一种层状岩石界面断裂过程中应力强度因子测试方法技术

本发明专利技术涉及石油工程技术领域，尤其涉及一种层状岩石界面断裂过程中动态界面应力强度因子测试方法；包括以下步骤：放置加工或制备好有预制裂缝的层状岩石试件块；采集层状岩石试件块加载时刻的荷载；选取任一加载时刻对所采集的对应图像进行计算，得到层状岩石界面附近的应变场；将开口位移量和剪切位移量代入应力强度因子计算公式计算任一加载时刻非裂尖位置处的应力强度因子；采用最小二乘法得到任一加载时刻界面裂纹裂尖位置处的应力强度因子；重复以上步骤得到全部加载时刻的界面裂纹裂尖应力强度因子；本发明专利技术实施例通过数字图像相关算法，获得界面附近应变场，采用线性外插法拟合计算在不同加载时刻的层状岩石界面裂尖应力强度因子；测试方法操作简单，结果可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种层状岩石界面断裂过程中应力强度因子测试方法
本专利技术涉及石油工程
，尤其涉及一种层状岩石界面断裂过程中动态界面应力强度因子测试方法。
技术介绍
自然界中存在许多层状岩石，例如页岩、煤层、砂泥岩互层岩石等等，在进行水力压裂作业过程当中，水力裂缝扩展至层状岩石界面时，水力裂缝的走向及其在层状岩石的层间扩展规律关乎水力压裂的效果。当裂缝穿过界面沿着垂向扩展时，有利于增加水力裂缝高度，提高储层改造效果；当水力层状岩石层间胶结强度较弱时，水力裂缝有可能沿着层间界面扩展，降低水力裂缝高度，造成压裂液漏失，降低压裂效果，漏失的压裂液甚至可能造成对邻近井的井间干扰，影响其邻近井的正常作业。根据断裂力学理论，裂缝延伸准则为尖端应力强度因子大于断裂韧度，因此，获得层状岩石断裂过程中的界面应力强度因子对于裂缝在层状岩石内的扩展路径判断具有重要意义，可对裂缝的走向进行合理预测。现有的应力强度因子测试从研究对象来说分为单材料纯种岩石和双材料层状岩石，从研究手段上来看有解析法和试验法。其中单材料纯种岩石由于没有界面的存在，不管是解析计算还是试验测试都较为简便；但对于双材料层状岩石，由于界面的存在使得裂纹在扩展过程中裂纹尖端的应力状态以及扩展路径较纯种岩石复杂。针对双材料层状岩石界面应力强度因子，解析计算存在很大的复杂性；且传统的应力强度因子试验测试，研究的应力强度因子并未很好的考虑界面裂纹在扩展过程中的动态应力强度因子的研究。
技术实现思路
为克服现有技术存在的不足，本专利技术实施例提供一种层状岩石界面断裂过程中应力强度因子测试方法及系统，该方法操作简单，结果可靠。一方面，本专利技术实施例提供一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试方法，包括以下步骤：S1，放置加工或制备好有预制裂缝的层状岩石试件块；所述层状岩石试件块为双材料层状岩石；S2，采集所述层状岩石试件块加载时刻的荷载；具体包括：采集所述层状岩石试件块的破坏过程图像；S3，选取任一加载时刻对所采集的对应图像进行计算，得到所述层状岩石界面附近的应变场；具体包括：计算所述任一加载时刻非裂尖位置处无奇异性的开口位移量和剪切位移量；S4，将所述开口位移量和剪切位移量代入应力强度因子计算公式计算所述任一加载时刻非裂尖位置处的应力强度因子；S5，采用最小二乘法得到所述任一加载时刻裂尖位置处的应力强度因子；S6，重复S3～S5步骤得到全部加载时刻的应力强度因子另一方面，本专利技术实施例提供一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试系统，包括：压力模块，放置加工或制备好有预制裂缝的层状岩石试件块；所述层状岩石试件块为双材料层状岩石；图像采集模块，采集所述层状岩石试件块加载时刻的荷载；具体包括：采集所述层状岩石试件块的破坏过程图像；图像处理模块，选取任一加载时刻对所采集的对应图像进行计算，得到所述层状岩石界面附近的应变场；具体包括：计算所述任一加载时刻非裂尖位置处无奇异性的开口位移量和剪切位移量；计算输出模块，将所述开口位移量和剪切位移量代入应力强度因子计算公式计算所述任一加载时刻非裂尖位置处的应力强度因子；采用最小二乘法得到所述任一加载时刻裂尖位置处的应力强度因子；重复以上步骤得到全部加载时刻的应力强度因子。本专利技术实施例提供一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试方法及系统；结合三点弯曲或四点弯曲试验和数字图像相关算法(Digitalimagecorrelation，以下简称DIC)，利用DIC获得界面附近应变场，采用最小二乘法拟合计算在不同加载时刻的层状岩石界面裂尖应力强度因子；测试方法操作简单，结果可靠。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对本专利技术技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试方法流程示意图；图2为本专利技术实施例试件块示意图；图3为本专利技术实施例制作好的散斑图像；图4为本专利技术实施例双材料界面裂纹模型；图5为本专利技术实施例为在三点弯曲条件下含预制裂纹的层状岩石模拟试件示意图；图6为本专利技术实施例本专利技术实施例一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试系统结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子的测试方法流程示意图；如图1所示，一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试方法，包括以下步骤：S1，放置加工或制备好有预制裂缝的层状岩石试件块；所述层状岩石试件块为双材料层状岩石；S2，采集所述层状岩石试件块加载时刻的荷载；具体包括：采集所述层状岩石试件块的破坏过程图像；S3，选取任一加载时刻对所采集的对应图像进行计算，得到所述层状岩石界面附近的应变场；具体包括：计算所述任一加载时刻非裂尖位置处无奇异性的开口位移量和剪切位移量；S4，将所述开口位移量和剪切位移量代入应力强度因子计算公式计算所述任一加载时刻非裂尖位置处的应力强度因子；S5，采用最小二乘法得到所述任一加载时刻裂尖位置处的应力强度因子；S6，重复S3～S5步骤得到全部加载时刻的应力强度因子。具体地，图3为本专利技术实施例制作好的散斑图像；如图3所示，所述S1步骤中层状岩石试件块加工或制备还包括在进行实验之前要在所述层状岩石试件块一面上采用黑白两种喷漆制造出散斑图案。首先使用白色油漆将试件的一面喷成白色，再用黑色油漆在距离试件表面一定距离的位置轻轻喷出粒状油漆液滴，让油漆液滴飘落在白色油漆上形成散斑图像。图2为本专利技术实施例试件块示意图，如图2所示，在测量之前要获得待测的双材料层状岩石试件块，此试件块的尺寸形状大小应符合相关行业的测量规范所规定的尺寸大小。可以采用采用长×宽×高为(L×B×H)240mm×60mm×60mm的试件，其中预制裂缝深度(α)为12mm，即预制裂纹深度比α/H为0.2。散斑图像的制作完成后并静置；待油漆风干后，将试件放置在伺服液压机三点弯曲梁上，使带有散斑图像的面朝向摄像机在施加荷载的过程中，计算机记录加载过程的荷载，摄像机记录层状岩石试件的破坏过程。待实验结束后对所采集的图形任一时刻，利用DIC软件进行计算，可得到层状岩石界面附近的应变场；当数字图像法计算得到层状岩石界面附近的位移场时，裂纹尖端附近点在裂缝的张开位移和剪切位移方向的位移量是很容易由配套软件自动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，放置加工或制备好有预制裂缝的层状岩石试件块；所述层状岩石试件块为双材料层状岩石；/nS2，采集所述层状岩石试件块加载时刻的荷载；具体包括：采集所述层状岩石试件块的破坏过程图像；/nS3，选取任一加载时刻对所采集的对应图像进行计算，得到所述层状岩石界面附近的应变场；具体包括：计算所述任一加载时刻非裂尖位置处无奇异性的开口位移量和剪切位移量；/nS4，将所述开口位移量和剪切位移量代入应力强度因子计算公式计算所述任一加载时刻非裂尖位置处的应力强度因子；/nS5，采用最小二乘法得到所述任一加载时刻裂尖位置处的应力强度因子；/nS6，重复S3～S5步骤得到全部加载时刻的应力强度因子。/n

【技术特征摘要】
1.一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，放置加工或制备好有预制裂缝的层状岩石试件块；所述层状岩石试件块为双材料层状岩石；
S2，采集所述层状岩石试件块加载时刻的荷载；具体包括：采集所述层状岩石试件块的破坏过程图像；
S3，选取任一加载时刻对所采集的对应图像进行计算，得到所述层状岩石界面附近的应变场；具体包括：计算所述任一加载时刻非裂尖位置处无奇异性的开口位移量和剪切位移量；
S4，将所述开口位移量和剪切位移量代入应力强度因子计算公式计算所述任一加载时刻非裂尖位置处的应力强度因子；
S5，采用最小二乘法得到所述任一加载时刻裂尖位置处的应力强度因子；
S6，重复S3～S5步骤得到全部加载时刻的应力强度因子。


2.根据权利要求1所示的一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试方法，其特征在于，所述S6步骤还包括，将所述全部加载时刻的应力强度因子描述为时间的函数曲线，得到所述层状岩石界面动态应力强度因子。


3.根据权利要求1所述的一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试方法，其特征在于，所述S4步骤中应力强度因子计算公式为：






其中，
式中E1和E2表示两种岩石的弹性模量；K1、K2分别为材料I层状岩石界面和材料II层状岩石界面应力强度因子；δ1、δ2分为裂缝张开位移和剪切位移；ε为界面裂纹的振荡因子；r为裂缝翼缘到裂缝尖端的距离；L为特征长度。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨焕强，熊冬，刘杨，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42