CN106124097A - 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

-种地应力的测试装置
技术领域
[0001] 本发明设及一种石油钻采工程技术,特别设及一种地应力的测试装置。
背景技术
[0002] 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W同时准确地求出地应力的方向和大 小。
发明内容
[0003] 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。
[0004] 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)、岩屯、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),其中岩屯、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)依附于岩屯、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W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W可视化显示,计算出现场地 应力。
[0005] 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。
[0006] 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 臂巧)连接,用于稳定激光扫描旋转支架,并使其按传动臂巧)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)。
[0007] 上述的岩屯、夹持系统(C)包括底座(3)、岩屯、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,且岩屯、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,并与岩屯、夹持系统相连,固定 于试样的中间位置。
[000引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)。
[0009] 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。
[0010] 上述的等间距激光测距器(11)设有五个。
[0011] 本发明提到的一种地应力的测试装置的测量方法,包括W下步骤: (1) 将圆柱形标准试样放置于岩屯、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;其中岩屯、 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W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W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)对岩屯、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。
[0012] 本发明的有益效果是:本发明粘弹性应变测现场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
[0013] 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创说明图; 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、岩屯、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、岩屯、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
[0014] 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、岩屯、夹持系统C、数据采集系统D、计算机后处理系统E,其中岩屯、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W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W可视化显示,计算出现场地应力。
[0015] 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通过侦晒外壳徊定,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。
[0016] 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。
[0017] 另外,岩屯、夹持系统C包括底座3、岩屯、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,且岩屯、夹持器4固定在底座3 上,所述的岩屯、夹持器4靠近岩屯、试样的位置包裹弹性橡胶。
[0018] 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W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W可视化显示。
[0019] 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W调整,且试样装入岩屯、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W下步骤: (1) 将圆柱形标准试样放置于岩屯、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;其中岩屯、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W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W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对岩屯、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 岩石粘性系数巧。
Figure CN106124097AD00051
[0020] 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;:樹为声波频率;E 为岩石弹性模量;C为岩石粘性系数。
[0021] (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。
Figure CN106124097AD00061
[0022] 巧)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(C)相连,固 定于试样的中间位置。
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