CN109630098A - 一种利用岩芯测量差应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地应力测量技术领域，尤其是涉及一种利用岩芯测量差应力的方法。利用岩芯测量差应力的方法为先对岩芯的径向变形进行测量，再对岩芯内微裂隙发育和分布特征进行评估，之后统计和确定岩芯不同径向位置的多组微裂隙累积宽度，最终得到Shmax‑Shmin的真实量值。本发明通过对岩芯的微裂隙宽度进行测量，在计算岩芯是径向变形时，加入微裂隙宽度，使得对岩芯径向变形的计算更加的准确，减小了误差，保证了最终数据能够在任何情况下均正常使用，进而能够使得岩芯弹性变形测量得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及地应力测量技术领域，尤其是涉及一种利用岩芯测量差应力的方法。
背景技术
地应力是存在于地壳岩体中的初始应力，也是固体地球的重要物理属性参数之一。地应力是引起岩体变形、失稳和破坏的根源力量，也是影响石油、页岩气、干热岩等深部能源开采的重要参考依据。对于页岩气和干热岩储层开发来说，差应力的大小是对于裂缝体系的建造和裂隙扩展成网具有重要意义的基础参数。
当前，地应力测量最主要依赖的手段是钻孔和钻孔取芯，比如，岩芯滞弹性恢复法(ASR法)就是一种根据岩芯脱离岩体应力环境后，测试非弹性变形进而估算三维主应力的一种常用方法。然而，这种方法操作程序复杂，影响和干扰因素较多，且比较费时。一般来说，ASR法测试时间至少7天，有时需要长达一个月。因而，难以快速地、大规模地推广应用。
岩芯从地壳岩体中取出后，由于脱离了地应力场的挤压作用，将发生两种变形，除了ASR法地应力测试所依赖的非弹性变形之外，还有瞬间恢复的弹性变形。由于弹性变形从钻头钻取岩芯形成的那一刻已经开始发生，一旦完全钻取得到岩芯，即基本完成弹性形变的恢复，因而难以测量和利用。尤其无法回避的问题是，由于孔底的应力集中，加上钻杆自身的重量作用于钻头端面，又进一步加剧了应力集中状态。这就造成所取的岩芯中含有微裂隙，微裂隙的分布和产状将对岩芯的外形尺寸产生干扰，造成无法准确获得岩芯的真实弹性变形量。这也将给利用岩芯弹性变形确定地应力带来难以确定的困难。
再者，对于取自深达数千米的岩芯，或者地热钻孔取出的岩芯，埋藏温度较高，而钻井循环液温度较低，因此岩芯取出前后显著的温度差将引起一定的温度应力，促进微裂隙的发育和形成。对于矿物颗粒较大的岩芯，这种情况尤甚。
理论上，岩芯的弹性变形量十分微小，对于49mm左右地质标准的圆柱状岩芯，直径方向变形量最小一般为几个微米，而微裂隙的宽度一般是0.1微米至数微米，大量的微裂隙可能造成可观的累积宽度。但是，一般的圆柱状岩芯直径变形测量方法没有考虑剔除微裂隙这部分干扰因素，因而，其评估方法也存在较大的误差，时甚至无法使用。这也限制了岩芯弹性变形测量的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用岩芯测量差应力的方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
本发明提供的利用岩芯测量差应力的方法，先对岩芯的径向变形进行测量，再对所述岩芯内微裂隙发育和分布特征进行评估，之后利用成像的方式，统计和确定所述岩芯不同径向位置的多组微裂隙累积宽度，最后利用所述岩芯，开展岩石力学试验并获取杨氏模量E和泊松比v，最终得到最大水平主应力Shmax-最小水平主应力Shmin的真实量值。
进一步的，对所述岩芯的径向变形进行测量时，单个岩芯的单个径向位置至少测试3-4个周期，单个岩芯至少测试2个径向位置。
进一步的，对所述岩芯内微裂隙发育和分布特征进行评估方法为超声脉冲法。
进一步的，通过超声脉冲法得到圆柱面不同方位的P波波速分布曲线特征；
根据P波速度曲线得到速度最小的正弦曲线波谷相对标记线L位置的方位角α2；
所述方位角α2与所述微裂隙长轴方向与dmin径向的夹角α相同。
进一步的，成像的方法为CT扫描成像。
进一步的，统计所述岩芯不同径向位置的多组微裂隙累积宽度后，取多组所述微裂隙累积宽度的平均值进行最终计算。
进一步的，微裂隙包括随机微裂隙和诱发微裂隙；
最终进行计算的累积微裂隙为所述诱发微裂隙。
进一步的，最终得到Shmax-Shmin的真实量值的计算公式为：
其中，Shmax为最大水平主应力；Shmin为最小水平主应力；E为杨氏模量；v为泊松比；dmax为岩芯的最大径向变形；dmin为岩芯的最小径向变形。
进一步的，在进行岩芯径向变形测量前，先将岩芯进行密封包装，用于避免岩芯失水。
进一步的，对岩芯的径向变形进行测量前，先平行于岩芯的轴向画一条标记线，用于对岩芯转动角度进行定位。
本发明提供的岩芯差应力测量方法，通过对岩芯的微裂隙宽度进行测量，在计算岩芯是径向变形时，加入微裂隙宽度，使得对岩芯径向变形的计算更加的准确，减小了误差，保证了最终数据能够在任何情况下均正常使用，进而能够使得岩芯弹性变形测量得到广泛应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的岩芯差应力测量方法所使用的系统在使用时岩芯的径向弹性形变示意图；
图2为本发明实施例提供的利用岩芯测量差应力的方法所使用的系统的结构示意图；
图3为岩芯内微裂隙发育和分布特征示意图；
图4为本发明实施例提供的利用岩芯测量差应力的方法所使用的系统的成像方式示意图；
图5为图4的成像结果示意图；
图6为岩芯直径和P波速度关系图；
图7为本发明实施例提供的利用岩芯测量差应力的方法的流程图。
附图标记：
1：发射探头；2：从动轴；3：岩芯；4：主动轴；5：变速马达；6：接收探头；7：主架；8：旋转控制器；9：电脑；10：数据采集控制器；11：X射线发射器；12：图像采集仪；13：旋转台；14：截面；15：随机微裂隙；16：诱发微裂隙。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如附图2所示，本发明提供的利用岩芯测量差应力的方法中，所采用的岩芯径向变形测量系统，包括主架7、旋转轴、驱动装置和数据采集单元；旋转轴转动设置在主架7上，驱动装置与旋转轴连接，用于驱动旋转轴转动；数据采集单元设置在主架7的端部，用于采集被旋转轴驱动转动的岩芯3的外轮廓信息。
通过驱动装置驱动旋转轴转动，进而带动岩芯3在旋转轴上转动，在岩芯3转动的过程中，利用数据采集单元将岩芯3的外轮廓信息进行采集后，再通过计算得出岩芯3的径向变形量。
进一步的，旋转轴包括平行设置的主动轴4和从动轴2，被测量的岩芯3放置在主动轴4和从动轴2之间的上方。
通过主动轴4和从动轴2共同的作用，将岩芯3抬起来，保证了岩芯3能够正常的转动。
在本发明中，驱动装置为变速马达5。通过变速马达5，能够根据不同的岩芯3直径，对主动轴4进行不同转速驱动，进而能够取得最优结果。
在本实施例中，变速马达5通过旋转控制器8进行控制其工作状态。
在本发明中，数据采集单元包括发射探头1和接收探头6；发射探头1和接收探头6分别设置在主架7的两端，且设置在驱动轴相对两侧。
在本实施例中，数据采集控制器10发送指令给发射探头1，发射探头1向接收探头6方向发射X射线，通过接收探头6接收X射线，由于岩芯3在发射探头1和接收探头6之间，接收探头6无法接收被岩芯3阻挡的X射线，进而在接收探头6上形成没有X射线的区域，该区域宽度即岩芯3的即时直径。
本发明还提供了一种岩芯3径向变形测量方法，其先对岩芯3的径向变形进行测量，再对所述岩芯3内微裂隙发育和分布特征进行评估，之后利用成像的方式，统计和确定所述岩芯3不同径向位置的多组微裂隙累积宽度，最后利用所述岩芯3，开展岩石力学试验并获取杨氏模量E和泊松比v，最终得到Shmax-Shmin的真实量值。
对所述岩芯3的径向变形进行测量时，单个岩芯3的单个径向位置至少测试3-4个周期，单个岩芯3至少测试2个径向位置。对所述岩芯3内微裂隙发育和分布特征进行评估方法为超声脉冲法。成像的方法为CT扫描成像。统计所述岩芯3不同径向位置的多组微裂隙累积宽度后，取其平均值进行最终计算。最终得到Shmax-Shmin的真实量值的计算公式为：
其中，Shman为最大水平主应力；Shmin为最小水平主应力；E为杨氏模量；v为泊松比；dmax为岩芯3的最大径向变形；dmin为岩芯3的最小径向变形。
根据弹性力学经典理论，对于垂直钻孔钻取的各向同性的圆柱状岩芯3,岩芯3在原位置受到的地应力被即刻解除。圆柱状岩芯3在脱离地壳应力场后、且发生弹性变形恢复之前的初始直径为d0，且此时岩芯3的截面14是一个真圆。岩芯3在应力解除后将产生弹性变形,其变形量与所解除的地应力水平成正比，如图1。那么，对于一个垂直钻孔，在图1中平面应力条件下，最大水平主应力Shmax和最小水平主应力Shmin解除时岩芯3的变形模式下，在与钻孔轴直交的岩芯3平面内,将分别产生拉张应变，如公式1-2所示。
其中，εmax为Shmax方向上的最大拉应变，εmin为Shmin方向上的最小拉应变，Sv为垂直主应力，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比。另外，
其中，dmax为最大岩芯3直径方向，dmin为最小岩心直径方向，d0为岩芯3弹性恢复前真圆的直径。很明显，弹性变形恢复后的圆柱岩芯3的截面14是一个椭圆，其长轴为dmax，短轴为dmin，如图1所示。解上述方程公式(1)～(4)，可得水平主应力差的求取公式。
由于d0位于分母位置，量值上近似等于dmin，且相对于直径变形差值而言量值较大，因此在公式(6)中，可以将d0代替dmin。在此情况下，只需测量得到弹性恢复后圆柱状岩芯3的最大和最小直径，以及岩石的弹性参数E和v，即可求得水平差应力值，公式如下：
然而，正如前述所示，圆柱状岩芯3从深部岩体中取出来之后，其内部将不可避免地产生诱发微裂隙16，这是由地壳中水平差应力集中导致的。如果水平差应力较大，这种现象将十分显著，不可忽视。所以，我们必须评估和掌握诱发微裂隙16的累积宽度，以及累积宽度对dmax和dmin的影响。
根据岩石力学和弹性力学理论可知，岩芯3中热应力导致的微裂隙多为随机分布，没有优势方位。而钻孔底部拉应力集中生成的微裂隙则具有一致的、与最大主应力近似平行的优势展布走向。但是由于差应力的确定需要依赖岩芯3径向变形的精细测量，尤其是对于硬岩，dmax-dmin常常仅为几个微米，因而必须准确评估微裂隙累积宽度对变形后椭圆形的截面的影响程度。
本发明所用的方法将可以有效地解决这一问题。
首先，岩芯3从钻孔中取出之后，应尽快开展岩芯3径向变形测试。在测试之前，为了避免岩芯3失水造成的收缩效应，将岩芯3放入锡箔密封袋中保存。测试岩芯3的圆柱面应尽可能光滑、形状规则、没有明显节理。
然后，开展岩芯3径向变形测量。测试前，平行于岩芯3轴向画一条标记线L。如图2，将岩芯3放置于旋转轴上，旋转轴由主动轴4和从动轴2组成，主动轴4联接变速马达5，该马达可以根据岩芯3直径的大小而选择不同的恒定转速，开动旋转控制器8，设定固定的转速，当岩芯3标记线L到达某一固定位置时，启动电脑9上的采集软件，此时，数据采集单元联接安装在主架7上的CCD测量系统，测量系统由发射探头1和接收探头6组成，根据测试岩芯3直径规格的不同，CCD测量系统可以选择一对或者两对。发射探头1发送绿色LED光源，投影到圆柱状岩芯3的测量区域内，测量岩芯3外轮廓几何参数，即岩芯3变形恢复后的周向直径变化，相关数据实时导入电脑9。
单个岩芯3的单个径向位置测试3-4个周期，单个岩芯3测试2个径向位置以上。最终剔除异常数据(数值波动明显较大，具有较大差异的数值)，其余数据取平均值。此时，可以根据曲线很容易地得到岩芯3径向总体变形值dmax和dmin。岩芯3径向变形曲线呈正弦曲线分布，并可以得到dmax相对标记线L位置的方位角α1。
随后，通过超声波脉冲法评估岩芯3内微裂隙发育和分布特征，如图3。岩芯3与此前岩芯3为同一个岩芯3。超声波控制器模块1联接和控制声波发射探头1，测试开始时发射P波，P波径向穿过岩芯3，被超声波接受探头探测，超声波接收探头6将波形信号经过模块2放大，传到给模块3波形收集器，最终由模块4专门处理和分析，得到圆柱面不同方位的P波波速分布曲线特征。P波波速测试同样从标记线L开始，采用与径向变形同样的转动方位测量，比如同为逆时针或顺时针。
对于存在优势方位微裂隙的圆柱状岩芯3，P波波速的随岩芯3周向的分布样式为正弦曲线；对于微裂隙方位呈随机分布的岩芯3，其圆柱面岩芯3周向P波波速分布样式基本呈直线展布。由于随机分布的微裂隙一般为闭合裂隙，且方位随机和各项同性，因此对径向变形dmax和dmin影响可以忽略不计。平行于诱发裂隙的方向，P波速度最大，径向变形最小，而垂直于诱发裂隙的方向，P波速度最小，径向变形最大。
可以根据P波速度曲线很容易得到速度最小的正弦曲线波谷相对标记线L位置的方位角α2。此时，可以初步验证，因为α1由差应力造成的弹性变形恢复和微裂隙张开所共同造成的，因此α1不等于α2，且这个角度差不可忽略。如图6。
随后，采用CT扫描成像，统计和确定不同径向位置的多组微裂隙累积宽度，其实施系统如图4所示。岩芯3放置于旋转台13之上，岩芯3与前述岩芯3为相同。待岩芯3标记线L正对X射线发射器11时，图像采集仪12开始记录。旋转台13转动方向仍与前述测试步骤相同。图像采集仪12通过图像放大、增强和解译，得到如图5所示的岩芯3的截面14，进而可以描绘岩芯3的截面14内微裂隙的发育状况。微裂隙由随机微裂隙15和应力诱发微裂隙16组成。微裂隙对岩芯3径向变形的贡献是各向同性的，因此主要统计应力诱发微裂隙16。由于拉张应力所诱发微裂隙16多为不同程度的开启状态，因此可以通过解译软件统计截面14内诱发微裂隙16的累积宽度。在与径向变形测试相同的位置开展多次CT扫描成像分析，最终取累积裂隙宽度的平均值c0。同时，可以测量得到诱发微裂隙16长轴方向与dmin径向的夹角α。量值关系上，有α＝α2≠α1。
很容易地，应力诱发微裂隙16累积宽度对dmax和dmin的变形贡献c0-max和c0-min分别有如下公式(8)、(9)计算得到：
c0-max＝c0×cosα (8)
c0-min＝c0×sinα (9)
进一步地，可以得到由弹性应力恢复引起的岩芯3真实径向变形，即如公式(10)、(11)所示。
d0-max＝dmax－c0-max (10)
d0-min＝dmin－c0-min (11)
最后，利用该测试岩芯3及其附近的岩芯3，开展岩石力学试验并获取杨氏模量E和泊松比v。此时，根据公式(7)，可知Shmax-Shmin的真实量值计算公式(12)如下：
至此，利用钻孔原位取岩芯确定差应力的方法和具体操作结束，其步骤流程图如图7所示。
本发明提供的利用岩芯测量差应力的方法，通过对岩芯3的微裂隙宽度进行测量，在计算岩芯3是径向变形时，加入微裂隙宽度，使得对岩芯3径向变形的计算更加的准确，减小了误差，保证了最终数据能够在任何情况下均正常使用，进而能够使得岩芯3弹性变形测量得到广泛应用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，先对岩芯的径向变形进行测量，再对所述岩芯内微裂隙发育和分布特征进行评估，之后利用成像的方式，统计和确定所述岩芯不同径向位置的多组微裂隙累积宽度，最后利用所述岩芯，开展岩石力学试验并获取杨氏模量E和泊松比v，最终得到最大水平主应力Shmax-最小水平主应力Shmin的真实量值。
2.根据权利要求1所述的利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，对所述岩芯的径向变形进行测量时，单个岩芯的单个径向位置至少测试3-4个周期，单个岩芯至少测试2个径向位置。
3.根据权利要求1所述的利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，对所述岩芯内微裂隙发育和分布特征进行评估方法为超声脉冲法。
4.根据权利要求3所述的利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，通过超声脉冲法得到圆柱面不同方位的P波波速分布曲线特征；
根据P波速度曲线得到速度最小的正弦曲线波谷相对标记线L位置的方位角α2；
所述方位角α2与所述微裂隙长轴方向与dmin径向的夹角α相同。
5.根据权利要求1所述的利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，成像的方法为CT扫描成像。
6.根据权利要求1所述的利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，统计所述岩芯不同径向位置的多组微裂隙累积宽度后，取多组所述微裂隙累积宽度的平均值进行最终计算。
7.根据权利要求6所述的利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，微裂隙包括随机微裂隙和诱发微裂隙；
最终进行计算的累积微裂隙为所述诱发微裂隙。
8.根据权利要求1所述的利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，最终得到Shmax-Shmin的真实量值的计算公式为：
其中，Shmax为最大水平主应力；Shmin为最小水平主应力；E为杨氏模量；v为泊松比；dmax为岩芯的最大径向变形；dmin为岩芯的最小径向变形。
9.根据权利要求1所述的利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，在进行岩芯径向变形测量前，先将岩芯进行密封包装，用于避免岩芯失水。
10.根据权利要求1所述的利用岩芯测量差应力的方法，其特征在于，对岩芯的径向变形进行测量前，先平行于岩芯的轴向画一条标记线，用于对岩芯转动角度进行定位。
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