强非均质砾岩岩石力学参数测试装置和评价方法与流程

1.本发明涉及油气田开发技术领域，具体而言，涉及一种强非均质砾岩岩石力学参数测试装置和评价方法。


背景技术：

2.在石油地质行业分析试验工作，特别是针对岩石力学性质的分析时，常常需要了解岩石的硬度、塑性系数、屈服极限等参数。实验室一般采用岩石硬度仪来获取这些参数。但该仪器应用在砾岩上时，存在明显困难，主要原因如下：
3.1、砾岩非均质性极强，在胶结物、砾石，以及不同种类的砾石之间存在力学性质的差异。如何表征砾岩宏观力学性质是一个重点和难点，传统的岩石硬度仪测点单一，当压头在砾石、胶结物上测量时，力学性质差异巨大，结果难以表征砾岩特性，也无法直接使用。
4.2、砾岩中的砾石巨大，边界效应明显。由于砾岩颗粒的力学性质与胶结物的力学性质存在明显差异，当压头探测到砾石时，砾石整体挤压胶结物，位移特征与胶结物不同，与相邻颗粒也不同。传统的弹性体假设无法直接应用在砾岩上，因此需要提出一种新的修正边界效应的方法。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种强非均质砾岩岩石力学参数测试装置和评价方法，以解决现有技术中的岩石硬度仪无法准确获取到砾岩的硬度、塑性系数、屈服极限等参数的问题。
6.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种强非均质砾岩岩石力学参数测试装置，包括：底板，砾岩岩板可放置支撑在底板上；上压板，上压板设置在底板上方；动力系统，动力系统与上压板连接，并能够控制上压板上下运动；多个探测系统，探测系统排布设置在上压板上，并能够跟随上压板上下运动，探测系统能够抵接在砾岩岩板的上表面，并测量垂直应力和压入深度；控制与数据处理系统，控制与数据处理系统与动力系统和探测系统电连接，并能够控制动力系统和探测系统的动作，以及接收处理探测系统检测到的数据。
7.进一步地，探测系统包括：压力传感器，压力传感器与上压板的底部连接；固定支杆，固定支杆与压力传感器固定连接；压头，压头与固定支杆连接，并能够压入砾岩岩板的上表面，以通过压力传感器测量垂直应力。
8.进一步地，探测系统还包括：移动支杆，移动支杆与固定支杆活动连接，移动支杆能够与砾岩岩板抵接，并在砾岩岩板作用下移动；位移传感器，位移传感器设置在固定支杆和移动支杆之间，以通过移动支杆产生的位移测量压入深度。
9.进一步地，动力系统为多个，并且沿底板的周向设置在底板的边缘处，探测系统设置在多个动力系统所形成的区域内。
10.进一步地，多个探测系统设置在与底板平行的同一水平面上，且分别沿底板的横
向和纵向排列。
11.根据本发明的另一方面，提供了一种强非均质砾岩岩石力学参数评价方法，采用上述的强非均质砾岩岩石力学参数测试装置，强非均质砾岩岩石力学参数评价方法包括：步骤s10：预制砾岩岩板，并固定在底板上；步骤s20：通过控制与数据处理系统，使得液压与动力系统控制上压板向下移动，当砾岩岩板的上表面与探测系统接触时，开始记录数据；步骤s30：通过控制与数据处理系统缓慢增加上压板向下的载荷，实时记录每个探测系统测得的垂直应力和压入深度，得到垂直应力-压入深度关系函数，并根据垂直应力-压入深度关系函数计算得到硬度、屈服极限、塑性系数；步骤s40：然后对探测系统的数量进行空间加密，并加权强非均质砾岩的硬度、屈服极限、塑性系数得到加权硬度、加权屈服极限、加权塑性系数。
12.进一步地，在步骤s30中，强非均质砾岩岩石力学参数测试装置横向共有m个探测系统，纵向共有n个探测系统，则横向上从左至右第i个、纵向上从前到后第j个探测系统标记为(i， j)，则垂直应力-压入深度关系函数为：
13.g(i，j)(s(i，j))＝m(i，j)
·
s(i，j)；
14.其中，g(i，j)为垂直应力，s(i，j)为压入深度，m(i，j)为边界效应修正系数，表达式如下：
[0015][0016]
其中，η为边界效应常数；为取整函数；||为绝对值函数。
[0017]
进一步地，在步骤s40中，第(i，j)个探测系统的垂直应力-压入深度关系记为g
i，j
，对单一的垂直应力-压入深度关系，g
i，j
的最大值记为对探测系统m
×
n的空间进行空间加密形成p
×
q，其中p≥m，q≥n，
[0018]
强非均质砾岩的加权硬度的计算方式为：
[0019][0020]
其中，a为压头(43)的面积；λ
i，j
为权重系数，λ
i，j
满足(i，j)处插值与测量值的差j最小的优化函数，记为其中其计算方式为：其中，cov为协方差函数；λ
i，j
同时满足无偏约束条件：
[0021]
进一步地，在步骤s40中，第(i，j)个探测系统的垂直应力-压入深度关系函数记为g
i，j
，对单一的垂直应力-压入深度关系函数，g
i，j
的最大值记为对探测系统m
×
n的空间进行空间加密形成p
×
q，其中p≥m，q≥n，
[0022]
强非均质砾岩的屈服极限的计算方式为：
[0023][0024]
其中，a为压头的面积；g
oy(i，j)
为第(i，j)个探测系统所获得的垂直应力-压入深度关系函数在线性段内垂直应力的最大值；λ
i，j
为权重系数，λ
i，j
满足(i，j)处插值与测量值的差j最小的优化函数，记为其中其计算方式为：其中，cov为协方差函数；λ
i，j
同时满足无偏约束条件：
[0025]
进一步地，在步骤s40中，强非均质砾岩的加权望性系数通过下式计算：
[0026][0027]
其中，k
i，j
为第(i，j)个探测系统得到的塑性系数；m(i，j)为边界效应修正系数。
[0028]
应用本发明的技术方案，通过上述各部件之间的相互配合，结合强非均质砾岩岩石力学参数评价方法，探测系统能够对作用在砾岩岩板上时的垂直应力和压入深度进行测量，通过控制与数据处理系统进行相应处理计算，从而得到所需要的硬度、屈服极限、塑性系数等参数，并且考虑到单点测量的结果不能够完全反映整个砾岩岩板的性能参数，因此，本实施例设置有多个探测系统，各探测系统能够分别对砾岩岩板的不同位置进行测量，从而根据不同位置的测量结果得到不同位置的硬度、屈服极限、塑性系数等参数，进而砾岩岩板整体的加权硬度、加权屈服极限、加权塑性系数等参数，从而实现成功、准确地表征砾岩的宏观力学参数的效果。
附图说明
[0029]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0030]
图1示出了本发明的强非均质砾岩岩石力学参数测试装置的结构示意图；
[0031]
图2示出了图1的俯视图；
[0032]
图3示出了图1中的强非均质砾岩岩石力学参数测试装置的探测系统的结构示意图；
[0033]
图4示出了本发明的强非均质砾岩岩石力学参数评价方法的流程图。
[0034]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0035]
10、底板；20、上压板；30、动力系统；40、探测系统；41、压力传感器；42、固定支杆；43、压头；44、移动支杆；45、位移传感器；50、控制与数据处理系统；60、砾岩岩板。
具体实施方式
[0036]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0037]
需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0038]
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
[0039]
为了解决现有技术中的岩石硬度仪无法准确获取到砾岩的硬度、塑性系数、屈服极限等参数的问题，本发明提供了一种强非均质砾岩岩石力学参数测试装置和评价方法。
[0040]
如图1至图3所示的一种强非均质砾岩岩石力学参数测试装置，包括底板10、上压板20、动力系统30、多个探测系统40和控制与数据处理系统50，砾岩岩板60可放置支撑在底板10 上；上压板20设置在底板10上方；动力系统30与上压板20连接，并能够控制上压板20上下运动；探测系统40排布设置在上压板20上，并能够跟随上压板20上下运动，探测系统40 能够抵接在砾岩岩板60的上表面，并测量垂直应力和压入深度；控制与数据处理系统50与动力系统30和探测系统40电连接，并能够控制动力系统30和探测系统40的动作，以及接收处理探测系统40检测到的数据。
[0041]
本实施例通过上述各部件之间的相互配合，结合强非均质砾岩岩石力学参数评价方法，探测系统40能够对作用在砾岩岩板60上时的垂直应力和压入深度进行测量，通过控制与数据处理系统50进行相应处理计算，从而得到所需要的硬度、屈服极限、塑性系数等参数，并且考虑到单点测量的结果不能够完全反映整个砾岩岩板60的性能参数，因此，本实施例设置有多个探测系统40，各探测系统40能够分别对砾岩岩板60的不同位置进行测量，从而根据不同位置的测量结果得到不同位置的硬度、屈服极限、塑性系数等参数，进而砾岩岩板60整体的加权硬度、加权屈服极限、加权塑性系数等参数，从而实现成功、准确地表征砾岩的宏观力学参数的效果。
[0042]
在本实施例中，探测系统40包括压力传感器41、固定支杆42和压头43，压力传感器41 与上压板20的底部连接；固定支杆42与压力传感器41固定连接；压头43与固定支杆42连接，并能够压入砾岩岩板60的上表面，当压头43压入到砾岩岩板60内时，通过压头43、固定支杆42的传递即可使得压力传感器41测量到此时的垂直应力，实现垂直应力的测量。
[0043]
在本实施例中，探测系统40还包括移动支杆44和位移传感器45，移动支杆44与固定支杆42活动连接，且相对于固定支杆42能够上下运动，当探测系统40向下移动时，移动支杆 44首先与砾岩岩板60抵接，然后随着探测系统40的下移，移动支杆44在砾岩岩板60作用下相对于固定支杆42向上移动；位移传感器45设置在固定支杆42和移动支杆44之间，并能够检测移动支杆44在压头43接触到砾岩岩板60后相对于固定支杆42的位移量，具体而言，当压头43与砾岩岩板60开始接触时，位移传感器45开始计算位移，当压头43移动到位时，位移传感器45测量到的位移量即为压头43的压入深度，实现压入深度的测量，当探测系统40复位时，移动支杆44底端的压力撤除后，移动支杆44反向运动复位，恢复固定支杆42与移动支杆44之间的相对位置。
[0044]
在本实施例中，动力系统30为多个，并且沿底板10的周向设置在底板10的边缘处，探测系统40设置在多个动力系统30所形成的区域内。控制与数据处理系统50与各动力系统
30 均电连接，从而同时控制各动力系统30的动作，实现多个探测系统40的同步运动。
[0045]
优选地，多个探测系统40设置在同一水平面上，从而能够同时对砾岩岩板60进行测量，并且探测系统40所在的水平面与底板10平行，且各探测系统40分别沿底板10的横向和纵向排列。需要说明的是，在进行测量前，每个探测系统40的位置是已知的，而且该排布方式在后续加权参数的计算时发挥作用。
[0046]
如图4所示，本实施例还提供了一种强非均质砾岩岩石力学参数评价方法，采用上述的强非均质砾岩岩石力学参数测试装置，强非均质砾岩岩石力学参数评价方法包括：步骤s10：预制砾岩岩板60，并固定在底板10上；步骤s20：通过控制与数据处理系统50，使得液压与动力系统30控制上压板20向下移动，当砾岩岩板60的上表面与探测系统40接触时，开始记录数据；步骤s30：通过控制与数据处理系统50缓慢增加上压板20向下的载荷，实时记录每个探测系统40测得的垂直应力和压入深度，得到垂直应力-压入深度关系函数，并根据垂直应力-压入深度关系函数计算得到硬度、屈服极限、塑性系数；步骤s40：然后对探测系统40 的数量进行空间加密，并加权强非均质砾岩的硬度、屈服极限、塑性系数得到加权硬度、加权屈服极限、加权塑性系数。
[0047]
具体而言，在步骤s30中，强非均质砾岩岩石力学参数测试装置横向共有m个探测系统 40，纵向共有n个探测系统40，则横向上从左至右第i个、纵向上从前到后第j个探测系统 40标记为(i，j)，根据下式得到垂直应力-压入深度关系函数，并绘制出垂直应力-压入深度曲线：
[0048]
g(i，j)(s(i，j))＝m(i，j)
·
s(i，j)；
[0049]
其中，g(i，j)为垂直应力，s(i，j)为压入深度，m(i，j)为边界效应修正系数，表达式如下：
[0050][0051]
其中，η为边界效应常数；[]为取整函数；||为绝对值函数。
[0052]
一般而言，由于砾岩岩板60是存在边界部分的，边界部分的砾岩所处的周围环境与中间部分的砾岩所处的周围环境之间有很大不同，因而，在实际测量时，边界部分的砾岩相比于中间部分的砾岩而言，其硬度、屈服极限、塑性系数等参数测量计算得到的理论值相比于实际地层中砾岩的参数值可能会有较大偏差，为了避免这种情况，本实施例引入了边界效应修正系数m(i，j)，通过边界效应修正系对不同位置的参数进行修正，从而使得受砾岩受位置影响而导致测量结果比实际结果产生偏差的现象得到改善，提高计算的准确性和可靠性。
[0053]
在步骤s40中，第(i，j)个探测系统40的垂直应力-压入深度关系记为g
i，j
，对单一的垂直应力-压入深度关系，g
i，j
的最大值记为对探测系统m
×
n的空间进行空间加密形成p
×
q，其中p≥m，q≥n，则强非均质砾岩的加权硬度的计算方式为：
[0054][0055]
其中a为压头43的面积；λ
i，j
为权重系数，λ
i，j
满足(i，j)处插值与测量值的差j最小的优化函数，记为其中其计算方式为：其中，cov为协方差函数；λ
i，j
同时满足无偏约束条件：
[0056]
与上述过程相似，在步骤s40中，第(i，j)个探测系统40的垂直应力-压入深度关系函数记为g
i，j
，对单一的垂直应力-压入深度关系函数，g
i，j
的最大值记为对探测系统 m
×
n的空间进行空间加密形成p
×
q，其中p≥m，q≥n，则强非均质砾岩的屈服极限的计算方式为：
[0057][0058]
其中a为压头43的面积；g
oy(i，j)
为第(i，j)个探测系统40所获得的垂直应力-压入深度关系函数在线性段内垂直应力的最大值；λ
i，j
为权重系数，λ
i，j
满足(i，j)处插值与测量值的差j最小的优化函数，记为其中其计算方式为：其中，cov为协方差函数；λ
i，j
同时满足无偏约束条件：
[0059]
在步骤s40中，强非均质砾岩的加权塑性系数通过下式计算：
[0060][0061]
其中，k
i，j
为第(i，j)个探测系统40得到的塑性系数；m(i，j)为边界效应修正系数。
[0062]
本实施例的主要设计原理是根据砾岩强非均质的特点，在砾岩岩板60上布置多个探测系统40，每个探测系统40的位置已知。探测系统40底部的压头43接触到岩板上的颗粒或者胶结物的概率与岩板本身颗粒分布有直接联系。由于砾岩的强非均质性，不同探测系统40得到的垂直应力-压入深度曲线不同，本实施例首先基于探测的m
×
n平面空间的真实值，构建一个加密的p
×
q平面空间。对平面空间上因为网格加密多出的测点，使用一套预估方法进行插值，并判断准确性，然后对整个p
×
q平面空间的值给出边界效应修正系数，使边缘测点由于边界效应产生的误差得到修正，最后对整个平面参数求平均值，得到强非均质砾岩的宏观力学参数，提出包括强非均质砾岩的加权硬度、加权屈服极限以及加权塑性系数等参数，成功、准确地表征了砾岩的宏观力学参数。上述评价方法计算简单，原理易懂，可
操作性强，能够为强非均质性砾岩的宏观数模提供基础参数，为砾岩油藏有效开发提供积极意义。
[0063]
需要说明的是，利用垂直应力-压入深度关系计算硬度、屈服极限、塑性系数等参数是众所周知的方式，在此不再详细赘述。
[0064]
需要说明的是，上述实施例中的多个指的是至少两个。
[0065]
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
[0066]
1、解决了现有技术中的岩石硬度仪无法准确获取到砾岩的硬度、塑性系数、屈服极限等参数的问题；
[0067]
2、根据砾岩强非均质的特点，布置多个探测系统得到不同的垂直应力-压入深度曲线，利用边界效应修正系数，使边缘测点由于边界效应产生的误差得到修正；
[0068]
3、使用一套预估方法进行插值，并判断准确性，然后对边缘测点由于边界效应产生的误差进行修正，最后对整个平面参数求平均值，得到准确可靠的强非均质砾岩的宏观力学参数。
[0069]
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0070]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
[0071]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0072]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。