CN106289586A - 一种石油钻采工程用现场地应力的测试装置 - Google Patents

一种石油钻采工程用现场地应力的测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石油钻采工程用现场地应力的测量装置,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

一种石油钻采工程用现场地应力的测试装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种石油钻采工程技术,特别涉及一种石油钻采工程用现场地应力的 测试装置和测量方法。
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,一般很难以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,提供一种石油钻采工程用现场 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] 本发明提到的一种石油钻采工程用现场地应力的测试装置,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。
[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(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)。
[0007] 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。
[0008] 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] 本发明提到的一种石油钻采工程用现场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。
[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
[0014] 参照附图1-3,本发明提到的一种石油钻采工程用现场地应力的测试装置,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。
[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。
[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。
[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。
[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90-1 IOmm之间予以调整,且试样装入岩心试样夹持系统C中; 本发明提到的一种石油钻采工程用现场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7。
Figure CN106289586AD00061
[0020] 式中珥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。
[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 CN106289586AD00062
[0022] (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. 一种石油钻采工程用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。
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