一种裂隙剪切渗流特性拐点识别方法

本发明涉及深地能源开采多场耦合分析，具体是一种裂隙剪切渗流特性拐点识别方法。

背景技术：

1、干热岩地热开采、深部断层活化突水预警及高放废物地质处置等深地工程中，岩体裂隙在剪切滑移作用下发生剪胀扩容与微凸体剪断破碎的竞争演化，裂隙渗透率呈现“先跃升、后衰减”的非单调演化规律。该跃升-衰减转化临界点直接决定储层改造增透时效与断层封闭性丧失风险，是工程设计与安全评价的核心阈值。

2、目前，针对该临界点的确定主要依赖于剪切-渗流耦合试验后的人工目视判读，即在渗透率-剪切位移曲线上人为标注峰值点位置。然而，现有判读方式存在以下固有缺陷：第一，人工判读缺乏统一的量化准则。不同技术人员对同一试验曲线标注的峰值点位置偏差显著（通常可达0.3-0.8mm剪切位移），导致临界参数结果难以复现，同一储层评价结论无法横向对比。

3、第二，试验曲线受多重噪声源干扰。剪切-渗流试验中，法向应力伺服调节波动、流体压力脉动、位移传感器电噪声以及裂隙面微凸体瞬时卡滑效应，均会在渗透率曲线上产生与真实衰减拐点幅值相当的局部震荡（虚假拐点），人工判读无法有效区分真实转化信号与测量伪迹；由传感器噪声、围压波动、流体压力脉动等扰动引发，不对应裂隙面真实结构演化，仅为表观形态上的渗透率由升转降点，称为虚假拐点。

4、第三，缺少多物理场协同验证机制。真实跃升-衰减转化并非仅表现为渗透率峰值，其物理本质是剪胀扩容（主导渗透率上升）与碎屑堵塞（主导渗透率下降）之间主导权切换。这一切换必然伴随剪胀速率拐点以及后续损伤参量突变。现有判读方式完全依赖渗透率单一参数，未利用上述伴生物理信息进行交叉验证，误判率较高。

5、第四，现有数据处理流程均为“试验后离线处理”，无法嵌入试验控制系统实现临界状态的实时预警，难以满足深地工程灾害防控对即时决策的需求。

6、因此，针对以上现状，迫切需要开发一种裂隙剪切渗流性能跃升-衰减转化识别方法，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种裂隙剪切渗流特性拐点识别方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种裂隙剪切渗流特性拐点识别方法，包括如下步骤：s1、对含裂隙岩石试样施加法向边界条件并执行剪切加载，获取按采样时刻对齐的时序数据集，其中，为剪切位移，为剪应力，为法向位移，为裂隙渗透率，为渗流流量，为采样序号。

3、s2、对裂隙渗透率序列进行滑动窗口滤波降噪；计算剪胀量，其中，为剪切位移等于0时的初始法向位移；计算剪胀增长速率：；计算渗透率相对于剪切位移的一阶变化率与二阶变化率。

4、s3、同时满足以下条件时判定当前采样点为跃升-衰减转化候选点：条件a：渗透率一阶变化率由大于0转变为小于0；条件b：二阶变化率<0；条件c：剪胀量增长速率由上升转为下降。

5、s4、设置位移阈值，相邻候选转化点之间剪切位移差小于所述位移阈值的判定为虚假候选点并剔除；候选点之后连续n个采样点出现渗透率回升的判定为虚假候选点并剔除。

6、经步骤s3多条件判据初步筛选得到、但由试验瞬时噪声、局部应力震荡、流量脉动引发，不对应裂隙面微凸体破碎与碎屑堵塞真实物理过程的候选转化点，称为虚假候选点。

7、s5、输出跃升-衰减转化临界剪切位移和临界渗透率，并对全部时序数据逐点标记所属演化阶段。

8、进一步地，步骤s1中所述法向边界条件为恒定法向应力边界或恒定法向刚度边界；数据来源为室内直剪试验、真三轴剪切-渗流耦合物理试验，或离散元、有限元数值模拟输出的剪切-渗流时序数据。

9、进一步地，步骤s2中所述滑动窗口滤波采用中位数滑动滤波，窗口点数为5至20点。

10、进一步地，步骤s4中所述位移阈值为0.2mm至0.8mm。

11、进一步地，步骤s4中所述连续n个采样点中，n取8至30。

12、进一步地，还包括步骤s6：将步骤s2至s5的逻辑封装为程序模块，接入剪切-渗流试验控制系统，以滚动窗口方式读取传感器实时数据，在线输出是否达到跃升-衰减转化临界状态的预警信号。

13、进一步地，还包括损伤辅助校验步骤：当具备裂隙面损伤观测数据时，构建损伤参量；定位识别得到的跃升-衰减转化临界点，若所述临界点之后所述损伤参量的增长率超过预设阈值，则确认识别结果；若所述临界点前后所述损伤参量无明显变化，则提示候选点存在虚假拐点风险。

14、进一步地，步骤s1中所述剪切位移、剪应力、法向位移、裂隙渗透率和渗流流量按同一采样时刻对齐，采样频率为1hz至10hz。

15、进一步地，步骤s5中所述演化阶段包括平稳阶段、跃升阶段、转化临界点和衰减阶段；所述输出还包括转化时刻剪应力和转化时刻剪胀量。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：第一，本发明通过同步采集剪切位移、剪应力、法向位移与裂隙渗透率等多物理场时序数据，为多参量协同判识提供了对齐的数据基础，相对于现有技术依赖单一渗透率曲线进行人工判读的方式，本发明能够在同一时间坐标系下综合运用多源信息进行交叉验证。

17、第二，本发明通过构建一阶变化率由正转负、二阶变化率小于零、剪胀增长速率由升转降三个条件同时满足的多条件联合判据，将渗透率演化趋势、趋势偏转特征与剪胀力学驱动机制三个层面锁定至同一判定时刻，相对于现有技术仅依赖渗透率单一时序数据进行人工判读，本发明从多物理场角度交叉验证转化时刻，克服了单一参数判读易误判的缺陷。

18、第三，本发明通过设置位移阈值剔除密集虚假候选点，并通过候选点之后连续采样点渗透率保持下降趋势进行趋势校验，构成双重抗干扰机制，相对于现有技术中人工判读无法有效区分真实转化信号与试验噪声产生的测量伪迹，本发明能够有效剔除噪声引起的虚假拐点。

19、第四，本发明通过将算法逻辑封装为程序模块并接入剪切-渗流试验控制系统，以滚动窗口方式读取传感器实时数据并在线输出预警信号，相对于现有技术中全部依赖试验后离线处理的流程，本发明实现了临界转化状态的在线实时识别与即时预警，填补了深地工程灾害防控中实时决策需求的空白。

20、第五，本发明通过在具备裂隙面损伤观测数据时构建损伤参量并进行转化后损伤上升趋势校验，相对于现有技术中完全依赖渗透率单一参数的判识方式，进一步提供了独立的物理验证维度，确认识别结果的可靠性，避免单一判据在噪声干扰下产生的误判。

21、第六，本发明通过输出临界剪切位移、临界渗透率、转化时刻剪应力与转化时刻剪胀量，并对全部时序数据逐点标记各演化阶段，相对于现有技术中仅依赖人工在曲线上标注峰值点的结果，本发明将识别结果以完整的量化参数集合与阶段标记形式呈现，为储层增透时效评价与断层活化风险评估提供了可直接使用的关键参数支撑。

22、综上，本发明相对于现有技术中人工判读主观性强、噪声干扰下无法区分真实转化与测量伪迹、缺少多物理场交叉验证、无法在线实时识别、输出信息单一等缺陷，全面提升了裂隙剪切渗流跃升-衰减转化临界状态识别的客观性、抗干扰性、实时性与信息完备性。