CN104541147A - 用于确定岩石样本的地质力学参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定岩石样本的地质力学参数的方法，包括：刮擦步骤，在该步骤中测量提供至以恒定速度和恒定切割深度沿着该样本前进的刀片的水平和垂直力，以破坏岩石样本表面每单位长度的恒定体积；微刻步骤，在该步骤中通过微刻确定岩石的力学特性；确定样本的地质参数的步骤，在该步骤中借助在刮擦和微刻步骤中获得的测量值估计选自岩石的单轴抗压强度、摩擦角、内聚力、布氏硬度以及杨氏模量的至少一个参数。

Description

用于确定岩石样本的地质力学参数的方法
技术领域
本发明涉及用于确定岩石样本的地质力学参数的方法，以及用于实现这一测量方法的设备。
背景技术
在地表下岩石的地质力学研究过程中，通常从地表下岩石中收集核心以获得岩石样本。
当考虑开发地表下岩石时，确定岩石的某些地质力学参数提供了对地下结构的行为的深刻理解。
这些地质力学参数中的某些，例如特征化岩石的故障阈值(failure threshold)的摩擦角(Φ)或摩尔库伦准则的内聚力(C)，是在所有地质力学研究中以不同尺度使用的参数，例如用于井、储水池、遮蔽物、或者油田。
一般来说，确定岩石的摩擦角和内聚力需要以不同封闭压力进行三轴压缩试验。
虽然它们提供了满意的结果，然而这些三轴压缩试验实现起来复杂，特别是对于页岩，原因在于由钻孔和存储(脱水)导致的裂缝。此外，这些试验耗时长，每次试验至少一周。
因此，存在对用于确定岩石样本的地质参数的方法的需求，包括岩石的摩擦角和内聚力，与现有方法相比，它实现起来更为简单和快速。
发明内容
因此，本发明提供一种用于确定岩石样本的地质力学参数的方法，包括：
刮擦凹槽的步骤，在该步骤中测量提供至以恒定速度和恒定切割深度沿着样本表面前进的刀片的水平和垂直力，
微刻步骤，在凹槽上，在该步骤中通过微刻确定岩石的力学特性，
确定样本的地质参数的步骤，在该步骤中借助在刮擦和微刻步骤中获得的测量值估计选自岩石的单轴抗压强度、摩擦角、内聚力、布氏硬度以及杨氏模量的至少一个参数。
有利地，根据本发明的方法提供了有效且无损的确定岩石的地质力学参数的方法，包括摩擦角和内聚力。
有利地，根据本发明的方法允许仅需少量岩石样本的迅速、无损的确定。
此外，根据本发明的方法可以或多或少的连续的方式应用。
根据本发明的方法可进一步包括下述可选特征的一个或多个，单独地或任意组合：
-该方法可进一步包括测量样本的声学参数的步骤，并且其中在确定样本的地质力学参数的步骤中确定岩石的泊松比，
-该声学参数包括压缩和剪切波的传播速度，
-由置于岩石样本和试验台上的多个传感器记录在刮擦和微刻中生成的微震信号，
-微刻和/或声学参数的测量在刮擦步骤中创造的凹槽内进行，
-基于对微刻力位移曲线和刮擦力的拐点的解释确定岩石样本的摩擦角(Φ)或内聚力(C)，
-岩石样本是核心的形式并且测量及确定样本地质力学参数的步骤沿着样本的长度反复进行，和/或
-在测量步骤中拍摄样本。
本发明还涉及一种计算机程序产品，它包括当载入计算机时使得所述计算机执行根据本发明的方法的步骤的一组指令。
本发明进一步涉及用于测量岩石样本的地质力学参数的设备，所述设备包括：
-试验台，用于接收岩石样本，
-起重机架，它在控制下沿着样本运动并包括微刻和刮擦设备，
-计算机，控制起重机架沿着样本运动，被配置为接收由附属于起重机架的设备测量的数据并包括计算装置，该计算装置使用接收的数据确定下述至少一个参数：岩石样本的单轴抗压强度、摩擦角、内聚力、布氏硬度以及杨氏模量。
根据本发明的一个方面，该设备的起重机架进一步包括用于测量岩石样本声学参数的设备，并且该设备的计算机被配置从而它还接收由用于测量声学参数的设备测量的数据并进一步包括计算装置，该计算装置允许使用接收的数据确定岩石样本的泊松率。
附图说明
通过阅读仅以示例的方式提供的下述说明并参考附图，本发明将被更好的理解，在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的方法的不同步骤，以及
图2是根据本发明一个实施例的测量设备的示意图。
具体实施方式
为了清楚起见，在附图中展示的各种元素未必按比例绘制。
在图1中示出的一个实施例中，根据本发明的方法包括：
-凹槽刮擦步骤S1，
-微刻步骤S2，
-声学参数测量步骤S3，以及
-样本地质力学参数确定步骤S4。
优选地，根据本发明的方法通过图2所示的设备执行。
这一设备包括：
-试验台，用于接收岩石样本，典型为通常用于刮擦试验的V-型工作台，
-起重机架，它在控制下沿着样本运动并包括至少微刻和刮擦试验设备18，并可包括用于测量岩石样本声学参数的设备，
-多个传感器，用于捕获微震辐射，被置于样本上和工作台上。
-计算机20，控制起重机架沿着样本运动并被配置为根据由起重机架的设备测量的数据确定岩石样本的地质力学参数。此外，它还在测量过程中记录微震辐射的信号。
在凹槽刮擦步骤S1中，测量诸如切割机刀片的刀片以恒定速度和恒定切割深度沿着样本前进以破坏岩石样本表面每单位长度的恒定体积所需的水平和垂直力。
在本发明意义下的凹槽刮擦步骤涉及通常被称为刮擦试验的公知试验。
在能量/体积方法的上下文中解释这些测量允许估计沿着样本长度的内在特定能量(ISE)的简况。
根据一个实施例，刀片的前进速度可介于5mm/s和25mm/s之间，并且切割深度可在0.05mm至0.5mm之间变化，这取决于所分析的岩石的类型及其他方面。
由于表面是不规则的，为了获得沿着核心的平整表面可能需要多个在先途径。
在刀片-岩石界面的切割力值被沿着样本长度在多个深度处记录，它对于凹槽的整个长度来说保持恒定。
在微刻步骤中，通过微刻确定样本的力位移特性。
根据一个实施例，借助于直径在0.5和3mm之间的圆柱形或球形压头执行微刻试验。可以规则或不规则的间隔在刮擦步骤中创造的凹槽的表面上执行该试验以测量岩石的弹性性能和断裂参数。
由于微刻试验由通过在刮擦步骤中创造的凹槽访问样本实施，这提供了新生的岩石表面，是指具有与还没提取的岩石表面接近的属性的岩石表面。在此新生岩石表面上收集的数据比已暴露至周围空气的表面上收集的数据更为相关。
根据本发明的优选实施例，装备有测力传感器的压头的活塞也安装在起重机架上。压头的升起和降下自动发生。使用三个传感器测量压头相对于岩石表面的差动位移，例如LVDT传感器，一个连接在压头附近，其他两个连接至起重机架。
由计算机20记录力和位移。测量的增量可按需改变，例如介于5至10cm之间的测量增量。
在测量声学参数的步骤S3中，测量岩石样本的声学参数。特别地，在测量声学参数的步骤中测量压缩波Vp和剪切波Vs的传播速度。
根据本发明的优选实施例，在由刮擦步骤暴露的表面上并在微刻试验的间隔内执行对传播速度的测量。
根据本发明的一个实施例，在刮擦步骤中刀片通过后，在岩石样本上获得光滑凹槽(表面)。起重机架16返回其开始位置。
使用以预定距离间隔置于凹槽中的发送器和接收器实施该声学测量，例如在2和10cm之间，尤其是5cm左右。可使用安装在起重机架16上并由计算机20管理的臂自动执行声学传感器的升起和降下。恒定压力被应用至传感器以确保岩石-传感器界面处的良好接触。用于测量的前进增量是恒定的，例如等于发送器和接收器之间的预定距离。特别地，该前进增量可等于5cm。
使用直接置于核心和试验台上的多个传感器完成对微震辐射的检测。
在确定样本的地质力学参数的步骤S4中，测量的数据被发送至计算机20，计算机20处理这些数据以确定该地质力学参数。
发明人发现，将这三次测量分组在一个工作台上并结合它们的解释允许同时特征化岩石的多个力学参数。
可通过微刻确定岩石的弹性性能：可通过分析在每个测量点获得的力-位移曲线的线性相位确定毫米级别的岩石的杨氏模量(E)。
可在刮擦步骤中使用为同类岩石样本获取的内在特定能量(ξ)和强度Rc(单压缩下的抗断裂性)之间的经验关系确定单轴抗压强度(Rc)。在刮擦步骤中，可一直沿着核心获得Rc的简况。可特征化毫米或米级别的力学强度的可变性。
可塑性参数，包括摩擦角(φ)和内聚力(C)，可使用在刮擦步骤和微刻步骤中测量的数据的结合解释进行确定。在岩石-刀片界面处的摩擦力以及对应于微刻的力-位移曲线的拐点和此曲线的非线性相位的力被用于确定这些参数。
圆柱形压头的力-位移曲线的线性部分被用于计算弹性模量(E)。
发明人提出使用由刮擦提供的特定能量(ξ)以及圆柱形压头的力-位移曲线的线性损失点(R)的力(FR)和位移(eR)两者，以确定岩石的摩擦角和内聚力。
发明人提出使用微震辐射来解释微刻的力-位移曲线的不同相位以及切割深度对测量刮擦的特定能量的影响。
发明人提出使用球形压头通过执行应用/释放试验力的循环测量岩石样本的布氏硬度。在释放力后测量的不可逆的移动被用于计算布氏硬度值(HB)。
在同一核心表面获得的力学和声学数据允许创建参数间的可靠关系。这些关系用于创建钻孔的地质力学日志。
将测量分组在单一工作台上的效果使得由样本准备导致的结果的分散最小化，并额外提供了将源自不同测量的数据的解释进行结合的可能性以获得一致的力学参数。
有利地，根据本发明的方法在确定岩石的断裂参数时非常有效，特别是粘土，这是因为粘土的一个主要困难在于获得没有裂痕的样本。
本发明的方法可应用于小型样本，它提供了在地质力学研究中的广泛应用领域(例如钻井孔和遮盖物的稳定性)，其中归因于缺少适于传统试验的样本，故障准则的参数通常是未知的。
此外，微刻试验可直接在核心上实施。因此，可获得位于沿着某一核心长度的规则间隔的内聚力C，摩擦角Φ，布氏硬度，以及杨氏模量E的值。
因此可创建地质力学日志，并可使用与其他为钻孔记录的日志的相关性推测至全部构造。因此，此日志是用于建模水力致裂的输入数据。
本发明不限于描述的实施例，并在不受限制的情况下进行解释，包括所有等价实施例。

Claims (11)

1.一种用于确定岩石样本的地质力学参数的方法，包括：
刮擦凹槽的步骤，在该步骤中测量提供至以恒定速度和恒定切割深度沿着样本前进以破坏岩石样本表面每单位长度的恒定体积的刀片的水平和垂直力，微刻步骤，在该步骤中通过微刻确定岩石样本的力学特性，
确定样本的地质力学参数的步骤，在该步骤中借助在刮擦和微刻步骤中获得的测量值估计选自岩石的单轴抗压强度、摩擦角、内聚力、布氏硬度以及杨氏模量的至少一个参数。
2.根据权利要求1的方法，其中，在确定样本的地质力学参数的步骤中，借助在刮擦和微刻步骤中获得的测量值确定岩石的单轴抗压强度、摩擦角、内聚力、布氏硬度以及杨氏模量。
3.根据权利要求1的方法，进一步包括测量岩石样本的声学参数的步骤并且其中在确定样本的地质力学参数的步骤中确定岩石的泊松比。
4.根据权利要求3的方法，其中该声学参数包括压缩和剪切波的传播速度。
5.根据任一在前权利要求的方法，其中微刻和/或声学参数的测量在刮擦步骤中创造的凹槽内进行。
6.根据任一在前权利要求的方法，其中在刮擦和微刻中记录微震辐射。
7.根据任一在前权利要求的方法，其中岩石样本是核心的形式并且测量和确定样本的地质力学参数的步骤沿着样本的长度反复进行。
8.根据任一在前权利要求的方法，其中在测量步骤中拍摄样本。
9.计算机程序产品，它包括当该程序由处理器执行时用于执行根据权利要求1至8的任一方法的指令。
10.用于测量岩石样本的地质力学参数的设备，所述设备包括：
试验台，用于接收岩石样本，
起重机架，它在控制下沿着样本运动并包括微刻和刮擦设备，
多个传感器，用于捕获声学辐射，被置于样本上和试验台上，
计算机，控制起重机架沿着样本运动，被配置为接收由附属于起重机架的设备测量的数据并包括计算装置，该计算装置使用接收的数据确定下述至少一个参数：岩石样本的单轴抗压强度、摩擦角、内聚力、布氏硬度以及杨氏模量。
11.根据权利要求10的用于测量的设备，其中该起重机架进一步包括用于测量岩石样本声学参数的设备，以及
所述计算机被配置从而它还接收由用于测量声学参数的设备测量的数据并进一步包括计算装置，该计算装置允许使用接收的数据确定岩石样本的泊松率，以及
所述计算机进一步被配置为记录来自用于捕获微震辐射的传感器的信号。
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