一种圆柱体岩心地应力大小测试的实验装置及方法
【技术领域】
[0001] 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 地应力大小研宄具有重要意义。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003]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15cm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. 5cm，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. 0cm的全直径岩心来说，加工比较困难。
[0004]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6cm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】
[0005] 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。
[0006]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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 液体增压泵，与压力釜通过管路连接，为实验提供压力。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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~ 6.0cm、高度6.0cm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； (3) 实验试件刷胶。为了防止实验试件在压缩过程中液体渗入试件中，在试件的周围均 匀刷上环氧树脂，隔离加压液体与试件，涂抹环氧树脂的过程中，须保证环氧树脂的涂抹均 匀，降低环氧树脂对实验结果的影响； (4) 改进的差应变实验。针对圆柱体实验试件，利用加持装置固定圆柱体岩心，结合圆 柱体岩心上标注的水平主应力方位，安装位移传感器，具体的安装步骤如下：（1)安装位移 传感器时，首先移动夹持器中的岩心试件，使岩心上的水平最大主应力方向的标示线对准 夹持器上的传感器的安装点；（2)安装垂向主应力方向的位移传感器，利用安装卡定螺丝 固定位移传感器，安装过程中，利用控制计算机，确定位移传感器的初始数值在〇值附近， 保证实验过程中测量的位移始终在位移传感器的量程内；（3)安装好垂向的位移传感器 后，安装水平最大主应力方向和水平最小主应力方向的位移传感器，安装方法和垂向位移 传感器的安装方法类似，使位移传感器的初始值在位移传感器的〇值附近，保证实验过程 中，位移传感器始终在量程内；（4)安装好3对位移传感器后，根据3对位移传感器的初始 位移值大小，对部分初始位移值偏离〇值较大的位移传感器进行，保证实验过程中的测量 结果始终在其量程内。
[0014] 将装有实验试件的加持装置放入地应力测试压力釜中，连接位移传感器的数据传 输线，密封压力釜；打开液体增压泵，利用计算机控制压力的加载，待液体充满压力釜后进 行压力加载，同时适时记录三对传感器的位移值、压力值数据，待实验压力达到实验预设压 力值后停止加载； (5) 数据处理。根据室内实验获得的压应力与应变的结果，进行数据加工处理，获得垂 向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力的比值关系；利用试件研宄区域的密度测井 曲线和试件的取芯深度，进行垂向主应力的计算，根据获得的垂向主应力和三向主应力的 比值计算水平最大主应力和水平最小主应力的值。
[0015] 本发明的差应变实验方法与常规差应变实验方法的具体区别如下： (1)实验所用试件形状不同。常规差应变实验的实验试件为约6.0cm的立方体，而本 发明方法的试件尺寸为直径5. 5~6.0cm、高度6.0cm的圆柱体，圆柱体试件降低了地应 力室内实验对试件尺寸的要求，减少了实验过程中的岩心用量，对于部分无法进行常规地 应力测试的小直径岩心，进行简单加工就能进行本发明的地应力室内实验。
[0016] (2)测量应变的元件不同。传统的差应变实验采用电阻应变片，把电阻应变片贴 在试件相邻的3个垂直面上，用胶封住，然后进行差应变测试，利用电阻应变片实验误差较 大。对于圆柱体实验试件来说，电阻应变片无法贴在圆柱体试件侧面，本发明采用的测量元 件为位移传感器，可以方便的进行试件的位移变形量的测量。
[0017] 本发明的有益效果在于，对于钻井取芯直径比较小的岩心，可以通过本发明方法 进行地应力大小测试，降低了室内地应力测试对实验试件的限制；同时，该方法降低了常规 室内地应力实验的难度，可以更加方便的进行室内地应力大小测试，该方法实验精度较高， 是对常规地应力大小测试方法的拓展和改进。
[0018] 本发明的圆柱体岩心的差应变实验方法是对常规差应变实验的拓展，因此，差应 变实验的适用范围比常规差应变实验更广泛，常规差应变实验适用的岩心，同样适用于本 发明的改进的差应变实验。
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明，下面将对实施例或现有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方案： 图1是波速各向异性确定水平主应力方向的示意图； 在图1中：1 一未涂抹环氧树脂的实验试件；2-超声波发射探头，主要用来发射超声波f目号；3-超声波接收探头；4一超声波测试方位角度；5-试件旋转角度。
[0020] 图2是波速各向异性实验结果示意图； 在图2中：6-波速各向异性实验数据；7-波速各向异性拟合曲线；8-波速最低点，水 平最小主应力在岩心上的方位；9一波速最大位置，水平最大主应力在岩心上的位置。
[0021] 图3是圆柱体试件差应变实验岩心加持装置示意图。
[0022] 在图3中：10-垂向主应力方向；11-水平最大主应力方向；12-水平最小主应力 方位；13-圆柱体实验试件；14一垂向主应力方向位移传感器；15-水平最小主应力方向 位移传感器；16-水平最大主应力方向位移传感器；17-位移传感器固定螺丝；18-岩心 加持装置底座；19 一岩心加持装置上部框架；20-岩心夹持器上部框架和下部底座的固定 螺丝。
[0023] 图4是地应力测试示意图。
[0024] 在图4中：21-压力釜；22-实验岩心加持装置；23-位移和压力传输线；24-压 力管线；25-位移和压力信号转换器；26-液体增压泵；27-控制计算机 图5是本发明的实验结果图。
[0025] 在图5中：28-垂向主应力方向的位移与压力的曲线；29-水平最大主应力方向 的位移与压力的曲线；30-水平最小主应力方向的位移与压力的变化曲线。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清