[发明专利]一种静态横观各向同性岩石力学的实验和分析方法

说明书

本发明提供了一种静态横观各向同性岩石力学的实验和分析方法。该方法在同一垂直平面内制备水平样品、垂直样品和夹角样品中的至少2块样品，对每块样品做三轴压缩破坏实验，实验过程中记录每块样品的轴向变形和两个方向的侧向变形，实验数据代入到推导出的应力应变方程组中，联合求解方程组，可得到5个独立的岩石力学参数，即水平向杨氏模量、水平面内泊松比、垂向杨氏模量、垂直面内泊松比以及垂直面内剪切模量。该方法的分析结果给出刚度矩阵的5个独立参数，而不是各向同性岩石力学的2个独立参数，更符合实际情况，也更准确和合理的描述了岩石力学的各向异性行为，适用于沉积岩和页岩的岩石力学测试和分析。

技术领域

本发明属于岩石力学实验方法技术领域，具体涉及一种静态横观各向同性岩石力学的实验和分析方法。

背景技术

现有的岩石力学测试方法主要为各向同性岩石力学实验和分析技术，即认为岩石各个方向的岩石力学性质相同。实验室测试仅需要得到两个岩石力学参数：杨氏模量和泊松比；实验样品仅需要一块岩心样品，岩心样品的制备为任意方向取心；实验方法为先对岩心样品加载围压到一数值，然后保持围压不变，再加载轴压(即偏应力)，直至岩心样品破坏，纪录轴压加载过程的样品轴向应变和径向应变，根据应力应变方程计算两个独立的弹性参数，公式为：

式中：E为杨氏模量；v为泊松比；σ_a为轴压(即偏应力)；ε_r和ε_a分别为径向应变和轴向应变。

现有的各向同性岩石力学实验方法适用于各个方向岩石力学性质相差不大的岩石，如砂岩等；但不适用于各个方向岩石力学性质具有显著差异的地层，如沉积岩和页岩等。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种静态横观各向同性岩石力学的实验和分析方法。该方法的分析结果给出刚度矩阵的5个独立参数，而不是各向同性岩石力学的2个独立参数，其适用于沉积岩和页岩的岩石力学测试和分析。

为达到上述目的，本发明提供了一种静态横观各向同性岩石力学的实验和分析方法，其包括以下步骤：

(1)将某待分析的岩心样品的层理面(也称为水平面)设为XY平面，将该层理面的法向(也称为垂向)设为Z向，并将X、Y、Z的交点设为O，则OZ为层理面法向；以该待分析的岩心样品的OX轴为轴线取的圆柱状岩石样品记为水平样品；以某待分析的岩心样品的OZ轴为轴线取的圆柱状岩石样品记为垂直样品；以与该待分析的岩心样品的OZ轴的角度为θ的线为轴线取的圆柱状岩石样品记为夹角样品，且水平样品、垂直样品、夹角样品的轴线均在同一垂直平面OXZ内；取至少一所述的夹角样品，以及至少一所述的水平样品和/或一所述的垂直样品；

(2)分别对步骤(1)得到的至少两块样品加载围压到一定数值，然后保持围压不变，再逐渐加载轴压，直到样品被破坏，并在轴压加载过程中记录每块样品的轴向应变、OXZ平面内的侧向应变以及OXZ平面法向的侧向应变；

(3)采用最小二乘法计算得到水平向杨氏模量E_h、水平面内泊松比v_h、垂向杨氏模量E_v、垂直面内泊松比v_v以及垂直面内剪切模量G。

在上述方法中，优选地，步骤(1)得到的样品为夹角样品与水平样品，或者为夹角样品与垂直样品。

在上述方法中，优选地，步骤(1)得到的样品为θ＝45°的夹角样品与水平样品，或者为θ＝45°的夹角样品与垂直样品。

在上述方法中，优选地，当步骤(1)得到的样品为θ＝45°的夹角样品与水平样品时，采用最小二乘法求解下式1，计算得到水平向杨氏模量E_h、水平面内泊松比v_h、垂向杨氏模量E_v、垂直面内泊松比v_v以及垂直面内剪切模量G：