针对岩石的有效应力系数确定方法、装置、介质及设备

1.本发明涉及岩石力学参数测量技术领域，具体涉及一种针对岩石的有效应力系数确定方法、装置、介质及设备。


背景技术：

2.美籍奥地利土力学家太沙基(karl terzaghi)于1923年在研究含水饱和土力学特性时提出了有效应力原理，在随后的发展中，该原理成为土力学中的一项重要理论。1941年，比奥(m.a.biot)在研究岩石的三轴压缩力学问题时发现，低渗多孔介质不适合应用terzaghi提出的有效应力原理，并进而提出了修正的有效应力原理，即有效应力等于总应力减去等效孔隙压力。其中，等效孔隙压力等于等效系数与孔隙压力的乘积，等效系数介于0和1之间，该等效系数称为有效应力系数，也称为biot系数。
3.有效应力系数是土力学和岩石力学中用于确定有效应力大小的重要参数。有效应力理论经提出和发展后，被广泛应用于岩石力学分析中。在分析岩石材料变形破坏的过程中，认为岩石的破坏主要受有效应力控制，而有效应力的大小与有效应力系数直接相关，因此有效应力系数也成为岩石力学计算中的关键参数。目前有效应力系数的求取方法有排水实验法、波速动态计算法、孔隙压缩实验法等，根据有效应力系数的物理意义，通过测量或计算岩心的体积压缩系数和骨架压缩系数，进而计算有效应力系数。其主要缺点在于岩心的骨架压缩系数难以精确测量或计算，导致有效应力系数计算结果存在一定误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种针对岩石的有效应力系数确定方法、装置、介质及设备，以解决现有技术中通过测量或计算岩心的体积压缩系数和骨架压缩系数进而确定的有效应力系数容易存在误差的问题。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.本发明提供一种针对岩石的有效应力系数确定方法，包括：
7.在同一岩石上取物理参数近似的多个岩样作为实验组；
8.从实验组中选取若干岩样在无孔隙压力状态下分别置于不同围压条件下测定岩样的抗压强度；
9.建立围压-抗压强度直角坐标系，在直角坐标系下将在无孔隙压力状态下测定的数据拟合为一条直线，并根据莫尔-库仑强度准则计算出岩样的粘聚力和内摩擦角；
10.从实验组中再次选取若干岩样在有孔隙压力状态下分别置于不同围压条件下测定岩样的抗压强度；
11.将计算得到的岩样粘聚力、内摩擦角以及在有孔隙压力状态下测定的数据通过莫尔-库仑强度准则计算得到岩样有效应力系数，并取多个岩样有效应力系数的算数平均值确定岩石有效应力系数，其中，岩样有效应力系数的表达式为：
[0012][0013][0014]
式中：α为岩样有效应力系数，σ
3p
为有孔隙压力状态下测定的围压，σ
1p
为有孔隙压力状态下测定的抗压强度，p
p
为孔隙压力，c为岩样粘聚力、φ为内摩擦角。
[0015]
进一步地，还包括岩样的取样方法：在同一岩石上沿同一方向钻取至少十块圆柱形的标准岩心样，并分别测定每块岩样包含密度、声波速度、孔隙度、渗透率的物理参数，从中选取至少六块各项物理参数近似的岩样作为实验组。
[0016]
进一步地，还包括岩样实验前的饱和处理方法：将选取作为实验组的各岩样在真空状态下加入同种流体并浸泡至岩样充分吸收流体达到饱和状态，其中，流体为具有粘度的白油、nacl水溶液或kcl水溶液。
[0017]
进一步地，还包括岩样在无孔隙压力状态下测定抗压强度的实验方法：
[0018]
1)、采用岩石力学试验机，将岩样用热缩套封装后放入岩石力学试验机中压紧，逐步升高围压至设定值，并同步提高轴向载荷使轴向应力与围压等比例加载；
[0019]
2)、在围压升高到设定值后，缓慢提高轴向载荷，使岩样受到的轴向应力逐渐增加并直至岩样发生破坏，记录此时岩样受到的最大轴向应力即为岩样的抗压强度；
[0020]
3)、释放围压，将岩样从岩石力学试验机取出后观察其破坏形态，确保岩样发生剪切破坏，若岩样未发生剪切破坏，则另取物理参数近似的岩样经饱和处理后重复步骤1)-2)，直至岩样发生剪切破坏。
[0021]
进一步地，还包括岩样在有孔隙压力状态下测定抗压强度的实验方法：
[0022]
1)、采用岩石力学试验机，将岩样用热缩套封装后放入岩石力学试验机中压紧，逐步升高围压至设定值，并同步提高轴向载荷使轴向应力与围压等比例加载；
[0023]
2)、在围压升高到设定值后，通过孔隙压力泵输送孔隙流体给岩样施加设定的孔隙压力，并保持围压和孔隙压力不变，此时缓慢提高轴向载荷，使岩样受到的轴向应力逐渐增加并直至岩样发生破坏，记录此时岩样受到的最大轴向应力即为岩样的抗压强度；
[0024]
3)、释放围压，将岩样从岩石力学试验机取出后观察其破坏形态，确保岩样发生剪切破坏，若岩样未发生剪切破坏，则另取物理参数近似的岩样经饱和处理后重复步骤1)-2)，直至岩样发生剪切破坏。
[0025]
进一步地，孔隙压力泵给岩样施加孔隙压力的孔隙流体与该岩样经饱和处理的浸泡流体为同种流体。
[0026]
进一步地，所述岩石有效应力系数的表达式为：其中，为岩石有效应力系数，n为常数。
[0027]
基于上述的针对岩石的有效应力系数确定方法，本发明还提供该方法的分析装置，包括：
[0028]
第一处理单元，用于在同一岩石上获取物理参数近似的多个岩样作为实验组；
[0029]
第二处理单元，用于从实验组中选取若干岩样在无孔隙压力状态下分别置于不同围压条件下测定岩样的抗压强度，并确定岩样的围压σ3和抗压强度σ1；
[0030]
第三处理单元，用于建立围压-抗压强度直角坐标系，并将在无孔隙压力状态下确定的数据在直角坐标系中拟合为一条直线，基于莫尔-库仑强度准则，通过计算确定岩样的粘聚力c和内摩擦角φ；
[0031]
第四处理单元，用于从实验组中再次选取若干岩样在有孔隙压力状态下分别置于不同围压条件下测定岩样的抗压强度，并确定岩样的围压σ
3p
和抗压强度σ
1p
；
[0032]
第五处理单元，用于将计算得到的岩样粘聚力c、内摩擦角φ以及在有孔隙压力状态下确定的数据通过莫尔-库仑强度准则计算得到在有孔隙压力状态下测定的岩样有效应力系数α，取多个岩样有效应力系数α的算数平均值计算得到岩石的有效应力系数。
[0033]
基于上述的针对岩石的有效应力系数确定方法，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的针对岩石的有效应力系数确定方法的步骤。
[0034]
基本于上述的针对岩石的有效应力系数确定方法，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的针对岩石的有效应力系数确定方法的步骤。
[0035]
本发明由于采取以上技术方案，其具备以下有益效果：
[0036]
基于作为一种多孔介质，岩石材料的破坏受作用于骨架上的有效应力控制原理，本发明取自同一块岩心、物理参数相近的岩样，可认为其力学参数基本相同，通过常规力学实验中施加的围压和得出的抗压强度均为总应力，当不加孔隙压力时，该总应力即为有效应力，因此先通过不加孔隙压力时的实验数据和莫尔-库仑强度准则确定岩样的粘聚力和内摩擦角，再利用加孔隙压力后的实验数据计算并确定岩石的有效应力系数，其原理清晰，实验过程和数据处理方法简单，能够实现岩石有效应力系数的快速、精准测量。
附图说明
[0037]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0038]
图1是本发明实施例提供的一种有效应力系数确定方法的有效应力系数测量原理示意图。
具体实施方式
[0039]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0040]
由于目前有效应力系数的求取方法中因岩心的骨架压缩系数难以精确测量或计算而一直导致有效应力系数计算结果存在一定误差的情况。本发明提供一种针对岩石的有效应力系数确定方法，通过取自同一块岩心、物理参数相近的岩样，可认为其力学参数基本相同，采用常规力学实验测定岩样施加的围压和得出的抗压强度均为总应力，基于当不加孔隙压力时，该总应力即为有效应力，先通过不加孔隙压力时的实验数据和莫尔-库仑强度
准则确定岩样的粘聚力和内摩擦角，再利用加孔隙压力后的实验数据反推莫尔-库仑强度准则的有效主应力表达式，从而确定岩石的有效应力系数，能够实现岩石有效应力系数的快速、精准测量。
[0041]
下面通过实施例对本发明的方案进行详细说明。
[0042]
实施例
[0043]
本发明提供一种针对岩石的有效应力系数确定方法，包括：
[0044]
在同一岩石上取物理参数近似的多个岩样作为实验组；
[0045]
从实验组中选取若干岩样在无孔隙压力状态下分别置于不同围压条件下测定岩样的抗压强度；
[0046]
建立围压-抗压强度直角坐标系，在直角坐标系下将在无孔隙压力状态下测定的数据拟合为一条直线，并根据莫尔-库仑强度准则计算出岩样的粘聚力和内摩擦角；
[0047]
从实验组中再次选取若干岩样在有孔隙压力状态下分别置于不同围压条件下测定岩样的抗压强度；
[0048]
将计算得到的岩样粘聚力、内摩擦角以及在有孔隙压力状态下测定的数据通过莫尔-库仑强度准则计算得到岩样有效应力系数，并取多个岩样有效应力系数的算数平均值确定岩石有效应力系数，其中，岩样有效应力系数的表达式为：
[0049][0050][0051]
式中：α为岩样有效应力系数，σ
3p
为有孔隙压力状态下测定的围压，σ
1p
为有孔隙压力状态下测定的抗压强度，p
p
为孔隙压力，c为岩样粘聚力、φ为内摩擦角。
[0052]
具体地，岩样有效应力系数的表达式推导步骤如下：
[0053]
莫尔-库仑强度准则的有效主应力表达式为：
[0054][0055]
σ
′1＝σ
1-αp
p
；
[0056]
σ
′3＝σ
3-αp
p
；
[0057]
式中：σ
′1为抗压强度的有效应力，σ
′3为围压的有效应力，σ1为无孔隙压力状态下测定的抗压强度，σ3为无孔隙压力状态下测定的围压，p
p
为孔隙压力，α为岩样有效应力系数，c为岩样粘聚力、φ为内摩擦角。
[0058]
由于在无孔隙压力状态下的孔隙压力p
p
＝0，即莫尔-库仑强度准则的有效主应力表达式中σ
′1＝σ1，σ
′3＝σ3，通过从实验组中选取若干岩样在无孔隙压力状态下分别置于不同围压σ3条件下测定岩样的抗压强度σ1，即可通过上式计算出岩样的粘聚力c和内摩擦角φ；
[0059]
利用在有孔隙压力状态下分别测定的围压为σ
3p
和抗压强度为σ
1p
，通过莫尔-库仑强度准则的有效主应力表达式可确定围压σ
3p
和抗压强度σ
1p
的有效应力表达式为：
[0060]
σ
′1＝σ
1p-αp
p
；
[0061]
σ
′3＝σ
3p-αp
p
；
[0062]
将计算得到的岩样粘聚力c、内摩擦角φ以及在有孔隙压力状态下测定的数据带入莫尔-库仑强度准则的有效主应力表达式中，并设可重建有效主应力表达式为：σ
1p-αp
p
＝(σ
3p-αp
p
)σ
′3k2 2ck；
[0063]
对重建的有效主应力表达式进行推导从而建立岩样有效应力系数的表达式：
[0064][0065]
基于岩样有效应力系数的表达式，将在有孔隙压力状态下测定的多个抗压强度数据分别带入有效应力系数表达式中并计算出对应的有效应力系数α1、α2、......αn，对多个计算出的有效应力系数进行算术平均取值并得到岩石的有效应力系数，且多个有效应力系数取算术平均值的表达式为：
[0066][0067]
其中，为岩石有效应力系数，n为常数。
[0068]
进一步地，还包括岩样的取样方法：在同一岩石上沿同一方向钻取至少十块圆柱形的标准岩心样，并分别测定每块岩样包含密度、声波速度、孔隙度、渗透率的物理参数，从中选取至少六块各项物理参数近似的岩样作为实验组。优选地，在取样岩样的过程中，要求取样的岩样直径约25mm，长度约50mm。
[0069]
进一步地，还包括岩样实验前的饱和处理方法：将选取作为实验组的各岩样在真空状态下加入同种流体并浸泡至岩样充分吸收流体达到饱和状态。具体地，饱和过程中需先将岩样抽真空，使岩样在真空状态下向其加入足量的流体，且优选地浸泡时间为两小时，使岩样能够充分吸收流体。另外根据测试要求，流体为具有一定粘度的白油、nacl水溶液或kcl水溶液等。
[0070]
进一步地，还包括岩样在无孔隙压力状态下测定抗压强度的实验方法：
[0071]
1)、采用岩石力学试验机，将岩样用热缩套封装后放入岩石力学试验机中压紧，逐步升高围压至设定值，并同步提高轴向载荷使轴向应力与围压等比例加载；
[0072]
2)、在围压升高到设定值后，缓慢提高轴向载荷，使岩样受到的轴向应力逐渐增加并直至岩样发生破坏，记录此时岩样受到的最大轴向应力即为岩样的抗压强度；
[0073]
3)、释放围压，将岩样从岩石力学试验机取出后观察其破坏形态，确保岩样发生剪切破坏，若岩样未发生剪切破坏，则另取物理参数近似的岩样经饱和处理后重复步骤1)-2)，直至岩样发生剪切破坏。
[0074]
因为莫尔-库仑强度准则仅用于描述岩石材料的剪切破坏，所以实验中需要确保岩样的破坏形式为剪切破坏，以提高有效应力系数计算精度。
[0075]
如上所述，此处以取三块岩样为例，将三块岩样分别在围压10mpa、20mpa和30mpa的条件下进行抗压强度实验，测定岩样在无孔隙压力、不同围压状态下的抗压强度，得到不同围压σ3对应的抗压强度σ1。
[0076]
进一步地，还包括岩样在有孔隙压力状态下测定抗压强度的实验方法：
[0077]
1)、采用岩石力学试验机，将岩样用热缩套封装后放入岩石力学试验机中压紧，逐步升高围压至设定值，并同步提高轴向载荷使轴向应力与围压等比例加载；
[0078]
2)、在围压升高到设定值后，通过孔隙压力泵输送孔隙流体给岩样施加设定的孔隙压力，并保持围压和孔隙压力不变，此时缓慢提高轴向载荷，使岩样受到的轴向应力逐渐增加并直至岩样发生破坏，记录此时岩样受到的最大轴向应力即为岩样的抗压强度；
[0079]
3)、释放围压，将岩样从岩石力学试验机取出后观察其破坏形态，确保岩样发生剪切破坏，若岩样未发生剪切破坏，则另取物理参数近似的岩样经饱和处理后重复步骤1)-2)，直至岩样发生剪切破坏。
[0080]
因为莫尔-库仑强度准则仅用于描述岩石材料的剪切破坏，所以实验中需要确保岩样的破坏形式为剪切破坏，以提高有效应力系数计算精度。
[0081]
如上所述，此处以取另外三块岩样为例，将三块岩样分别在围压10mpa、20mpa和30mpa的条件下进行抗压强度实验，并在实验过程中采用与岩样经饱和处理时相同的流体给岩样施加5mpa孔隙压力，测定岩样在有孔隙压力、不同围压状态下的抗压强度，得到不同围压σ
3p
对应的抗压强度σ
1p
。且将该测定的数据分别带入有效应力系数表达式中并计算，则得到对应的有效应力系数α1、α2、α3，对三块岩样的有效应力系数进行算术平均取值并得到岩石的有效应力系数，其中，三块岩样的有效应力系数取算术平均值的表达式为：
[0082]
进一步地，孔隙压力泵给岩样施加孔隙压力的孔隙流体与该岩样经饱和处理的浸泡流体为同种流体。
[0083]
综上所述，通过上述步骤，可以通过岩样饱和抗压强度实验数据计算得出有效应力系数。其原理是：作为一种多孔介质，岩石材料的破坏受作用于骨架上的有效应力控制。因此本发明先通过不加孔隙压力时的实验数据和莫尔-库仑强度准则确定岩样的粘聚力和内摩擦角，再利用加孔隙压力后的实验数据反推莫尔-库仑强度准则的有效主应力表达式，从而确定岩石的有效应力系数。即本发明的有效应力系数确定方法通过结合目前岩石力学领域常用的岩心抗压强度实验设备(岩石力学试验机)，其原理清晰、实验过程和数据处理方法简单，能够实现岩石有效应力系数的快速、精准测量，适用于测定砂岩、煤岩等渗透性较好的岩石的有效应力系数。
[0084]
基于上述的针对岩石的有效应力系数确定方法，本发明还提供该方法的分析装置，包括：
[0085]
第一处理单元，用于在同一岩石上获取物理参数近似的多个岩样作为实验组；
[0086]
第二处理单元，用于从实验组中选取若干岩样在无孔隙压力状态下分别置于不同围压条件下测定岩样的抗压强度，并确定岩样的围压σ3和抗压强度σ1；
[0087]
第三处理单元，用于建立围压-抗压强度直角坐标系，并将在无孔隙压力状态下确定的数据在直角坐标系中拟合为一条直线，基于莫尔-库仑强度准则，通过计算确定岩样的粘聚力c和内摩擦角φ；
[0088]
第四处理单元，用于从实验组中再次选取若干岩样在有孔隙压力状态下分别置于不同围压条件下测定岩样的抗压强度，并确定岩样的围压σ
3p
和抗压强度σ
1p
；
[0089]
第五处理单元，用于将计算得到的岩样粘聚力c、内摩擦角φ以及在有孔隙压力状
态下确定的数据通过莫尔-库仑强度准则计算得到在有孔隙压力状态下测定的岩样有效应力系数α，取多个岩样有效应力系数α的算数平均值计算得到岩石的有效应力系数。
[0090]
基于上述的针对岩石的有效应力系数确定方法，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的针对岩石的有效应力系数确定方法的步骤。
[0091]
基本于上述的针对岩石的有效应力系数确定方法，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的针对岩石的有效应力系数确定方法的步骤。
[0092]
本发明是根据具体实施方式的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0093]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0094]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0095]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。