[发明专利]一种基于三轴应力-应变曲线的岩石裂缝亚临界扩展速率实验测试方法

说明书

本发明公开了一种基于三轴应力‑应变曲线的岩石裂缝亚临界扩展速率实验测试方法，包括以下步骤：步骤1、准备实验测试样品的岩心；步骤2、将岩心放入三轴岩石力学测试系统，对岩心施加恒定的径向围压，再沿轴向施加轴向应力，直至岩心发生宏观破坏，同时记录加载测试全过程岩心的轴向应力、应变和对应加载时间的实验参数；步骤3、根据实验加载过程轴向应力与轴向应变的检测数据点，绘制测试岩心的应力‑应变关系曲线，步骤4、在测试岩心的应力‑应变曲线中，在岩心内部裂缝的亚临界扩展阶段的初末点分别对应岩心的裂缝起裂应力σ_ci和损伤应力σ_cd，并得到测试岩心裂缝亚临界扩展阶段的亚临界扩展速率。本发明的方法简单，结果准确，便于开展试验。

技术领域

本发明涉及岩石力学研究技术领域，特别涉及岩石裂缝亚临界扩展力学领域，具体是涉及一种基于应力-应变曲线分析的岩石裂缝亚临界扩展速率实验测试方法。

背景技术

为增加对地层裂缝成型机理的理解，对岩石力学进行研究能有效地提高压裂效率，提高油气产量。目前，主流的方式是采用Griffith断裂理论，该理论认为，理想脆性固体的平衡断裂条件是由真空中的固体表面能所决定的。然而实际岩石等绝大多数材料的断裂过程均发生在环境介质中，并且环境介质会对断裂过程产生十分显著的影响。最明显的表现就是在环境介质的作用下，裂缝可能在远低于临界外加应力的载荷持续作用下发生缓慢的裂缝扩展，这类扩展又被称为裂缝的亚临界扩展。油气开采作业中，裂缝的亚临界扩展现象是比较常见的，其中最为典型的就是钻完井过程和水力压裂过程中，地层岩石在原有地应力平衡遭到破坏后，在外来流体作用下发生的裂缝亚临界扩展现象。研究该亚临界扩展过程的裂缝扩展速率对于分析和预防钻完井过程的井壁失稳，优化水力压裂后的焖井措施都具有显著意义。

现有的测试固体材料中裂缝亚临界扩展速率的方法主要有双悬臂梁试件法和双扭试件法。按照Swanson等人(Swanson P L.Subcritical crack growth and other time-and environment-dependent behavior in crustal rocks[J].Journal ofGeophysicalResearch:Solid Earth，1984，89(B6)：4137-52.)对该方法的解释，双悬臂梁试件法主要是在试样沿长度方向加工已机械切口，再在切口两端施加相同的拉伸载荷，通过建立裂缝尖端应力强度因子或机械能释放率与裂缝延伸长度的关系式分析裂缝的亚临界扩展速率。该方法在晶体材料和玻璃等的裂缝扩展速率测试中应用较多。双扭试件法又称常位移松弛法，主要用于陶瓷材料和岩石中的裂缝亚临界扩展速率测试。该方法需要将试件制成长方形薄板(试件尺寸180mm×60mm×4mm，表面磨光)，沿试件一侧中心机械加工人工裂缝(长10mm，宽1mm的切口)，和贯穿长轴方向的导向槽(槽宽1mm，槽深约为槽宽的三分之一)。通过裂缝断点处施加四点弯曲载荷，促使裂缝扩展，再通过相关公式计算裂缝扩展速率。上述两种方法的优点在于，实验数据的后期处理相对简单，一个试样可以获得一条速率曲线，数据连续性好。但其局限性也同样显著：(1)该两种测试方法制样过程复杂，且都需要人工预制裂缝，并不能完全反应试件本身所固有的天然裂缝的亚临界扩展过程；(2)由于试件构型特殊，该两种测试方法在测试过程中均不能施加有效应力(围压)，极大地限制了高有效应力条件下的裂缝亚临界扩展行为研究。

在油气开采的钻完井和水力压裂过程，深部地层裂缝的亚临界扩展过程通常是在高有效应力作用下发生的。因此，针对现有岩石裂缝亚临界扩展速率实验测试方法的不足，本发明提出了一种基于三轴应力-应变曲线的岩石裂缝亚临界扩展速率实验测试方法，从而实现高有效应力条件下的裂缝亚临界扩展速率实验测试。

发明内容

针对现有页岩流体自吸模型在描述和分析页岩多尺度孔隙中流体自吸过程方面的局限性，本发明提供了一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法，建立了一种新的同时考虑页岩裂缝和纳米孔隙效应的流体自吸新模型，提升模型对页岩中流体自吸过程的描述和预测精度。

本发明的技术方案如下：