一种岩体抗剪强度各向异性表征方法及系统

本申请涉及岩石力学与石油工程领域，特别是涉及一种岩体抗剪强度各向异性表征方法及系统。

背景技术：

1、在页岩气、致密油等非常规油气资源的开发过程中，水平井钻完井技术是核心手段。然而，这类储层岩体通常发育有显著的层理、片理等结构弱面，表现出强烈的力学各向异性。

2、常规的井壁稳定性分析和压裂设计通常采用传统的摩尔-库伦（mohr-coulomb）准则。该准则假设材料是连续、均质且各向同性的，认为当作用在剪切面上的剪应力达到由黏聚力（）和内摩擦系数（，表示内摩擦角）决定的临界值时发生破坏。摩尔包络线通常通过多组不同围压条件下的三轴试验获得，各摩尔圆的公切线即为摩尔包络线。

3、然而，对于页岩等具有显著沉积层理或片理构造的各向异性岩体，其抗剪强度特征表现出高度的复杂性，受“结构弱面不连续性”与“岩石基质各向异性”的双重控制：一方面，结构弱面的诱导滑移效应显著。当主应力方向与层理面成特定夹角（斜交）时，岩体极易优先沿强度较低的弱面发生剪切滑移，导致整体承载能力急剧下降。另一方面，岩石基质本体亦存在固有的力学各向异性。受微观矿物颗粒定向排列及沉积组构影响，即便在不发生沿弱面滑移的加载方向（如严格平行或垂直于层理加载），岩石基质的黏聚力和内摩擦系数在不同空间方位上也存在显著差异，并非各向同性材料假设的常数。

4、现有的常规摩尔-库伦准则通常假设材料是均质且各向同性的，或者仅关注弱面滑移而忽略基质本身的方位差异。因此，常规摩尔-库伦准则无法准确描述含结构弱面岩体强度随角度变化特征的问题。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种岩体抗剪强度各向异性表征方法及系统，可同时定量表征结构弱面滑移特性以及岩石基质本体抗剪强度空间各向异性分布，解决了常规摩尔-库伦准则无法准确描述含结构弱面岩体强度随角度变化特征的问题。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、第一方面，本申请提供了一种岩体抗剪强度各向异性表征方法，包括：

4、获取有效倾角区间内的岩体试样的结构弱面的抗剪强度参数；所述有效倾角区间为岩体试样沿着结构弱面发生剪切滑移时对应的结构弱面倾角的范围；所述有效倾角区间基于极限角度探测策略进行不同结构弱面倾角的单轴压缩实验确定；所述抗剪强度参数包括：黏聚力和内摩擦系数；

5、获取加载方向平行和垂直于结构弱面的岩体试样的岩石基质的抗剪强度参数，并根据岩石基质的抗剪强度参数构建基质各向异性模型；岩石基质的抗剪强度参数是对加载方向平行和垂直于结构弱面的岩体试样进行多围压三轴压缩实验，利用破坏面的几何信息与应力状态反演岩石基质在不同空间方位角上的力学响应，并通过空间极坐标投影得到的；

6、将结构弱面的抗剪强度参数和所述基质各向异性模型进行融合，得到考虑弱面滑移与基质各向异性竞争的抗剪强度表征模型；

7、将目标岩体潜在剪切面的空间方位角以及与潜在剪切面垂直的正应力输入所述抗剪强度表征模型，得到所述目标岩体在该空间方位角的抗剪强度。

8、第二方面，本申请提供了一种岩体抗剪强度各向异性表征系统，包括：

9、结构弱面参数获取模块，用于获取有效倾角区间内的岩体试样的结构弱面的抗剪强度参数；所述有效倾角区间为岩体试样沿着结构弱面发生剪切滑移时对应的结构弱面倾角的范围；所述有效倾角区间基于极限角度探测策略进行不同结构弱面倾角的单轴压缩实验确定；所述抗剪强度参数包括：黏聚力和内摩擦系数；

10、岩石基质参数获取模块，用于获取加载方向平行和垂直于结构弱面的岩体试样的岩石基质的抗剪强度参数，并根据岩石基质的抗剪强度参数构建基质各向异性模型；岩石基质的抗剪强度参数是对加载方向平行和垂直于结构弱面的岩体试样进行多围压三轴压缩实验，利用破坏面的几何信息与应力状态反演岩石基质在不同空间方位角上的力学响应，并通过空间极坐标投影得到的；

11、抗剪强度表征模型构建模块，用于将结构弱面的抗剪强度参数和所述基质各向异性模型进行融合，得到考虑弱面滑移与基质各向异性竞争的抗剪强度表征模型；

12、抗剪强度预测模块，用于将目标岩体潜在剪切面的空间方位角以及与潜在剪切面垂直的正应力输入所述抗剪强度表征模型，得到所述目标岩体在该空间方位角的抗剪强度。

13、根据本申请提供的具体实施例，本申请具有了以下技术效果：

14、本申请提供了一种岩体抗剪强度各向异性表征方法及系统，将岩体抗剪强度解耦为“结构弱面控制”与“岩石基质控制”两部分分别测定。首先，基于极限角度探测策略进行不同弱面倾角的单轴压缩实验，确定诱发弱面滑移的有效倾角区间并获取结构弱面抗剪强度参数；其次，对加载方向平行和垂直于结构弱面的岩体试样进行多围压三轴压缩实验，利用破坏面的几何信息与应力状态反演岩石基质在不同空间方位角上的力学响应，通过空间极坐标投影得到基质抗剪强度参数；最后，得到考虑弱面滑移与基质各向异性竞争的抗剪强度表征模型。本申请能同时定量表征结构弱面滑移特性以及岩石基质本体抗剪强度空间各向异性分布，有效排除了弱面滑移对基质强度测试的干扰，在减少实验量的同时实现了对页岩等层状岩体各向异性强度的精准表征，解决了常规摩尔-库伦准则无法准确描述含结构弱面岩体强度随角度变化特征的问题。

1.一种岩体抗剪强度各向异性表征方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的岩体抗剪强度各向异性表征方法，其特征在于，所述有效倾角区间的确定方法，包括：

3.根据权利要求1所述的岩体抗剪强度各向异性表征方法，其特征在于，所述有效倾角区间的下限角和上限角的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的岩体抗剪强度各向异性表征方法，其特征在于，获取加载方向平行和垂直于结构弱面的岩体试样的岩石基质的抗剪强度参数，具体包括：

5.根据权利要求4所述的岩体抗剪强度各向异性表征方法，其特征在于，破裂面上的剪应力和正应力的计算公式为：

6.根据权利要求4所述的岩体抗剪强度各向异性表征方法，其特征在于，基于所述等值面云图提取岩体试样的岩石基质在不同空间方位角上的抗剪强度参数，具体包括：

7.根据权利要求1所述的岩体抗剪强度各向异性表征方法，其特征在于，当潜在剪切面与结构弱面平行时，所述抗剪强度表征模型的表达式为：，否则，所述抗剪强度表征模型的表达式为：；其中，表示岩体的抗剪强度，表示岩石基质的连续各向异性强度，表示结构弱面的抗剪强度，，表示岩石基质在空间方位角上的黏聚力，，表示岩石基质在空间方位角上的内摩擦系数，表示与潜在剪切面垂直的正应力。

8.根据权利要求2所述的岩体抗剪强度各向异性表征方法，其特征在于，获取有效倾角区间内的岩体试样的结构弱面的抗剪强度参数，具体包括：

9.根据权利要求2所述的岩体抗剪强度各向异性表征方法，其特征在于，所述优选探测角度为。

10.一种岩体抗剪强度各向异性表征系统，其特征在于，包括：