[发明专利]一种基于纳米压痕测试的岩石强度获取方法

说明书

本发明涉及岩石力学参数测试技术领域，尤其是一种基于纳米压痕测试的岩石强度获取方法，对测试岩样开展纳米压痕测试，采集压头的载荷‑位移曲线，获取测试岩样的弹性模量E和泊松比υ弹性参数；在有限元软件中建立压头和测试岩样的数值模型，获得数值模型的压头的载荷‑位移曲线，设定该岩样强度参数的取值范围，试算每一组强度参数值所对应的数值模型的压头的载荷‑位移曲线；从细观角度利用数值分析方法反演得到测试岩样的强度参数，本发明能够突破岩样尺寸与形状的限制，尤其有助于解决油气井地下深层岩石力学参数测试难题，形成对常规测试方法的有益补充，该方法实用性强，准确度高，具有很好的应用效果。

技术领域

本发明涉及岩石力学参数测试技术领域，尤其是一种基于纳米压痕测试的岩石强度获取方法。

背景技术

岩石力学参数包括弹性模量、泊松比等弹性参数和粘聚力、内摩角等强度参数，这些基础参数是开展岩石力学相关研究的前提。此类参数通常需要开展宏观力学测试加以获取，常用的测试方法包括单、三轴压缩实验、剪切实验及声波测试等，这些常规测试方式对岩样的形状和尺寸具有严格的要求，如单、三轴压缩实验需要将岩样加工成Φ25mm×50mm圆柱形标准岩芯。然而，一方面大尺寸的岩样在某些情况并不容易获得，如在石油钻井领域得到的往往是尺寸较小、形状极不规则的岩屑；另一方面，即便能够得到大尺寸的岩样，将其加工成标准岩芯也不容易，如硬脆性页岩分散性强，加工的过程中极易崩落，岩芯的收获率较低。使用纳米压痕测试手段获取岩石的强度参数，是以小尺寸岩样为研究对象，因此可突破宏观力学测试对岩样尺寸和形状的限制。

公开号CN109870376的发明专利公开了一种基于纳米压痕和人工神经网络模型反演岩石矿物参数的方法，该方法是测取岩石中单相矿物的力学参数，不能够获取岩石的整体力学参数；公开号CN110579400的发明专利公开了一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法，该方法是借助CT扫描建立岩石的微观骨架模型，然后建立数值模型开展模拟研究，测试成本相对较高。目前对于使用细观测试获取岩样的弹性参数已有较多研究，然而如何获取其强度参数尚待进一步研究。因此，探索利用小尺度岩样的岩石力学测试方法和力学参数求取方法，可对常规的宏观测试方法形成有益补充，建立细观尺度岩样强度参数获取模型具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中的缺陷，现提供一种基于纳米压痕测试的岩石强度获取方法，克服常规岩石力学测试的尺寸和形状限制，结合纳米压痕实验与数值模拟手段反演岩石的强度参数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于纳米压痕测试的岩石强度获取方法，包括以下步骤：

步骤1、将岩样加工成压入测试所需的测试岩样；

步骤2、对测试岩样开展纳米压痕测试，采集压头的载荷-位移曲线，获取测试岩样的弹性模量E和泊松比υ弹性参数；

步骤3、在有限元软件中建立压头和测试岩样的数值模型，获得数值模型的压头的载荷-位移曲线，设定该岩样强度参数的取值范围，试算每一组强度参数值所对应的数值模型的压头的载荷-位移曲线，其中，强度参数值包括岩样的粘聚力C和内摩擦角

步骤4、运用搜索式算法使数值模型的压头的载荷-位移曲线和纳米压痕测试的压头的载荷位移曲线进行拟合，反演出测试岩样的强度参数值。

进一步地，步骤1中，测试岩样的直径＜Φ30mm，测试岩样的高度＜5mm。

进一步地，步骤1中，岩样进行切割打磨并对加载面进行氩离子抛光，形成测试岩样；或者岩样嵌入环氧树脂后再进行切割打磨并对加载面进行氩离子抛光，形成测试岩样；

测试岩样的上下端面彼此平行，且加载面的粗糙度抛光至纳米级。

进一步地，步骤1中压头为金刚石玻式压头。