CN105352798A - 一种采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，包括测试装置，该测试装置包括内部具有上下贯通的圆柱体腔体的岩屑筒，能在所述岩屑筒腔体内沿腔体上下活动的压杆，与所述岩屑筒可拆卸连接并封堵其腔体下部开口的底座，所述压杆前端与岩屑筒之间的配合为间隙配合，通过加压装置对压杆施加压力逐渐压缩岩屑筒内的岩屑，同时记录采集加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量。本发明利用群体岩屑的集体作用来反映地层岩石力学性质，通过获得群体岩屑强度(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，特别是，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。

Description

一种采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法

技术领域

本发明属于石油天然气、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岩屑检测岩石力学参数的实验装置与测试方法。

背景技术

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。

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。

油气钻井的现场，在钻井过程中，岩石经破岩工具(钻头)破碎后形成岩屑通过钻井液携带上返到地面。岩屑是人们能直接获得的地层岩石的另一种形态，岩屑本身带有所在地层岩石的相应的力学性质，通过检测岩屑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。人们有采用单颗岩屑进行测试岩屑物理力学性质的尝试，比如：微硬度、塑性系数、岩屑波速等。但由于各单个岩屑粒度不一，岩屑内微缺陷(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。单颗岩屑测试方法至今均未能成功应用。

发明内容

本发明的目的在于：避免现有技术的弊端，提供一种采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，利用群体岩屑的集体作用来反映地层岩石力学性质，通过获得群体岩屑强度(压力、压缩量数据)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。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，包括测试装置，该测试装置包括内部具有上下贯通的圆柱体腔体的岩屑筒，能在所述岩屑筒腔体内沿腔体上下活动的压杆，与所述岩屑筒可拆卸连接并封堵其腔体下部开口的底座，所述压杆前端与岩屑筒之间的配合为间隙配合，岩屑筒的筒深H与岩屑筒的内径d的比值范围为2～5,岩屑筒的壁厚与内径d的比值范围为0.3～2；该测试方法以群体岩屑作为测试对象，将一定量的岩屑放置在所述测试装置的岩屑筒的腔体内，腔体内岩屑的初始高度h不小于岩屑筒筒深H的三分之一，不高于筒深H的三分之二，通过加压装置对压杆施加压力逐渐压缩岩屑筒内的岩屑，同时记录采集加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量，加压时的加载速度为0.3～2MPa/s。

作为选择，压缩测试终止前，岩屑密度至少压缩至岩屑对应原始岩石的密度的90％以上。

作为进一步选择，压缩测试终止前，岩屑密度压缩至岩屑对应原始岩石的密度的103％～120％之间，同时记录采集该区间加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量。

作为进一步选择，压缩测试终止前，岩屑密度压缩至岩屑对应原始岩石的密度的105％～110％之间，同时记录采集该区间加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量。

现有的岩屑法均采用单颗岩屑进行硬度、塑性系数等相关岩石力学性质的测试。由于选用单颗岩屑作为测试对象，在选取岩屑方面，岩屑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屑粒度大小差异很大，要挑选合适的粒度非常耗时；岩屑的挑选是靠人工选择的，由于人的主观性，不同的人选择的岩屑也会不同，这就使得测试数据会比较离散，差异性较大。岩屑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)，由于各单颗岩屑的内部损伤(微裂纹)不同，所测得的单颗岩屑的力学性质存在极大差异性，结果不准确。总之，现有的岩屑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。

本发明人研究认为：岩屑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，因此采用岩屑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，本发明人创造性地提出群体岩屑测试方法，以返出的群体岩屑作为测试对象。该方法采用一定量的岩屑作为测试对象，钻井现场有大量的岩屑，不必对岩屑进行过多的筛选，直接取定量的岩屑进行测试，所需时间大大减少。群体岩屑包含了大量的单颗岩屑，其共同作用可减小各单个岩屑内部损伤(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屑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(B)和灰岩(C)三种岩石的硬度值541.3MPa、1013.4MPa、1523.6MPa。然后采用本发明的实验装置和方法，对上述三种岩石的岩屑进行了压缩实验测试，将三种岩石的岩屑压缩到原始密度后再继续压缩，图中取了将岩屑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)，三种岩屑的密度较原始岩石的密度增加5％时，压力分别为10.54MPa、22.71MPa、35.28MPa。从图5可看出，群体岩屑的强度(压力、压缩量)与原岩石的硬度有明显的对应关系，且群体岩屑的强度(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，本发明所获得群体岩屑强度(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。

但是，即使要获得群体岩屑强度(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。且发明人的研究还发现，在将岩屑密度压缩至岩屑对应原始岩石的密度的90％以前，得到的数据过于离散，重现性不佳，难以作为评价依据，而当岩屑密度压缩到90％以上时，则可以得到较佳的数据，且进一步的优选区间为103％～120％之间，更优选105％～110％之间。

上述方案中，其中，所述压杆前端与岩屑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屑，该“间隙配合”是指：压杆与岩屑筒壁的间隙非常小(间隙尺寸量级远小于岩屑尺寸及岩屑再次压碎后的岩屑碎末尺寸)，满足岩屑不会从间隙中漏出，让被压岩屑的受压面积恒定不变的要求。

作为选择，所述岩屑的最大粒度不大于岩屑筒内径d的四分之一。

上述方案中，若岩屑颗粒过大，筒径一定的筒内横向面内可放置的岩屑过少，易导致岩屑筒内的岩屑堆积时出现架空和太大间隙，在加压时，位移和压力会出现陡变，将增加测试误差。因此要选取合适的岩屑粒度，保证岩屑尽可能饱满地填充筒内空间，提高测试数据的准确性。

作为选择，所述岩屑筒的内径d的范围为25～50mm。

上述方案中，若岩屑筒内径过小，太接近所测试的岩屑中较大岩屑的粒度，岩屑筒同一横向面内可放置的岩屑太少，岩屑筒内的岩屑堆积易于出现架空和太大间隙，这将增大测试误差。若岩屑筒内径过大，测试时所需的岩屑较多，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。

作为选择，所述压杆前端四分之一至三分之一的长度与岩屑筒为间隙配合，其余部分小于岩屑筒内径d。

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屑筒为间隙配合是指：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屑筒为间隙配合，在保证测试实验压杆压缩岩屑所需的间隙配合的同时，能减少压杆外壁与岩屑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。

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屑筒为间隙配合，其余部分小于岩屑筒内径d，大于岩屑筒内径d的二分之一。

上述方案中，压杆所受载荷为几百公斤甚至更大，为确保实验过程及实验装置的强度和刚性，压杆的直径不宜过小。

作为选择，间隙配合区域的压杆上，沿周向还设有若干条相互平行的环形槽。

作为选择，加压时的加载速度为0.5～1MPa/s。

上述方案中，实验装置所受的载荷为几百公斤甚至更大，若加载速度过慢，则实验过程比较耗时；若加载速度过快，则压杆对岩屑有冲击作用，获取的数据不准确。

作为选择，所述岩屑筒与底座通过螺栓连接。

上述方案中，对实验装置加压实验过程中，压力可达到几百公斤甚至更大，筒内岩屑受压而变得很致密。为了方便将压实后的岩屑从筒内取出，底座与岩屑筒通过螺栓连接，采用底座可拆卸设计。该设计便于岩屑筒的清理，以便后续的再次实验。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案：如本发明，各选择即可和其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：本发明利用群体岩屑的集体作用来反映地层岩石力学性质，通过获得群体岩屑强度(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，特别是，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。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图。

图中，1为压杆，2为岩屑筒，3为底座，4为连接螺栓，5为岩屑。

图2为本发明加压压缩岩屑时的实验示意图。

图3为本发明实验装置的岩屑筒示意图。

图4为本发明实验装置的压杆示意图。

图5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屑的压力值之间的关系曲线。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

如图1至4所示，基本例为：一种利用岩屑检测岩石力学参数的实验装置与测试方法。实验装置包括压杆1、岩屑筒2、底座3，所述压杆1与岩屑筒2采用间隙配合，岩屑筒2的筒深H与岩屑筒2的内径d的比值范围为2～5，岩屑筒的壁厚与内径d的比值范围为0.3～2。实验方法是，以群体岩屑5作为测试对象，将一定量的岩屑5放置在上述实验装置的岩屑筒2内，筒内岩屑5的初始高度h不小于岩屑筒筒深H的三分之一，不高于筒深H的三分之二，即1/3H≤h≤2/3H，通过加压装置对压杆1施加压力逐渐压缩岩屑筒2内的岩屑(如图2)，同时记录采集加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量，加压时的加载速度为0.3～2MPa/s。作为选择，压缩测试终止前，岩屑密度至少压缩至岩屑对应原始岩石的密度的90％以上。作为选择，压缩测试终止前，岩屑密度压缩至岩屑对应原始岩石的密度的103％～120％之间，同时记录采集该区间加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量；作为进一步选择，将岩屑密度压缩至岩屑对应原始岩石的密度的105％～110％之间，同时记录采集该区间加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量。

作为基本例的选择一：所述(群体)岩屑5的最大粒度不大于岩屑筒内径d的四分之一。

作为基本例的选择二：所述岩屑筒2与底座3可拆分，底座3与岩屑筒2通过螺栓4连接，如图1、2。

作为基本例的选择三：所述岩屑筒2的内径d的范围为25～50mm。

作为基本例的选择四：所述压杆1的前端四分之一至三分之一的长度与岩屑筒2为间隙配合，其余部分小于岩屑筒内径d，如图4。进一步地，所述压杆1的前端四分之一至三分之一的长度与岩屑筒2为间隙配合，其余部分小于岩屑筒2的内径d，大于岩屑筒2的内径d的二分之一。且间隙配合区域还设有若干条环形槽(图4中以2条示例)，用以减少压杆1与岩屑筒2之间的接触面积和摩擦力，并为压杆1与岩屑筒2之间的微小碎屑提供存储空间，减小压缩过程中进入压杆1与岩屑筒2之间微小颗粒的长距离作用对压缩力的影响。

作为基本例的选择五：如图2所示，通过加压装置对压杆1施加压力F逐渐压缩岩屑筒2内的岩屑5，保证加压过程中的加载速度为0.5～1MPa/s，同时记录采集加压过程中的压力和被压岩屑5的压缩量。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：包括测试装置，该测试装置包括内部具有上下贯通的圆柱体腔体的岩屑筒，能在所述岩屑筒腔体内沿腔体上下活动的压杆，与所述岩屑筒可拆卸连接并封堵其腔体下部开口的底座，所述压杆前端与岩屑筒之间的配合为间隙配合，岩屑筒的筒深H与岩屑筒的内径d的比值范围为2～5，岩屑筒的壁厚与内径d的比值范围为0.3～2；该测试方法以群体岩屑作为测试对象，将一定量的岩屑放置在所述测试装置的岩屑筒的腔体内，腔体内岩屑的初始高度h不小于岩屑筒筒深H的三分之一，不高于筒深H的三分之二，通过加压装置对压杆施加压力逐渐压缩岩屑筒内的岩屑，同时记录采集加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量，加压时的加载速度为0.3～2MPa/s。

2.如权利要求1所述的采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：压缩测试终止前，岩屑密度压缩至岩屑对应原始岩石的密度的103％～120％之间，同时记录采集该区间加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量。

3.如权利要求2所述的采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：压缩测试终止前，岩屑密度压缩至岩屑对应原始岩石的密度的105％～110％之间，同时记录采集该区间加压过程中的压力和被压岩屑的压缩量。

4.如权利要求1所述的采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：所述岩屑的最大粒度不大于岩屑筒内径d的四分之一。

5.如权利要求1所述的采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：所述岩屑筒的内径d的范围为25～50mm。

6.如权利要求1所述的采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：所述压杆前端四分之一至三分之一的长度与岩屑筒为间隙配合，其余部分小于岩屑筒内径d。

7.如权利要求6所述的采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：所述压杆前端四分之一至三分之一的长度与岩屑筒为间隙配合，其余部分小于岩屑筒内径d，大于岩屑筒内径d的二分之一。

8.如权利要求6或7所述的采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：间隙配合区域的压杆上，沿周向还设有若干条相互平行的环形槽。

9.如权利要求1所述的采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：加压时的加载速度为0.5～1MPa/s。

10.如权利要求1所述的采用岩屑检测岩石力学参数的测试方法，其特征在于：所述岩屑筒与底座通过螺栓连接。