CN106092396B - 一种地应力的测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种地应力的测量装置，测试装置包括岩心夹持系统、激光扫描系统、扫描多级速度加载系统、数据采集系统和计算机后处理系统五部分组成。其中岩心夹持系统上方套用激光扫描系统，实现岩石外表形变的数据测量；扫描多级速度加载系统结合激光扫描系统，实现对岩石外表采集数据的周期性测定；数据采集系统依附于激光扫描系统，实现岩石外表形变的数据测量采集汇总，并传输至计算机后处理系统予以存储并处理。此种测量装置可测量现场应变地应力，操作简单，结果可靠，并可直观可视化显示结果。本发明的试验结果可为地应力的测量提供重要的试验技术支持。

Description

一种地应力的测试装置
技术领域
本发明涉及一种石油钻采工程技术，特别涉及一种地应力的测试装置。
背景技术
在石油钻采工程中越来越需要有关原地应力状态的数据，比如钻井过程中井眼的稳定问题；地层破裂压力预测；压裂工程设计；高压注水中的地层破裂问题；断层的滑动及复活问题；地下管柱外载计算及其抗挤寿命计算问题等等。现有求地应力大小及方向的诸方法中，都有一定的局限性，因此各有利弊，一般很难以同时准确地求出地应力的方向和大小。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种地应力的测试装置，主要是用于测量了解地下某点的水平应力状态，包括主应力的大小与方向。
本发明提到的一种地应力的测试装置，包括扫描多级速度加载系统（A）、激光扫描系统（B）、岩心夹持系统（C）、数据采集系统（D）、计算机后处理系统（E）和声波测试系统（17），其中岩心夹持系统（C）上方套有激光扫描系统（B），实现岩石外表形变的数据测量；扫描多级速度加载系统（A）结合激光扫描系统（B），实现对岩石外表采集数据的周期性测定；声波测试系统（17）依附于岩心夹持系统（C），并固定于试样的中间位置；数据采集系统（D）依附于激光扫描系统（B），实现岩石外表形变的数据测量采集汇总，并传输至计算机后处理系统（E）予以存储；通过计算机后处理系统（E）计算得到岩石地应力试验过程中岩石的变形程度，绘制出岩石变形、时间、粘弹性间的相互关系曲线，并予以可视化显示，计算出现场地应力。
上述的扫描多级速度加载系统（A）包括外壳上盖（9）、多级速度适配器（6）、传动臂（5），其中，外壳上盖（9）通过侧面外壳（2）固定，多级速度适配器（6）和传动臂（5）固定在外壳上盖（9）上，多级速度适配器（6）通过数据采集系统（D）中的控制传输线（7）与计算机后处理系统（E）相连。
上述的激光扫描系统（B）包括激光旋转支架（1）、圆筒（13）、圆环（14），两个激光旋转支架（1）的下部固定在圆环（14）和圆筒（13）上，通过圆环（14）和圆筒（13）与底座固定在一起，多个激光测距器（11）沿竖直方向等间距排列，所述的激光旋转支架（1）的上方与传动臂（5）连接，用于稳定激光扫描旋转支架，并使其按传动臂（5）控制旋转；激光测距器（11）与数据采集系统（D）中的数据传输线（8）相连，将激光测距器的数据传输到计算机后处理系统（E）。
上述的岩心夹持系统（C）包括底座（3）、岩心夹持器（4）和轴向应变测试装置（18），底座（3）的上侧设有凸起部（16），通过纵向卡槽（10）和横向卡槽（15）与激光扫描旋转支架（1）相配合连接，且岩心夹持器（4）固定在底座（3）上；轴向应变侧向系统（18）位于试讲顶端，主要用于测试试件轴向应变的变化；
上述的声波测试系统（17）包括声波探头和示波器装置，并与岩心夹持系统相连，固定于试样的中间位置。
上述的数据采集系统（D）包括数据传输线（8）和控制传输线（7），并通过数据传输线（8）和控制传输线（7）分别连接到计算机后处理系统（E）。
上述的纵向卡槽（10）设置在凸起部（16）的外侧的底座表面上，横向卡槽（15）设置在凸起部（16）的上部，通过纵向卡槽（10）与圆筒（13）配合固定，通过横向卡槽与圆环（14）配合固定，从而将激光扫描旋转支架（1）与底座（3）固定在一起。
上述的等间距激光测距器（11）设有五个。
本发明提到的一种地应力的测试装置的测量方法，包括以下步骤：
（1）将圆柱形标准试样放置于岩心夹持系统（C）内，安放、安装好实验仪器并对扫描多级速度加载系统（A）、数据采集系统（D）和计算机后处理系统（E）的参数进行设置；其中岩心夹持系统（C）上方套有的激光扫描系统（B），实现岩石外表形变的数据测量；扫描多级速度加载系统（A）结合激光扫描系统（B），实现对岩石外表采集数据的周期性测定；数据采集系统（D）依附于激光扫描系统（B），实现岩石外表形变的数据测量采集汇总，并传输至计算机后处理系统（E）予以存储；通过计算机后处理系统（E）计算得到岩石地应力试验过程中岩石的变形程度，绘制出岩石变形、时间、粘弹性间的相互关系曲线，并予以可视化显示，计算出现场地应力；
（2）通过激光扫描系统（B）配合扫描多级速度加载系统（A）对岩心短时间形变测量，通过最小二乘法数值拟合获得整个钻孔横截面轮廓的变形，并根据弹性力学公式计算出最大和最小水平主应力。
本发明的有益效果是：本发明的地应力的测量装置的试验结果可测量现场应变地应力，操作简单，结果可靠，并可直观可视化显示结果；另外，本发明的试验结果可为地应力的测量提供重要的试验技术支持。
附图说明
附图1是本发明的整体结构示意图；
附图2是本发明的各部件的解刨说明图；
附图3是本发明的扫描器旋转支架部件结构示意图；
上图中：扫描多级速度加载系统A、激光扫描系统B、岩心夹持系统C、数据采集系统D、计算机后处理系统E；激光扫描旋转支架1、侧面外壳2、底座3、岩心夹持器4、传动臂5、多级速度适配器6、控制传输线7、数据传输线8、外壳上盖9、扫描旋转支架卡槽10、激光测距器11、计算机12、圆筒13、圆环14、横向卡槽15、凸起部16、声波测试系统17，轴向位移计18。
具体实施方式
参照附图1-3，本发明提到的一种地应力的测试装置，包括扫描多级速度加载系统A、激光扫描系统B、岩心夹持系统C、数据采集系统D、计算机后处理系统E，其中岩心夹持系统C上方套有激光扫描系统B，实现岩石外表形变的数据测量；扫描多级速度加载系统A结合激光扫描系统B，实现对岩石外表采集数据的周期性测定；数据采集系统D依附于激光扫描系统B，实现岩石外表形变的数据测量采集汇总，并传输至计算机后处理系统E予以存储；通过计算机后处理系统E计算得到岩石地应力试验过程中岩石的变形程度，绘制出岩石变形、时间、粘弹性间的相互关系曲线，并予以可视化显示，计算出现场地应力。
其中，扫描多级速度加载系统A包括外壳上盖9、多级速度适配器6、传动臂5，其中，外壳上盖9通过侧面外壳2固定，多级速度适配器6和传动臂5固定在外壳上盖9上，多级速度适配器6通过数据采集系统D中的控制传输线7与计算机后处理系统E相连。
另外，激光扫描系统B包括激光旋转支架1、圆筒13、圆环14，两个激光旋转支架1的下部固定在圆环14和圆筒13上，通过圆环14和圆筒13与底座固定在一起，多个激光测距器11沿竖直方向等间距排列，所述的激光旋转支架1的上方与传动臂5连接，用于稳定激光扫描旋转支架，并使其按传动臂5控制旋转；激光测距器11与数据采集系统D中的数据传输线8相连，将激光测距器的数据传输到计算机后处理系统E。
另外，岩心夹持系统C包括底座3、岩心夹持器4，底座3的上侧设有凸起部16，通过纵向卡槽10和横向卡槽15与激光扫描旋转支架1相配合连接，且岩心夹持器4固定在底座3上，所述的岩心夹持器4靠近岩心试样的位置包裹弹性橡胶。
数据采集系统D包括数据传输线8和控制传输线7，并通过数据传输线8和控制传输线7分别连接到计算机后处理系统E，计算机通过数据交换口将定时采集的数据予以储存、显示，并基于数据处理可视化程序计算得到试验过程中岩石的外部形变，绘制出岩石形变、时间、应力和应变参数间的相互关系曲线，并予以可视化显示。
参照附图2，纵向卡槽10设置在凸起部16的外侧的底座表面上，横向卡槽15设置在凸起部16的上部，通过纵向卡槽10与圆筒13配合固定，通过横向卡槽与圆环14配合固定，从而将激光扫描旋转支架1与底座3固定在一起；上述的等间距激光测距器11设有五个激光测距器11。其中，两个激光旋转支架1，一组应变值取二者半个周期内扫描的数据；应变值取5个激光测距器11和的平均，用于确保试样测量准确性；所用的试样为圆柱形试样，直径为50mm，高度可在90-110mm之间予以调整，且试样装入岩心试样夹持系统C中；
本发明提到的一种地应力的测试装置的测量方法，包括以下步骤：
（1）将圆柱形标准试样放置于岩心夹持系统C内，安放、安装好实验仪器并对扫描多级速度加载系统A、数据采集系统D和计算机后处理系统E的参数进行设置；其中岩心夹持系统C上方套有的激光扫描系统B，实现岩石外表形变的数据测量；扫描多级速度加载系统A结合激光扫描系统B，实现对岩石外表采集数据的周期性测定；数据采集系统D依附于激光扫描系统B，实现岩石外表形变的数据测量采集汇总，并传输至计算机后处理系统E予以存储；通过计算机后处理系统E计算得到岩石地应力试验过程中岩石的变形程度，绘制出岩石变形、时间、粘弹性间的相互关系曲线，并予以可视化显示；
（2）通过激光扫描系统B配合扫描多级速度加载系统A对岩心短时间形变测量，通过最小二乘法数值拟合获得整个钻孔横截面轮廓的变形；
（3）通过声波测试系统（图中17）测试得到振幅随时间的衰减系数，进而利用下式计算岩石粘性系数。
式中为声波振幅随时间的衰减系数，通过声学测试系统获得；为声波频率；E为岩石弹性模量；为岩石粘性系数。
（4）利用开尔文粘弹性模型对步骤1中测得的粘弹性数据进行分析，并通过下式得到等效模量。
（5）利用等效模量根据虎克定律计算各地应力大小与方向。

Claims (1)

1.一种现场地应力的测试装置，其特征是：包括扫描多级速度加载系统（A）、激光扫描系统（B）、岩心夹持系统（C）、数据采集系统（D）、计算机后处理系统（E）和声波测试系统（17），其中岩心夹持系统（C）上方套有激光扫描系统（B），实现岩石外表形变的数据测量；扫描多级速度加载系统（A）结合激光扫描系统（B），实现对岩石外表采集数据的周期性测定；声波测试系统（17）依附于岩心夹持系统（C），并固定于试样的中间位置；数据采集系统（D）依附于激光扫描系统（B），实现岩石外表形变的数据测量采集汇总，并传输至计算机后处理系统（E）予以存储；通过计算机后处理系统（E）计算得到岩石地应力试验过程中岩石的变形程度，绘制出岩石变形、时间、粘弹性间的相互关系曲线，并予以可视化显示，计算出现场地应力；
所述的扫描多级速度加载系统（A）包括外壳上盖（9）、多级速度适配器（6）、传动臂（5），其中，外壳上盖（9）通过侧面外壳（2）固定，多级速度适配器（6）和传动臂（5）固定在外壳上盖（9）上，多级速度适配器（6）通过数据采集系统（D）中的控制传输线（7）与计算机后处理系统（E）相连；
所述的激光扫描系统（B）包括激光扫描旋转支架（1）、圆筒（13）、圆环（14），两个激光扫描旋转支架（1）的下部固定在圆环（14）和圆筒（13）上，通过圆环（14）和圆筒（13）与底座固定在一起，多个激光测距器（11）沿竖直方向等间距排列，所述的激光扫描旋转支架（1）的上方与传动臂（5）连接，用于稳定激光扫描旋转支架，并使其按传动臂（5）控制旋转；激光测距器（11）与数据采集系统（D）中的数据传输线（8）相连，将激光测距器的数据传输到计算机后处理系统（E）；
所述的岩心夹持系统（C）包括底座（3）、岩心夹持器（4）和轴向应变测试装置（18），底座（3）的上侧设有凸起部（16），通过纵向卡槽（10）和横向卡槽（15）与激光扫描旋转支架（1）相配合连接，且岩心夹持器（4）固定在底座（3）上；轴向应变测试装置（18）位于试件顶端，主要用于测试试件轴向应变的变化；
所述的纵向卡槽（10）设置在凸起部（16）的外侧的底座表面上，横向卡槽（15）设置在凸起部（16）的上部，通过纵向卡槽（10）与圆筒（13）配合固定，通过横向卡槽与圆环（14）配合固定，从而将激光扫描旋转支架（1）与底座（3）固定在一起；
所述的等间距激光测距器（11）设有五个，其中，两个激光扫描旋转支架（1），一组应变值取二者半个周期内扫描的数据；应变值取5个激光测距器（11）和的平均，用于确保试样测量准确性。
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