CN103852379A

CN103852379A - 一种用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学性质的方法

Info

Publication number: CN103852379A
Application number: CN201410026869.3A
Authority: CN
Inventors: 张广清; 倪纯博
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明涉及一种用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学性质的方法。它解决了现有测量岩石力学参数实验条件下，岩心尺寸不满足标准测试尺寸，无法进行正常的实验操作及所测数据可信性的问题。该岩石性质的测量方法主要包括下列步骤：1、制备并加工标准尺寸的岩心和非标准尺寸的岩心，并进行编号；2、对岩心进行加载实验，并记录相关数据和曲线。3、处理实验数据和绘制相关曲线。4、对实验结果进行分析和总结，并确定判定相应岩石力学参数的方法。该方法利用非标准尺寸的岩心来模拟标准尺寸岩心的性质，操作简便、测量精度高，能够较好的克服石油工程中取芯缺陷的问题。

Description

一种用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学性质的方法

技术领域

本发明涉及石油开发技术领域的一种实验方法，尤其是一种用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学性质的方法，能够较好的应用非标准尺寸的岩心来模拟标准尺寸的砂岩、页岩、白云岩等的抗压强度、弹性模量两种力学参数。

背景技术

随着油气田开发的不断发展，开发技术要求越来越高，全面了解和掌握地层岩石的力学性质，对确定油气田开发方案，指导现场施工提供重要依据。应用MTS电液伺服系统对标准尺寸的岩心进行试验是确定岩石力学参数的重要技术手段。

根据岩石力学学会的标准，进行力学参数测试的岩心尺寸的标准为，直径为25mm，长度为50mm-60mm的圆柱形岩心，利用标准尺寸岩心测得的岩石力学参数精度高，具有参考价值。

现今，在我国陆上和海洋油气井取芯的过程中，由于地下环境的复杂性，特别是在几千米以下的深地层，取芯的难度越来越大，取得的岩心缺陷比较大，同时在加工过程中的人为操作，获取能应用做岩石力学实验的标准尺寸的岩心越来越困难，而钻取岩心的直径基本能够满足要求，长度一般小于50mm，利用这种非标准尺寸岩心直接测量出来的岩石力学参数往往是不准确的，不能直接加以应用。

在考虑岩心资源宝贵，充分利用已有岩心资源的情况下，利用非标准尺寸岩心来模拟标准尺寸岩心的性质成为了一个可攻克和优化的问题。根据非标准尺寸岩心和标准尺寸岩心在实验中测得的力学参数进行归纳、总结，能够得到应用非标准尺寸岩心测量参数确定不同岩石的力学参数的方法。

发明内容

为了克服现有实验条件下，非标准尺寸的岩心所带来的问题。本发明提供了一种应用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学参数的方法，该方法具有操作简单、测量误差小、工作效率高、岩心制作费用低和岩心利用率高等特点。

本发明采用的技术方案是：该方法包括下列步骤：

1、利用已有模具，使用水泥和石英砂浇铸外形尺寸一定(长300mm、宽300mm、高100mm)的长方体模拟试样，制作模拟试件中水泥和砂的比例为1∶1(质量比)。

2、用取芯机在已制备的长方体模拟试样上取芯，并用切割机获取所需长度的岩心。需要钻取的水泥块岩心分为标准尺寸(直径25mm、长50mm)的岩心和不同长度的非标准尺寸(直径25mm、长度小于50mm)的岩心。标准尺寸水泥块岩心3块，非标准尺寸岩心按照长度5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、 30mm、35mm、40mm、45mm分别制作块。

3、用车床车削水泥块岩心的两端面。钻取并加工处理直径为25mm的非标准尺寸和标准尺寸的砂岩、页岩、白云岩。获得长度分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm的砂岩、页岩、白云岩的岩心各3块。

4、将水泥模拟的岩心和加工处理后的砂岩、页岩、白云岩按照类别和长度进行分类并将每块岩心编号、拍照。

5、应用MTS电液伺服系统对岩心进行加载，记录加载过程中的应力和变形数据及相关曲线图。

实验过程主要包括岩心试件的安装、加载、卸载记录等，实验过程中每块岩心的加载和卸载速率保持不变，进行单轴加载。具体步骤如下：

(1)安装岩心试件：安装轴向、径向应变仪及紧固装置，并将试件安放在加载台上。

(2)利用控制系统对试件进行预加载，使岩心试样获得1KN的载荷。

(3)待岩心试样和系统参数稳定后对试件开始轴向加载，控制加载速率为0.0035mm／min，加载过程中对实验数据进行监测。

(4)待轴向载荷达到岩心试样的抗压强度后，开始卸载直至载荷为零，卸载完成后，拆卸装置，取出试件，对岩心进行拍照，记录并保存相关数据和图形。

6、对数据和曲线进行分析处理，得到每块岩心的弹性模量和抗压强度并进行分类。抗压强度即为加载过程中强度数据的最大值。求解弹性模量的方法为：应变=加载过程中轴向变形／岩心试件的长度；画出加载过程中的应力、应变图；求取曲线中直线段的斜率，即为弹性模量。

7、分别对水泥模拟岩心、砂岩、页岩、白云岩的非标准尺寸岩心和对应的标准尺寸岩心的弹性模量进行绘图和总结，得到两者之间的关系，并确定判定相应岩石力学参数的方法。

分别取每三块相同岩心试样计算结果的平均值，并记录在如表格中。

分别绘制水泥块岩心、砂岩、页岩、白云岩弹性模量和岩心长度之间的关系曲线，如图1所示。

根据非标准尺寸岩心确定岩石力学参数(弹性模量)的方法为：例如已知岩性为砂岩的岩心，在实际取芯过程中只能得到直径为25mm，长度为30mm的岩心，通过试验机测试后得到的弹性模量为E.则可以通过上述方法得到岩石的实际力学参数，该砂岩的弹性模量为

即得到实际地层砂岩的真是力学参数。

与现有技术相比，本发明在操作和实施过程中，具有以下优点：(1)利用实际岩心资源少，能利用制作的水泥块岩心取代部分实验岩心做实验，提供相关必要的数据。(2)应用长度差异较大的非标准尺寸岩心来模拟测量岩石的力学参数，能够较为全面的考虑不同长度非标准尺寸岩心带来的影响，结果精度高。(3)由于非标准尺寸岩心的长度短，有些岩心无法安装应变仪，实验系统可以获得轴向变形来确定试样的轴向应变，从而求解其力学参数。(4)所涉及的实验过程简便，需要的仪器设备都属于岩石力学工程范围内的常规仪器，实验效率较高。

附图说明

图1为水泥块岩心、砂岩、页岩、白云岩弹性模量和岩心长度之间的关系曲线。

图2为实验中测得的岩心加载过程中的应力应变曲线图。

图3为得到实测弹性模量的条件下确定水泥块岩心真实弹性模量的示意图。

图4为得到实测弹性模量的条件下确定页岩岩心真实弹性模量的示意图。

具体实施方式

实验所涉及仪器及其主要功能如下：

1、MTS电液伺服控制加载系统以及其它辅助装置：测量岩石在单轴条件和围压条件下的力学参数，包括弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度等力学参数。

2、取芯机：在现场钻取的全直径岩心上钻取直径为25mm的岩心柱。

3、切割机：对直径为25mm岩心柱的两端进行切割，保证两端面的平行度及其与轴线的垂直度。

4、车床：对直径为25mm切割后的岩心柱的两端面进行车削加工，保证两端面的光滑度。

5、模具及水泥、砂等原材料：制作水泥块岩心。

本发明采用的技术方案是：该方法包括下列步骤：

2、用取芯机在已制备的长方体模拟试样上取芯，并用切割机获取所需长度的岩心。需要钻取的水泥块岩心分为标准尺寸(直径25mm、长50mm)的岩心和不同长度的非标准尺寸(直径25mm、长度小于50mm)的岩心。标准尺寸水泥块岩心3块，非标准尺寸岩心按照长度5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm分别制作3块。

4、将水泥模拟的岩心和加工处理后的砂岩、页岩、白云岩按照类别和长度进行分类并将每块岩心编号、拍照，最终获得的岩心情况如下：

实验过程主要包括岩心试件的安装、加载、卸载记录等，实验过程中每块岩心的加载和卸载速率保持不变，进行单轴加载。

具体步骤如下：

例如，如图2所示得到的应力应变曲线图中，A点对应的为抗压强度，BC段的斜率即为弹性模量。

分别取每三块相同岩心试样计算结果的平均值，并记录在如下表中。

即得到实际地层砂岩的真是力学参数，用图形表示如图3所示。

若已知岩性为页岩的岩心，在实际取芯过程中得到直径为 25mm、长度为22mm的岩心，通过试验机测试后得到的弹性模量为E2，则可以通过上述方法得到岩石的实际力学参数，该砂岩的弹性模量为

即得到实际地层砂岩的真是力学参数，用图形表示如图4所示。

上述两个例子表述了不同岩性和长度岩心测量其弹性模量的方法，实验中给出了砂岩、页岩、白云岩这三种真实岩性的数据，对于不属于这三种岩性的岩心，可以再单独进行实验或是利用水泥块岩心的数据来进行计算。

Claims

1.一种用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学性质的方法，该方法包括下列步骤：

a.用水泥制备标准尺寸(直径25mm、长50mm)的岩心和不同长度的非标准尺寸(直径25mm、长度小于50mm)的岩心。

b.加工和处理非标准尺寸和标准尺寸的砂岩、页岩、白云岩。

c.将水泥模拟的岩心和加工处理后的砂岩、页岩、白云岩按照类别和长度进行分类并将每块岩心编号。

d.应用MTS电液伺服系统对岩心进行加载，记录加载过程中的应力和变形数据及相关曲线图。

e.对数据和曲线进行处理，得到每块岩心的弹性模量并进行分类。

f.分别对水泥模拟岩心、砂岩、页岩、白云岩的非标准尺寸岩心和对应的标准尺寸岩心的弹性模量进行绘图和总结，得到两者之间的关系，并确定在已测定岩心力学参数的情况下判定真实的岩石力学参数的方法。

2.如权利要求1所述用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学性质的方法，其特征在于：采用测定非标准尺寸岩心的力学参数来确定岩心的真实力学参数。

3.如权利要求2所述用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学性质的方法，其特征在于：可以确定砂岩、页岩、白云岩等各种岩心的真实弹性模量。

4.如权利要求2所述用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学性质的方法，其特征在于：对于测定各种不同长度的非标准尺寸岩心的力学参数均可用于确定岩心的真实力学参数。

5.如权利要求2或4所述用非标准尺寸岩心代替标准尺寸岩心测量岩石力学性质的方法，其特征在于：所采用的非标准尺寸岩心的长度分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm。