CN112067460A - 一种层状岩石界面断裂过程中应力强度因子测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
为克服现有技术存在的不足，本发明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***，该方法操作简单，结果可靠。
一方面，本发明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，本发明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***，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。
本发明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***；结合三点弯曲或四点弯曲试验和数字图像相关算法(Digital imagecorrelation，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发明的技术方案，下面将对本发明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发明的一些实施例，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为本发明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为本发明实施例试件块示意图；
图3为本发明实施例制作好的散斑图像；
图4为本发明实施例双材料界面裂纹模型；
图5为本发明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为本发明实施例本发明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***结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明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为本发明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为本发明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计算得出的。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。
本发明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；结合三点弯曲或四点弯曲试验和DIC，利用DIC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。
进一步地，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。获得层状岩石断裂过程中的界面动态应力强度因子可对裂缝在层状岩石内的扩展路径判断和对裂缝的走向进行合理预测。
进一步地，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。
具体地，图4为本发明实施例双材料界面裂纹模型；如图4所示，基于裂缝面位移求解界面应力强度因子的过程如下：y＞0的区域为材料1，y＜0的区域为材料2。基于裂纹开口位移表示的界面裂纹尖端材料I、材料II应力强度因子表达式为：
式中:
Q＝εln(r/(ha)) (6)
其中C、Q和是两个中间变量，是为了让K1、K2的表达式看起来更简洁便于书写；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，可通过两种材料的弹性常数求得；α、β为Dundurs参数(也称为异材参数)；ν1和ν2表示两种岩石的泊松比；r为裂缝翼缘到裂缝尖端的距离；距离L为特征长度(取L为2a，a为预制裂缝长度)；κi中的i＝1或2，κ1和κ2为两种材料的卡帕参数，与泊松比有关；K1、K2分别为材料I、材料II的应力强度因子。
通过对料I、材料II应力强度因子表达式变形得到料I、材料II应力强度因子计算公式。
图5为本发明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；如图5所示，在某一加载时刻下，点A为裂缝面附近一点，点A与裂缝尖端距离为r。由于应力强度因子为裂缝尖端位置的值，即是在r→0的情况下的值，可以采用外推法计算得到在裂纹尖端的应力强度因子。当每一个加载时刻下的应力强度因子都计算得到以后就可以将其描述为时间的函数曲线，即得到界面动态应力强度因子。下面就在某一加载时刻条件下，由点A处应力强度因子外推得到裂尖应力强度因子过程做如下叙述：
根据数字图像算法计算在某一加载时刻条件下非裂尖位置处无奇异性的开口位移量和剪切位移量；结合图4所示的图中假设所选取的点的坐标为(r，θ)，当r→0时，此时的应力为无穷大，即表现出奇异性；如在图5中选取i点作为计算点，假设其坐标都为(xi，yi)，那么在点i处，r>0，由于没有奇异性，可计算出在这一点处的应力强度因子，则通过应力强度因子计算公式计算：
然后可以构造数对(K1i，ri)和(KIIi，ri)，利用最小二乘法来拟合数据点。由已有研究可知，应力强度因子具有线性外插性，因此可以假定ri和K1i、KIIi之间可以用线性关系来近似，对于选取的i点，其计算出的应力强度因子K1i、KIIi与ri构成的数对若看成坐标点，将其绘制在直角坐标系中理论上为线性一次函数关系。
基于上述理论，I型与II型应力强度因子与r的关系满足一次函数关系，采用最小二乘法来拟合数据，则有：
由于最小二乘的最佳拟合条件为数据偏差的平方和最小，可以写成下式：
为求取上式的最小值，采用极值求取方法，则有：
求解线性方程组(15)、(16)，从中可得到所拟合直线的截距；其解如下式：
和
当r＝0时，所拟合出的函数关系式应力强度因子与截距相等，因此，得到的解中截距值就为裂尖处的应力强度因子。
本发明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；结合三点弯曲或四点弯曲试验和DIC，利用DIC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；且得到所述层状岩石界面动态应力强度因子，能够实现对裂缝的走向进行合理预测。
基于上述实施例，图6为本发明实施例本发明实施例一种层状岩石界面断裂过程中应力强度因子测试***结构示意图；如图6所示，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。
具体地，压力模块将工或制备好有预制裂缝的层状岩石试件块放置于伺服液压机的正前方适当位置；图像采集模块通过工业测量相机采集所述层状岩石试件块加载时刻的荷载；图像处理模块通过数据处理软件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；计算输出模块计算任一加载时刻裂尖位置处的应力强度因子；压力模块、图像采集模块图像处理模块与计算输出模块之间通过数据传输装置连接。
本发明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***执行上述方法步骤；结合三点弯曲或四点弯曲试验和DIC，利用DIC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；且得到所述层状岩石界面动态应力强度因子，能够实现对裂缝的走向进行合理预测。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
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。
Claims (6)
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。
4.一种层状岩石界面断裂过程中界面动态应力强度因子测试***，其特征在于，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。
5.根据权利要求4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***，其特征在于，所述计算输出模块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。
6.根据权利要求4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***，其特征在于，所述数据计算模块中，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。
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