[发明专利]一种测定岩性非衰减蠕变阶段在不同应力下的失稳时间的方法

说明书

技术领域

属于石油天然气勘探开发及其他岩石工程领域，具体涉及一种从能量转换角度描述岩性蠕变的方法，通过判别分析，建立能够有效描述岩石第三蠕变阶段的本构模型，解决了常规蠕变模型难以解释、描述岩石蠕变第三阶段的问题，

背景技术

流变作为岩石的一项重要力学性质与许多工程质量息息相关，在油气钻井工程及其他岩土工程中，由岩石流变导致工程失稳所造成的施工安全及经济损失不可小觑。

国内外学者对岩石的流变特性做了大量的理论及实验研究。毛东风等从理论上对均匀地应力场下及非均匀地应力场下蠕变引起的岩压外载及因远近含水量不同而引起的变化进行了分析；范翔宇等对煤岩储气层岩石蠕变特性与本构模型进行了研究，建立了饱依丁–汤姆逊体与宾汉姆体串联模型；杨逾等建立了西原加速模型；何峰等对破碎煤岩峰后渗流-蠕变进行了实验研究；李金和等通过单轴压缩蠕变实验研究了大理岩蠕变模型参数；陈绍杰等采用LS-DYNA数值方法分析了深部煤柱的蠕变支撑效应；周长冰等建立了高温三轴应力条件下的煤岩蠕变模型；赵斌等对不同应力水平条件下煤岩蠕变破坏特征进行了研究；刘钦等对灰质页岩蠕变特性进行了试验研究；杨红伟等对三轴压缩条件下岩石孔隙水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性及模型研究；赵洪宝等对处于不同载荷水平作用下的红砂岩试样剪切蠕变力学特性进行了系统的研究，并基于试验结果尝试解释了一些边坡失稳发生时的现象；黄达等开展相同初始高应力状态条件下恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。

以上理论和方法基本是从力学的角度研究了岩石的蠕变特性，为后人研究岩石蠕变特性打下了一定的基础。由于从不同角度研究岩石的蠕变特性，取得的效果会有所差别。

岩石蠕变通常分为两种形式，即衰减蠕变和非衰减蠕变。在岩石所受荷载小于岩石的长期强度时，岩石发生衰减蠕变；在岩石所受荷载大于长期强度时，岩石发生非衰减蠕变。

岩石的工程失稳很多情况是由非衰减蠕变引起的。现在从能量转换的角度分析岩石非衰减蠕变的三个阶段：(1)减速蠕变阶段，该阶段主要以弹性形变为主。其原因是岩石要破裂，首先要破坏各基元的价键。而岩石基元粒子之间是通过各种化学键相结合的，这些价键的结合力是吸引力和排斥力共同作用的结果。在此阶段，外力功主要转变为弹性势能(由于岩石先天性的缺陷，因此该阶段并非表现理想弹性体的特点)。(2)稳定蠕变阶段，主要以塑性变形为主。其原因是岩石弹性势能达到一定程度，价键开始断裂，岩石的不同组元内开始大量产生各种缺陷，使得岩石所受的外力功主要转化为塑性变形能。使该阶段主要表现为塑性变形的特点，使组元结构发生不可逆的畸变。(3)加速蠕变阶段，该阶段发展迅速，并且在短时间内发生破坏。主要是因为岩石在外力功的作用下，岩石内部积蓄的塑性变形能已经达到极限，岩石产生宏观裂纹并迅速扩展。在此阶段，外力功主要转化为动能，导致该阶段应变迅速增大，并使岩石快速破裂。

在油气钻采及其他岩石工程开挖过程中，随着时间的推移，井壁及其他岩石工程失稳事故时有发生，很大一部分是由岩石蠕变失稳造成的。传统的岩石蠕变模型对于描述蠕变的全过程效果不理想，主要存在以下问题：

(1)无法有效描述岩石蠕变的第三阶段(即岩石的加速蠕变阶段)。

(2)只能解释岩石蠕变的现象而不能解释岩石发生蠕变的内在原因及无法解释岩石的蠕变为什么会分为三个阶段。

西原模型是由胡克体、开尔文体和理想粘塑性体串联而成(见图1)，能够较全面反映岩石的弹-粘弹-粘塑性特征。

模型中，当岩石所受荷载(σ)小于岩石的长期强度(σ_S)时，只有胡克体和开尔文体发生形变；当岩石所受荷载大于岩石长期强度时，除了胡克体及开尔文体发生形变外，理想粘塑性体也会发生形变。

图1中E₁、E₂分别为胡克体和开尔文体中的弹性模量；该模型对应的蠕变方程为：

(1)当时，蠕变方程：