动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法技术

本发明专利技术公开了动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，该方法包括，选取真实的深部地层对应的硬岩，采用高温加热冷却处理装置、新型多场耦合岩石动态力学测试装置、数字图像相关法表征硬岩在破碎过程中的多场应力环境，分析温度参数、机械动载和预静载参数对岩石自身多尺度破碎力学和能量耗散特征的影响，此种评价方法综合考虑交变大温差，动静外载，围压环境等多种条件下的岩石破碎力学分析，获得不同破碎模式的强度因子，分析破碎强度演化规律及破碎能耗响应规律，建立大温差交变载荷

【技术实现步骤摘要】
动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法


[0001]本专利技术涉及岩石破碎评价领域，特别是动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法。

技术介绍

[0002]在石油钻井工程中，岩石可钻性是井生产中必需的一个基本数据，它在钻井生产中对于指导钻头选型、预测速、优选钻井参数等都有重要的应用价值。但是对于同样的地层或者具有相同岩石可钻性的地层，若其他条件相同而采取不同的钴头钻进，则取得的钻进效果是不同的。同样对于具有相同岩石可钻性的地层，若采用相同的钻头和相同的条件而采取不同的钴进措施(如不同的钻进参数或不同的水力参数等)，则取得的钻进效果是不同的。目前评价这种钻进效率差别的方法和模型尚不多见，而通常的方法只是利用钻速方程来计算各因素对钻速的影响，计算工作量大，分析不直观。目前主流的方法是根据岩石破碎的基本理论，通过牙轮头破碎岩石所消耗的能量分析，建立了岩石破碎评价方法，从而提高钻进效率，但目前评价参数和方法较为单一。
[0003]岩石破碎是采矿工程的基础学科之一，其发展的主要方面有：（1）研究与破碎有关的岩石物理力学性质及其测定方法，包括岩石坚固性、岩石可钻性、岩石可爆性和岩石崩落性等。（2）研究岩石破碎的物理机制、破碎过程，寻求这一过程的监控方法。（3）确定破碎工艺的合理工作参数，它与机械的控制系统相结合，可使机械在最优状态下工作。（4）探索岩石破碎新方法、新工艺、新器材，提高破碎质量和效率，降低破碎能耗和成本。
[0004]目前，现有技术均无法在多尺度下对岩石破碎力学进行分析，考虑的破碎力学角度较为单一，不能反映复杂破岩真实环境，因此需要一种多尺度多参数综合考虑岩石破碎力学分析。
[0005]本专利技术提供动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，该方法包括，选取真实的深部地层对应的硬岩，采用高温加热冷却处理装置、新型多场耦合岩石动态力学测试装置、数字图像相关法表征硬岩在破碎过程中的多场应力环境，分析温度参数、机械动载和预静载参数对岩石自身多尺度破碎力学和能量耗散特征的影响，此种评价方法综合考虑交变大温差，动静外载，围压环境等多种条件下的岩石破碎力学分析，获得不同破碎模式的强度因子，分析破碎强度演化规律及破碎能耗响应规律，建立大温差交变载荷
‑
动态外载
‑
预静载耦合作用下硬岩动态破碎准则，对硬岩破碎力学评价有着极其重要的指导意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，该方法包括，选取真实的深部地层对应的硬岩，采用高温加热冷却处理装置、新型多场耦合岩石动态力学测试装置、数字图像相关法表征硬岩在破碎过程中的多场应力环境，分析温度参数、机械动载和预静载参数对岩石自身多尺度破碎力学和能量耗散特征的影响，此种评价方法综合考虑交变大温差，动静外载，围压环境等多种条件下的岩
石破碎力学分析，获得不同破碎模式的强度因子，分析破碎强度演化规律及破碎能耗响应规律，建立大温差交变载荷
‑
动态外载
‑
预静载耦合作用下硬岩动态破碎准则，对硬岩破碎力学评价有着极其重要的指导意义。
[0007]为实现以上技术效果，采用如下技术方案：动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，包括以下步骤：步骤S1：通过调研与现场考察手段，确定具有代表性的深部难钻目标层位，并采集矿场真实硬岩，根据测井录井数据确定对应层位岩石受到的围压值；步骤S2：根据步骤S1采集的岩样，制备测试评价需要的样品；步骤S3：对步骤S2制备的样品进行矿物组分分析和孔隙结构的微观分析，确定测试样品矿物组分和微观裂纹数量；步骤S4：对步骤S2制备的样品进行交变大温差处理，采用高温加热冷却处理装置对步骤S2制备的测试样品进行“低温
‑
高温
‑
低温”交变大温差处理；步骤S5：对步骤S4处理的样品进行孔隙结构的微观分析，确定微裂纹数量；步骤S6：对步骤S4制备的样品进行高频动态外载处理，采用高频振动台对步骤S4制备的测试样品进行高频动态外载处理；步骤S7：对步骤S6处理的样品进行孔隙结构的微观分析，确定微裂纹数量；步骤S8：将步骤S4处理的测试样品放置三维分离式霍普金森压杆测试装置中，调控样品受到的围压、静态轴向外载力、单次冲击外载加载速率进行不同类型岩石破碎测试，测试过程同步对测试样品开展高速成像观测，确定破碎前微裂纹数量；步骤S9：将步骤S6处理的测试样品放置三维分离式霍普金森压杆测试装置中，调控样品受到的围压、静态轴向外载力进行不同类型岩石破碎测试，测试过程同步对测试样品开展高速成像观测，确定破碎前微裂纹数量；步骤S10：步骤S8和步骤S9中每组测试完成后，通过应力波平衡原理计算获得岩样破碎过程的应力、应变、应变率数据；步骤S11：步骤S8和步骤S9中每组测试完成后，通过分形维数计算方法获得每组测试后样品的分形维数；步骤S12：通过步骤S10的数据和动态强度变化因子计算公式获得同一破碎模式下测试样品的动态强度变化因子，同时获得不同破碎模式下的强度比值；步骤S13：根据能量计算方法计算岩石破碎过程的入射能、反射能、透射能、岩石破碎吸收能；步骤S14：根据步骤S10的数据和摩尔库伦准则获得测试样品的内聚力、内摩擦角；步骤S15：根据步骤S1
‑
步骤S14获得的数据，建立数据集，通过岩石破碎能量
‑
强度配比因子计算方法获得数据集中岩石破碎能量
‑
强度配比因子数据中的最大值和最小值。
[0008]进一步的，所述步骤S2中制备所需的样品，包括压缩破碎样品、拉伸破碎样品、剪切破碎样品。
[0009]进一步的，所述步骤S3矿物组分分析和孔隙结构的微观分析是通过X射线衍射、扫描电镜技术完成的。
[0010]进一步的，所述步骤S4的“低温
‑
高温
‑
低温”交变大温差处理，每组岩样最高温度控制在400~800℃之间，温度梯度为100℃，温度升降速率为10℃/min、20℃/min、30℃/min、
50℃/min；所述步骤S6的高频动态外载处理，每组岩样最高评率控制在30~3000Hz之间，频率梯度为50Hz，每组频率对应的加速度值为5g。
[0011]进一步的，所述步骤S8的围压值为步骤S1确定的围压值；静态轴向外载力平均分成3组，幅值根据钻压确定；单次冲击外载加载速率通过控制岩样应变率实现，应变率分为50s
‑1、100s
‑1、200s
‑1、300s
‑1；不同类型岩石破碎测试包括压缩破碎测试、拉伸破碎测试、剪切破碎测试；测试过程同步开展的高速成像观测通过数字图像相关法进行数据测量，得到岩样破碎前全场裂纹数量。
[0012]进一步的，所述步骤S10应力、应变、应变率计算公式具体为：，所述步骤S10应力、应变、应变率计算公式具体为：，所述步骤S10应力、应变、应变率计算公式具体为：式中，为测试样品随时间变化的平均应力，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，其特征在于，所述评价方法包括以下步骤：步骤S1：通过调研与现场考察手段，确定具有代表性的深部难钻目标层位，并采集矿场真实硬岩，根据测井录井数据确定对应层位岩石受到的围压值；步骤S2：根据步骤S1采集的岩样，制备测试评价需要的样品；步骤S3：对步骤S2制备的样品进行矿物组分分析和孔隙结构的微观分析，确定测试样品矿物组分和微观裂纹数量；步骤S4：对步骤S2制备的样品进行交变大温差处理，采用高温加热冷却处理装置对步骤S2制备的测试样品进行“低温
‑
高温
‑
低温”交变大温差处理；步骤S5：对步骤S4处理的样品进行孔隙结构的微观分析，确定微裂纹数量；步骤S6：对步骤S4制备的样品进行高频动态外载处理，采用高频振动台对步骤S4制备的测试样品进行高频动态外载处理；步骤S7：对步骤S6处理的样品进行孔隙结构的微观分析，确定微裂纹数量；步骤S8：将步骤S4处理的测试样品放置三维分离式霍普金森压杆测试装置中，调控样品受到的围压、静态轴向外载力、单次冲击外载加载速率进行不同类型岩石破碎测试，测试过程同步对测试样品开展高速成像观测，确定破碎前微裂纹数量；步骤S9：将步骤S6处理的测试样品放置三维分离式霍普金森压杆测试装置中，调控样品受到的围压、静态轴向外载力进行不同类型岩石破碎测试，测试过程同步对测试样品开展高速成像观测，确定破碎前微裂纹数量；步骤S10：步骤S8和步骤S9中每组测试完成后，通过应力波平衡原理计算获得岩样破碎过程的应力、应变、应变率数据；步骤S11：步骤S8和步骤S9中每组测试完成后，通过分形维数计算方法获得每组测试后样品的分形维数；步骤S12：通过步骤S10的数据和动态强度变化因子计算公式获得同一破碎模式下测试样品的动态强度变化因子，同时获得不同破碎模式下的强度比值；步骤S13：根据能量计算方法计算岩石破碎过程的入射能、反射能、透射能、岩石破碎吸收能；步骤S14：根据步骤S10的数据和摩尔库伦准则获得测试样品的内聚力、内摩擦角；步骤S15：根据步骤S1
‑
步骤S14获得的数据，建立数据集，通过岩石破碎能量
‑
强度配比因子计算方法获得数据集中岩石破碎能量
‑
强度配比因子数据中的最大值和最小值。2.如权利要求1所述的动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，其特征在于，所述步骤S2中制备所需的样品，包括压缩破碎样品、拉伸破碎样品、剪切破碎样品。3.如权利要求1所述的动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，其特征在于，所述步骤S3矿物组分分析和孔隙结构的微观分析是通过X射线衍射、扫描电镜技术完成的。4.如权利要求1所述的动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，其特征在于，所述步骤S4的“低温
‑
高温
‑
低温”交变大温差处理，每组岩样最高温度控制在400~800℃之间，温度梯度为100℃，温度升降速率为10℃/min、20℃/min、30℃/min、50℃/min；所述步骤S6的高频动态外载处理，每组岩样最高评率控制在30~3000Hz之间，频率梯度为50Hz，
每组频率对应的加速度值为5g。5.如权利要求1所述的动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，其特征在于，所述步骤S8的围压值为步骤S1确定的围压值；静态轴向外载力平均分成3组，幅值根据钻压确定；单次冲击外载加载速率通过控制岩样应变率实现，应变率分为50s
‑1、100s
‑1、200s
‑1、300s
‑1；不同类型岩石破碎测试包括压缩破碎测试、拉伸破碎测试、剪切破碎测试；测试过程同步开展的高速成像观测通过数字图像相关法进行数据测量，得到岩样破碎前全场裂纹数量。6.如权利要求1所述的动静外载温压耦合环境硬岩多尺度破碎参数评价方法，其特征在于，所述步骤S10应力、应变、应变率计算公式具体为：在于，所述步骤S10应力、应变、应变率计算公式具体为：在于，所述步骤S10应力、应变、应变率计算公式具体为：式中，为测试样品随时间变化的平均应力，其单位为MPa；为测试样品随时间变化的平均应变，无量纲；为测试样品受到的随时间变化的应变率，其单位为s
‑1；为杆的横截面积，其单位为m2；为测试样品长度，其单位为m；为入射脉冲应变，无量纲；为反射脉冲应变，无量纲；为透射脉冲应变，无量纲；为压杆弹性模量，其单位为MPa；为杆的波速，其单位为m/s；为测...

【专利技术属性】
技术研发人员：董广建，陈颖杰，付建红，苏堪华，侯学军，袁和义，王强，韩强，荣准，罗顺，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：