本发明涉及地热能勘探开发，具体涉及一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法。
背景技术：
1、地热能作为一种重要的清洁可再生能源，具有低碳环保、稳定高效等一系列优势，开发潜力巨大，特别是随着“双碳”目标的提出，地热资源以其独特的优势被众多研究者所关注。由于我国干热岩地热资源开发处于初期，未能形成一定的规模，所能获得的储层参数极少，无法获得有效、可靠的岩石力学参数对干热岩勘探开发全过程进行预测，因此导致了我国在干热岩钻井建井过程所面临的技术挑战一直未能得到有效解决。
2、由于干热岩储层岩心及其珍贵且岩心尺寸较小，目前我国在干热岩开发中对于岩石力学特征预测和计算中多采用干热岩表面岩石模拟其岩心进行力学特征变化的预测和测试，以用于指导干热岩的开发勘探。比如郤保平等发表的“基于黏弹性理论的干热岩井筒变形与损伤破坏研究”，其提出一种基于黏弹性理论用于推导井筒围岩损伤破坏判别式，研究不同环境下井筒变形与损伤破坏规律。又如张东清等发表的“基于热弹性理论的含结构面的干热岩井筒变形破坏规律研究”，提出了一种基于热弹性理论推导出三维应力状态下干热岩损伤破坏判断表达式，并运用comsol有限元软件建立热力耦合作用下干热岩井筒围岩稳定力学模型，研究温度、结构面厚度和倾角对含结构面的干热岩井筒变形破坏规律的影响。
3、上述现有方法以及还未提及的其他研究从不同方面研究了干热岩开采中岩石力学特征变化并用于指导开发勘探，但是总体来说干热岩开发勘探中其岩石力学性能预测还没有统一的标准、可参考的研究和数据仍然有限，并且现有技术中的预测方法多需要进行大量的实验以获取数据进行有次元方法耦合才能得到，需要大量经济成本和时间成本，因此提出一种区别于现有技术中的预测干热岩岩石力学特征的方法，用于指导干热岩的开发勘探，丰富干热岩可用的研究数据具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明意在提供一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，以解决现有干热岩岩石力学预测方法需要获取大量实验数据进行有次元方法耦合才能建立准确可靠的预测模型的技术问题。
2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，包括以下步骤：
3、步骤1：测试花岗岩基质岩心、裂缝岩心的内聚力、内摩擦角、岩石杨氏模量、泊松比和尺寸；
4、步骤2：对花岗岩基质岩心、裂缝岩心进行巴西劈裂试验，并对岩心断面进行光学扫描，得到岩心裂缝面粗糙度分布点坐标；
5、步骤3：建立步骤1中所述岩心内聚力、内摩擦角与分形维数之间的模型关系，所述模型关系中分别嵌入mohr-coulomb(莫尔-库伦)强度破坏准则模型和弱面稳定性判定准则模型，得到基于分形特征的评价模型；
6、步骤4：建立步骤1中所述岩心岩石杨氏模量、泊松比与分形维数之间的模型关系，所述模型关系中嵌入断裂力学应力集中因子，得到基于分形特征的岩石破坏应力集中因子模型；
7、步骤5：依据步骤3中的评价模型对干热岩的破坏特征和弱面稳定性进行判断；依据步骤4中的岩石破坏应力集中因子模型对干热岩储层改造情况进行评价。
8、本方案的原理及优点是：
9、本发明人在干热岩力学实验研究过程中发现，劈裂后的岩心裂缝面具有明显分形的特征，且裂缝面的复杂粗糙程度可以用分形维数进行描述。同时，裂缝面的分形维数特征受研究试件层位的影响，因此本发明人尝试将岩心的破裂面分形维数特征用于干热岩岩石力学特征的预测中，通过对岩样断面或劈裂面进行扫描的方式，获得裂缝面粗糙度分布点坐标，并建立岩石力学参数与裂缝面分形维数之间的模型，并由此建立了一种基于分裂面分形维数预测干热岩岩石力学特征的新方法。
10、同时，本发明人还在新方法中将建立的分形维数模型中嵌入莫尔-库伦强度破坏准则模型、弱面稳定性判定准则和断裂力学应力集中因子模型，并将上述模型用于岩石的强度、弱面稳定性、井壁稳定性及水力压裂造储效果评价和判断，对干热岩开发方案过程中涉及的岩石力学参数进行提前预测，为干热岩开发勘探提供了新的指导理论。并且本方法不依赖于获取大量的实验数据进行有限元方法耦合，使用个位数的数据即可模拟出有效的预测模型公式，可以有效解决以往只能通过大量实验技术获取岩石力学参数的局限，大大降低经济成本和时间成本。
11、优选的，作为一种改进，所述步骤3中岩心内聚力、内摩擦角与分形维数的模型关系具体为：
12、基质岩心破坏后裂缝面分形维数与内聚力之间的关系为：
13、
14、裂缝岩心破坏后裂缝面分形维数与内聚力之间的关系为：
15、
16、基质岩心破坏后裂缝面分形维数与内摩擦角之间的关系为：
17、
18、裂缝岩心破坏后裂缝面分形维数与内摩擦角之间的关系为：
19、
20、式中：c、cw分别为基质岩心、裂缝岩心的内聚力，单位为mpa；分别为基质岩心、裂缝岩心的内摩擦角，单位为°；d为分形维数；a1，b1，c1，a2，b2，c2，a3，b3，c3，a4，b4，c4为拟合常数。
21、本技术中，上述内聚力或内摩擦角与分形维数的回归方程为本发明人经过多项式拟合的方法获得，其中根据不同岩心测试数据拟合，可以求得不同拟合常数。
22、优选的，作为一种改进，所述步骤3中mohr-coulomb(莫尔-库伦)强度破坏准则模型为：
23、
24、式中：c(d)为裂缝面的内聚力关于分形维数的函数，由上述公式(1)确定；为裂缝间内摩擦角关于分形维数的函数，由上述公式(3)确定；τ为剪切应力，单位为mpa；σ为正应力，单位为mpa；
25、所述弱面稳定性判定准则为：
26、
27、式中：为裂缝间内摩擦角关于分形维数的函数，由上述公式(2)确定；cw(d)为裂缝间内聚力关于分形维数的函数，由上述公式(4)确定，ξ为井壁主应力与裂缝面法线方向之间的夹角，单位为°；σθ为周向应力，单位为mpa；σr为径向应力，单位为mpa；α为有效应力系数，取0.44；pp为地层孔隙压力，单位为mpa。
28、稳定性系数计算公式为：
29、
30、式中:ff(d)为基于分形特征的岩石弱面的稳定性系数；σfn为作用在岩石弱面上的正应力，单位为mpa；φf(d)为基于分形特征的岩石弱面的摩擦角，单位为°；cf(d)为基于岩石分形特征的岩石弱面的内聚力，单位为mpa；τf为作用在岩石弱面上的剪应力，单位为mpa。
31、本技术中，通过嵌入在分形维数关系中嵌入mohr-coulomb强度破坏准则模型能够得到基于分形维数与岩石弱面稳定性系数的公式，并用于判断岩石弱面稳定性。
32、优选的，作为一种改进，所述步骤4中岩心的岩石杨氏模量、泊松比与分形维数的模型关系具体为：
33、基于室内试验测量的数据体，选用多项式拟合的方法，得到了岩石破坏后裂缝面分形维数与岩石力学参数弹性模量(泊松比)之间的回归方程，其中：
34、干热岩岩石破坏后裂缝面分形维数与泊松比的回归方程：
35、e＝a1+b1d-c1d2 (8)
36、干热岩岩石破坏后裂缝面分形维数与泊松比的回归方程：
37、ν＝a2+b2d-c2d2 (9)
38、式中：e为岩心的弹性模量，单位为mpa，v为岩石的泊松比，d为分形维数，a1、a2、b1、b2、c1、c2为拟合常数。
39、本技术中，上述弹性模量或泊松比与分形维数的回归方程为本发明人经过多项式拟合的方法获得，其中根据不同岩心测试数据拟合，可以求得不同拟合常数。
40、优选的，作为一种改进，所述步骤4中断裂力学应力集中因子定义为：
41、
42、式中：e(d)为干热岩岩心弹性模量关于分形维数的函数，由公式(8)确定；v(d)为干热岩岩心泊松比关于分形维数的函数，由公式(9)确定，ui为不同方向的位移，θ为以水力裂缝尖端为原点的极角，r为极半径。
43、优选的，作为一种改进，所述分形维数d的建立方法为：
44、首先利用平均方差增量法，定义方差为v(h)，其表达式为：
45、
46、式中：岩石裂缝面单变量函数z(x)，h表示两个相邻点之间的水平间距，n为数据采样点数目，j为对r的迭代数变量，z(xi)为在点的粗糙高度，由步骤2测得；
47、其次利用分形几何理论中的变量图法公式求出d，变量图法公式：
48、v(h)＝a·h2(2-d) (12)
49、在(12)式方差v(h)和h的对数坐标中，a是lgv(h)轴的截距，2(2-d)是差v(h)和测量相邻点h对数坐标中拟合曲线的斜率，d为分形维数。
50、本技术中，对岩石裂缝面进行扫描后，通过统计学的方法对岩石裂缝面数据进行处理，便可得到不同测量尺度h与方差v(h)之间的关系，在双对数坐标中lg v(h)与lg h成线性关系，在这种线性关系中，迪卡尔坐标系中与y轴的截距即为2(2-d)，即可根据截距求出裂缝断面的分形维数d。
51、优选的，作为一种改进，所述步骤5中对干热岩的破坏特征的判断方法为：
52、根据强度曲线的类型及对应的强度破坏准则，对岩石试样的破坏特征进行分析；
53、对干热岩的弱面稳定性的判断方法为：
54、ff(d)<0，软弱面失稳；ff(d)＝0，软弱面失稳处于极限平衡状态；ff(d)>0，软弱面稳定，且ff(d)越大，弱面稳定性越高，ff(d)由式计算而来。
55、优选的，作为一种改进，所述步骤5中对干热岩储层改造情况进行评价的方法为：
56、当式中ki到达临界值，通过下式计算不同方向的值，对裂缝的扩展方向进行预测，
57、
58、式中：di为尖端单元沿不同方向的位移不连续量，a为尖端单元半长，0.806为经过大量计算后的经验常数。
59、优选的，作为一种改进，所述步骤5中还包括井壁稳定性的评价方法，所述评价方法具体为：根据井筒-地层之间是否存在渗流运移，使用不同的评价模型评价井壁稳定性。
60、优选的，作为一种改进，所述未考虑井筒-地层之间渗流情况下有效周向应力计算公式为：
61、σθ＝η(3σh-σh-pw)-αpp (14)
62、σr＝pm-δφ(pm-pp) (15)
63、所述考虑井筒-地层之间的渗流有效周向应力计算公式为：
64、
65、式中：σh为最大水平主应力，mpa；σh为最小水平主应力，mpa；φ为孔隙度；pm为破裂压力；pw为井筒内液柱压力，mpa；δ为渗流系数；η为校正系数，取1。
66、优选的，作为一种改进，所述未考虑井筒-地层之间渗流情况下，当井壁围岩不沿裂缝面发生滑移失稳时，将上述公式(14)和公式(15)代入基于基岩岩石裂缝面分形特征的mohr-coulomb强度破坏准则公式，井壁坍塌压力当量密度计算公式如下：
67、
68、所述未考虑井筒-地层之间渗流情况下，当井壁围岩沿裂缝面发生滑移失稳时，将上述公式(14)和公式(15)代入上述基于含裂缝岩石裂缝面分形特征的弱面强度准则公式，井壁坍塌压力当量密度计算公式如下：
69、
70、式中：ξ为井壁主应力与裂缝面法线方向之间的夹角。
71、优选的，作为一种改进，考虑井筒-地层之间的渗流，当井壁围岩不沿裂缝面发生滑移失稳时，将上述公式(16)和公式(15)代入基于基岩岩石裂缝面分形特征的mohr-coulomb强度破坏准则公式中，可以通过分形维数计算井壁坍塌压力当量密度：
72、
73、当井壁围岩沿裂缝面发生滑移失稳时，将上述公式(5)和公式(15)代入基于含裂缝岩石裂缝面分形特征的弱面强度准则公式，可以通过分形维数计算井壁坍塌压力当量密度：
74、
75、式中：ξ为井壁主应力与裂缝面法线方向之间的夹角。
1.一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：所述步骤3中岩心内聚力、内摩擦角与分形维数的模型关系具体为：
3.根据权利要求2所述的一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：所述步骤3中mohr-coulomb(莫尔-库伦)强度破坏准则模型为：
4.根据权利要求3所述的一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：所述步骤4中岩心的岩石杨氏模量、泊松比与分形维数的模型关系具体为：
5.根据权利要求4所述的一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：所述步骤4中断裂力学应力集中因子定义为：
6.根据权利要求5所述的一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：所述分形维数d的建立方法为：
7.根据权利要求6所述的一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：所述步骤5中对干热岩的破坏特征的判断方法为：
8.根据权利要求7所述的一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：所述步骤5中对干热岩储层改造情况进行评价的方法为：
9.根据权利要求8所述的一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：所述步骤5中还包括井壁稳定性的评价方法，所述评价方法具体为：根据井筒-地层之间是否存在渗流运移的情况，使用不同的评价模型评价井壁稳定性。
10.根据权利要求9所述的一种基于干热岩破裂面分形特征的岩石力学特征预测方法，其特征在于：未考虑井筒-地层之间渗流情况下有效周向应力计算公式为：
