CN111094932A - 确定岩石特性 - Google Patents

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CN111094932A CN201880019961.3A CN201880019961A CN111094932A CN 111094932 A CN111094932 A CN 111094932A CN 201880019961 A CN201880019961 A CN 201880019961A CN 111094932 A CN111094932 A CN 111094932A
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刘会海
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Abstract

利用试验设备在具有特定长度与直径之比的岩石样品上施加压缩负载。在压缩加载期间利用应变仪测量岩石样品上的应变。至少部分地基于压缩负载确定岩石样品的机械特性。至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性。

Description

确定岩石特性
优先权声明
本申请要求2017年3月20日提交的的美国专利申请号15/463,537的优先权，该申请是2016年4月13日提交的美国专利申请号15/097,924的部分继续申请，这两个申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及确定岩石特性，并且更具体地涉及利用单次试验确定拉伸强度和弹性岩石特性。
背景技术
岩石机械特性对于与储层表征和建模有关的许多实际应用是重要的。某些岩石机械特性可以告知地质学家、工程师或钻探者关于特定岩层或样品的拉伸特性。一些岩石特性是应力相关的。
发明内容
本公开描述了岩石样品试验，其可以在单次试验期间和利用单次试验确定岩石样品的弹性特性和机械特性。例如，在一些方面，岩石样品试验可以是根据美国材料与试验协会(ASTM)标准D3967-08的巴西试验，并且包括具有已知几何形状的盘形岩石样品的压缩试验。在一些方面，弹性特性例如可以是杨氏模量或泊松比，而机械特性可以包括拉伸强度等。
本公开描述的主题的一种示例性实施方式是具有下列特征的方法。利用试验设备在岩石样品上施加压缩负载，该岩石样品具有指定的长度与直径之比。利用应变仪测量压缩加载期间岩石样品上的应变。至少部分地基于压缩负载确定岩石样品的机械特性。至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性。
可单独或组合地与示例性实施方式相结合的示例性实施方式的方面包括下列特征。指定的长度与直径之比在0.2和0.75之间。试验设备可以包括巴西试验设备。应变仪可以联接到岩石样品的侧面。测量压缩加载期间岩石样品上的应变可以包括利用第一应变仪测量压缩加载增量期间岩石样品上的增量竖直应变。利用第二应变仪可以测量压缩加载增量期间岩石样品本上的增量水平应变。
可单独或组合地与示例性实施方式相结合的示例性实施方式的方面包括下列特征。至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性可以包括至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度确定第一系数。至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度可以确定第二系数。至少部分地基于岩石样品的直径、岩石样品的长度以及第一应变仪和第二应变仪的有效长度可以确定第三系数。至少部分地基于岩石样品的直径、岩石样品的长度以及第一应变仪和第二应变仪的有效长度可以确定第四系数。至少部分地基于所测量的岩石样品上的增量水平应变和增量竖直应变、第一系数和第二系数以及压缩加载增量可以确定岩石样品的弹性特性。
可单独或组合地与示例性实施方式相结合的示例性实施方式的方面包括下列特征。至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性可以包括基于下列等式确定岩石样品的杨氏模量：
Figure BDA0002209218600000021
式中，E是岩石样品的杨氏模量，P是压缩压力，R是盘半径，t是盘厚度，εly是所测量的径向应变，υ是应力相关泊松比，C3是第三系数，以及C4是第四系数。至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性可以包括基于下列等式确定岩石样品的泊松比：
Figure BDA0002209218600000022
式中，υ是岩石样品的泊松比，C1是第一系数，C2是第二系数，C3是第三系数，C4是第四系数，εlx是所测量的轴向应变以及εly是所测量的径向应变。可以基于下列等式确定第一系数、第二系数、第三系数和第四系数：
(i)
Figure BDA0002209218600000031
(ii)
Figure BDA0002209218600000032
(iii)
Figure BDA0002209218600000033
以及
(iv)C4＝1，
式中，rlx是第一比率，以及rly是第二比率。可以基于下列等式确定第一比率和第二比率：
(i)
Figure BDA0002209218600000034
以及
(ii)
Figure BDA0002209218600000035
式中，R是盘的半径，ly是竖直应变仪的长度，lx是水平应变仪的长度。机械特性可以包括岩石样品的拉伸强度或脆性中的至少一者。应变仪可以包括线性可变差动变压器(LVDT)。
本公开描述的主题的另一示例性实施方式是岩石特性试验系统，该岩石特性试验系统包括下列特征：加载单元，该加载单元在岩石样品上施加压缩负载。至少两个应变仪，所述至少两个应变仪位于侧面上以测量压缩加载期间岩石样品上的应变。控制系统，该控制系统可通信地联接到加载单元和所述至少两个应变仪，并且执行操作。控制加载单元以在岩石样品上施加增量压缩负载。基于增量压缩负载从所述至少两个应变仪接收所测量的岩石样品上的应变；至少部分地基于增量压缩负载确定岩石样品的机械特性。至少部分地基于所测量的应变和增量压缩负载确定岩石样品的弹性特性。
可单独或组合地与示例性实施方式相结合的示例性实施方式的方面包括下列特征。岩石样品可以包括在0.2和0.75之间的长度与直径之比。加载单元可以包括巴西试验设备。应变仪可以附接到岩石样品的侧面。应变仪可以包括第一应变仪，该第一应变仪可以在增量压缩负载期间测量岩石样品上的增量水平应变。第二应变仪可以在增量压缩负载期间测量岩石样品上的增量竖直应变。
可单独或组合地与示例性实施方式相结合的示例性实施方式的方面包括下列特征。控制系统可以执行进一步的操作。至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度确定第一系数。至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度可以确定第二系数。至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度可以确定第三系数。至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度可以确定第四系数。至少部分地基于所测量的岩石样品上增量水平应变和增量竖直应变、第一系数和第二系数以及增量压缩负载可以确定岩石样品的弹性特性。
可单独或组合地与示例性实施方式相结合的示例性实施方式的方面包括下列特征。至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性的操作可以包括基于下列等式确定岩石样品的杨氏模量：
Figure BDA0002209218600000041
式中，E是岩石样品的应力相关杨氏模量，P是压缩压力，R是盘半径，t是盘厚度，εly是所测量的径向应变，u是应力相关泊松比，C3是第三系数以及C4是第四系数。至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性的操作可以包括基于下列等式确定岩石样品的泊松比：
Figure BDA0002209218600000042
式中，υ是岩石样品的应力相关泊松比，C1是第一系数，C2是第二系数，C3是第三系数，C4是第四系数，εlx是所测量的轴向应变以及εly是所测量的径向应变。可以基于下列等式确定第一系数、第二系数、第三系数和第四系数：
(i)
Figure BDA0002209218600000051
(ii)
Figure BDA0002209218600000052
(iii)
Figure BDA0002209218600000053
以及
(iv)C4＝1，
式中，rlx是第一比率以及rly是第二比率。可以基于下列等式确定第一比率和第二比率：
(i)
Figure BDA0002209218600000054
以及
(ii)
Figure BDA0002209218600000055
式中，R是盘的半径，ly是竖直应变仪的长度，以及lx是水平应变仪的长度。机械特性可以包括岩石样品的拉伸强度或脆性中的至少一者。
另一示例性实施方式是包括下列特征的方法。在岩石样品上实施巴西试验。在岩石样品上施加增量压缩负载。至少部分地基于增量压缩负载确定岩石样品的机械特性。利用应变仪测量增量压缩负载期间岩石样品上的应变。至少部分地基于所测量的应变和增量压缩负载确定岩石样品的弹性特性。
可单独或组合地与示例性实施方式相结合的示例性实施方式的方面包括下列特征。岩石样品可以包括长度与直径之比在0.2和0.75之间的盘。应变可以包括水平应变和竖直应变。确定岩石样品的弹性特性可以包括至少部分地基于岩石样品上的水平应变和竖直应变以及增量压缩负载确定岩石样品的弹性特性。至少部分地基于岩石样品上的水平应变和竖直应变以及增量压缩负载可以确定岩石样品的弹性特性。至少部分地基于岩石样品上的水平应变和竖直应变、增量压缩负载和至少四个系数可以确定岩石样品的弹性特性。所述四个系数可以至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度。
根据本公开的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。例如，岩石样品的拉伸和弹性参数可以在单个压缩试验、例如巴西试验中被估算。作为另一个示例，岩石样品的拉伸和弹性特性可以通过被广泛接受和使用的试验程序、例如巴西试验程序确定。作为又一个示例，本公开中描述的实施方式可以最小化多个岩芯样品的要求以确定拉伸和弹性特性。例如，实施方式可以在单次试验中确定岩石样品的拉伸强度、杨氏模量、泊松比，应力-应变曲线、脆性和韧性。此外，实施方式可以允许试验具有一定直径范围的岩芯样品。作为另一个示例，不需要数值反演来试验岩石样品以确定拉伸和弹性特性，并且因此可以更容易地在实际应用中实施。作为另一个示例，所描述的实施方式不需要任何额外的机械试验设备，并且可以结合在传统的压缩试验设备中。作为另一个示例，在试验期间对于盘半径的应变仪长度没有限制。作为另一个示例，所测量的弹性特性与应变仪长度无关。也就是说，所测量的弹性特性不受应变仪长度的影响。
在附图和具体实施方式中阐述了本公开中描述的主题的一个或多个实施方式的细节。根据说明书、附图和权利要求，本主题的其他特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本公开的用于确定一个或更多个岩石机械特性的试验设备的示意图。
图2A-2C是根据本公开的用于确定一个或更多个岩石机械特性的试验设备的若干示例性加载组件的示意图。
图3是根据本公开的岩石样品的示意图。
图4A-4B是包括根据本公开的至少一个应变仪的岩石样品的示意图。
图5是示出在根据本公开的试验期间岩石样品的杨氏模量的图。
图6是示出在根据本公开的在试验期间岩石样品的应力-应变曲线和泊松比的图。
图7是在根据本公开的在岩石样品试验模拟期间确定的岩石样品的数值模型。
图8和图9分别是根据本公开的在岩石样品试验模拟期间确定的岩石样品的数值和分析竖直应力等值线的数值模型。
图10是示出根据本公开在岩石样品试验模拟期间确定的岩石样品的归一化杨氏模量和泊松比的图。
图11是示出在依照根据本公开的一组分析等式在岩石样品试验模拟期间确定的岩石样品的归一化杨氏模量和泊松比的图。
图12是根据本公开的用于确定一个或更多个岩石机械特性的试验设备的示例控制器的示意图。
具体实施方式
本公开描述了岩石样品试验，该岩石样品试验可以在单次试验期间和利用单次试验确定岩石样品的弹性和机械特性。例如，在一些方面，岩石样品试验可以是根据美国材料与试验协会(ASTM)标准D3967-08的巴西试验，并且包括具有已知几何形状的盘形岩石样品的压缩试验。在一些方面，弹性特性例如可以是杨氏模量或泊松比，而机械特性可以包括拉伸强度等。
图1是用于确定一个或更多个岩石机械特性的试验设备100的示意图。试验设备100通常可以被操作以对岩石样品(例如，各向同性岩石样品或各向异性岩石样品)，诸如在图1中所示的岩石样品130，执行压缩试验，该压缩试验包括间接拉伸强度试验或分裂试验。例如，在一些实施方式中，试验设备100可以对岩石样品130执行巴西试验。例如，巴西试验是用于间接地测量岩石样品130或其他硬化材料(例如，混凝土、水泥)的拉伸强度的实验室试验。通常，在巴西试验中，盘形岩石样品(岩石样品130)由两个相对的压板加载，这两个相对的压板与岩石样品130的径向表面的相对部分接触。岩石样品130上的压缩负载逐渐增加，直到岩石样品130失效(换句话说，分裂)，之后，可以计算或确定岩石样品的机械特性(例如，拉伸强度、脆性)。例如，可以通过连续地试验来调整诸如负载增量、加载速率之类的试验标准。
试验设备100的示例性实施方式(在本公开中也可称为巴西试验设备)包括位于基座110上并且布置成支撑加载单元115的负载框架105。所示的加载单元115定位成使得上压板120和下压板125安装在元件115之间。在试验设备100的非操作期间，上压板120和下压板125分离，以允许岩石样品130被放置在压板120和125之间。当与压板120和压板125非压缩接触时，岩石样品130的径向表面分别与上压板120和下压板125接触。因此，在图1中，由岩石样品130的直径限定的轴向表面垂直于压板120和压板125的接触表面(换句话说，压板120和压板125的接触岩石样品130的径向表面的表面)。
在所示的实施方式中，两个或更多个应变仪135被示出为与岩石样品130的侧面接合(例如，利用黏合剂)。通常，两个或更多个应变仪135可以是在压缩负载操作期间测量岩石样品130上的应变的任何装置。应变仪135例如可以是线性可变差动变压器(LVDT)或基于可变形电导体的电导来测量应变的其他应变仪。在一些实施方式中，可以将两个应变仪135附接到岩石样品130以分别测量水平应变和竖直应变。
如图所示，试验设备100包括控制系统140。尽管与加载单元115和试验设备100的其他部分分开示出，但是控制系统140可以内置于试验设备100中或与试验设备100集成在一起。在任何情况下，控制设备140可以与试验设备100的一个或更多个部件(诸如加载单元115和应变仪135)可通信地联接。控制系统140通常可以控制加载单元115的操作(例如，加载速率、加载压缩力)，以在岩石样品130上施加压缩负载。控制系统140还可以例如从加载单元115(压缩负载值、加载期间压板120和压板125的行进距离)和应变仪135(例如，测量岩石样品130上的水平应变和竖直应变)接收数据。控制系统140可以是基于微处理器的控制器、基于电气或机电的控制器、基于气动或液压的控制器。
暂时回到图2A-2C，示出了试验设备100的若干示例性加载组件的示意图。如图所示，每个压板(上压板120和下压板125)包括基本上平坦或平的接触表面122，以将岩石样品130保持在两者之间。图2A中的示例性加载组件200包括分离器215，该分离器定位在岩石样本130的接触表面122和径向表面之间。分离器215可以是刚性的或柔韧的，例如衬垫。在试验设备100的操作期间，将压缩负载从压板120和125通过分离器215并传送给岩石样本130。
图2B中的示例性加载组件205包括在岩石样本130的接触表面122和径向表面之间没有障碍物。因此，在试验设备100的操作期间，压缩负荷从压板120和125直接传送给岩石样本130。
图2C中的示例性加载组件210包括杆220(例如，钢或其他刚性杆)，该杆220定位在岩石样本130的每个接触表面122和径向表面之间。在试验设备100的操作期间，压缩负载从压板120和125通过杆220并传送给岩石样品130。
图3是岩石样本130的示意图。如图所示，岩石样本130具有“D”的直径250和“L”的长度255。岩石样本130的长度与直径之比可以变化；因此，岩石样本130例如可以基于试验设备100具有各种尺寸(视情况而定)。在一些方面，岩石样本130可以具有符合美国材料与试验协会(ASTM)标准D3967-08“完整岩芯试样的劈裂抗拉强度的标准试验方法”的特定长度与直径之比。例如，在该标准下，岩石样品130的直径必须至少比最大矿物颗粒组分大10倍。因此，在一些实施方式中，符合该标准的岩石样本130的长度与直径之比在0.2和0.75之间。
如图3所示，岩石样本130具有径向表面132和两个相反的轴向表面134。在试验设备100的操作期间，压缩负载260(在该图中标记为“P”)通过压板120和125被施加在岩石样本的径向表面132上(该压板120和125在图1和图2A-2C中示出)。
图4A-4B是岩石样本130的示意图，其包括至少两个应变仪。在图4A中，应变仪275在样品130的轴向面的中心点270处(例如，用黏合剂)附接到岩石样品130。在图4A中，应变仪275可以是在岩石样本130的压缩加载期间测量水平应变(例如，沿x轴的应变，如图3所示)的应变仪。在图4B中，应变仪280在样品130的轴向面的中心点270处(例如，用黏合剂)附接到岩石样本130。在图4B中，应变仪280可以是在岩石样本130的压缩加载期间测量竖直应变(例如，沿y轴的应变，如图3所示)的应变仪。尽管每个应变仪275和280被示出为独立地附接到岩石样本130，但是在一些实施方式中，两个应变仪(275和280)都附接到岩石样本130，使得可以在压缩加载期间(例如在使用试验设备100对岩石样本的巴西试验期间)测量岩石样本130上的水平应变和竖直应变。
因此，在试验设备130的示例性操作期间，压缩负载P是已知的，岩石样品130的直径D和长度L也是已知的。还已知应变仪275和应变仪280的有效长度2l(在一些实施方式中，它们是相同的)。在示例性操作中，P以牛顿(N)为单位测量，D、L和2l以毫米(mm)为单位测量。因此，对于岩石样品130(例如，各向同性或各向异性样品)，可以根据等式(1)至(3)确定样品130的应力状态：
Figure BDA0002209218600000101
Figure BDA0002209218600000102
Figure BDA0002209218600000111
在等式(1)至(3)中，σx是沿岩石样品130的x轴的法向应力(如图3所示)，σy是沿岩石样品130的y轴的法向应力(如图2B所示)，以及τxy是剪切应力。每个应力的单位为兆帕(MPa)。
由于应变仪275和280的有效长度以及岩石样品130的直径是已知的，因此可以基于应变仪275和应变仪280的几何形状根据等式(4)和(5)得到两个常数系数A和B：
Figure BDA0002209218600000112
Figure BDA0002209218600000113
基于等式(1)至(5)，用于法向应力的平均值
Figure BDA0002209218600000114
(沿应变仪275的侧边界)和
Figure BDA0002209218600000115
(沿应变仪280的顶部边界)的下列等式可以表示为：
Figure BDA0002209218600000116
Figure BDA0002209218600000117
然后可以对等式(6)和(7)进行积分，以产生用于法向应力的平均值
Figure BDA0002209218600000121
和
Figure BDA0002209218600000122
的下列等式：
Figure BDA0002209218600000123
Figure BDA0002209218600000124
基于等式(8)和(9)，可以基于应变仪和岩石样品的几何形状(例如，应变仪275/280的有效长度以及岩石样品130的直径和长度)得到两个系数。这两个系数F和G可以根据等式(10)和(11)表示：
Figure BDA0002209218600000125
Figure BDA0002209218600000126
因此，F和G都是与D、L和2l相关的常数系数，并且等式(8)和(9)可以简化为：
Figure BDA0002209218600000127
Figure BDA0002209218600000128
根据应变和应力的关系，在压缩加载期间岩石样品130上的拉伸应变(εx)和压缩应变(εy)由
Figure BDA0002209218600000131
和
Figure BDA0002209218600000132
根据以下等式(14)和(15)产生：
Figure BDA0002209218600000133
Figure BDA0002209218600000134
在等式(14)和(15)中，εx是拉伸或水平应变，εy是压缩或竖直应变，E是拉伸弹性模量，以及υ是泊松比。通过将等式(12)和(13)代入等式(14)和(15)，得到下列等式(16)和(17)：
Figure BDA0002209218600000135
Figure BDA0002209218600000136
因此，水平应变和竖直应变是岩石样品130的拉伸弹性模量(杨氏模量)和泊松比的函数。根据等式(16)和(17)，泊松比根据下列等式计算得出：
Figure BDA0002209218600000137
通过在等式(16)中交换εx和E，拉伸弹性模量(杨氏模量)可以表示为：
Figure BDA0002209218600000141
因此，根据等式(18)和(19)，水平应变和竖直应变是岩石样品130的弹性机械特性：拉伸弹性模量(杨氏模量)和泊松比的函数。在试验设备100在岩石样品130上施加压缩负载的操作期间，水平应变和竖直应变分别由应变仪280和应变仪275测量。因此，对于由试验设备100施加在岩石样品130上的已知增量压缩负载，拉伸弹性模量(杨氏模量)和泊松比的弹性特性例如可以由控制系统140确定。当岩石样品130的杨氏模量和泊松比是应力相关时，本公开的实施方式允许基于叠加原理确定相关参数。由于弹性特性是从应力-应变曲线的线性部分获得的，因此杨氏模量和泊松比也可以写成等式(20)和(21)：
Figure BDA0002209218600000142
Figure BDA0002209218600000143
因此，在试验设备100操作以试验岩石样品130期间，岩石样品130的机械特性和弹性特性可以通过单次试验(例如，单次巴西试验)确定。例如，如前所述，对于每个负载(P)，可以确定用于岩石样品130的杨氏模量和泊松比的弹性特性，在该负载下，应变增量(通过应变仪275和280)被测量。此外，对于给定的负载P，相应的应力可以从等式(12)和(13)获得。
还可以在试验期间确定岩石样品130的其他机械特性，诸如拉伸强度。例如，拉伸强度σt可以在岩石样品130失效时(在特定负载P下)根据下式确定：
Figure BDA0002209218600000151
因此，利用试验设备的示例性操作包括准备岩石样品130以用于试验，例如，根据ASTM D3967-08，该岩石样品的长度与直径之比在0.2和0.75之间。分别将应变仪275和应变仪280附接到岩石样品130，该岩石样品130被放置在试验设备内，在上压板120和下压板125之间。利用试验设备100进行压缩试验(例如，巴西试验)，并(例如，通过控制系统140)记录岩石样品130上的增量压缩负载(ΔP)以及所得到的水平应变和竖直应变。基于岩石样品130的已知几何形状(例如，D和L)以及应变仪275和应变仪280的已知几何形状(例如，l)，可以确定上述机械特性。可以计算岩石样品130的诸如拉伸强度等的机械特性以及诸如杨氏模量和泊松比等的弹性特性。
图5是示出试验期间岩石样品的杨氏模量(E)的确定的图表400。例如，图表400示出了根据本公开中描述的试验设备100的操作对六个岩石样品中的一个进行试验的结果。岩石样品是页岩，每个页岩都具有约25.4mm的直径和19.1mm的长度(提供约0.75的长度与直径之比)的尺寸。图表400示出了六个试验样品中的一个的结果，并且包括在压缩加载增量期间用于岩石样品的轴向应力(以MPa为单位)的y轴405和用于岩石样品的轴向应变(以毫应变(millistrain)(me)为单位)的x轴410。因为杨氏模量由增量压缩加载上的应力-应变曲线415的斜率确定，因此图表400示出了该斜率为约3.0GPa。
图6是示出基于等式21确定试验期间岩石样品的泊松比(υ)的图表500。对于给定的应力条件(或给定的P)，在压缩负载增量期间测量的应变增量用于计算杨氏模量(E)和泊松比(υ)。以这种方式，杨氏模量(E)和泊松比(υ)被确定为应力的函数。与图表400一样，图表500示出了根据在本公开中描述的试验设备100的操作对六个岩石样品中的一个进行试验的结果。岩石样品是页岩，每个页岩都具有约25.4mm的直径和19.1mm的长度(提供约0.75的长度与直径之比)的尺寸。图表500示出了六个试验样品中的一个的结果，并且包括在压缩加载增量期间用于岩石样品的泊松比的y轴505和用于岩石样品的轴向应力的x轴510。如所示出的，除了一些初始加载增量之外，试验样品的泊松比图515在约0.2和0.3之间。
图7是岩石样品的数值模型605的图表600，其是在岩石样品试验模拟期间确定的。例如，为了进一步确认先前描述的试验设备100的操作以对岩石样品进行单次试验来确定弹性特性和机械特性，在
Figure BDA0002209218600000161
中研发出数值模型。数值模型的岩石样品包括直径约25.4mm的盘。在图6的图例620中，“栅格图”示出了用于在
Figure BDA0002209218600000162
数值模型中模拟巴西盘试验的计算网格；“束图(Beam Plot)”示出了加载压板；“结构速率”表示在模型中巴西盘以恒定加载速率由两个压板加载。
在模型605中，岩石样品在应变控制模式下由两个压板加载，一个压板在顶部，另一个压板在底部。在岩石样品在竖直(轴向)方向上挤压0.2mm之后停止模拟。施加在压板上的负载P被测量为215KN。由数值模型605给出的盘内竖直应力分布的等值线与等式(2)中的解析解很好地对比。在这些图中，数值解是从
Figure BDA0002209218600000163
模拟计算出来的；而解析解是通过使用
Figure BDA0002209218600000164
(
Figure BDA0002209218600000165
中的内置编程语言)将闭式解等式(2)编程为函数而得到的。该函数在
Figure BDA0002209218600000166
数值模型605中的所有区域的中心处执行，以便可以在图7所示的数值解和使用先前描述的等式的解析解之间进行直接比较。如图7所示，竖直应力的数值解和解析解是基本上相同的。
沿着附接到模型605中的岩石样品的应变仪产生的应变可以从沿着模型650中的x轴和y轴的两个对称点的测量来计算，例如，‘A’-‘B’和‘C’-‘D’之间的应变。如图表600所示，由轴610测量轴向应变，而由轴615测量径向应变(两个轴的单位都为mm)。上述应变‘A’-‘B’和‘C’-‘D’通过下列等式确定：
Figure BDA0002209218600000171
Figure BDA0002209218600000172
在等式(23)和(24)中，
Figure BDA0002209218600000173
和
Figure BDA0002209218600000174
是关于原点对称的点A和点B(图7中所示)的x位移，并且xA和xB是A和B处的x坐标(注意，两个点都在x轴上，因此y＝0)。类似地，
Figure BDA0002209218600000175
和
Figure BDA0002209218600000176
是关于原点对称的点C和点D(图7中所示)的y位移，并且yC和yD是C和D处的y坐标(注意，两个点都在y轴上，因此x＝0)。
杨氏模量和泊松比可以通过在压板上施加的负载和测量的应变(例如，εlx和εly)来计算。对于短应变计(例如，他们的长度仅为盘直径的1％)，所计算的杨氏模量为8.18GPa，并且泊松比为0.364。
图8示出了岩石样品的竖直应力等值线的数值模型705的图表700，该竖直应力等值线在如前所述的岩石样品试验
Figure BDA0002209218600000177
模拟期间确定。
图9示出了岩石样品的竖直应力等值线的数值模型805的图表800，其使用如前所述的解析解(例如，利用等式(2))确定。例如，图8和图9示出了根据
Figure BDA0002209218600000178
模拟的岩石样品内的应力分布。在图例720中，“边界图”标记了巴西盘(岩石样品)的边界；“SYY-FLAC”示出了由
Figure BDA0002209218600000179
中的数值模型预测的215KN的竖直负载产生的竖直应力等值线。在图例820中，“SYY-解析”表示由在本公开中描述的解析解(等式2)评估的215KN的竖直负载产生的竖直应力等值线。
图10是示出了在由先前描述的
Figure BDA00022092186000001710
中的岩石样品试验模拟期间确定的岩石样品的归一化杨氏模量和泊松比的图表900。图表900包括表示归一化应变仪长度(无量纲)的x轴910和表示用于杨氏模量和泊松比的归一化值的y轴905。所计算的杨氏模量由图915表示，而所计算的泊松比由图920表示。如由图915和920所示，模拟的岩石样品的所计算的弹性特性可以取决于用于测量水平和竖直应变的应变仪和岩石样品盘之间的几何关系。例如，随着应变仪的长度增加，所计算的杨氏模量和泊松比减小，如图表900所示。注意，杨氏模量归一化为8.18GPa，并且泊松比在图10中归一化为0.364。因此，在某些方面，如果应变仪长度小于岩石样品的盘直径的10％，则杨氏模量和泊松比的测量可能非常准确。
在一些实施方式中，杨氏模量和泊松比可以使用弹性理论从应变测量来估算，如下列等式所示：
Figure BDA0002209218600000181
Figure BDA0002209218600000182
在等式(25)和(26)中，C1至C4是应变仪和与盘尺寸相关的常数，该常数由下列等式来定义：
Figure BDA0002209218600000183
Figure BDA0002209218600000184
Figure BDA0002209218600000185
C4＝1， 等式30
Figure BDA0002209218600000191
Figure BDA0002209218600000192
在等式(25)至(32)中，R是盘半径；t是盘厚度；lx是水平应变仪的长度；ly是竖直应变仪的长度。
图11是示出了利用图9中描述的方法和等式(25)和(26)确定的岩石样品的归一化杨氏模量和泊松比的图表1000。与图9类似，图表1000包括表示归一化应变仪长度(无量纲)的x轴1010和表示杨氏模量和泊松比的归一化值的y轴1005。所计算的杨氏模量由点图1015表示，而所计算的泊松比由点图1020表示。如由点图1015和点图1020所示，所计算的模拟岩石样品试验的弹性特性可以取决于用于测量水平和竖直应变的应变仪和岩石样品盘之间的几何关系。例如，随着应变仪的长度增加，所计算的杨氏模量和泊松比减小，如图表1000中所示。注意，在图11中杨氏模量归一化为8.18GPa并且泊松比归一化为0.364。显然，杨氏模量和泊松比的测量取决于应变仪的长度。在相同的图表100上，点图1025和点图1030示出了利用等式(25)和(26)校正的归一化的杨氏模量和泊松比。如可以看到的那样，当使用等式(25)和(26)时，杨氏模量和泊松比的测量变得与应变仪的长度无关。
图12是用于确定一个或更多个岩石机械特性的试验设备的示例性控制器1100的示意图。例如，控制器1100可用于先前描述的操作，例如作为控制系统140或本公开中描述的其他控制器或作为控制系统140或本公开中描述的其他控制器的一部分。例如，控制器1100可以与车辆发动机和车载燃料分离系统中的一者或两者可通信地联接或者作为其一部分，如本公开中所描述的那样。
控制器1100旨在包括各种形式的数字计算机，诸如印刷电路板(PCB)、处理器或作为车辆的一部分的数字电路。另外，该系统可以包括便携式存储介质，诸如通用串行总线(USB)闪存驱动器。例如，USB闪存驱动器可以存储操作系统和其他应用程序。USB闪存驱动器可包括输入/输出组件，诸如可以插入另一计算装置的USB端口中的无线发送器或USB连接器。
控制器1100包括处理器1110、存储器1120、存储装置1130和输入/输出装置1140。组件1110、组件1120、组件1130和组件1140中的每一者都使用系统总线1150互连。处理器1110能够处理用于在控制器1100内执行的指令。可以使用多种体系结构中的任何一种来设计处理器。例如，处理器1110可以是CISC(复杂指令集计算机)处理器、RISC(精简指令集计算机)处理器或MISC(最小指令集计算机)处理器。
在一种实施方式中，处理器1110是单线程处理器。在另一实施方式中，处理器1110是多线程处理器。处理器1110能够处理存储在存储器1120中或存储在存储装置1130上的指令，以在输入/输出装置1140上显示用于用户界面的图形信息。
存储器1120存储控制器1100内的信息。在一种实施方式中，存储器1120是计算机可读介质。在一种实施方式中，存储器1120是易失性存储单元。在另一实施方式中，存储器1120是非易失性存储单元。
存储装置1130能够为控制器1100提供大容量存储。在一种实施方式中，存储装置1130是计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储装置1130可以是软盘装置、硬盘装置、光盘装置或磁带装置。
输入/输出装置1140为控制器1100提供输入/输出操作。在一种实施方式中，输入/输出装置1140包括键盘和/或指示装置。在另一实施方式中，输入/输出装置1140包括用于显示图形用户界面的显示单元。
所描述的特征可以在数字电子电路中实现，或者在计算机硬件、固件、软件或它们的组合中实现。该设备可以在有形地体现在信息载体中的计算机程序产品中实现，例如，在用于由可编程处理器执行的机器可读存储装置中；并且可以由执行指令程序的可编程处理器执行方法步骤，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行所描述的实施的功能。所描述的特征可以有利地在可编程系统上可执行的一个或更多个计算机程序中实现，该可编程系统包括至少一个可编程处理器，该可编程处理器被联接以从数据存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令，并将数据和指令传输到数据存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置。计算机程序是一组指令，这组指令可以直接或间接地在计算机中使用以执行某种活动或产生某种结果。计算机程序可以用任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)编写，并且其可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子程序或适合于在计算环境中使用的其他单元。
举例来说，用于执行指令程序的合适处理器包括通用和专用微处理器，以及任何类型的计算机的唯一处理器或多个处理器之一。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或更多个存储器。通常，计算机还将包括用于存储数据文件的一个或更多个大容量存储装置，或可操作地联接以与存储数据文件的一个或更多个大容量存储装置通信；这些装置包括：磁盘，诸如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘和光盘。适合于有形地体现计算机程序指令和数据的存储装置包括所有形式的非易失性存储器，例如包括半导体存储器装置，诸如EPROM、EEPROM和闪存装置；磁盘，诸如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由ASIC(专用集成电路)补充或并入ASIC中。
为了提供用于与用户的交互，可以在计算机上实现这些特征，该计算机具有：诸如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器之类的显示装置，用于向用户显示信息；键盘和诸如鼠标或轨迹球的指示装置，用户利用该指示装置可以向计算机提供输入。另外，这些活动可以通过触摸屏平板显示器和其他适当的机构来实现。
这些特征可以在控制系统中实现，该控制系统包括：后端组件，诸如数据服务器；或中间件组件，诸如应用服务器或因特网服务器；或前端组件，诸如具有图形用户界面或因特网浏览器的客户端计算机；或它们的任意组合。系统的组件可以通过任何形式或数字数据通信介质(诸如通信网络)连接。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)、对等网络(具有点对点(ad-hoc)或静态成员)、网格计算基础设施和因特网。
尽管本说明书包含许多具体实施细节，但是这些细节不应被解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而是作为特定于特定发明的特定实施方式的特征的描述。在单独实施的情况下在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施中组合实现。相反，在单个实施方式的情况下描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多种实施方式中实现。此外，尽管先前可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至初始所要求保护的那样，但是来自所要求保护的组合的一个或更多个特征在某些情况下可以从该组合除去，并且所要求保护的组合可针对子组合或子组合的变型。
类似地，尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这种操作不应该被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。此外，在前面描述的实施方式中的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者被打包到多个软件产品中。
已经描述了许多实施方式。然而，应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，本公开中描述的示例性操作、方法或过程可以包括比所描述的步骤更多的步骤或更少的步骤。此外，这些示例性操作、方法或过程中的步骤可以以与图中描述或示出的不同顺序执行。因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。

Claims (28)

1.一种用于确定岩石特性的方法，包括：
利用试验设备在岩石样品上施加压缩负载，所述岩石样品包括特定的长度与直径之比；
利用应变仪测量压缩加载期间岩石样品上的应变；
至少部分地基于压缩负载确定岩石样品的机械特性；以及
至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，特定的长度与直径之比在0.2和0.75之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，试验设备包括巴西试验设备。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，应变仪联接到岩石样品的侧面。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在压缩加载期间测量岩石样品上的应变包括：
利用第一应变仪测量压缩负载增加期间岩石样品上的增量竖直应变；和
利用第二应变仪测量压缩负载增加期间岩石样品上的增量水平应变。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性包括：
至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度确定第一系数；
至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度确定第二系数；
至少部分地基于岩石样品的直径、岩石样品的长度以及第一应变仪和第二应变仪的有效长度确定第三系数；
至少部分地基于岩石样品的直径、岩石样品的长度以及第一应变仪和第二应变仪的有效长度确定第四系数；以及
至少部分地基于所测量的岩石样品上的增量水平应变和增量竖直应变、第一系数和第二系数以及压缩加载增量确定岩石样品的弹性特性。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性包括基于下列等式确定岩石样品的杨氏模量：
Figure FDA0002209218590000021
式中，E是岩石样品的杨氏模量，
P是压缩压力，
R是盘半径，
t是盘厚度，
ly是竖直应变仪的长度，
E是岩石样品的杨氏模量，
v是应力相关泊松比，
C3是第三系数，以及
C4是第四系数。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性包括基于下列等式确定岩石样品的泊松比：
Figure FDA0002209218590000022
式中，υ是岩石样品的泊松比，
C1是第一系数，
C2是第二系数，
C3是第三系数，
C4是第四系数，
lx是水平应变仪的长度，以及
ly是竖直应变仪的长度。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括基于下列等式确定第一系数、第二系数、第三系数和第四系数：
(i)
Figure FDA0002209218590000031
(ii)
Figure FDA0002209218590000032
(iii)
Figure FDA0002209218590000033
以及
(iv)C4＝1，
式中，rlx是第一比率，以及
rly是第二比率。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括基于下列等式确定第一比率和第二比率：
(i)
Figure FDA0002209218590000034
以及
(ii)
Figure FDA0002209218590000035
式中，R是盘的半径，
ly是竖直应变仪的长度，
lx是水平应变仪的长度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，机械特性包括岩石样品的拉伸强度或脆性中的至少一者。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，应变仪包括线性可变差动变压器(LVDT)。
13.一种岩石特性试验系统，包括：
加载单元，所述加载单元被配置成在岩石样品上施加压缩负载；
至少两个应变仪，所述至少两个应变仪位于侧面上以测量压缩加载期间岩石样品上的应变；以及
控制系统，所述控制系统可通信地联接到加载单元和所述至少两个应变仪，并且所述控制系统被配置成执行包括下列操作的操作：
控制加载单元以在岩石样品上施加增量压缩负载；
基于增量压缩负载从所述至少两个应变仪接收所测量的岩石样品上的应变；
至少部分地基于增量压缩负载确定岩石样品的机械特性；以及
至少部分地基于所测量的应变和增量压缩负载确定岩石样品的弹性特性。
14.根据权利要求13所述的岩石特性试验系统，其中，岩石样品包括在0.2和0.75之间的长度与直径之比。
15.根据权利要求13所述的岩石特性试验系统，其中，加载单元包括巴西试验设备。
16.根据权利要求13所述的岩石特性试验系统，其中，应变仪被配置成附接到岩石样品的侧面。
17.根据权利要求16所述的岩石特性试验系统，其中，应变仪包括：
第一应变仪，所述第一应变仪被配置成在增量压缩负载期间测量岩石样品上的增量水平应变；和
第二应变仪，所述第二应变仪被配置成在增量压缩负载期间测量岩石样品上的增量竖直应变。
18.根据权利要求17所述的岩石特性试验系统，其中，控制系统被配置成执行进一步的操作，所述进一步的操作包括：
至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度确定第一系数；
至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度确定第二系数；
至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度确定第三系数；
至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度确定第四系数；以及
至少部分地基于所测量的岩石样品上的增量水平应变和增量竖直应变、第一系数和第二系数以及增量压缩负载确定岩石样品的弹性特性。
19.根据权利要求18所述的岩石特性试验系统，其中，至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性的操作包括基于下列等式确定岩石样品的杨氏模量：
Figure FDA0002209218590000051
式中，E是岩石样品的应力相关杨氏模量，
P是压缩压力，
R是盘半径，
t是盘厚度，
ly是竖直应变仪的长度，
E是岩石样品的杨氏模量，
υ是泊松比，
C3是第三系数，以及
C4是第四系数。
20.根据权利要求18所述的岩石特性试验系统，其中，至少部分地基于所测量的应变和压缩负载确定岩石样品的弹性特性的操作包括基于下列等式确定岩石样品的泊松比：
Figure FDA0002209218590000052
式中，v是岩石样品的应力相关泊松比，
C1是第一系数，
C2是第二系数，
C3是第三系数，
C4是第四系数，
lx是水平应变仪的长度，以及
ly是竖直应变仪的长度。
21.根据权利要求18所述的岩石特性试验系统，还包括基于下列等式确定第一系数、第二系数、第三系数和第四系数：
(i)
Figure FDA0002209218590000061
(ii)
Figure FDA0002209218590000062
(iii)
Figure FDA0002209218590000063
以及
(iv)C4＝1，
式中，rlx是第一比率，以及
rly是第二比率。
22.根据权利要求21所述的岩石特性试验系统，还包括基于下列等式确定第一比率和第二比率：
(i)
Figure FDA0002209218590000064
以及
(ii)
Figure FDA0002209218590000065
式中，R是盘的半径，
ly是竖直应变仪的长度，以及
lx是水平应变仪的长度。
23.根据权利要求13所述的岩石特性试验系统，其中，机械特性包括岩石样品的拉伸强度或脆性中的至少一者。
24.一种方法，包括：
对岩石样品进行巴西试验，巴西试验包括：
在岩石样品上施加增量压缩负载；以及
至少部分地基于增量压缩负载确定岩石样品的机械特性；
利用应变仪测量增量压缩负载期间岩石样品上的应变；以及
至少部分地基于所测量的应变和增量压缩负载确定岩石样品的弹性特性。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，岩石样品包括长度与直径之比在0.2和0.75之间的盘。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，应变包括水平应变和竖直应变，并且确定岩石样品的弹性特性包括：
至少部分地基于岩石样品上的水平应变和竖直应变以及增量压缩负载确定岩石样品的弹性特性。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，至少部分地基于岩石样品上的水平应变和竖直应变以及增量压缩负载确定岩石样品的弹性特性包括：
至少部分地基于岩石样品上的水平应变和竖直应变、增量压缩负载和至少四个系数确定岩石样品的弹性特性。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述四个系数至少部分地基于岩石样品的直径和岩石样品的长度。
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