一种真三轴岩石强度准则及参数确定方法与流程

本技术涉及油气田钻井开发，特别涉及一种真三轴岩石强度准则及参数确定方法。

背景技术：

1、岩石强度准则是判断岩石在不同岩石应力状态下，是否会发生屈服或破坏的理论，常用于预测不同应力状态下岩石的极限强度。目前最常用的、影响最深远的是mohr-coulomb(mc)准则，但是mc准则未考虑中间主应力的影响，仅描述了岩石在三轴压缩应力状态下的极限强度，且在π平面上均存在6个奇异点，在数值计算应用中极为不便。鉴于岩石的破坏主要受偏应力控制，drucker和prager对改进了von-mises准则，提出了drucker-prager(dp)准则，该准则在主应力空间内为一个圆锥面，在π平面的极限迹线为一个圆，因此不能描述岩石在不同子午线上强度的差别。dp准则考虑了静水压力的影响，比von mises准则更适用于岩土类材料，但采用不同形式的dp准则得到材料强度相差达3～4倍，内切圆低估了岩石强度，而外接圆又高估了岩石强度，这在工程上是十分危险的，因此目前普遍认为dp准则高估了中间主应力对岩石强度的增强作用，在岩土类材料中应慎重使用。针对mc准则和dp准则的缺陷，lade和duncan在1975和1977年提出了lade-duncan准则，但仅适用于弱黏结的砂类土材料，在1977年到1979年，lade修正了lade-duncan准则，即为著名的修正lade准则。修正lade准则考虑了中间主应力的影响，在π平面为光滑曲线，克服了经典mc准则的不足，具有广阔的应用前景。唯一的缺陷是在π平面，其极限迹线仅在三轴压缩状态与mc准则相接，在三轴拉伸状态高估了岩石强度。基于内聚力和内摩擦角两个参数建立的强度准则可统一分类为mc类型强度准则，如dp准则、ml准则、mogi-coulomb(mgc)准则、修正wiebol-cook(mwc)准则准则。另一个经典的强度准则为hoek和brown在1980年建立的岩石破坏经验判别准则，即hoek-brown准则。与mc准则相同，hb准则能区分三轴拉、压强度的差别，并且hb准则在子午面上具有非线性特征，在拉应力区、高围压应力状态，比mc准则更能反映岩石的破坏特征，但是该准则依然没有考虑中间主应力的影响。

2、岩石是一种复杂的天然材料，为理解和掌握岩石承载能力，国内外学者已进行了大量研究。自然界中岩石是在三维应力作用下发生破坏，已建立的三维岩石强度准则在主应力空间和π平面的形状特征、缺陷及其对真三轴岩石强度实验数据的拟合效果有待开展更加全面的研究，同时，应用目前提出的三维mc类型强度准则和三维hb类型强度必须开展真三轴岩石强度实验，现在国内外绝大多数岩石力学实验室还达不到这一要求。

技术实现思路

1、为解决现有岩石强度实验困难的问题，本技术提供一种真三轴岩石强度准则及参数确定方法，从而考虑了三向应力对岩石破坏的影响，且准则中所含的待定参数可以方便的测量得到。

2、一方面，提供了一种真三轴岩石强度准则及参数确定方法，所述方法包括：

3、s1、岩石强度准则转换；

4、s2、lode角形状函数的替换与真三轴岩石强度准则的构建；

5、s3、基于真三轴岩石强度实验数据的修正强度准则待定参数拟合，及预测误差的确定；

6、s4、基于假三轴岩石强度实验数据的mohr-coulomb强度准则待定参数拟合；

7、s5、基于步骤s4确定的待定参数，采用修正的岩石强度准则，预测真三轴岩石强度实验数据，并确定拟合误差；

8、s6、步骤s3和s4确定的待定参数对比及步骤s3和s5确定的真三轴岩石强度预测误差分析；

9、s7、制备标准岩心试样，开展不同围压下岩石假三轴强度实验；

10、s8、基于假三轴岩石强度实验数据的待定参数拟合。

11、在一些实施例中，所述s1包括：

12、将采用主应力表示的mohr-coulomb强度准则转换为采用静水压力、第二应力偏量不变量和lode角三个变量表示的形式。

13、在一些实施例中，所述s2包括：

14、将所述mohr-coulomb强度准则中的lode角形状函数替换为双曲型lode角形状函数，得到修正的mohr-coulomb强度准则。

15、在一些实施例中，所述s3包括：

16、获取真三轴岩石强度实验数据；

17、基于最小一乘法和所述真三轴岩石强度准则拟合所述真三轴岩石强度实验数据，计算得到所述真三轴岩石强度准则中的强度参数；所述强度参数包括内聚力和内摩擦角。

18、在一些实施例中，所述s4包括：

19、获取假三轴岩石强度实验数据；

20、基于最小一乘法和所述真三轴岩石强度准则拟合所述假三轴岩石强度实验数据，计算得到所述假三轴岩石强度准则中的强度参数，所述强度参数包括内聚力和内摩擦角。

21、在一些实施例中，所述s4还包括：

22、基于所述假三轴强度准则中的强度参数预测真三轴岩石强度，计算拟合误差。

23、在一些实施例中，所述s5包括：

24、将所述假三轴岩石强度准则中的强度参数代入所述真三轴强度准则，拟合所述真三轴岩石强度实验数据，计算预测误差。

25、在一些实施例中，所述s6包括：

26、基于所述真三轴岩石强度准则中的强度参数、所述假三轴岩石强度准则中的强度参数以及所述预测误差，判断基于假三轴岩石强度数据计算内聚力和内摩擦角以预测真三轴岩石强度的可行性。

27、在一些实施例中，所述s7包括：

28、基于第一预设数量的标准岩心试样在进行第二预设数量围压的岩石假三轴强度实验，以获取各个标准岩心试样在不同围压下的岩石强度数据；

29、所述第一预设数量大于或等于5，第二预设数量大于或等于5。

30、在一些实施例中，所述s8包括：

31、基于最小一乘法，使用修正的mohr-coulomb强度准则对所述岩石强度数据进行拟合，得到岩石内聚力和内摩擦角。

32、本技术提供的技术方案带来的有益效果至少包括：本发明实施例提供了一种真三轴岩石强度准则及参数确定方法，所述方法包括岩石强度准则转换；lode角形状函数的替换与真三轴岩石强度准则的构建；基于真三轴岩石强度实验数据的修正强度准则待定参数拟合，及预测误差的确定；基于假三轴岩石强度实验数据的mohr-coulomb强度准则待定参数拟合；基于步骤s4确定的待定参数，采用修正的岩石强度准则，预测真三轴岩石强度实验数据，并确定拟合误差；步骤s3和s4确定的待定参数对比及步骤s3和s5确定的真三轴岩石强度预测误差分析；制备标准岩心试样，开展不同围压下岩石假三轴强度实验；基于假三轴岩石强度实验数据的待定参数拟合。本发明实施例提供的方法采用双曲型lode角形状函数替换mc强度准则lode角形状函数，建立真三轴岩石强度准则，解决了现有三维岩石强度准则不能同时满足屈服面光滑且外凸性的要求，同时，修正的mc强度准则在π平面上能够同时与三轴拉伸和三轴压缩应力点相交，该准则的待定参数可采用假三轴强度实验获得，该方法省时省力，能在大多数岩石力学实验室完成测试，并且对真三轴岩石强度实验数据具有很高的预测精度。

技术特征：

1.一种真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述s1包括：

3.根据权利要求2所述的真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述s2包括：

4.根据权利要求3所述的真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述s3包括：

5.根据权利要求4所述的真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述s4包括：

6.根据权利要求5所述的真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述s4还包括：

7.根据权利要求6所述的真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述s5包括：

8.根据权利要求7所述的真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述s6包括：

9.根据权利要求8所述的真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述s7包括：

10.根据权利要求9所述的真三轴岩石强度准则及参数确定方法，其特征在于，所述s8包括：

技术总结
本发明实施例提供了一种真三轴岩石强度准则及参数确定方法，包括岩石强度准则转换；Lode角形状函数的替换与真三轴岩石强度准则的构建；基于真三轴岩石强度实验的修正强度准则待定数据拟合；基于假三轴岩石强度实验的Mohr‑Coulomb强度准则待定数据拟合；拟合待定参数对比与真三轴岩石强度预测误差分析；制备标准岩心试样，开展不同围压下岩石假三轴强度实验；基于假三轴岩石强度实验数据的待定参数拟合。本发明构建的真三轴岩石强度准则对岩石强度的预测精度高，且能够方便的确定待定参数，在大多数岩石力学实验室均有条件完成测试。

技术研发人员：张明明,李大奇,刘金华,张杜杰,李凡,张亚云
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5