一种采用群体岩屑检测岩石力学参数的测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、土木工程、岩石(土)力学相关领域，具体的讲涉及一种采用群体岩肩检测岩石力学参数的测试装置。
【背景技术】
[0002]在油气钻井工程中，地层岩石的力学性质是所必需的基础技术参数，及时准确地获取钻遇地层岩石的力学性质是非常重要的工作。
[0003]传统的获取地层岩石力学参数的方法是取心实验法和测井资料预测法。取心实验法是将地层的实钻岩心成块取出，然后再加工成所需岩样进行力学测试，该方法的难度大、成本高、周期长，且不能及时获取地层岩石的力学参数。测井资料预测法，是一种间接测试方法，其通过测井仪器测得地层岩石的声波反射曲线，然后再推算出地层岩石的力学参数。测井资料预测法分完钻测井和随钻测井。完钻测井只能在钻井完成之后进行，不能及时获取地层岩石力学性质;且为间接测试，需进行测井数据解释，解释后所获得的力学参数准确度不高。随钻测井是在钻井过程中进行同步测试，由于是间接测试，其也需要对测得的数据进行换算解释;且受钻井过程钻进作业的影响，地层参数数据误差大，准确度低，成本高，且井底的测试工具有安全隐患，易带来井下事故。
[0004]油气钻井的现场，在钻井过程中，岩石经破岩工具(钻头)破碎后形成岩肩通过钻井液携带上返到地面。岩肩是人们能直接获得的地层岩石的另一种形态，岩肩本身带有所在地层岩石的相应的力学性质，通过检测岩肩的岩石力学性质来反映其所在地层岩石的力学性质是可行的。人们有采用单颗岩肩进行测试岩肩物理力学性质的尝试，比如:微硬度、塑性系数、岩肩波速等。但由于各单个岩肩粒度不一，岩肩内微缺陷(微裂纹等)的存在，致使测试结果离散性大，不能准确地反映地层岩石的力学性质。单颗岩肩测试方法至今均未能成功应用。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的在于:避免现有技术的弊端，提供一种采用群体岩肩检测岩石力学参数的测试装置，利用群体岩肩的集体作用来反映地层岩石力学性质，测得的压力、压缩量数据的数据重复性、可靠性和稳定性，为后续评价岩石力学性质乃至获得力学参数提供数据依据和参考。
[0006]本实用新型目的通过下述技术方案来实现:
[0007]—种采用群体岩肩检测岩石力学参数的测试装置，包括内部具有上下贯通的圆柱体腔体的岩肩筒，能在所述岩肩筒腔体内沿腔体上下活动的压杆，与所述岩肩筒下部连接并封堵其腔体下部开口的底座，以及对所述压杆施加压力的加压装置，所述压杆与岩肩筒之间的配合为间隙配合，岩肩筒的筒深Η与岩肩筒的内径d的比值范围为2?5，岩肩筒的壁厚与内径d的比值范围为0.3?2。
[0008]现有的岩肩法均采用单颗岩肩进行硬度、塑性系数等相关岩石力学性质的测试。由于选用单颗岩肩作为测试对象，在选取岩肩方面，岩肩的粒度大小会影响测试结果，然而钻井现场从井底上返的岩肩粒度大小差异很大，要挑选合适的粒度非常耗时;岩肩的挑选是靠人工选择的，由于人的主观性，不同的人选择的岩肩也会不同，这就使得测试数据会比较离散，差异性较大。岩肩是岩石经过破碎工具(钻头)破碎后形成的，其内部必定存在损伤(微裂纹)，由于各单颗岩肩的内部损伤(微裂纹)不同，所测得的单颗岩肩的力学性质存在极大差异性，结果不准确。总之，现有的岩肩法由于粒度大小不一、内部缺陷等因素，致使测试过程耗时，测试结果不准确，不能够及时、准确地反映地层岩石力学性质。
[0009]本实用新型人研究认为:岩肩本身是由地层岩石破碎所形成的，其必定具有原地层岩石的力学性质，因此采用岩肩作为测试研究对象来获取地层相关参数是必然可行的，有其客观的合理性和科学性。因此，针对现有技术的问题，本实用新型人创造性地提出群体岩肩测试方法，以返出的群体岩肩作为测试对象。该方法采用一定量的岩肩作为测试对象，钻井现场有大量的岩肩，不必对岩肩进行过多的筛选，直接取定量的岩肩进行测试，所需时间大大减少。群体岩肩包含了大量的单颗岩肩，其共同作用可减小各单个岩肩内部损伤(微裂纹)带来的随机性影响，测试结果更稳定、更可靠。如图5所示，为本发明人研究测试的三种不同硬度岩石的硬度值与对应岩石岩肩的压力值之间的关系曲线。发明人选了细砂岩(A)、中砂岩(B)和灰岩(C)三种不同强度的岩石，进行硬度测试，分别得到细砂岩(A)、中砂岩0)和灰岩(0三种岩石的硬度值541.310^、1013.410^、1523.610^。然后采用本专利的实验装置，对上述三种岩石的岩肩进行了压缩实验测试，将三种岩石的岩肩压缩到原始密度后再继续压缩，图中取了将岩肩压到原始岩石密度的1.05倍时的压力数据(为消除压头尺寸的影响，便于对比，所采用的压力为单位面积压力)，三种岩肩的密度较原始岩石的密度增加5%时，压力分别为10.5410^、22.7110^、35.2810^。从图5可看出，群体岩肩的强度(压力、压缩量)与原岩石的硬度有明显的对应关系，且群体岩肩的强度(一定压缩量下所对应的压力)随原岩石的硬度增加而增加，且基本呈线性关系。因此，本实用新型所获得群体岩肩强度(压力、压缩量数据)能够为后续评价岩石力学性质乃至获得力学参数提供数据依据和参考。
[0010]但是，即使要获得群体岩肩强度(压力、压缩量数据)也并不是想当然的容易，我们在研究中发现，常规的加压装置及其方法均无法可靠、稳定、准确地得到压力、压缩量数据，因此本发明人提出了本发明的测试装置及其测试方法，保证了压力、压缩量数据的数据重复性、可靠性和稳定性。
[0011]上述方案中，其中，所述压杆前端与岩肩筒之间采用间隙配合，间隙配合可将施加在压杆上的力直接传递给筒内的岩肩，该“间隙配合”是指:压杆与岩肩筒壁的间隙非常小(间隙尺寸量级远小于岩肩尺寸及岩肩再次压碎后的岩肩碎末尺寸)，满足岩肩不会从间隙中漏出，让被压岩肩的受压面积恒定不变的要求。
[0012]作为选择，所述岩肩筒的内径d的范围为25?50mm。
[0013]上述方案中，若岩肩筒内径过小，太接近所测试的岩肩中较大岩肩的粒度，岩肩筒同一横向面内可放置的岩肩太少，岩肩筒内的岩肩堆积易于出现架空和太大间隙，这将增大测试误差。若岩肩筒内径过大，测试时所需的岩肩较多，压杆端面面积较大，测试所需施加的载荷也较大，对加载系统的要去也高，其将增加测试难度和成本。
[0014]作为选择，所述压杆前端与岩肩筒之间间隙配合。
[0015]作为进一步选择，所述压杆前端四分之一至三分之一的长度与岩肩筒为间隙配合，其余部分小于岩肩筒内径d。
[0016]上述方案中，所述压杆前端四分之一至三分之一的长度与岩肩筒为间隙配合是指:间隙配合的区域是压杆最前端至压杆上某一临界点之间，该临界点可在压杆前端四分之一(从压杆最前端往后方向，占压杆总长度四分之一的位置)至三分之一的区域间进行选择。压杆的前端部分长度与岩肩筒为间隙配合，在保证测试实验压杆压缩岩肩所需的间隙配合的同时，能减少压杆外壁与岩肩内筒壁之间的接触面积和摩擦，提高实验实际加载载荷的准确度，同时也简化了压杆的加工工艺。
[0017]作为进一步选择，所述压杆前端四分之一至三分之一的长度与岩肩筒为间隙配合，其余部分小于岩肩筒内径d，大于岩肩筒内径d的二分之一。
[0018]上述方案中，压杆所受载荷为几百公斤甚至更