一種利用內(nèi)摩擦角獲得巖石單軸聲發(fā)射條件下真實(shí)地應(yīng)力值的方法與流程

本發(fā)明屬于巖石力學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體的，涉及一種利用內(nèi)摩擦角獲得巖石單軸聲發(fā)射條件下真實(shí)地應(yīng)力值的方法。
背景技術(shù)：
：巖石力學(xué)工程的許多方面都涉及到原位地應(yīng)力值的研究，尤其在石油工業(yè)領(lǐng)域，地應(yīng)力的大小影響油氣的運(yùn)移和聚集以及壓裂施工的方案設(shè)計(jì)等，是油氣資源評(píng)價(jià)、油氣井工程設(shè)計(jì)和施工的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。Kaiser效應(yīng)表明當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料所受過的最大應(yīng)力時(shí)就開始出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，聲發(fā)射試驗(yàn)測(cè)定巖石地應(yīng)力大小正是利用了著名的Kaiser效應(yīng)原理，即巖石對(duì)于原始承受的應(yīng)力具有積累、保留和信息再現(xiàn)的能力。巖石在地下的原位應(yīng)力狀態(tài)是三向應(yīng)力狀態(tài)，為了使巖石地應(yīng)力值的測(cè)量條件盡量接近真實(shí)的地下狀態(tài)，聲發(fā)射試驗(yàn)應(yīng)該在三向應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行，即三軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，但這種測(cè)試方法對(duì)儀器設(shè)備以及試驗(yàn)操作的要求都較高。目前利用聲發(fā)射試驗(yàn)測(cè)定地應(yīng)力值多是在單軸壓縮條件下進(jìn)行，但考慮到圍壓的消除將影響巖石壓縮過程中裂紋的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，從而影響聲發(fā)射信號(hào)采集結(jié)果，所以單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值并不等于真實(shí)的地應(yīng)力值。目前研究學(xué)者形成的共識(shí)為：真實(shí)地應(yīng)力值為單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的線性組合，對(duì)于線性組合中圍壓值的影響系數(shù)，學(xué)者們通過試驗(yàn)研究給出了一些取值范圍，但并沒有形成統(tǒng)一結(jié)論，也沒有提供定量的計(jì)算方法。綜上所述，亟待提供一種基于單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值確定真實(shí)地應(yīng)力值的方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供了一種利用內(nèi)摩擦角獲得巖石單軸聲發(fā)射條件下真實(shí)地應(yīng)力值的方法，基于圍壓的大小影響巖石壓縮過程中裂紋的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，從而影響聲發(fā)射信號(hào)采集結(jié)果，通過引入內(nèi)摩擦角來對(duì)圍壓值的影響程度進(jìn)行定量計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)解決方案為：一種利用內(nèi)摩擦角獲得巖石單軸聲發(fā)射條件下真實(shí)地應(yīng)力值的方法，包括以下步驟：(1)將待測(cè)巖樣進(jìn)行單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，獲得單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值；(2)將待測(cè)巖樣進(jìn)行三組不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，得到三組圍壓對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度，利用莫爾圓獲得待測(cè)巖樣的內(nèi)摩擦角；(3)根據(jù)建立的基于單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的巖石內(nèi)摩擦角-真實(shí)地應(yīng)力值數(shù)學(xué)模型，利用待測(cè)巖樣的單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值、地層圍壓值以及內(nèi)摩擦角來確定待測(cè)巖樣的真實(shí)地應(yīng)力值。所述步驟(3)中，地層圍壓值由待測(cè)巖樣所處層位的地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)施工資料確定。所述步驟(3)中，基于單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的巖石內(nèi)摩擦角-真實(shí)地應(yīng)力值數(shù)學(xué)模型的建立方法為：將標(biāo)準(zhǔn)巖樣進(jìn)行單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，獲得單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值σKE；將標(biāo)準(zhǔn)巖樣進(jìn)行三組不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，得到標(biāo)準(zhǔn)巖樣的內(nèi)摩擦角利用水力壓裂法施工資料，獲得標(biāo)準(zhǔn)巖樣所在地層的真實(shí)地應(yīng)力值σ1和圍壓值σ3；利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將所述標(biāo)準(zhǔn)巖樣的內(nèi)摩擦角和標(biāo)準(zhǔn)巖樣的真實(shí)地應(yīng)力值進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，得到基于單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的巖石內(nèi)摩擦角-真實(shí)地應(yīng)力值數(shù)學(xué)模型。所述的基于單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的巖石內(nèi)摩擦角-真實(shí)地應(yīng)力值數(shù)學(xué)模型為：σ1＝σKE+(1.51e-0.07φ+1)σ3其中，σ1為真實(shí)地應(yīng)力值；σKE為單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值；為內(nèi)摩擦角；σ3為圍壓值。本發(fā)明具有如下有益效果：(1)基于真實(shí)地應(yīng)力值為單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的線性組合，對(duì)圍壓值的影響程度給出了定量計(jì)算方法；(2)相比于巖石三軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，本發(fā)明提供的方法降低了設(shè)備的復(fù)雜程度，試驗(yàn)操作更簡單；(3)該方法準(zhǔn)確度高，可廣泛應(yīng)用于聲發(fā)射試驗(yàn)領(lǐng)域。附圖說明圖1為利用內(nèi)摩擦角獲得巖石單軸聲發(fā)射條件下真實(shí)地應(yīng)力值的方法流程示意圖；圖2為巖石單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)圖；圖3為待測(cè)巖樣單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值試驗(yàn)結(jié)果圖；圖4為待測(cè)巖樣利用莫爾圓確定內(nèi)摩擦角結(jié)果圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提供的一種利用內(nèi)摩擦角獲得巖石單軸聲發(fā)射條件下真實(shí)地應(yīng)力值的方法作進(jìn)一步說明：(1)在待測(cè)全直徑大巖芯上，沿所需測(cè)定地應(yīng)力的方向鉆取小巖樣，按國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)標(biāo)準(zhǔn)將待測(cè)小巖樣制作成直徑25mm、長度50mm的巖芯柱，然后將巖芯柱的兩端面在磨平機(jī)上磨平，磨平后的兩端面平行度公差不大于0.1mm，按此方法，共需制作4塊小巖樣。(2)進(jìn)行待測(cè)巖樣單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，具體方法為：選一塊待測(cè)巖樣，放置于單軸加載裝置內(nèi)，將聲發(fā)射探頭與待測(cè)巖樣接觸，試驗(yàn)開始時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)單軸加載系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)，試驗(yàn)過程中的應(yīng)力-時(shí)間和聲發(fā)射信號(hào)-時(shí)間數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，其中：單軸加載系統(tǒng)加載速率設(shè)定為2MPa/min；聲發(fā)射系統(tǒng)采用MISTRAS2009，換能器為200kHz，前置放大器和后置放大器設(shè)置為40分貝，高通濾波器和低通濾波器分別設(shè)置為100kHz和400kHz，閥值固定為45分貝；聲發(fā)射信號(hào)-時(shí)間關(guān)系圖上聲發(fā)射信號(hào)突變點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的時(shí)間，與應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系圖上同一時(shí)間點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值即為單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值σKE，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，σKE＝5.8MPa。(3)將剩下的三塊待測(cè)巖樣進(jìn)行不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，三組圍壓分別設(shè)定為10MPa、20MPa和30MPa，根據(jù)三組圍壓下的峰值強(qiáng)度數(shù)值，利用莫爾圓得到待測(cè)巖樣的內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。(4)基于單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的巖石內(nèi)摩擦角-真實(shí)地應(yīng)力值數(shù)學(xué)模型的建立方法為：從不同區(qū)塊、不同深度處獲取10組全直徑巖芯，在每一組全直徑巖芯上沿特定方向鉆取4塊小巖樣，按國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)標(biāo)準(zhǔn)將小巖樣制作成直徑25mm、長度50mm的巖芯柱，然后將巖芯柱的兩端面在磨平機(jī)上磨平，磨平后的兩端面平行度公差不大于0.1mm，共獲得10組(每組4塊)標(biāo)準(zhǔn)巖樣，為避免巖樣樣本誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，所選標(biāo)準(zhǔn)巖樣應(yīng)表面無裂紋，質(zhì)地均勻；從每一組標(biāo)準(zhǔn)巖樣中選取一塊進(jìn)行單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，具體方法如步驟(2)所示，共進(jìn)行10組標(biāo)準(zhǔn)巖樣的單軸壓縮條件下聲發(fā)射試驗(yàn)，獲得10組標(biāo)準(zhǔn)巖樣的單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值；進(jìn)行10組標(biāo)準(zhǔn)巖樣不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，每一組設(shè)定3個(gè)不同圍壓，根據(jù)3個(gè)不同圍壓對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度，得到每一組標(biāo)準(zhǔn)巖樣的內(nèi)摩擦角，共獲得10組標(biāo)準(zhǔn)巖樣的內(nèi)摩擦角；為保證本發(fā)明建立的基于單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的巖石內(nèi)摩擦角-真實(shí)地應(yīng)力值數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，標(biāo)準(zhǔn)巖樣的真實(shí)地應(yīng)力值由目前公認(rèn)最準(zhǔn)確的水力壓裂法確定，根據(jù)10組標(biāo)準(zhǔn)巖樣所在層位的水力壓裂施工資料，計(jì)算得到10組標(biāo)準(zhǔn)巖樣沿特定方向的真實(shí)地應(yīng)力值，同時(shí)獲得標(biāo)準(zhǔn)巖樣所在層位的圍壓值；基于真實(shí)地應(yīng)力值為單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的線性組合，計(jì)算得到10組標(biāo)準(zhǔn)巖樣的圍壓值的影響系數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將10組標(biāo)準(zhǔn)巖樣圍壓值的影響系數(shù)和10組標(biāo)準(zhǔn)巖樣的內(nèi)摩擦角進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，結(jié)果表明兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98，由此，得到基于單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的巖石內(nèi)摩擦角-真實(shí)地應(yīng)力值數(shù)學(xué)模型為：σ1＝σKE+(1.51e-0.07φ+1)σ3其中，σ1為真實(shí)地應(yīng)力值；σKE為單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值；為內(nèi)摩擦角；σ3為圍壓值。(5)根據(jù)上述基于單軸聲發(fā)射地應(yīng)力值和圍壓值的巖石內(nèi)摩擦角-真實(shí)地應(yīng)力值數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到待測(cè)巖樣的真實(shí)地應(yīng)力值σ1＝51.1MPa，其中，由待測(cè)巖樣所在層位的地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)施工資料確定的圍壓值σ3＝40.7MPa；利用水力壓裂法測(cè)得的待測(cè)巖樣沿該方向的地應(yīng)力值見表1，由表中數(shù)據(jù)可看出本發(fā)明提供的方法準(zhǔn)確度較高，與目前公認(rèn)的水力壓裂法測(cè)量結(jié)果相近。表1水力壓裂法本發(fā)明方法誤差σ151.6MPa51.1MPa0.5MPa以上結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3