(取样角β＝0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)标准岩样(φ25×50mm或φ50×100mm)，分别开展不同围压和取样角度下的三轴压缩测试，测定不同围压和取样角度下岩石的三轴强度，再利用最小二乘法和单弱面强度理论进行数据拟合，从而得到基质内聚力、基质内摩擦角和弱面内聚力、弱面内摩擦角4个抗压剪强度材料参数；因此，这要求技术人员必须沿着不同取样角制备大量样品，对样品的尺寸提出了非常严格地要求，而且需要开展的三轴压缩测试数量也比较多，拟合过程较为复杂，不利于快速、简便地测试岩石的抗压剪强度参数。第二类，通过制备平行或垂直于弱面的标准岩样，开展不同围压下的三轴压缩测试，测定岩石基质的三轴强度，并通过摩尔应力圆方法确定基质内聚力、基质内摩擦角；进一步，通过制备平行于弱面的50×50×50mm的立方体岩样，开展不同法向力作用下弱面的直接剪切实验，通过线性拟合确定弱面内聚力、弱面内摩擦角；因此，这同样要求技术人员必须沿着不同取样角制备较多的样品，对样品的尺寸也提出了较为严格地要求，需要分别开展多种实验，也不利于快速、简便地测试岩石的抗压剪强度参数。可见，基质内聚力、基质内摩擦角和弱面内聚力、弱面内摩擦角4个抗压剪强度材料参数的快速确定仍然存在诸多问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种横观各向同性岩样抗压剪强度参数的快速测定方法,通过两种取样角度样品的测试三轴强度，然后采用网格搜索方法分别确定基质和弱面的最优抗压剪强度参数，即可快速测定横观各向同性岩石的最优抗压剪强度参数：基质内聚力、基质内摩擦角和弱面内聚力、弱面内摩擦角。

本发明采用下述的技术方案：

一种横观各向同性岩样抗压剪强度参数的快速测定方法，包括以下步骤：

s1、将需要测试的目标岩样沿取样角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°制备成标准岩样，并按照取样角度分组编号备用；

s2、对步骤s1中制备的岩样，根据不同的取样角开展不同围压下的压缩测试，测定岩样的抗压剪强度；

s3、建立网格搜索法，计算每个网格点处的绝对平均误差，用于分别确定岩样基质和弱面的最优抗压剪强度参数；

s4、选取取样角为0°、15°、30°、90°中的任意一组或多组岩样测得的抗压剪强度，利用步骤s3中所述的网格搜索法，确定最佳基质内聚力和最佳基质内摩擦角；

s5、选取取样角为45°、60°、75°的任意一组或多组岩样测得的抗压剪强度，利用步骤s3所述网格搜索法，确定最佳弱面内聚力和最佳弱面内摩擦角；

s6、根据弱面破坏的范围β1和β2，判断弱面和基质破坏类型，并计算需要得到的取样角β和围压σ3exp下的岩样预测抗压剪强度值；

s7、对抗压剪强度参数确定结果进行综合评价，利用步骤s6计算得到的预测抗压剪强度与步骤s2中实测抗压剪强度，计算相对误差百分比绝对值。

优选的，步骤s1中，所述取样角为0°、60°；每组岩样的数量为2-10个。

优选的，步骤s3中，所述绝对平均误差的计算方程为：

式中，(σpre)i、(σexp)i分别为预测抗压剪强度和测试抗压剪强度，mpa；n为实验数据的个数；ucs为单轴抗压剪强度平均值，mpa；diffave为绝对平均误差，无量纲。

优选的，所述步骤s4包括以下步骤：

s41、假设岩样基质内聚力c0和基质内摩擦角的取值范围；

s42、将步骤s41中的取值范围分别以0.1的间隔网格化，形成个基质内聚力和基质内摩擦角的网格点；

s43、以每个网格点处的基质内聚力和基质内摩擦角，计算每个实验测试所对应的基质预测抗压剪强度(σpre)i和每个网格点处的绝对平均误差；

s44、以岩样基质内聚力c0、基质内摩擦角和绝对平均误差绘制等值线图，绝对平均误差最低的点所对应网格点的内聚力和内摩擦角，即为最佳基质内聚力c0opt和最佳基质内摩擦角

优选的，步骤s41中，所述岩样内聚力c0和内摩擦角的取值范围分别为c0∈[0,100]，

步骤s43中，所述基质预测抗压剪强度(σpre)i的计算方程为：

式中，(σpre)i为预测抗压剪强度，mpa；σ3exp为测试所对应的围压，mpa；c0为任意可能的基质内摩擦力，mpa；为任意可能的基质内摩擦角，°。

优选的，所述步骤s5包括以下步骤：

s51、假设岩样弱面内聚力cw和弱面内摩擦角的取值范围；

s52、将步骤s51中的取值范围分别以0.1的间隔网格化，形成个弱面内聚力和弱面内摩擦角的网格点；

s53、以每个网格点处的弱面内聚力和弱面内摩擦角，计算每个实验测试所对应的弱面预测抗压剪强度(σpre)i和每个网格点处的绝对平均误差；

s54、以岩样弱面内聚力cw、弱面内摩擦角和绝对平均误差绘制等值线图，绝对平均误差最低的点所对应网格点的内聚力和内摩擦角，即为最佳弱面内聚力和弱面内摩擦角。

优选的，步骤s51中，所述岩样内聚力cw和内摩擦角的取值范围分别为c0∈[0,100]，

步骤s53中，所述弱面预测抗压剪强度(σpre)i的计算方程为：

式中，(σpre)i为预测抗压剪强度，mpa；σ3exp为测试所对应的围压，mpa；cw为任意可能的弱面内摩擦力，mpa；为任意可能的弱面内摩擦角，°。

优选的，步骤s6中，

当0<β<β1或β2<β<π/2时，岩样属于基质剪切破坏，岩样预测抗压剪强度为：

当β1<β<β2时，岩样属于弱面剪切滑移破坏，岩样预测抗压剪强度为：

所述弱面破坏的范围β1和β2的计算方程如下：

式中，β为取样角，°；cwopt为最佳弱面内聚力，mpa；为最佳弱面内摩擦角，°；c0opt为最佳基质内聚力，mpa；为最佳基质内摩擦角，°；σ3exp为测试所对应的围压，mpa。

优选的，步骤s7中，所述相对误差百分比绝对值的计算方程为：

式中，σpre为最佳内聚力和内摩擦角预测得到的抗压剪强度，mpa；σexp为实测抗压剪强度，mpa。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用少量实验数据并充分挖掘数据背后的物理意义，克服了常规测定方法存在的问题，降低了对样品制备和测试的要求，减少了实验测试的数量，快速达到实验数据反演单弱面准则中强度参数的目的，充分利用网格化、离散化，把有限种可能出现的内摩擦力和内摩擦角组合进行筛选并进行绝对平均误差判断，从而找出最佳数值。

2、本发明不仅可以满足快速、简便测定横观各向同性岩样最优抗压剪强度参数的需求，还可以用于快速确定常规多个取样角下三轴强度测试结果多重约束下的最优抗压剪强度参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明最少样品情况岩样基质绝对平均误差diffave等值线图；

图3为本发明最少样品情况岩样弱面绝对平均误差diffave等值线图；

图4为本发明最少样品情况不同围压和取样角度下岩样抗压剪强度曲线图；

图5为本发明最少样品情况不同围压和取样角度下岩样抗压剪强度误差示意图；

图6为本发明足够样品情况岩样基质绝对平均误差diffave等值线图；

图7为本发明足够样品情况岩样弱面绝对平均误差diffave等值线图；

图8为本发明足够样品情况不同围压和取样角度下岩样抗压剪强度曲线图；

图9为本发明足够样品情况不同围压和取样角度下岩样抗压剪强度误差示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无须创造性劳动的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。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

1、四川盆地龙马溪页岩作为目标岩样样品，沿着取样角β＝0°、60°，制备尺寸为φ25×50mm的标准岩样，并按照取样角度分成2组编号备用，每组样品数量为3个；

2、对上述步骤中每个取样角度的样品开展围压0mpa、30mpa和60mpa的三轴压缩测试，测定岩样的抗压剪强度，结果如表1所示；

表1取样角β＝0°、60°的三轴压缩测试结果

3、将上述数据代入步骤s3-s5计算,得到最佳基质内聚力c0opt和最佳基质内摩擦角c0opt＝69.10mpa、如图2所示；最佳弱面内聚力cwopt和最佳弱面内摩擦角cwopt＝27.00mpa、如图3所示；

4、将上述计算结果代入步骤s6中，计算出岩样抗压剪强度值，如图4所示；

5、计算相对误差，结果如图5所示，所述相对误差百分比绝对值misfit最高为13.10％，其余误差均小于5％，强度预测结果能够满足相关工程的精度需求，说明页岩抗压剪强度参数测定结果是准确的、可信的。

实施例2

1、四川盆地龙马溪页岩作为目标岩样样品，沿着取样角β＝0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，制备尺寸为φ25×50mm的标准岩样，并按照取样角度分7组编号备用，每组样品数量为3个；

2、对上述步骤中每个取样角度的样品开展围压0mpa、30mpa和60mpa的三轴压缩测试，测定岩样的抗压剪强度，结果如表2所示；

表2取样角β＝0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的三轴压缩测试结果

3、将上述数据代入步骤s3-s5计算,得到最佳基质内聚力c0opt和最佳基质内摩擦角c0opt＝69.50mpa、如图6所示；最佳弱面内聚力cwopt和最佳弱面内摩擦角cwopt＝26.90mpa、如图7所示；

4、将上述计算结果代入步骤s6中，计算出岩样抗压剪强度值，如图8所示；

5、计算相对误差，结果如图9所示，所述相对误差百分比绝对值misfit最高为19.94％，其余误差均小于15％，强度预测结果能够满足相关工程的精度需求，说明页岩抗压剪强度参数测定结果是准确的、可信的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。