[发明专利]一种闭合应力作用下剪切裂缝开度的预测方法

摘要

本发明公开了一种闭合应力作用下剪切裂缝开度的预测方法，包括：（A）在岩板中间形成一条剪切裂缝，计算未施加闭合应力时剪切裂缝的开度；（B）扫描剪切裂缝的两个表面，获取裂缝表面三维坐标数据；（C）计算每一个扫描点处剪切裂缝的原始宽度；（D）建立起裂缝表面各点处的应力—变形量方程；（E）求解方程组，得到每个扫描点的受力或变形量，检验计算结果是否分别满足判定法则；（F）计算闭合应力；（G）绘制闭合应力与裂缝开度的关系曲线，得到不同闭合应力下剪切裂缝的开度。本发明原理可靠，操作简单，能够计算不同闭合应力下剪切裂缝的开度，为压裂施工参数优化提供理论依据。

主权项

1.一种闭合应力作用下剪切裂缝开度的预测方法，依次包括以下步骤：(A)将岩石样品加工成长方体岩板，测量完整岩板的高度H，使用直接剪切仪在岩板中间形成一条剪切裂缝，测量此时岩板的高度h，计算未施加闭合应力时剪切裂缝的开度W0：W0＝h‑H式中：H—完整岩板的高度，mm，h—存在剪切裂缝时岩板的高度，mm；(B)利用三维激光扫描仪分别扫描步骤(A)中剪切裂缝的两个表面，剪切裂缝的两个表面，分别设为a面和b面，从而获取裂缝表面三维坐标数据；(C)利用步骤(A)中岩板高度h和步骤(B)中的扫描结果，计算每一个扫描点处剪切裂缝的原始宽度b(x,y)；(D)基于步骤(B)中的扫描结果，建立起裂缝表面各点处的应力—变形量方程：式中：D—裂缝表面各点处的变形量，mm，d1、d2…dn—第1、2…n个扫描点的变形量，mm，n—扫描点的个数，C—应力—变形量方程的系数矩阵，F—裂缝表面各点处所受的力，N，f1、f2…fn—第1、2…n个扫描点所受的力，N，v—泊松比，无因次，E—岩石杨氏模量，MPa，rij—第i个扫描点与第j个扫描点之间的距离，mm，a—扫描步长，mm，Za(x,y)—第i个扫描点，a面的高度值，mm，Zb(x,y)—第i个扫描点，b面的高度值，mm，Zamin—a面各点高度值的最小值，mm，Zbmin—b面各点高度值的最小值，mm；(E)假设裂缝开度为W1，确定每个扫描点的受力或变形量：当扫描点i处裂缝两个表面相互接触时，i点的变形量di＝W0‑W1‑b(x,y)，当扫描点i处裂缝两个表面未接触时，i点的受力fi＝0，带入步骤(D)的方程组，得到每个扫描点的受力fi或变形量di，检验计算结果是否分别满足以下判定法则：当扫描点i处裂缝两个表面相互接触时，i点的受力fi＞0，当扫描点i处裂缝两个表面未接触时，i点的变形量di>W0‑W1‑b(x,y)；(F)若n个扫描点均满足判定法则时，根据下式计算闭合应力P：式中：fi—第i个扫描点所受的力，N；(G)改变剪切裂缝开度W1的大小，重复步骤(E)和步骤(F)，得出不同裂缝开度下的闭合应力，以闭合应力为横坐标，裂缝开度为纵坐标，绘制闭合应力与裂缝开度的关系曲线，从而得到不同闭合应力下剪切裂缝的开度。