一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法，步骤如下：(1)将待测岩样进行单轴压缩条件下的声发射试验，获得单轴声发射地应力值；(2)将待测岩样进行三组不同围压下的三轴压缩试验，得到三组围压对应的峰值强度，利用莫尔圆获得待测岩样的内摩擦角；(3)根据建立的基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角‑真实地应力值数学模型，利用待测岩样的单轴声发射地应力值、地层围压值以及内摩擦角来确定待测岩样的真实地应力值。本发明专利技术基于岩石内摩擦角的大小影响因裂纹扩展产生的声发射信号的原理，提供了一种利用单轴声发射试验获得真实地应力值的方法，相比岩石三轴压缩条件下的声发射试验，操作简单，降低了对试验设备的要求。

Method for obtaining actual stress value of rock under uniaxial acoustic emission by using internal friction angle

The invention discloses a method for obtaining the angle, under the conditions of the real stress value of rock uniaxial friction by using acoustic emission steps are as follows: (1) of the tested rock samples under uniaxial compression AE test, uniaxial stress value of acoustic emission; (2) of the tested samples into three groups three axial compression test under different confining pressure, peak intensity of three groups corresponding to the confining pressure, the Mohr circle tested were obtained samples internal friction angle; (3) according to the single axis acoustic emission stress and confining pressure value of the internal friction angle of rock stress value real mathematical model based on the use of the test samples of single axis acoustic emission stress value formation, confining pressure and internal friction angle to be measured to determine the true value of rock stress. The size effect of internal friction angle of rock based on crack propagation due to the principle of acoustic emission signal, provides a method of single axis acoustic emission test method to obtain the actual stress value, compared to three of rock under triaxial compression AE test, simple operation, reduces the test equipment requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法
本专利技术属于岩石力学
，具体的，涉及一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法。
技术介绍
岩石力学工程的许多方面都涉及到原位地应力值的研究，尤其在石油工业领域，地应力的大小影响油气的运移和聚集以及压裂施工的方案设计等，是油气资源评价、油气井工程设计和施工的重要基础数据之一。Kaiser效应表明当应力达到材料所受过的最大应力时就开始出现明显的声发射现象，声发射试验测定岩石地应力大小正是利用了著名的Kaiser效应原理，即岩石对于原始承受的应力具有积累、保留和信息再现的能力。岩石在地下的原位应力状态是三向应力状态，为了使岩石地应力值的测量条件尽量接近真实的地下状态，声发射试验应该在三向应力状态下进行，即三轴压缩条件下的声发射试验，但这种测试方法对仪器设备以及试验操作的要求都较高。目前利用声发射试验测定地应力值多是在单轴压缩条件下进行，但考虑到围压的消除将影响岩石压缩过程中裂纹的扩展状态，从而影响声发射信号采集结果，所以单轴声发射地应力值并不等于真实的地应力值。目前研究学者形成的共识为：真实地应力值为单轴声发射地应力值和围压值的线性组合，对于线性组合中围压值的影响系数，学者们通过试验研究给出了一些取值范围，但并没有形成统一结论，也没有提供定量的计算方法。综上所述，亟待提供一种基于单轴声发射地应力值和围压值确定真实地应力值的方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法，基于围压的大小影响岩石压缩过程中裂纹的扩展状态，从而影响声发射信号采集结果，通过引入内摩擦角来对围压值的影响程度进行定量计算。为实现上述目的，本专利技术提供的技术解决方案为：一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法，包括以下步骤：(1)将待测岩样进行单轴压缩条件下的声发射试验，获得单轴声发射地应力值；(2)将待测岩样进行三组不同围压下的三轴压缩试验，得到三组围压对应的峰值强度，利用莫尔圆获得待测岩样的内摩擦角；(3)根据建立的基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角-真实地应力值数学模型，利用待测岩样的单轴声发射地应力值、地层围压值以及内摩擦角来确定待测岩样的真实地应力值。所述步骤(3)中，地层围压值由待测岩样所处层位的地质资料和现场施工资料确定。所述步骤(3)中，基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角-真实地应力值数学模型的建立方法为：将标准岩样进行单轴压缩条件下的声发射试验，获得单轴声发射地应力值σKE；将标准岩样进行三组不同围压下的三轴压缩试验，得到标准岩样的内摩擦角利用水力压裂法施工资料，获得标准岩样所在地层的真实地应力值σ1和围压值σ3；利用统计学方法，将所述标准岩样的内摩擦角和标准岩样的真实地应力值进行数学拟合，得到基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角-真实地应力值数学模型。所述的基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角-真实地应力值数学模型为：σ1＝σKE+(1.51e-0.07φ+1)σ3其中，σ1为真实地应力值；σKE为单轴声发射地应力值；为内摩擦角；σ3为围压值。本专利技术具有如下有益效果：(1)基于真实地应力值为单轴声发射地应力值和围压值的线性组合，对围压值的影响程度给出了定量计算方法；(2)相比于岩石三轴压缩条件下的声发射试验，本专利技术提供的方法降低了设备的复杂程度，试验操作更简单；(3)该方法准确度高，可广泛应用于声发射试验领域。附图说明图1为利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法流程示意图；图2为岩石单轴压缩声发射试验系统图；图3为待测岩样单轴声发射地应力值试验结果图；图4为待测岩样利用莫尔圆确定内摩擦角结果图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术提供的一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法作进一步说明：(1)在待测全直径大岩芯上，沿所需测定地应力的方向钻取小岩样，按国际岩石力学学会(ISRM)标准将待测小岩样制作成直径25mm、长度50mm的岩芯柱，然后将岩芯柱的两端面在磨平机上磨平，磨平后的两端面平行度公差不大于0.1mm，按此方法，共需制作4块小岩样。(2)进行待测岩样单轴压缩条件下的声发射试验，试验系统如图2所示，具体方法为：选一块待测岩样，放置于单轴加载装置内，将声发射探头与待测岩样接触，试验开始时，同时启动单轴加载系统和声发射系统，试验过程中的应力-时间和声发射信号-时间数据由计算机自动采集，其中：单轴加载系统加载速率设定为2MPa/min；声发射系统采用MISTRAS2009，换能器为200kHz，前置放大器和后置放大器设置为40分贝，高通滤波器和低通滤波器分别设置为100kHz和400kHz，阀值固定为45分贝；声发射信号-时间关系图上声发射信号突变点处对应的时间，与应力-时间关系图上同一时间点处对应的应力值即为单轴声发射地应力值σKE，试验结果如图3所示，σKE＝5.8MPa。(3)将剩下的三块待测岩样进行不同围压下的三轴压缩试验，三组围压分别设定为10MPa、20MPa和30MPa，根据三组围压下的峰值强度数值，利用莫尔圆得到待测岩样的内摩擦角试验结果如图4所示。(4)基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角-真实地应力值数学模型的建立方法为：从不同区块、不同深度处获取10组全直径岩芯，在每一组全直径岩芯上沿特定方向钻取4块小岩样，按国际岩石力学学会(ISRM)标准将小岩样制作成直径25mm、长度50mm的岩芯柱，然后将岩芯柱的两端面在磨平机上磨平，磨平后的两端面平行度公差不大于0.1mm，共获得10组(每组4块)标准岩样，为避免岩样样本误差对试验结果造成影响，所选标准岩样应表面无裂纹，质地均匀；从每一组标准岩样中选取一块进行单轴压缩条件下的声发射试验，具体方法如步骤(2)所示，共进行10组标准岩样的单轴压缩条件下声发射试验，获得10组标准岩样的单轴声发射地应力值；进行10组标准岩样不同围压下的三轴压缩试验，每一组设定3个不同围压，根据3个不同围压对应的峰值强度，得到每一组标准岩样的内摩擦角，共获得10组标准岩样的内摩擦角；为保证本专利技术建立的基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角-真实地应力值数学模型的准确性，标准岩样的真实地应力值由目前公认最准确的水力压裂法确定，根据10组标准岩样所在层位的水力压裂施工资料，计算得到10组标准岩样沿特定方向的真实地应力值，同时获得标准岩样所在层位的围压值；基于真实地应力值为单轴声发射地应力值和围压值的线性组合，计算得到10组标准岩样的围压值的影响系数，利用统计学方法，将10组标准岩样围压值的影响系数和10组标准岩样的内摩擦角进行数学拟合，结果表明两者相关系数高达0.98，由此，得到基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角-真实地应力值数学模型为：σ1＝σKE+(1.51e-0.07φ+1)σ3其中，σ1为真实地应力值；σKE为单轴声发射地应力值；为内摩擦角；σ3为围压值。(5)根据上述基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角-真实地应力值数学模型，计算得到待测岩样的真实地应力值σ1＝51.1MPa，其中，由待测岩样所在层位的地质资料和现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将待测岩样进行单轴压缩条件下的声发射试验，获得单轴声发射地应力值；(2)将待测岩样进行三组不同围压下的三轴压缩试验，得到三组围压对应的峰值强度，利用莫尔圆获得待测岩样的内摩擦角；(3)根据建立的基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角‑真实地应力值数学模型，利用待测岩样的单轴声发射地应力值、地层围压值以及内摩擦角来确定待测岩样的真实地应力值。

【技术特征摘要】
1.一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将待测岩样进行单轴压缩条件下的声发射试验，获得单轴声发射地应力值；(2)将待测岩样进行三组不同围压下的三轴压缩试验，得到三组围压对应的峰值强度，利用莫尔圆获得待测岩样的内摩擦角；(3)根据建立的基于单轴声发射地应力值和围压值的岩石内摩擦角-真实地应力值数学模型，利用待测岩样的单轴声发射地应力值、地层围压值以及内摩擦角来确定待测岩样的真实地应力值。2.根据权利要求1所述的一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，地层围压值由待测岩样所处层位的地质资料和现场施工资料确定。3.根据权利要求1所述的一种利用内摩擦角获得岩石单轴声发射条件下真实地应力值的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，基于单轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：田勇，俞然刚，张能，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37