利用测井资料预测岩石Ⅱ型断裂韧性的方法研究

根据直缝巴西圆盘(SNBD)试验获取应力强度因子的计算原理,设计组建一套岩石Ⅱ型断裂韧性测试系统,测定20块取自WG油田岩石试样的Ⅱ型断裂韧性.基于试验数据,分析Ⅱ型断裂韧性和围压、抗拉强度的关系,建立利用测井资料预测断裂韧性的模型.利用H341井声波测井、密度测井和伽马测井资料预测水平地应力和抗拉强度,结合建立的断裂韧性模型成功预测Ⅱ型断裂韧性连续值,并在压裂实践中得到验证.该方法解决了现场压裂作业缺少断裂韧性全井筒连续数据的难题.     

页岩储层I型和II型断裂韧性评价方法研究

 岩石断裂韧性对于定量评价页岩储层可压裂性具有重要意义。基于此,根据直缝切槽巴西圆盘实验(SNBD),测定了14块龙马溪组储层页岩的I型(张开型)、II型(划开型)断裂韧性。并利用上述实验结果,结合岩心所处深度处的测井数据,选择密度、声波时差、GR测井数据回归了页岩的断裂韧性。与前人基于抗拉强度建立的断裂韧性预测模型相比,建立断裂韧性与地球物理测井数据的直接联系。由预测模型可以看出,富有机质页岩I型和II型断裂韧性均与岩石密度、声波时差成正比,与页岩泥质含量成反比。即页岩中有机质(TOC)含量或黏土矿物越多,页岩断裂韧性越小,页岩起裂后越容易向前延伸。结果表明,计算断裂韧性与实测断裂韧性相关性较好。模型的建立可以为工程设计过程中找出“甜点”提供重要理论依据。     

页岩储层Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性评价方法研究

岩石断裂韧性对于定量评价页岩储层可压裂性具有重要意义。基于此,根据直缝切槽巴西圆盘实验(SNBD),测定了14块龙马溪组储层页岩的Ⅰ型(张开型)、Ⅱ型(划开型)断裂韧性。并利用上述实验结果,结合岩心所处深度处的测井数据,选择密度、声波时差、GR测井数据回归了页岩的断裂韧性。与前人基于抗拉强度建立的断裂韧性预测模型相比,建立断裂韧性与地球物理测井数据的直接联系。由预测模型可以看出,富有机质页岩Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性均与岩石密度、声波时差成正比,与页岩泥质含量成反比。即页岩中有机质(TOC)含量或黏土矿物越多,页岩断裂韧性越小,页岩起裂后越容易向前延伸。结果表明,计算断裂韧性与实测断裂韧性相关性较好。模型的建立可以为工程设计过程中找出"甜点"提供重要理论依据。     

利用测井资料预测深部地层岩石断裂韧性

涉及在石油开发的深层岩土工程中,岩石断裂韧性参数的获取,对工程 设计有着重要的意义。但以往通常采取深井岩芯以获取岩石断裂韧性,成本昂贵,加之在无围压条件下测试,不能反映深部地层的真实性质。在有围压岩石断裂韧性测试数据的基础上,发现断裂韧性与岩石抗拉强度之间存在较好的统计关系,据此利用测井数据建立了预测深部地层岩石断裂韧性的模型。     

基于岩石超低温破裂机理的液氮辅助重复压裂研究

为提高重复压裂裂缝复杂程度,基于超低温作用对岩石物理力学性质的影响,提出了液氮辅助重复压裂技术,并开展了超低温条件下的岩石物理力学性质试验和液氮辅助重复压裂模拟试验。试验发现超低温作用后岩石的剪切强度、抗拉强度以及I型断裂韧性均明显减小;液氮浸泡后岩石表面产生大量微裂缝;液氮辅助重复压裂裂缝没有沿老裂缝延伸,而是发生了转向和分叉,裂缝形态更加复杂。试验结果表明,超低温作用对岩石物理力学性质影响显著,液氮辅助重复压裂技术可以大幅提高重复压裂裂缝复杂程度。     

基于仿真数据的三点弯曲峰值荷载预测方法

三点弯曲试验是广泛采用的抗拉强度参数测试方法之一。通过数值模拟分析发现,岩石三点弯曲峰值荷载与预制裂缝倾角等人为可控因素和杨氏模量、抗拉强度等岩石物性因素都具有正相关关系,而与预制裂缝长度呈现出负相关关系。由于影响因素众多且物理实验工作量大,难以建立多因素数学拟合模型,因此目前尚未有针对峰值荷载的普遍可行的预测方法。基于此,提出在数值模拟的基础上生成大量仿真数据,建立并训练人工神经网络模型,对含预制裂缝岩石三点弯曲试验峰值荷载进行预测。研究表明,基于仿真数据的含预制裂缝岩石三点弯曲峰值荷载神经网络预测模型对于已知数据具有很好的预测性能,并且对于未知数据具有良好的泛化能力和外推能力。     

水力致裂法测定分形裂纹下岩石的断裂韧性

 引入分形几何理论,应用分形方法来描述岩石断裂裂纹的曲折形态,进而建立分形裂纹下的岩石断裂韧性理论模型。在此基础上,应用自主研制的内压法岩样断裂韧性测试系统对不同假设条件下的岩石断裂韧性进行测定。结果表明,分形裂纹模型测试得到的岩石断裂韧性大于直线模型的断裂韧性,这也从理论上证实了目前水力压裂作业中理论计算值常低于施工压力的结论,说明应用该文的模型计算结果更接近实际情况。     

野猫井岩石可钻性钻前预测方法研究

岩石可钻性是石油钻井中钻头优选、钻进参数制定的重要依据，岩石可钻性钻前预测对于提高深井、超深井钻井效率，降低钻井综合成本具有重要意义。目前，国内外关于新探区野猫井的岩石可钻性钻前预测方面的研究很少。现有评价方法不能满足对缺少测井资料和岩心资料的野猫井的岩石可钻性进行钻前预测的需要。因此，在相似构造选择的基础上，提出了一种对野猫井岩石可钻性进行钻前预测的方法。该方法首先应用已钻相似构造井的地震资料、测井资料以及岩心测试资料，建立岩石可钻性钻前预测遗传神经网络模型，然后将神经网络与遗传算法有机结合起来，以神经网络理论为基础，利用遗传算法优化隐含层神经元个数和网络连接权值，最后利用野猫井的地震资料进行岩石可钻性钻前预测。应用该方法对新疆油田MXI井的岩石可钻性进行了钻前预测，预测结果与测井资料评价结果相比，平均相对误差为9．8％。比较结果表明，该方法具有较高的预测精度，是合理的。     

碳酸盐岩地层抗钻特性预测方法研究及应用

 碳酸盐岩地层是目前我国富含油气资源的主要地层,其地层抗钻特性参数的准确合理预测是油气资源高效合理开发的重要保证。通过室内岩芯试验,结合现场测井资料,运用数理统计方法研究分析碳酸盐岩地层岩石可钻性、抗压强度与声波时差,塑性系数与泊松比以及地面声波时差与测井声波时差、纵波时差与横波时差的相关关系,建立利用测井资料预测碳酸盐岩地层抗钻特性参数的预测模型。通过室内实测资料对预测模型进行验证,预测精度达90%,能够满足工程需要。利用已建立的地层抗钻特性参数测模型对川东北元坝区块海相碳酸盐岩地层的抗钻特性进行研究和分析,为该地区海相地层钻头类型和钻进参数的优选提供合理依据。     

我国深层岩石力学研究及在石油工程中的应用

论述了深层岩石力学的研究范围、特点，介绍了深层岩石力学的全尺寸钻井模拟试验，地应力、岩石断裂韧性、动静态岩石力学参数获取方法和技术，以及在钻井过程中的井壁稳定预测检测技术、水力压裂的室内物理模拟技术、数值模拟技术等问题的研究进展，并提出了深层岩石力学面临的挑战和需要解决的技术问题。     

不同赋存深度岩石的动态断裂韧性与拉伸强度研究

按照国际岩石力学学会试验规范以及工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99),对不同赋存深度的玄武岩试件分别进行动态断裂韧性测试和单轴拉伸强度测试,得到动态断裂韧性与拉伸强度之间可能存在一定的关系;并从岩石破坏的力学机制角度,分析动态断裂韧性与拉伸强度之间存在联系的根本原因:两者均是由于岩石内部微裂纹受到拉应力作用而引起微裂纹的扩展、互相贯通,从而导致岩石的破坏。根据动态断裂韧性与拉伸强度之间可能存在的关系,可以由拉伸强度的测试结果推测试件的动态断裂韧性值,将大大简化动态断裂韧性测试的繁琐性。     

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。     

基于强度参数脆性指数的岩石Ⅰ型断裂韧度评价

在试验数据收集基础上,选取3种典型强度脆性指数作为考察对象,建立Ⅰ型断裂韧度与脆性指数之间的线性关系,得到基于不同脆性指数的岩石Ⅰ型断裂韧度参数化模型。通过引入交叉验证法获得准确的模型参数,并对模拟结果进行检验,评价各模型的适用性和相互之间的差异。结果表明:3种评价模型在评价和预测岩石Ⅰ型断裂韧度上均有很强的可靠性,可以借助脆性指数评价岩石的Ⅰ型断裂韧度;3种模型的评价和预测精度存在一定差异,总体来看,基于莫尔圆脆性指数的评价模型优于压拉强度脆性指数评价模型和抗压强度脆性指数评价模型,从而证明Ⅰ型断裂韧度是岩石综合力学性质的体现,利用多强度指标建立评价模型将会获得更准确、合理的Ⅰ型断裂韧度值;由于抗压强度获取便捷,利用其建立的评价模型也具有较高的评价精度,在要求快速评价时,可优先考虑选择基于抗压强度脆性指数的岩石Ⅰ型断裂韧度评价模型。     

Fracture mechanics analysis of cracked discs of anisotropic rock using the boundary element method

This paper is the second of a series of two papers dealing with the determination of the deformability, tensile strength and fracturing of anisotropic rocks by diametral compression (Brazilian test) of discs of rock. It is shown how a new formulation of the Boundary Element Method (BEM), proposed recently by the authors, can be used to determine the stress intensity factors (SIFs) and the fracture toughness of anisotropic rocks from the results of diametral compression tests on initially cracked discs. Crack initiation angles and propagation paths can also be predicted using a numerical procedure based on the BEM and maximum tensile stress criterion. Numerical examples of calculation of mixed mode SIFs are presented for both isotropic and anisotropic media. The calculated SIFs for the special isotropic case are found to be in good agreement with those reported by previous authors. Diametral loading tests were conducted on Cracked Straight Through Brazilian Disc (CSTBD) specimens of a shale in order to evaluate its fracture toughness, the angle of crack initiation and the path of crack propagation. It was found that the numerical simulations of crack initiation and propagation in the CSTBD specimens of the shale were in good agreement with the experimental observations.     

岩石Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ混合型断裂研究

For the mode I rock fracture toughness measurement, three standard methods have beenrecommended by the ISRM, but there has not been a standard method for the determination of mode II and mixedmode I-II rock fracture toughness. However mode II and mixed mode I-II fracturing of rock structures is morecommonly observed than mode I in various geological and structural engineering settings. So it is of greatimportant to thoroughly research these rock fracture problems and establish a standard method for determining themode II or mixed mode I-II fracture toughness for rock materials. Based on the progress made for mode I rock fracture research, the cracked chevron notched Brazilian disk(CCNBD) specimen was also introduced for mode II and mixed mode I-II rock fracture toughness measurement.When the crack is orientated at an angle with respect to the diametrical loading, the crack of the CCNBD specimenis exposed to the mode II or mixed mode I-II stress distribution conditions. The solutions for stress intensityfactors in the vicinity of the crack tip have been evaluated by the stepwise superimposition technique. In order tomake sure that the theoretical analysis is correct, numerical calculation method has been employed to calibrate thetheoretical results. It has been proved that the theoretical results yielded by the dislocation method are correct andreliable. According to the characteristic that the propagation of the crack in the CCNBD specimen is in its own planeand application of the energy superposition principle, the stress intensity factor of the mixed mode I-II has beendefined in dimensionless terms as Y≠mix = [(Y1*)2 + (Y*11)2]1/2. It was found that the curve of Y*mix was concave. Thereexists a lowest point which corresponds to the maximum external load and indicates the crack has reached itscritical state. Since the values of Y*mix, Y*1 and Y*II are only dependent on the specimen geometry(α0, α1, αB and θ), the critical values of Y*mix, Y1* and Y*II can be to known as long as the CCNBD specimen isprepared ready. It is only necessary to record the maximum load during the fracture tests. The fracture locus is very useful to know whether the crack in a rock structure has reached its criticalcondition. According to the amount of practical fracture testing data obtained, the rock fracturing locus was foundto be(K1/KIC)3/2+(Ku/kuc)3/2 =1 and the S-critical criterion was found to be more suitable for rock mixed mode I-IIfracturing assessment.     

MODE II AND MIXED MODE I-II ROCK FRACTURE RESEARCH

MODE II AND MIXED MODE I-II ROCK FRACTURE RESEARCH@于海勇$黑龙江科技学院!教授     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。