CN105675483A - 一种高温高压下钻孔变形的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井围岩变形测试领域，特别涉及一种高温高压条件下钻孔变形的测试装置及测试方法，解决目前钻井围岩在高温600℃及应力250MPa时井孔内壁变形无法测试的技术难题。本发明由高温高压伺服控制岩体三轴加温加载试验系统和钻孔内壁位移光学跟踪测试系统组成，实现了高温高压下井孔围岩变形的高精度测试，应用本发明可获得高温600℃以内、高应力250MPa以内不同时刻井孔围岩的轴向应力、侧向应力、温度、轴向应变、侧向应变及井孔内壁的变形位移。本发明具有测试精度高，装置结构合理，试验方法简便的优点。

Description

一种高温高压下钻孔变形的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于钻井围岩变形测试领域，特别涉及一种高温(T≤600℃)高压(σ≤250MPa)下钻孔变形的测试装置及测试方法。

背景技术

高温岩体地热资源开发、油页岩原位注蒸气开采、低渗透煤体注热开采煤层气时首先面临的是高温高压下深钻施工的技术难题，高温高压下钻孔稳定性是深钻施工的关键所在。因此，高温高压下钻孔的变形测试及其变形规律、临界失稳条件的确定尤为重要。这些研究涉及的钻孔变形测试具有以下共同点：(1)温度高，测试环境温度最高可达到600℃左右；(2)应力大，钻孔围岩的应力可达到250MPa；(3)钻孔内壁的变形测试在钻孔内部进行，不易观测。

由于测试环境的温度较高、应力较大，且钻孔内壁的变形的测试在钻孔内部进行，所以钻井围岩内壁的变形测试非常困难。目前，测试温度在常温～240℃时，采用位移传感器结合静态电阻应变仪对钻孔变形进行测试，由于温度相对较低，位移传感器的电阻率受温度的影响不是太明显，测试勉强可以进行；240℃以外，由于位移传感器电阻变化受到温度的影响，位移传感器的电阻率变化不稳定，无法进行测试。因此目前测试装置及测试方法的缺点是：利用电阻的变化来标定应变的大小，所以在高温(T≤600℃)高压(σ≤250MPa)环境下，由于温度的变化会导致电阻率的变化，对应变计算产生较大的误差。

发明内容

本发明旨在克服现有测试技术的缺点，提供一种高温高压下钻孔变形的测试装置及测试方法，解决高温(T≤600℃)高压(σ≤250MPa)下，现有测试装置和测试方法对钻孔的变形测试结果有较大误差的问题。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种高温高压下钻孔变形的测试装置，包括高温高压伺服控制岩体三轴加温加载试验系统和钻孔内壁位移光学跟踪测试系统。所述的高温高压伺服控制岩体三轴加温加载试验系统包括伺服控制岩体三轴加温加载试验机，高温高压压力室内安装有下压头垫板，下压头垫板开有盲孔，盲孔内放置有光源，下压头垫板上安装设有钻孔的岩石试件，岩石试件的钻孔内壁上固定有跟踪靶，跟踪靶的靶心上设有通孔，岩石试件的上部安装上压头垫板，上压头垫板上开有通孔，与上压头垫板接触的试验机的顶板上具有通孔，且下压头垫板上的盲孔、岩石试件内部的钻孔、上压头垫板的通孔和顶板上的通孔同轴；所述的伺服控制岩体三轴加温加载试验机可以提供最高温度600℃、轴向应力和侧向应力各250Mpa的高温高压的测试条件，并实时记录热力耦合作用下岩体的轴压、围压、温度、轴向变形和侧向变形；所述的钻孔内壁位移光学跟踪测试系统包括平台和光线跟踪测试仪，平台设置于伺服控制岩体三轴加温加载试验机的顶板上部的一定位置，光线跟踪测试仪固定在平台的可自由移动部分，通过调节平台的旋钮可调节光线跟踪测试仪的位置，并通过平台的刻度盘可精确读出光线跟踪测试仪位置的坐标。

上述的一种高温高压下钻孔变形的测试装置，测试温度最高可达到600℃，测试应力最高可达到250MPa。

上述的一种高温高压下钻孔变形的测试装置，岩体试件外部设有加温传压介质，可使岩体试件的热传导及应力分布状态得到进一步改善。

上述的一种高温高压下钻孔变形的测试装置，平台上刻度盘的精度为0.001mm以上。

上述的一种高温高压下钻孔变形测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：在岩石试件的钻孔内壁安装跟踪靶；

(1)在岩石试件上钻一个钻孔；

(2)制作跟踪靶，跟踪靶靶心上设有通孔，可使光源的光线通过；

(3)将跟踪靶的另一端牢固的固定在岩石试件钻孔的内壁上；

步骤二：安装岩石试件和钻孔内壁位移光学跟踪测试系统；

(1)将岩石试件安装到伺服控制岩体三轴加温加载试验机的高温高压压力室内，保证加温加载系统正常工作；

(2)安装设有光源的下压头垫板，保证光源能够正常工作，安装设有通孔的上压头垫板，保证下压头垫板盲孔、岩石试件钻孔、上压头垫板通孔、顶板通孔同轴，光源的光线自下而上顺利到达光线跟踪测试仪；

(3)安装钻孔内壁位移光学跟踪测试系统，首先将平台固定在顶板上部一定距离的水平位置上，保证平台横平竖直，然后在平台的可自由移动部分固定光线跟踪测试仪；

(4)光线跟踪测试仪原始读数清零，打开光源，调节平台的旋钮到光线跟踪测试仪可清晰捕捉到从跟踪靶中心通孔中穿过的光线，读出光线跟踪测试仪在平台上的坐标，将第一次测量坐标记为测试原点；

步骤三：使伺服控制岩体三轴加温加载试验机加温加载到岩石试件测试所需要的温度、应力状态，并实时记录岩石试件的轴压、围压、温度、轴向变形和侧向变形；

步骤四：调节平台上的旋钮，实时跟踪从跟踪靶通孔中穿过的光线，并从平台的测试刻度盘读出光线跟踪测试仪位置的坐标(x_n，y_n(n＝1,2,3，…，n-1，n))；

步骤五：计算不同温度及应力下，钻孔内壁变形在不同时刻的位移量 $S_n=\sqrt{{(x_n-x_{n-1})}^2+{(y_n-y_{n-1})}^2},(n=1,2,3,...,n-1,n).$

本发明目的一在于提供了一种能够真实模拟测试高温(T≤600℃)高压(σ≤250MPa)环境下钻井围岩变形的装置，它能够同时进行热力耦合加载，能够实现在温度和应力正交实验组合情况下，变温变压下的钻井围岩的弹塑性变形监测，或者恒温恒压下钻井围岩的流变变形监测，解决目前高温高压环境下钻井围岩变形无法测试或测试不精确等缺陷。

本发明目的二在于提供了一种非接触式的、测试精度高，在高温(T≤600℃)高压(σ≤250MPa)环境下可重复使用的钻井围岩内壁变形的测试方法，解决目前现有测试方法在高温高压环境下无法正常工作，测试结果在变温环境下受电阻率变化而误差较大的问题。

附图说明

图1为本发明测试装置的整体结构示意图。

图2为本发明测试装置的部分结构示意图。

图3为岩石试件的结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为下压头垫板的结构示意图。

图6为图5的俯视图。

图7为钻孔内壁位移光学跟踪测试系统的结构示意图。

图8为图7的俯视图。

图中：1-伺服控制岩体三轴加温加载试验机，2-下压头垫板，3-光源，4-跟踪靶，5-岩石试件，6-加温传压介质，7-上压头垫板，8-顶板，9-平台，10-光线跟踪测试仪，11-钻孔内壁位移光学跟踪测试系统。

具体实施方式

本发明的一种高温高压下钻孔变形的测试装置，如图所示，由高温高压伺服控制岩体三轴加温加载试验系统和钻孔内壁位移光学跟踪测试系统11组成。高温高压伺服控制岩体三轴加温加载试验系统包括伺服控制岩体三轴加温加载试验机1，伺服控制岩体三轴加载试验机1可以提供最高温度600℃、轴向应力和侧向应力各250Mpa的高温高压的试验测试条件，并实时记录热力耦合作用下岩体的轴压、围压、温度、轴向变形和侧向变形，试验机高温高压压力室内安装有下压头垫板2，下压头垫板2上开有盲孔，盲孔内放置有光源3，下压头垫板2上安装设有钻孔的岩石试件5，岩石试件5外部为加温传压介质6，岩石试件5的钻孔内壁上固定有跟踪靶4，跟踪靶4上设有通孔，岩石试件5的上部安装上压头垫板7，上压头垫板7上开有通孔，与上压头垫板7接触的伺服控制岩体三轴加温加载试验机的顶板8上具有通孔，且下压头垫板2上的盲孔、岩石试件5内部的钻孔、上压头垫板7的通孔和顶板8上的通孔同轴，上压头垫板和下压头垫板为金属垫板；钻孔内壁位移光学跟踪测试系统由光线跟踪测试仪10和可调节并标有精确刻度的平台9组成，平台9设置于伺服控制岩体三轴加温加载试验机顶板8上部的一定位置，光线跟踪测试仪10固定在平台9的可自由移动部分上，平台9上设有可使光线跟踪测试仪10自由移动的旋钮，通过调节平台9的旋钮可调节光线跟踪测试仪10的位置，并通过平台9的刻度盘可精确读出光线跟踪测试仪10位置的坐标。光线跟踪测试仪10可为全站仪、水平仪和经纬仪等精密仪器。

上述的一种高温高压下钻孔变形测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：在岩石试件5的钻孔内壁安装跟踪靶4；

(1)将岩石试件5加工成Φ200mm×400mm的圆柱体，在岩石试件5上钻一个直径为40mm的钻孔；

(2)制作一定尺寸的跟踪靶4，跟踪靶4要尽量大，但要预留出钻孔变形的距离，并使得跟踪靶4在钻孔内横向方向可自由移动，跟踪靶4靶体上设有通孔，可使光源3的光线自由通过；

(3)将跟踪靶4的另一端牢固的固定在岩石试件5钻孔的内壁上；

步骤二：安装岩石试件5和钻孔内壁位移光学跟踪测试系统11；

(1)将岩石试件5安装到伺服控制岩体三轴加温加载试验机1的高温高压压力室内，保证加温加载系统正常工作；

(2)安装设有光源3的下压头垫板2，保证光源3能够正常工作，安装设有通孔的上压头垫板7，保证下压头垫板2盲孔、岩石试件5钻孔、上压头垫板7通孔、顶板8通孔同轴，光源3的光线自下而上顺利到达光线跟踪测试仪10；

(3)安装钻孔内壁位移光学跟踪测试系统11，首先将平台9固定在顶板8上部一定距离的水平位置上，保证平台横平竖直，然后在平台9的可移动部分固定光线跟踪测试仪10；

(4)光线跟踪测试仪10原始读数清零，打开光源3，调节平台9的控制旋钮到光线跟踪仪10可清晰捕捉到从跟踪靶4中心通孔中穿过的光线，读出光线跟踪测试仪10在平台9上的坐标，将第一次测量坐标记为测试原点；

步骤三：伺服控制岩体三轴加温加载试验机1加温加载到岩石试件5测试所需要的温度、应力条件，并实时记录岩石试件5的轴压、围压、温度、轴向变形和侧向变形；

步骤四：调节平台9上的旋钮，实时跟踪从跟踪靶4通孔中穿过的光线，并从平台9上的测试刻度盘读出光线跟踪测试仪10位置的坐标(xn，yn(n＝1,2,3，…，n-1，n))；

步骤五：计算不同温度及应力下，钻孔内壁变形在不同时刻的位移量 $S_n=\sqrt{{(x_n-x_{n-1})}^2+{(y_n-y_{n-1})}^2},(n=1,2,3,...,n-1,n).$

通过以上操作过程及步骤，可获得高温600℃以内、高应力250MPa以内钻孔围岩的轴向应力、侧向应力、温度、轴向应变、侧向应变及钻孔内壁的变形位移。

Claims (5)

1.一种高温高压下钻孔变形的测试装置，包括高温高压伺服控制岩体三轴加温加载试验系统和钻孔内壁位移光学跟踪测试系统(11)，其特征在于所述的高温高压伺服控制岩体三轴加温加载试验系统包括伺服控制岩体三轴加温加载试验机(1)，试验机压力室内安装有下压头垫板(2)，下压头垫板(2)上开有盲孔，盲孔内放置有光源(3)，下压头垫板(2)上安装设有钻孔的岩石试件(5)，岩石试件(5)的钻孔内壁上固定有跟踪靶(4)，跟踪靶(4)的靶心上设有通孔，岩石试件(5)的上部安装上压头垫板(7)，与上压头垫板(7)接触的试验机的顶板(8)具有通孔，且下压头垫板(2)上的盲孔、岩石试件(5)上的钻孔、上压头垫板(7)的通孔和顶板(8)上的通孔同轴；所述的钻孔内壁位移光学跟踪测试系统(11)包括平台(9)和光线跟踪测试仪(10)，平台(9)设置于伺服控制岩体三轴加温加载试验机(1)的顶板(8)上部的一定位置，光线跟踪测试仪(10)固定在平台(9)的可自由移动部分，通过调节平台(9)的旋钮可调节光线跟踪测试仪(10)的位置，并通过平台(9)的刻度盘可精确读出光线跟踪测试仪(10)位置的坐标。

2.根据权利1要求所述的一种高温高压下钻孔变形的测试装置，其特征在于测试温度最高可达到600℃，测试应力最高可达到250MPa。

3.根据权利要求1或2所述的一种高温高压下钻孔变形的测试装置，其特征在于岩体试件(5)外部设有加温传压介质(6)。

4.根据权利1或2要求所述的一种高温高压下钻孔变形的测试装置，其特征在于平台(9)上刻度盘的精度为0.001mm以上。

5.一种如权利1要求所述的高温高压下钻孔变形的测试装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：在岩石试件(5)的钻孔内壁安装跟踪靶(4)；

(1)在岩石试件(5)上钻一个钻孔；

(2)制作跟踪靶(4)，跟踪靶(4)靶心设有通孔，可使光源(3)的光线通过；

(3)将跟踪靶(4)的另一端牢固的固定在岩石试件(5)钻孔的内壁上；

步骤二：安装岩石试件(5)和钻孔内壁位移光学跟踪测试系统(11)；

(1)将岩石试件(5)安装到伺服控制岩体三轴加温加载试验机(1)的高温高压压力室内，保证加温加载系统正常工作；

(2)安装设有光源(3)的下压头垫板(2)，保证光源(3)能够正常工作，安装设有通孔的上压头垫板(8)，保证下压头垫板(2)盲孔、岩石试件(5)钻孔、上压头垫板(7)通孔、顶板(8)通孔同轴，光源(3)的光线自下而上顺利到达光线跟踪测试仪(10)；

(3)安装钻孔内壁位移光学跟踪测试系统(11)，首先将平台(9)固定在顶板(8)上部一定距离的水平位置上，保证平台(9)横平竖直，然后在平台(9)的可自由移动部分固定光线跟踪测试仪(10)；

(4)光线跟踪测试仪(10)原始读数清零，打开光源(3)，调节平台(9)的旋钮到光线跟踪仪(10)可清晰捕捉到从跟踪靶(4)中心通孔中穿过的光线，读出光线跟踪测试仪(10)在平台(9)上的坐标，将第一次测量坐标记为测试原点；

步骤三：伺服控制岩体三轴加温加载试验机(1)加温加载岩石试件(5)测试所需要的温度、应力条件，并实时记录岩石试件(5)的轴压、围压、温度、轴向变形和侧向变形；

步骤四：调节平台(9)上的旋钮，实时跟踪从跟踪靶(4)通孔中穿过的光线，并从平台(9)上的测试刻度盘读出光线跟踪测试仪(10)位置的坐标(x_n，y_n(n＝1,2,3，…，n-1，n))；

步骤五：计算不同温度及应力下，钻孔内壁变形在不同时刻的位移量 $S_n=\sqrt{{(x_n-x_{n-1})}^2+{(y_n-y_{n-1})}^2},(n=1,2,3,...,n-1,n).$