[发明专利]一种圆柱体岩心地应力大小测试的实验装置及方法

说明书

技术领域

    本发明公开一种岩心地应力大小测试的实验装置及方法，用于进行小直径圆柱体试件的地应力大小测试，对于超深井的小直径钻井取芯及部分小直径的勘探井钻井取芯的地应力大小研究具有重要意义。

背景技术

    存在于地壳内部的作用力称为地应力，它是由于地壳岩石的重力作用和水平运动及其它因素引起，地层介质内部单位面积上的作用力就是地应力的大小。地壳岩石中都存在地应力，地应力的大小和方向随时间和空间的变化而变化，地应力的大小和方向与地质结构以及地质构造运动有关，油气田地质勘查、油气田开发及压裂增产措施等都与地应力的大小以及方向密切相关。因此，能否准确了解地下岩体的地应力状态，对于油气田资源能否有效开发，水力裂缝的设计和施工是否合理，具有极为重要的意义。

    目前常用的室内地应力大小测试方法主要有4种：①常规差应变法；②凯赛尔声发射法；③应力解除法；④非弹性应变恢复法。这些方法对岩心的要求比较高，实验过程中岩心的耗费量较大，对于井下钻井取芯岩样，特别是超深井的钻井取芯或者地质小井眼钻井取芯，常规的地应力大小测试实验对试件的要求可能会限制了地应力室内实验的测试。例如新疆的超深井碳酸盐岩钻井取芯，取芯直井为5.5cm，若采用Kaiser 声发射实验，需要在同一块全直径岩心或者相邻的全直径岩心上钻取Kaiser实验所需的小岩心，钻取小直径岩心比较困难，并且耗费岩心过多，实验需要耗费15 cm 以上全直径岩心；若采用非弹性应变恢复实验，一般要求岩心的最小直径约7.5 cm，现场取得的碳酸盐岩岩心直径太小，不能满足非弹性应变恢复实验的尺寸要求；若采用常规差应变实验，需要把岩心加工成6.0 cm左右的立方体，对于直径只有5.5～6.0 cm 的全直径岩心来说，加工比较困难。

    常规差应变实验是目前常用的地应力大小测试方法，理论上严谨、可靠，一般需要把岩心加工成边长约6 cm 的立方体，但是部分钻井取芯无法保证试件尺寸的要求，同时，常规的差应变实验需要测量12道应变，对于每道应变传感器的一致性要求较高，实验的失败几率高。

发明内容

    本发明公开了一种圆柱体岩心测试的差应变测试实验装置及方法，常规的钻井取芯适用于本方法，同时，部分小直径的全直径岩心，例如超深井钻取的小直径岩心或者地质勘探钻井钻取的小直径岩心，同样适用于本发明的实验方法，该方法可以降低常规差应变实验对实验试件的尺寸要求和限制，同时利用耐高压的位移传感器进行试件的位移测量，实验精度较高，完全能够满足实验精度的要求。

    为了实现上述目的,本发明设计了一套专门的室内实验装置和专门的圆柱体试件岩心夹持器；实验过程中采用高精度位移传感器测量实验过程中的位移，摒弃传统的应变片测量实验过程中的应变；实验过程中只测量三向主应力方向的位移，分别为垂向、水平最大主应力方向和水平最小主应力方向。

本发明设计的实验装置主要包括：圆柱体岩心加持装置，用于固定实验岩心和安装位移传感器，由底座和上部框架组成，上部框架通过螺钉固定在底座上，上部框架中间为夹持实验试件的空间。

位移传感器，用于测量实验试件加载过程中的位移变形量，位移传感器有三对，包括垂向主应力方向位移传感器、水平最小主应力方向位移传感器和水平最大主应力方向位移传感器，分别安装在上部框架上与实验试件岩心三个方向相应的位置。

压力釜，用于安装岩心加持装置和密封憋压，保证试件处于预设的压力环境。

液体增压泵，与压力釜通过管路连接，为实验提供压力。

压力釜中安装压力传感器，以适时监测压力釜中的压力变化情况。

数字信号转换器，通过信号线连接位移传感器，将位移传感器和压力传感器的信号转化成控制计算机识别的数字信号；

   控制计算机，记录实验过程中位移变化值，进行数据处理。

    本发明方法包括下列步骤：

    （1）岩心试件加工。根据所取的岩心进行简单的岩心加工，把岩心加工成直径5.5～6.0 cm、高度6.0 cm的圆柱体，要求圆柱体均质，不能含有天然裂缝，或者水平层理，试件柱面和端面要光滑平整；两个端面的平行度低于0.1mm，天然裂缝的存在会影响实验结果；

  （2）波速各向异性实验。利用超声波在水平应力不同方位的差异特性，确定圆柱体岩心的水平最大主应力和水平最小主应力在实验试件上的初始方位，并进行标记；