一种考虑温度效应的地应力测量装置及测量方法与流程

本发明属于高地温区域地应力测量技术领域，特别涉及一种考虑温度效应的地应力测量装置及测量方法。

背景技术：

随着我国资源勘探深度的增加，及地热资源勘探开发力度的加大，地应力测量越来越多地涉及到高温岩石。当钻达预定深度并取出高温岩样后，岩石的温度在自然条件下会逐渐降低，岩石的力学特性将由高温时的偏塑性向常温时的偏弹性转变，内应力大小及方向也会发生变化，而这将导致所测得的原位地应力存在误差，因此有必要实现高温岩样的地应力测量。

目前地应力测试方法有水压致裂法、应力解除法、应变恢复法、dra法(deformationrateanalysis，变形速率分析法)、声发射效应法等。水压致裂法是直接将测量仪器放入孔底进行地应力测量的方法，因其操作复杂并不适合于深孔作业，且其主应力方向难以准确确定；应力解除法存在操作复杂的问题；应力恢复法只适用于浅部地层；声发射效应法是根据岩心内裂纹的张开、闭合情况进行地应力确定，高温会影响应力状态进而影响裂纹的状态，因此也不适用于深孔高温地层的应力测量。dra法由于其经济、高效、操作简单等优势，目前已成为一种主要的测量地应力方法。但在测量过程中，由于未考虑温度对岩石内应力状态的影响，存在在高温区测量地应力可靠性差的问题。

技术实现要素：

为解决现有的dra地应力测量方法尚未考虑温度效应的问题，存在在高温区测量地应力可靠性差的问题，本发明的目的是提供一种考虑温度效应的地应力测量装置及测量方法，该测量装置结构简单，能够对岩石样品进行快速、均匀加热，当加热至预定温度后，通过所述测量装置测量考虑温度效应的地应力，提高所得结果的可靠性，拓展dra地应力测量方法的应用范围。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提供了一种考虑温度效应的地应力测量装置，其特征在于，包括：机架、加压杆、电加热装置、高压油管、客户端、液压动力站、第一引伸计、第二引伸计、温度传感器及液压缸，所述液压缸安装在机架的底部中央位置，液压缸通过高压油管与液压动力站连接，液压缸的活塞杆与加压杆上部连接；所述加压杆的下部设置有压力传感器；所述客户端通过导线分别与电加热装置、液压动力站、第一引伸计、第二引伸计、温度传感器、液压缸及设置在加压杆上的压力传感器连接；所述电加热装置用于对放置在其内部的岩样加热；第一引伸计安装在岩样上，第一引伸计用于采集岩样的轴向应变数据；所述第二引伸计安装在岩样上，第二引伸计用于采集岩样的径向应变数据，温度传感器的探头设置在岩样的侧壁上，温度传感器用于采集岩样温度。

所述考虑温度效应的地应力测量装置还包括支撑杆，支撑杆用于固定机架。

所述加压杆外侧设有隔热外壳。

所述电加热装置由加热管、保温装置及隔温装置组成，保温装置及隔温装置围成顶部敞口的中空圆柱形结构，加热管与所述中空圆柱形结构同轴并设置在其内侧壁上，加热管呈螺旋形布置。

所述第一引伸计为型号3549-025m-010¹-st引伸计。

所述第二引伸计为型号3580-025m-010¹-st引伸计。

所述温度传感器为二氧化硅绝缘热电偶。

本发明体还提供了一种考虑温度效应的地应力测量方法，其特征在于，该方法采用上述考虑温度效应的地应力测量装置进行测量，包括如下步骤：

步骤1：选定勘探区域，在预定钻探深度钻取岩心，同时获取所钻探深度处岩石温度t，在所钻取岩心的内部钻取六根直径为岩心直径1/2的岩样，第一根岩样的轴线与岩心轴向垂直，第二根岩样与岩心同轴，将钻取第一根岩样和第二根岩样时岩心所在位置设为岩心初始位置，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转90度后钻取第三根岩样，第三根岩样的轴线与岩心轴线成45度，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转135度后钻取第四根岩样，第四根岩样的轴线与岩心轴线成45度，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转180度后钻取第五根岩样，第五根岩样的轴线与岩心轴线成45度，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转270度后钻取第六根岩样，第六根岩样的轴线与岩心轴线成45度，将得到的六根岩样根据方向做标记，备用；

步骤2：选取步骤1中任意一根岩样进行地应力测试，在对岩样加热之前，首先测量岩样的直径，并将测量结果输入客户端，得到岩样的横截面积，再将温度传感器的探头设置在岩样的侧壁上，最后将第一引伸计和第二引伸计安装在岩样上；

步骤3：将经步骤2处理得到的岩样放置在电加热装置中，岩样与加压杆同轴，客户端向电加热装置发送加热信号，电加热装置接收加热信号并对岩样进行加热，同时温度传感器将其实时采集的岩样温度传送给客户端，岩样温度达到步骤1所获取的钻探深度处岩石温度t时，维持该温度10分钟；

步骤4：加热完成后，客户端向液压动力站发送启动信号，液压动力站接收启信号并启动，液压动力站中的液压油经高压油管进入液压缸中，液压缸的活塞杆推动加压杆对岩样进行单轴压缩加载，并通过客户端实时采集在加载过程中加压杆的实时施压数据、第一引伸计所采集的轴向应变数据及第二引伸计所采集的径向应变数据，并通过获得的加压数据与预先获得的岩样的横截面积作比，得到应力数据，即得到第一组轴向应力-应变数据及第一组径向应力-应变数据；

步骤5：重复步骤4得到第二组轴向应力-应变数据及第二组径向应力-应变数据；

步骤6：加载试验结束后，通过客户端将第二组轴向应力-应变数据与第一组轴向应力-应变数据中同一轴向应力σ所对应的轴向应变数据相减得到轴向应变差δε及数据点(σ，δε)，根据获得的数据点(σ，δε)绘制轴向应力-应变差数据曲线，其中δε满足如下关系式：

δε＝ε2(σ)-ε1(σ)＝ε2^t(σ)+ε2^ut(σ)-(ε1^t(σ)+ε1^ut(σ))

ε1(σ)为第一次加载中轴向应力σ所对应的轴向应变数据，ε1^t(σ)为第一次加载中轴向应力σ所对应的温度应变数据，ε1^ut(σ)为第一次加载中轴向应力σ所对应的非温度应变数据，ε2(σ)为第二次加载中轴向应力σ所对应的应变数据，ε2^t(σ)为第二次加载中轴向应力σ所对应的温度应变数据，ε2^ut(σ)为第二次加载中轴向应力σ所对应的非温度应变数据，由于两次温度相同，因此，两次温度应变直接抵消；

步骤7：重复步骤6得到径向应力-应变差数据曲线；

步骤8：将步骤7所述径向应力-应变差数据曲线的斜率发生突变处所对应的径向应力数据作为参考应力数据，将步骤6所述轴向应力-应变差数据曲线的斜率发生突变处所对应的轴向应力数据作为试验应力数据；

当试验应力数据与参考应力数据之间的差值小于5％，取该试验应力数据为考虑温度效应下的地应力；

当试验应力数据与参考应力数据之间的差值大于5％，重复步骤1～步骤7对岩样5重新进行试验，直至试验应力数据与参考应力数据之间的差值小于5％，取该试验应力数据为考虑温度效应下的地应力；

步骤9：关闭电加热装置，待考虑温度效应的地应力测量装置与岩样冷却后，取出岩样，继续下组试验，待六根岩样全部测试结束，取所得考虑温度效应下的地应力最大的岩样所对应的考虑温度效应下的地应力为主应力，对应岩样的取向为主应力方向。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明通过电加热装置赋予岩样在原始地层处的温度属性，保证了岩样内部应力及力学特性的原位性。且由于该方法通过两次加载得到的应变数据进行相减，进而确定地应力，直接将加热所产生的热应变相抵消，保证了该方法的简便性，并使得该方法在高地温区域地应力测量的可靠性提高，进一步拓展dra地应力测量方法的应用范围。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例中考虑温度效应的地应力测量装置的整体示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为图1的局部俯视图。

图4为本发明实施例中六根岩样的取向图。

图5为本发明实施例中考虑温度效应下的应变-应力的关系图。

图6为本发明实施例中考虑温度效应下的应力-应变差的关系图

图中各标记如下：1-机架、2-加压杆、3-支撑杆、4-电加热装置、41-加热管、42-保温装置、43-隔温装置、5-岩样、6-高压油管、7-客户端、8-液压动力站、9-第一引伸计、10-第二引伸计、11-温度传感器、12-液压缸。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图的布图方式来进行描述的，如上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

本发明中所述高地温是指地温达到100摄氏度以上。

如图1、图2及图3所示，本发明提出的考虑温度效应的地应力测量装置包括机架1、加压杆2、支撑杆3、电加热装置4、高压油管6、客户端7、液压动力站8、第一引伸计9、第二引伸计10、温度传感器11及液压缸12，所述液压缸12安装在机架1的底部中央位置，液压缸12通过高压油管6与液压动力站8连接，液压缸12的活塞杆与加压杆2上部连接，液压缸12用于实现加压杆2向下的给进动作和向上的退回动作；所述加压杆2的下部设置有压力传感器，加压杆2外侧设有隔热外壳，用以保护加压杆2，同时保证试验的持续进行；所述支撑杆3用于固定机架1；所述客户端7通过导线分别与电加热装置4、液压动力站8、第一引伸计9、第二引伸计10、温度传感器11、液压缸12及设置在加压杆2上的压力传感器连接；所述电加热装置4由加热管41、保温装置42及隔温装置43组成，保温装置42及隔温装置43围成顶部敞口的中空圆柱形结构，加热管41与所述中空圆柱形结构同轴并设置在其内侧壁上，加热管41呈螺旋形布置，在高地温钻探区域钻取岩样5时，需预先获取岩样5原始所处高地温钻探区域温度t，其中岩样5所处高地温钻探区域t通过铂电阻探头测量或根据地温梯度计算得到，将钻取的岩样5穿设在加热装置4内部并将其底部固定在隔温装置43的顶部中央位置，岩样5与加压杆2同轴，通过加热管41对岩样5进行均匀加热，达到岩样5原始所处高地温钻探区域温度t，以模拟高地温环境，电加热装置4可根据岩样5的尺寸进行更换；所述第一引伸计9安装在岩样5上，第一引伸计9用于采集岩样5的轴向应变数据，第一引伸计9可长时间耐高温500摄氏度，可重复使用，优选的，第一引伸计9的型号为3549-025m-010¹-st；所述第二引伸计10安装在岩样5上，第二引伸计10用于采集岩样5的径向应变数据，第二引伸计10可长时间耐高温500摄氏度，可重复使用，优选的，第二引伸计10的型号为3580-025m-010¹-st；所述客户端7用于采集并处理第一引伸计9所采集的岩样5轴向应变数据、第二引伸计10所采集的岩样5径向应变数据、温度传感器11所采集的岩样5温度数据和压力传感器所采集加压杆2的施加压力数据，同时客户端7用于控制电加热装置4的加热功率，从而控制岩样5的温度，客户端7用于控制液压缸12驱动加压杆2以一定的速度(位移控制模式)或以一定速度增长的力(力控制模式进行加载)；所述温度传感器11的探头设置在岩样5的侧壁上，利用电加热装置4对岩样5进行加热时，利用温度传感器11检测岩样5的实时温度，并通过导线将温度数据传输至客户端7，同时通过客户端7控制电加热装置4使得岩样5加热到其岩样5原始所处高地温钻探区域温度t，温度传感器11为二氧化硅绝缘热电偶，可长时间耐高温500摄氏度，可重复使用。

采用上述考虑温度效应的地应力测量装置进行地应力测量的方法包括如下步骤：

步骤1：选定勘探区域，在预定高地温钻探深度钻取岩心，通过铂电阻探头测试或根据地温梯度计算得到岩样5所取钻探深度处岩石温度t；利用钻孔机在取回的岩心内部钻取六根直径为岩心直径1/2的岩样5，参见图4，从左到右第一根岩样5的轴线与岩心轴向垂直，第二根岩样5与岩心同轴，将钻取第一根岩样5和第二根岩样5时岩心所在位置设为岩心初始位置，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转90度后钻取第三根岩样5，第三根岩样5的轴线与岩心轴线成45度，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转135度后钻取第四根岩样5，第四根岩样5的轴线与岩心轴线成45度，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转180度后钻取第五根岩样5，第五根岩样5的轴线与岩心轴线成45度，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转270度后钻取第六根岩样5，第六根岩样5的轴线与岩心轴线成45度，将得到的六根岩样5根据方向做标记，备用；

步骤2：选取步骤1中任意一根岩样5进行地应力测试，在对岩样5加热之前，首先测量岩样5的直径，并将测量结果输入客户端7，得到岩样5的横截面积，再将温度传感器11的探头设置在岩样5的侧壁上，最后将第一引伸计9和第二引伸计10安装在岩样5上；

步骤3：将经步骤2处理得到的岩样5放置在电加热装置4中，岩样5与加压杆2同轴，客户端7向电加热装置4发送加热信号，电加热装置4接收加热信号并对岩样5进行加热，同时温度传感器11将其实时采集的岩样5温度传送给客户端7，岩样5温度达到步骤1所获取的钻探深度处岩石温度t时，维持该温度10分钟；

步骤4：加热完成后，客户端7向液压动力站8发送启动信号，液压动力站8接收启信号并启动，液压动力站8中的液压油经高压油管6进入液压缸12中，液压缸12的活塞杆推动加压杆2对岩样5进行单轴压缩加载，并通过客户端7实时采集在加载过程中加压杆2的实时施压数据、第一引伸计9所采集的轴向应变数据及第二引伸计10所采集的径向应变数据，并通过获得的加压数据与预先获得的岩样5的横截面积作比，得到应力数据，即得到第一组轴向应力-应变数据及第一组径向应力-应变数据；

步骤5：重复步骤4得到第二组轴向应力-应变数据及第二组径向应力-应变数据；

步骤6：加载试验结束后，通过客户端7将第二组轴向应力-应变数据与第一组轴向应力-应变数据中同一轴向应力σ所对应的轴向应变数据相减得到轴向应变差δε及数据点σ，δε，根据获得的数据点σ，δε绘制轴向应力-应变差数据曲线，参照图5所示，其中δε满足如下关系式：

δε＝ε2(σ)-ε1(σ)＝ε2^t(σ)+ε2^ut(σ)-(ε1^t(σ)+ε1^ut(σ))

ε1(σ)为第一次加载中轴向应力σ所对应的轴向应变数据，ε1^t(σ)为第一次加载中轴向应力σ所对应的温度应变数据，ε1^ut(σ)为第一次加载中轴向应力σ所对应的非温度应变数据，ε2(σ)为第二次加载中轴向应力σ所对应的应变数据，ε2^t(σ)为第二次加载中轴向应力σ所对应的温度应变数据，ε2^ut(σ)为第二次加载中轴向应力σ所对应的非温度应变数据，由于两次温度相同，因此，两次温度应变直接抵消；

步骤7：重复步骤6得到径向应力-应变差数据曲线；

步骤8：参照图6所示，将步骤7所述径向应力-应变差数据曲线的斜率发生突变处所对应的径向应力数据作为参考应力数据，将步骤6所述轴向应力-应变差数据曲线的斜率发生突变处所对应的轴向应力数据作为试验应力数据；

当试验应力数据与参考应力数据之间的差值小于5％，取该试验应力数据为考虑温度效应下的地应力；

当试验应力数据与参考应力数据之间的差值大于等于5％，重复步骤1～步骤7对岩样5重新进行试验，直至试验应力数据与参考应力数据之间的差值小于5％，取该试验应力数据为考虑温度效应下的地应力。

步骤9：关闭电加热装置4，待考虑温度效应的地应力测量装置与岩样5冷却后，取出岩样5，继续下组试验，待六根岩样5全部测试结束，取所得考虑温度效应下的地应力最大的岩样5所对应的考虑温度效应下的地应力为主应力，对应岩样5的取向为主应力方向，在后期钻探作业过程中的水力压裂取向根据所述主应力方向进行确定，保障了生产效益的最大化。

实施例1

在某圈定的用于干热岩地热开发的区域，经探测，地温梯度为4.5°/100m，当钻探至4000米时，需要测定地应力，用于水力压裂定向，即需要确定主应力方向。基于钻孔深度较深、地温较高的特点，采用考虑温度效应的dra法进行地应力测试。

1、根据勘探区域地温梯度及钻探深度，预测所钻深度处岩石温度为180°；

2、利用钻孔机在取回的岩心内部钻取六根直径为岩心直径1/2的岩样5，参见图4，从左到右第一根岩样5的轴线与岩心轴向垂直，第二根岩样5与岩心同轴，将钻取第一根岩样5和第二根岩样5时岩心所在位置设为岩心初始位置，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转90度后钻取第三根岩样5，第三根岩样5的轴线与岩心轴线成45度，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转135度后钻取第四根岩样5，第四根岩样5的轴线与岩心轴线成45度，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转180度后钻取第五根岩样5，第五根岩样5的轴线与岩心轴线成45度，以初始位置为基准将岩心绕其轴线顺时针旋转270度后钻取第六根岩样5，第六根岩样5的轴线与岩心轴线成45度，将得到的六根岩样5根据方向做标记，之后将得到的岩样5加工至试验要求；

3、将第一引伸计9、第二引伸计10及温度传感器11安装在岩样5上；

4、根据岩样5尺寸选择对应尺寸的电加热装置4，将岩样5放置于加热装置4中，使得岩样5与加压杆2同轴；

5、开启电加热装置4，根据温度传感器11所采集到的温度，将岩样5加热至设定温度180°；

6、当岩样5的温度达到温度180时，维持该温度10分钟，使得岩样5整体受热后，开启液压动力站8，液压油经高压油管6输送至液压缸12，液压缸12驱动加压杆2下行实施加载，加载速率为0.14mm/min；

7、对岩样5进行连续两次单轴压缩测量加载，得到两组轴向应力-应变数据及两组径向应力-应变数据，分别为第一组轴向应力-应变数据、第二组轴向应力-应变数据、第一组径向应力-应变数据、第二组径向应力-应变数据，其中两次加载的应力峰值根据实际孔深情况选择为60mpa；

8、加载试验结束后，通过客户端7将第二组轴向应力-应变数据与第一组轴向应力-应变数据中同一轴向应力σ所对应的轴向应变数据相减得到轴向应变差δε及数据点(σ，δε)，根据获得的数据点(σ，δε)绘制轴向应力-应变差数据曲线，其中δε满足如下关系式：

δε＝ε2(σ)-ε1(σ)＝ε2^t(σ)+ε2^ut(σ)-(ε1^t(σ)+ε1^ut(σ))

ε1(σ)为第一次加载中轴向应力σ所对应的轴向应变数据，ε1^t(σ)为第一次加载中轴向应力σ所对应的温度应变数据，ε1^ut(σ)为第一次加载中轴向应力σ所对应的非温度应变数据，ε2(σ)为第二次加载中轴向应力σ所对应的应变数据，ε2^t(σ)为第二次加载中轴向应力σ所对应的温度应变数据，ε2^ut(σ)为第二次加载中轴向应力σ所对应的非温度应变数据，由于两次温度相同，因此，两次温度应变直接抵消；

同理可得径向应力-应变差数据曲线；

将所述径向应力-应变差数据曲线的斜率发生突变处所对应的径向应力数据作为参考应力数据，将所述轴向应力-应变差数据曲线的斜率发生突变处所对应的轴向应力数据作为试验应力数据；

当试验应力数据与参考应力数据之间的差值小于5％，取该试验应力数据为考虑温度效应下的地应力；

当试验应力数据与参考应力数据之间的差值大于等于5％，对岩样5重新进行试验，直至试验应力数据与参考应力数据之间的差值小于5％，取该试验应力数据为考虑温度效应下的地应力；

9、关闭电加热装置4，待考虑温度效应的地应力测量装置与岩样5冷却后，取出岩样5，继续下组试验，待六根岩样5全部测试结束，取所得考虑温度效应下的地应力最大的岩样5所对应的考虑温度效应下的地应力为主应力，在后期钻探作业过程中的水力压裂取向根据所述主应力方向进行确定，保障了生产效益的最大化。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的同等结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。