[发明专利]一种横观各向同性岩样抗压剪强度参数的快速测定方法

说明书

本发明公开了一种横观各向同性岩样抗压剪强度参数的快速测定方法，通过对两种取样角度(0°或60°)或多种取样角度的样品测试三轴强度，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样的最优抗压剪强度参数，包括：基质内聚力、基质内摩擦角和弱面内聚力、弱面内摩擦角。本发明所述方法不仅可以满足快速、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。

技术领域

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。

发明内容

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；