CN109669424B - 一种复杂条件下岩石力学性能试验控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩石力学性能试验技术领域，公开了一种复杂条件下岩石力学性能试验控制系统及方法，所述复杂条件下岩石力学性能试验控制系统包括：硬度检测模块、张力检测模块、压力检测模块、温湿度检测模块、主控模块、密度测量模块、石相分析模块、数据存储模块、显示模块。本发明通过密度测量模块将岩石样品构造为便于获取其体积的圆柱体，通过在其顶面和底面以及侧面分别施加压力使其轴向尺寸和径向尺寸变化，而加温加压后的岩石样品仍然保持为圆柱体，从而获取加温加压后的岩石样品体积，由此便于岩石密度的测量；同时，通过石相分析模块可以快速解决大套的、巨厚的、单调的页岩层段精细分层。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学性能试验技术领域，尤其涉及一种复杂条件下岩石力学性能试验控制系统及方法。
背景技术
岩石力学性质(mechanical properties ofrocks)是指岩石在应力作用下表现的弹性、塑性、弹塑性、流变性、脆性、韧性、发热等力学性质；不同性质岩石的应力应变关系、变形条件或破裂条件等都不同。由于各种岩石的组分和结构各异，形成的年代不同，其中还有许多裂隙，致使其力学性质相差很大，小块岩石与大块岩石，以及岩块和地块的各点之间，差别也很大，此种性质还受时间、温度、湿度、围压、加力的方式和快慢、变形的历史，以及岩石所处的周围介质等因素的影响。地块的变形与之密切相关，力学性质不同的岩石，即使在相同的外力作用下变形也不相同；反之，变形相同的岩石，若力学性质不同，它们所受的力也一定不相同。因此在地质学中，无论从已知外力和边界条件去推测地块变形，或从地块的变形去反推地块所受的边界条件和外力，都需了解当时当地的岩石力学性质。然而，现有对高温高压条件的岩石密度测量不准确；同时，现有对大套的、巨厚的、单调的页岩层段分层效果差，不利于对岩石的勘探。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有对高温高压条件的岩石密度测量不准确；同时，现有对大套的、巨厚的、单调的页岩层段分层效果差，不利于对岩石的勘探。
现有技术中张力传感器检在工作过程中磁强计易造成测量误差，提高张力传感器的测量准确度，不利于岩石张力数据的准确获得；现有技术中测量岩石密度的精度较低，不能保证真实可靠的岩石密度数据，且测量效率较低；现有技术中不能有效进行相应的匹配，存储系统中处在异构模式，造成数据缓存时间久，减低存储的准确度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种复杂条件下岩石力学性能试验控制系统及方法。
本发明是这样实现的，一种复杂条件下岩石力学性能试验控制方法，所述复杂条件下岩石力学性能试验控制方法包括：
第一步，利用敲击装置对岩石进行敲击检测岩石的硬度数据；利用基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正的张力传感器检测获取岩石的张力数据；
第二步，利用压力传感器检测岩石力学性能试验过程中受到压力及岩石重量数据；利用温湿度传感器检测岩石力学性能试验过程中的温度、湿度数据；
第三步，采用数字PID控制算法对岩石的密度进行测量；对岩石相进行分析；利用存储器采用缓存分配的方式检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息进行存储；
第四步，利用显示器显示控制系统界面及采集的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息。
进一步，所述第一步利用基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正的张力传感器检测获取岩石的张力数据；具体为：
式中:b1、b2、b3为磁强计各轴零偏；k1、k2、k3为各轴刻度因子；α、β、γ为非正交误差角度，Bm＝[Bm1，Bm2，Bm3]T为实际磁强计测量值；B＝[B1，B2，B3 T为理想传感器测量值；表示为：
式中包含9个未知参数，对式两边进行平方：
式中：
当测量N组值后，建立N个非线性方程，采用高斯牛顿法求解，计算出9个未知参数，将参数估计值带回，实现传感器的校正。
进一步，所述第三步采用数字PID控制算法对岩石的密度进行测量；有具体的PID控制算法的操作量表示式为：
其中：u(t)为操作量；e(t)为误差，e(t)＝rin(k)-yout(k)，rin(k)为目标量，yout(k)为检测量；KP是比例系数(P动作)；KI是比例系数(I动作)；KD是比例系数(D动作)。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述复杂条件下岩石力学性能试验控制方法的复杂条件下岩石力学性能试验控制系统，所述复杂条件下岩石力学性能试验控制系统包括：
硬度检测模块，与主控模块连接，用于通过敲击装置对岩石进行敲击检测岩石的硬度数据；
张力检测模块，与主控模块连接，用于通过张力传感器检测岩石的张力数据；
压力检测模块，与主控模块连接，用于通过压力传感器检测岩石力学性能试验过程中受到压力及岩石重量数据；
温湿度检测模块，与主控模块连接，用于通过温湿度传感器检测岩石力学性能试验过程中的温度、湿度数据；
主控模块，与硬度检测模块、张力检测模块、压力检测模块、温湿度检测模块、密度测量模块、石相分析模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
密度测量模块，与主控模块连接，用于测量岩石的密度数据；
石相分析模块，与主控模块连接，用于对岩石相进行分析；
数据存储模块，与主控模块连接，用于通过存储器存储检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息；
显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示控制系统界面及采集的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述复杂条件下岩石力学性能试验控制方法的岩石力学性能试验平台。
本发明的优点及积极效果为：本发明通过密度测量模块将岩石样品构造为便于获取其体积的圆柱体，通过在其顶面和底面以及侧面分别施加压力使其轴向尺寸和径向尺寸变化，而加温加压后的岩石样品仍然保持为圆柱体，获取加温加压后的岩石样品体积，由此便于岩石密度的测量。优选地，向岩石样品的侧面均匀施加加压油，利于岩石样品径向尺寸的均匀变化，便于加温加压后的岩石样品体积的测算；同时，通过石相分析模块可以快速解决大套的、巨厚的、单调的页岩层段精细分层，并基于地质、开发、工程一体化原则开展以岩石相为单元的评层选段，开展压裂选层中的“优中选优”，最终达到降本增效的经济目标与提高页岩油气单井产能的目标。
本发明利用基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正的张力传感器检测获取岩石的张力数据；有效减免张力传感器工作中磁强计的测量误差，提高张力传感器的测量准确度，有利于岩石张力数据的准确获得；本发明采用数字PID控制算法对岩石的密度进行测量；有效提高测量岩石密度的精度，获得真实可靠的岩石密度数据，且有效提高测量效率；本发明利用存储器采用缓存分配的方式检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息进行存储；提高相应的匹配功能，减免存储系统中的异构模式，减少缓存对数据的延误，提高存储的准确度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的复杂条件下岩石力学性能试验控制方法流程图；
图2是本发明实施例提供的复杂条件下岩石力学性能试验控制系统结构示意图；
图中：1、硬度检测模块；2、张力检测模块；3、压力检测模块；4、温湿度检测模块；5、主控模块；6、密度测量模块；7、石相分析模块；8、数据存储模块；9、显示模块。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的复杂条件下岩石力学性能试验控制方法具体包括下步骤：
S101：利用敲击装置对岩石进行敲击检测岩石的硬度数据；利用基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正的张力传感器检测获取岩石的张力数据；
S102：利用压力传感器检测岩石力学性能试验过程中受到压力及岩石重量数据；利用温湿度传感器检测岩石力学性能试验过程中的温度、湿度数据；
S103：采用数字PID控制算法对岩石的密度进行测量；对岩石相进行分析；利用存储器采用缓存分配的方式检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息进行存储；
S104：利用显示器显示控制系统界面及采集的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息。
步骤S101中，本发明实施例提供的利用基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正的张力传感器检测获取岩石的张力数据；有效减免张力传感器工作中磁强计的测量误差，提高张力传感器的测量准确度，有利于岩石张力数据的准确获得；具体为：
式中:b1、b2、b3为磁强计各轴零偏；k1、k2、k3为各轴刻度因子；α、β、γ为非正交误差角度，Bm＝[Bm1，Bm2，Bm3]T为实际磁强计测量值；B＝[B1，B2，B3 T为理想传感器测量值；式(1)可表示为：
式(2)中包含9个未知参数，对式(2)两边进行平方：
式中：
当测量N组值后，建立N个非线性方程，采用高斯牛顿法求解，可计算出9个未知参数，将参数估计值带回式(2)，实现传感器的校正。
步骤S103中，本发明实施例提供的采用数字PID控制算法对岩石的密度进行测量；有效提高测量岩石密度的精度，获得真实可靠的岩石密度数据，且有效提高测量效率，具体的PID控制算法的操作量表示式为：
其中：u(t)为操作量；e(t)为误差，e(t)＝rin(k)-yout(k)，rin(k)为目标量，yout(k)为检测量；KP是比例系数(P动作)；KI是比例系数(I动作)；KD是比例系数(D动作)。
步骤S103中，本发明实施例提供的利用存储器采用缓存分配的方式检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息进行存储；提高相应的匹配功能，减免存储系统中的异构模式，减少缓存对数据的延误，提高存储的准确度；缓存大小为C时，随机访问负载的平均缓存命中率h≈C/Z，则一个存储设备的平均访问延迟Tavg为
Tavg＝h×Tcache+(1-h)×Tdisk
其中，Tcache是I/O请求访问缓存的延迟，Tdisk是I/O请求访问存储设备的延迟.因为缓存的访问延迟通常远低于存储设备的访问延迟，为了简化分析，忽略缓存访问延迟对性能的影响，那么存储设备的平均访问延迟可以简化为Tavg＝(1-h)×Tdisk，将随机访问负载的缓存命中率表达式h＝C/Z代入获得存储设备访问延迟相等时的缓存分配方案，如下式：
如图2所示，本发明提供的复杂条件下岩石力学性能试验控制系统包括：硬度检测模块1、张力检测模块2、压力检测模块3、温湿度检测模块4、主控模块5、密度测量模块6、石相分析模块7、数据存储模块8、显示模块9。
硬度检测模块1，与主控模块5连接，用于通过敲击装置对岩石进行敲击检测岩石的硬度数据；
张力检测模块2，与主控模块5连接，用于通过张力传感器检测岩石的张力数据；
压力检测模块3，与主控模块5连接，用于通过压力传感器检测岩石力学性能试验过程中受到压力及岩石重量数据；
温湿度检测模块4，与主控模块5连接，用于通过温湿度传感器检测岩石力学性能试验过程中的温度、湿度数据；
主控模块5，与硬度检测模块1、张力检测模块2、压力检测模块3、温湿度检测模块4、密度测量模块6、石相分析模块7、数据存储模块8、显示模块9连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
密度测量模块6，与主控模块5连接，用于测量岩石的密度数据；
石相分析模块7，与主控模块5连接，用于对岩石相进行分析；
数据存储模块8，与主控模块5连接，用于通过存储器存储检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息；
显示模块9，与主控模块5连接，用于通过显示器显示控制系统界面及采集的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息。
本发明提供的密度测量模块6测量方法如下：
1)制作岩石样品，其构造为圆柱体；
2)称量所述岩石样品的质量；
3)测量所述岩石样品的轴向高度和所述岩石样品的底面的直径；
4)将所述岩石样品置于高压仓内；
5)升高所述高压仓内的温度，向所述岩石样品的底面和顶面施加轴向压力，以固定所述岩石样品，向所述岩石样品的侧面施加径向的压力；
6)检测所述岩石样品的轴向应变量和所述岩石样品的底面的径向形变量；
7)获取所述岩石样品的密度值。
本发明提供的步骤6)中采用轴向形变测量计测量所述岩石样品的轴向应变量，和/或采用环向形变测量计测量所述底面的径向形变量。
本发明提供的根据以下公式计算所述岩石样品的密度：
其中，ρ-密度，W-样品质量，L-样品高度，R-样品直径，ΔR-径向形变量，ΔL-轴向形变量，π-圆周率。
本发明提供的石相分析模块7分析方法如下：
(1)基于若干关键标志对岩石相进行分类以建立对应于所述关键标志的岩石相分类命名规则；其中，所述关键标志包含岩石类型或岩性组合、有机碳或碳质、石英或硅质；
(2)识别岩石相界面以确定待分析页岩层段内的各个岩石相边界；
(3)基于所述分类命名规则与所述岩石相边界对所述待分析页岩层段内的各个岩石相进行分析，得出所述各个岩石相对应于所述分类命名规则的岩石相类型划分结果；
(4)基于所述岩石相类型划分结果根据测井响应值、测井解释结果以及实验测试数据来描述所述各个岩石相的特征，从而明确其中有利的岩石相；
(5)基于对所述各个岩石相的特征描述和所明确的有利岩石相来分析所述有利岩石相的分布范围；
(6)基于压裂测试数据根据所述有利岩石相的分布范围和所述各个岩石相的特征描述来综合评价所述各个岩石相，从而得到所述页岩层段岩石相综合评价结果。
本发明提供的根据所述岩性组合中占比≥50％的特定岩石类型划分岩石相基本类型；基于所述岩石类型或所述岩性组合划分的岩石相基本类型包括：页岩岩石相、灰质页岩岩石相、含粉砂质页岩岩石相、粉砂质页岩岩石相、泥质粉砂岩岩石相、泥质灰岩、泥质白云岩岩石相。
本发明提供的根据探井的总有机碳含量分布、现场解析含气量与总有机碳含量的投点图确定碳质含量分级界限；根据所述碳质含量分级界限划分岩石相类型；基于所述碳质含量分级界限划分的岩石相类型包括富碳岩石相、高碳岩石相、中碳岩石相、含碳岩石相。
本发明提供的根据探井的硅质含量分布、脆性矿物含量与硅质含量的投点图确定硅质含量分级界限；根据所述硅质含量分级界限划分岩石相类型；基于所述硅质含量分级界限划分的岩石相类型包括高硅岩石相、中硅岩石相、低硅岩石相。
本发明提供的步骤(5)中，通过制图方法分析所述有利岩石相的分布层位与范围，从而得到基于不同方向特征的所述有利岩石相的分布范围描述，其中，所述方向特征包括：
纵向上，有利岩石相分布是位于页岩层段的顶部、中部或底部；
侧向上，有利岩石相几何形态、厚度变化、延伸长度；
平面上，岩石相品质及其分布范围。
本发明的工作原理：
本发明工作时，首先，通过硬度检测模块1利用敲击装置对岩石进行敲击检测岩石的硬度数据；通过张力检测模块2利用张力传感器检测岩石的张力数据；通过压力检测模块3利用压力传感器检测岩石力学性能试验过程中受到压力及岩石重量数据；通过温湿度检测模块4利用温湿度传感器检测岩石力学性能试验过程中的温度、湿度数据；其次，主控模块5通过密度测量模块6测量岩石的密度数据；通过石相分析模块7对岩石相进行分析；然后，通过数据存储模块8利用存储器存储检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息；最后，通过显示模块9利用显示器显示控制系统界面及采集的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种复杂条件下岩石力学性能试验控制方法，其特征在于，所述复杂条件下岩石力学性能试验控制方法包括：
第一步，利用敲击装置对岩石进行敲击检测岩石的硬度数据；利用基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正的张力传感器检测获取岩石的张力数据；
第二步，利用压力传感器检测岩石力学性能试验过程中受到压力及岩石重量数据；利用温湿度传感器检测岩石力学性能试验过程中的温度、湿度数据；
第三步，采用数字PID控制算法对岩石的密度进行测量；对岩石相进行分析；利用存储器采用缓存分配的方式检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息进行存储；
第四步，利用显示器显示控制系统界面及采集的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息；
所述第一步利用基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正的张力传感器检测获取岩石的张力数据；具体为：
式中:b1、b2、b3为磁强计各轴零偏；k1、k2、k3为各轴刻度因子；α、β、γ为非正交误差角度，Bm＝[Bm1，Bm2，Bm3]T为实际磁强计测量值；B＝[B1，B2，B3 T为理想传感器测量值；表示为：
式中包含9个未知参数，对式两边进行平方：
式中：
当测量N组值后，建立N个非线性方程，采用高斯牛顿法求解，计算出9个未知参数，将参数估计值带回，实现传感器的校正；
所述第三步采用数字PID控制算法对岩石的密度进行测量；有具体的PID控制算法的操作量表示式为：
其中：u(t)为操作量；e(t)为误差，e(t)＝rin(k)-yout(k)，rin(k)为目标量，yout(k)为检测量；KP是比例系数，P动作；KI是比例系数，I动作；KD是比例系数，D动作；
利用存储器采用缓存分配的方式检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息进行存储；缓存大小为C时，随机访问负载的平均缓存命中率h≈C/Z，则一个存储设备的平均访问延迟Tavg为：
Tavg＝h×Tcacha+(1-h)×Tdisk
其中，Tcache是I/O请求访问缓存的延迟，Tdisk是I/O请求访问存储设备的延迟.存储设备的平均访问延迟简化为：Tavg＝(1-h)×Tdisk，将随机访问负载的缓存命中率表达式h＝C/Z代入Tavg＝h×Tcache+(1-h)×Tdist，获得存储设备访问延迟相等时的缓存分配方案，如下式：
2.一种实现权利要求1所述复杂条件下岩石力学性能试验控制方法的复杂条件下岩石力学性能试验控制系统，其特征在于，所述复杂条件下岩石力学性能试验控制系统包括：
硬度检测模块，与主控模块连接，用于通过敲击装置对岩石进行敲击检测岩石的硬度数据；
张力检测模块，与主控模块连接，用于通过张力传感器检测岩石的张力数据；
压力检测模块，与主控模块连接，用于通过压力传感器检测岩石力学性能试验过程中受到压力及岩石重量数据；
温湿度检测模块，与主控模块连接，用于通过温湿度传感器检测岩石力学性能试验过程中的温度、湿度数据；
主控模块，与硬度检测模块、张力检测模块、压力检测模块、温湿度检测模块、密度测量模块、石相分析模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
密度测量模块，与主控模块连接，用于测量岩石的密度数据；
石相分析模块，与主控模块连接，用于对岩石相进行分析；
数据存储模块，与主控模块连接，用于通过存储器存储检测的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息；
显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示控制系统界面及采集的岩石的硬度、张力、受到压力、岩石重量、温度、湿度数据信息。
3.一种应用权利要求1所述复杂条件下岩石力学性能试验控制方法的岩石力学性能试验平台。
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