CN102095646A - 利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法。该方法包括密封、排空、施压读取压力值和岩样变形量值、数据整理画出σ-ε曲线、测出弹性模量E和泊松比μ、重复操作测出多组数据、根据多组数据画出破坏应力圆、根据破坏应力圆得到岩石的内聚力和内摩擦角。本发明操作简单，测试成本低，能快速、准确的测出岩石内聚力和内摩擦角。

Description

利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法

技术领域

本发明涉及一种测试方法，具体是指一种利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法。

背景技术

自从1932年美国在加利福尼亚州洛杉矶Montebello油田首次使用射孔方式完井以来，采用射孔完井技术已有70多年的历史了。射孔完井的出现成功地解决了油气储集地层与井筒之间缺乏有效的液流通道这一难题。在50年代初首次用电模拟方法研究了负压射孔对油气井产能的影响，并推广应用了过油管负压射孔技术，由于受当时所假设条件的限制，早期的电模拟结果误差较大、实用性差。60年代随着射孔器和射孔理论的发展，根据现场经验提出了一些负压射孔标准和经验公式。这些经验方法都只是根据渗透率、声波时差或毛管压力等单一的因素来确定负压值，其负压计算难以与岩石力学性质和流体特性发生联系，也不能反映射孔弹尺寸、类型等因素的影响。70年代研究人员开始用数字模拟和有限元法研究射孔负压差对油气井产能的影响。1974年J.A.Klotz等人首先将有限元方法引入孔眼接近于实际的圆形孔眼的射孔井进行产能研究，但他将真实的三维流动简化成了二维流动，无法考虑相位、孔密、射孔方式对射孔负压差的影响。

以上的研究者们都没有考虑射孔压实损害的影响，其射孔模型不够精确。Allen和Atterbury的实验研究表明，在射孔过程中由于射孔弹对岩石的冲击、积压作用，会在孔眼周围形成一个低渗透区，即射孔压实损害带；Bell等在小直径岩心靶上进行了实验研究，试验结果表明，射孔压实损害带的渗透率大约为岩心原始渗透率的10％～20％，压实带厚度大约为0.5in，这个压实损害带对负压差有很重要的影响。

80年代，为了进一步准确地描述射孔完井的真实情况，Klotz第一次使用了有限元方法来求解射孔完井数学模型，他考虑了污染和射孔压实损害的影响。1985年，S.M.Tariq和M.J.Ichara等人将有限元方法扩大到非均质、页岩夹层和天然裂缝中射孔的研究。研究结果表明，常见的非均匀地层特征强烈影响射孔完井效率，造成油井产率发生显著变化。

进入90年代后研究人员重点利用岩石参数、地层流体性质参数和孔眼的压实参数等来研究不会引起孔眼出砂的最大射孔负压差。储层岩石力学性质对射孔负压设计是至关重要的，特别是在最大无砂负压设计时岩石力学参数对于确定孔眼的稳定性是必不可少的。

岩石在外荷载作用下，首先产生变形，随着荷载的不断增加，变形也不断增加，当荷载达到或超过某一限度时，将导致岩石发生某种形式的破坏。也就是卸载时岩石不会恢复到原来的状态。用于表征岩石破坏条件的应力一应变函数即为破坏判据或强度准则。基于对岩石破坏机理的认识不同，提出了各种不同的破坏准则，岩石破坏准则的建立与选用，应反映实际岩石的破坏机制。

石油工程中研究的岩石力学性质包括岩石的弹性性质和强度性质。岩石的弹性是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质，其产生的变形称为弹性变形，一般把具有弹性性质的物质称为弹性介质。弹性按其应力一应变关系又可分为两种类型：应力应变呈直线关系的线弹性，以及应力应变呈非直线的非线性弹性。岩石的强度是指岩石试件在载荷作用下开始破坏时承受的最大应力，它反映了岩石承受各种载荷的性质以及岩石抵抗破坏的能力。岩石的强度参数一般包括2种：

(1)抗压强度，是指岩石在单轴压力作用下达到破坏的极限强度，在数值上等于破坏时的最大压应力。

(2)抗剪强度，抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的能力，是岩石力学需要研究的岩石最重要特性之一，比抗压强度和抗拉强度更有意义。岩石的抗剪强度可用内聚力和内摩擦角表示，内聚力是指由分子引力引起的物体中相同组成的各部分倾向于聚合在一起的一种力，又叫粘聚力或凝聚力，对于岩石，内聚力主要是由于岩石中相邻矿物颗粒表面上的分子相互直接吸引而成；内摩擦角是指岩石破坏时极限平衡剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正应力之间的夹角，内摩擦角反映了岩石内摩擦力的大小，内摩擦角越大，内摩擦力越大，所以它是反映岩石破坏时力学特性的重要指标。

发明内容

本发明的目的为了克服现有技术的不足与缺陷，提供一种利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法，该利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法操作简单，测试成本低，能快速、准确的测出岩石内聚力和内摩擦角。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法，包括以下步骤：

(a)在三轴岩石试验机的围压缸中心位置装入岩石试样，盖上围压缸盖并保证围压缸可靠密封。

(b)通过试压泵向三轴岩石试验机的围压缸注入油介质，并排出围压缸内剩余空气，关闭排气孔。

(c)通过压力泵继续向三轴岩石试验机的围压缸注油加压，直到达到给定围压值。

(d)逐级施加轴向压力，直至达到有应变值时记录初读数。

(e)保持轴向压力增量为较小的定值逐渐加压，定增量值记录轴向压力值和岩样变形量值。

(f)将试样应力应变关系进行数据整理并画出σ-ε曲线。

(g)根据应力应变曲线测得弹性模量E和泊松比μ。

(h)重复上述步骤，对多个相同的岩样进行不同围压的压力破坏测试，可得到多组数据，根据这些数据可绘出多个破坏应力圆，通过绘制这些应力圆的包络线可得出岩石的抗剪强度曲线，即可得到岩石的内聚力和内摩擦角。

上述步骤(b)中试压泵的排量为500L/min，步骤(c)中压力泵的排量为800L/min。

综上所述，本发明的有益效果是：操作简单，测试成本低，能快速、准确的测出岩石内聚力和内摩擦角。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本发明涉及到一种利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法，包括以下步骤：

(a)在三轴岩石试验机的围压缸中心位置装入岩石试样，盖上围压缸盖并保证围压缸可靠密封。

(b)通过试压泵向三轴岩石试验机的围压缸注入油介质，并排出围压缸内剩余空气，关闭排气孔。

(c)通过压力泵继续向三轴岩石试验机的围压缸注油加压，直到达到给定围压值。

(d)逐级施加轴向压力，直至达到有应变值时记录初读数。

(e)保持轴向压力增量为较小的定值逐渐加压，定增量值记录轴向压力值和岩样变形量值。

(f)将试样应力应变关系进行数据整理并画出σ-ε曲线。

(g)根据应力应变曲线测得弹性模量E和泊松比μ。

(h)重复上述步骤，对多个相同的岩样进行不同围压的压力破坏测试，可得到多组数据，根据这些数据可绘出多个破坏应力圆，通过绘制这些应力圆的包络线可得出岩石的抗剪强度曲线，即可得到岩石的内聚力和内摩擦角。

求岩石的内聚力和内摩擦角的具体作法是，先对试件施加侧向压力，即最小主应力，然后逐渐增大垂向应力，直至破坏，得到破坏的最大主应力，进而得到一个破坏时的应力圆；然后再采用相同的岩样，改变侧向压力，施加垂直压力直至破坏，得到与之对应的最大主应力，进而又得到另一个破坏应力圆。重复上述过程可以得到多个破坏应力圆，绘制这些应力圆的包络线，即可得到岩石的抗剪强度曲线。如果把它近似看作是一根直线，则该线在纵轴上的截距即为岩石的内聚力，该线与横轴的夹角即为岩石的内摩擦角。

Claims (3)

1.利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)在三轴岩石试验机的围压缸中心位置装入岩石试样，盖上围压缸盖并保证围压缸可靠密封。

(b)通过试压泵向三轴岩石试验机的围压缸注入油介质，并排出围压缸内剩余空气，关闭排气孔。

(c)通过压力泵继续向三轴岩石试验机的围压缸注油加压，直到达到给定围压值。

(d)逐级施加轴向压力，直至达到有应变值时记录初读数。

(e)保持轴向压力增量为较小的定值逐渐加压，定增量值记录轴向压力值和岩样变形量值。

(f)将试样应力应变关系进行数据整理并画出σ-ε曲线。

(g)根据应力应变曲线测得弹性模量E和泊松比μ。

(h)重复上述步骤，对多个相同的岩样进行不同围压的压力破坏测试，可得到多组数据，根据这些数据可绘出多个破坏应力圆，通过绘制这些应力圆的包络线可得出岩石的抗剪强度曲线，即可得到岩石的内聚力和内摩擦角。

2.根据权利要求1所述的利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法，其特征在于，所述步骤(b)中试压泵的排量为500L/min。

3.根据权利要求1所述的利用三轴岩石试验机测试岩石内聚力和内摩擦角的方法，其特征在于，所述步骤(c)中压力泵的排量为800L/min。