[发明专利]一种描述外载作用岩体微细观破裂与微裂隙形成的方法

说明书

本发明涉及的是一种描述外载作用岩体微细观破裂与微裂隙形成的方法，具体为：一、从细化角度研究岩石破裂问题，在岩石微观颗粒之间建立黏结模型，将颗粒简化为圆形颗粒，以两颗粒圆心为端点的建立等效微梁模型；二、建立基于分数阶的黏壶元件的本构关系；三、建立分数阶kelvin模型，由Abel黏壶元件与弹簧元件并联组成，四、建立由弹簧元件与黏壶元件串联的Maxwll模型；五、得到分数阶Burgers模型本构关系。本发明主要用于解决现阶段岩石复杂特性无法用宏观本构精确描述，以及利用分数阶建立的细观本构模型。

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程中的页岩、致密砂岩、煤岩等非常规油气储层的微观裂缝扩展领域，具体涉及一种描述外载作用岩体微细观破裂与微裂隙形成的方法。

背景技术

岩石内部存在大量规模不等的构造及复杂多变的构造(如孔洞缝的多样组合和特定岩性组合等)相比宏观尺度对储层岩石的均匀性、连续性、各向同性等认识而言，其在微观尺度上则显示出非均匀、不连续及各向异性的特征。由于岩石的结构特性，其内部存在大量的微观和宏观裂隙，岩石在外载作用下会依次经过裂隙压实阶段，线弹性阶段，微裂隙扩展阶段，大变形和累积破坏阶段，以及残余应力阶段。岩石受力经过微裂缝局部成核并持续发展，最后微裂缝迅速扩展、成核、逐步形成宏观破坏。岩石内部众多裂纹端部的应力集中是引起岩石开裂，进而发生解体破坏的原因。大量研究表明，岩石的宏观变形与破坏是受岩石内部的细观缺陷控制的。岩石裂纹萌生、扩展、贯通及相互作用的内部损伤演化过程和规律及其与应力之间的对应关系，从而应用于工程中指导生产。岩石的变形与破坏主要与岩石和宏观裂隙有关，而宏观裂隙是有众多的微裂隙的集合体。因此受载荷作用下的岩石微观裂隙的起裂、扩展过程，对非常规油气藏的开采过程中有重要的意义，尤其是页岩压裂形成缝网的过程中有重要意义。

岩石受外界载荷、变形、温度等条件的影响，会呈现与时间有关的变形、流动和破坏的规律性。所以建立合理的本构关系成为描述裂缝扩展的关键环节。到现在为止，岩石一直在套用传统连续介质模型，还没有它特有的本构模型。而传统连续介质力学方法直接将本构关系建立在宏观连续层次基础之上，而不是细观结构基础之上，这使得传统连续介质模型本身存在一定的局限性。岩石不同于其他金属材料，具有非常复杂的细观结构。在细观尺度上，岩石由矿物颗粒组成，颗粒之间相互胶结，形成界面网络结构。这种细观结构对岩石宏观力学属性具有决定性作用。

目前，关于岩石变形的研究仍然是将岩石假设为理想弹性体，通过泊松比来描述两个方向的变形。岩石的体积变形特性与理想弹性材料有很大区别，其最大的特点是体积变形的剪缩剪胀特性，如果只通过泊松比来反映这些复杂的现象就似乎不太合理。分数阶微积分的阶数是连续变化的，能够很好地体现自然界的连续性。基于分数阶微积分建立的物理模型，能够良好描述具有记忆及时间依赖性的物理现象，且具有参数少、适用性广泛等优点。分数阶微积分在力学中应用的较早成果始于黏弹性材料的本构模型研究，也是目前最活跃的领域之一，这其中包括黏弹性阻尼器研究、黏弹性流体研究和岩土流变模型研究等。因此，如何用分数阶描述岩石微观本构关系是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种描述外载作用岩体微细观破裂与微裂隙形成的方法，这种描述外载作用岩体微细观破裂与微裂隙形成的方法用于解决现阶段岩石复杂特性无法用宏观本构精确描述的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种描述外载作用岩体微细观破裂与微裂隙形成的方法：

一、从细化角度研究岩石破裂问题，在岩石微观颗粒之间建立黏结模型，将颗粒简化为圆形颗粒，以两颗粒圆心为端点的建立等效微梁模型：模型长 L＝R_A+R_B，高L＝2×(R_A+R_B)/2＝R_A+R_B，宽度或厚度为t；

二、建立基于分数阶的黏壶元件的本构关系：