CN111504820A - 一种岩石力学空间各向异性测量装置及方法 - Google Patents

一种岩石力学空间各向异性测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种岩石力学空间各向异性测量装置及方法，属于储层地质力学、地质工程领域使用。包括底座，底座为正方形的钢板，底座上设有轨道，轨道中设有升降机，升降机与试样载台连接，升降机外侧的轨道上设有支架，支架还包括与轨道匹配呈十字形交叉设置的两根横架，支架上设有三支高能枪，高能枪内均设有不锈钢钢针，三支高能枪头部的不锈钢钢针正好与试样载台三块正方形不锈钢钢板构成立方体角结构的其余三个面对应。其结构简单，使用方便，旨在克服传统方法不能简便地研究岩石力学各向异性的问题，操作简单，省时省力。

Description

一种岩石力学空间各向异性测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种各向异性测量装置及方法，尤其适用于储层地质力学、地质工程领域使用的岩石力学空间各向异性测量装置及方法。
背景技术
岩石在形成过程中会发育层理、片理，而岩石中矿物颗粒大小及组合方式又会造成结构、构造的定向性，导致岩石呈现力学各向异性。在油气储层地质力学以及地质工程领域，查明岩石力学空间各项异性对压裂工程设计、井壁稳定性评价以及边坡地质工程等具有重要作用。
传统的岩石力学各向异性研究方法一般通过对不同方位的试样开展力学实验或超声波测试获取，该过程需要采集并加工大量的实验样品，实验测试花销大，且费时费力。
授权公布号为CN206788007U的实用新型提供了一种岩石力学各向异性测量装置，包括旋转把、转动轴承、支架、转机、滑动轴、匀压器、转针、容样器和锁定器，但该装置只能测量垂直于转轴方向的岩石力学变化，无法知晓平行于转轴方向的力学特征，进而不能获取空间岩石力学各向异性。
发明内容
针对传统方法不能简便研究岩石力学各向异性的问题，本发明提供了一种岩石力学空间各向异性测量装置及方法。
为实现上述技术目的，本发明的岩石力学空间各向异性测量装置，包括底座，底座为正方形的钢板，底座上表面设有两条呈十字形交叉结构的轨道，轨道中设有升降机，升降机上设有试样载台，升降机外侧的轨道上设有支架；
所述的支架包括与轨道匹配呈十字形交叉设置的两根横架，两根横架两端分别垂直连接设置在底座轨道中的四根立架，每根立架的下部与轨道中的凹槽结构匹配，上部均设有长卡洞，横架的两端通过调节固定器使横架在长卡洞中上下移动，两根横架高度一致，交叉处固结，横向可移动，两根横架置于轨道正上方，其中两根横架交叉点处固接，并设有垂直向下的高能枪，两根相邻的立架中部水平方向向内各设有一支高能枪，三支高能枪内均设有不锈钢钢针，三支不锈钢钢针形成直角夹角；
所述试样载台为通过三块正方形不锈钢钢板以边边焊接方式铸构成的立方体角结构，立方体角结构中位于底部的正方形不锈钢钢板下方设有升降机，升降机底部设有与轨道匹配的结构，试样载台在升降机的作用下升降，且不高于水平方向向内设置的高能枪高度；所述三支高能枪头部的不锈钢钢针正好与试样载台三块正方形不锈钢钢板构成立方体角结构的其余三个面对应。
所述轨道和升降机上均标有刻度，轨道由两条等长且垂直相交的凹槽构成交点为每条凹槽的中心，下方的凹槽宽于上方的凹槽，两条凹槽的相交处连通。
所述轨道上设有多个用以限制立架在轨道上的移动的锁定器。
所述试样载台的正方形不锈钢钢板的尺寸为30cm×30cm，厚3cm；试样载台底部中心与升降机连接；轨道长度90cm；不锈钢钢针粗2mm。
一种岩石力学空间各向异性测量装置的测量方法，其步骤如下：
步骤1，定向采集新鲜的定向岩石样品，利用岩石切割机加工成立方体试样，并标注方位；
步骤2，测量三根初始不锈钢钢针的长度，将步骤1获取的立方体试样置于试样载台上，任意3个相邻的面贴近钢板，调整立架和升降机在轨道上的位置，调整升降机和横架的高度，使立方体试样暴露的三个面分别与三支高能枪的不锈钢钢针的针头临界接触；
步骤3，三支高能枪以同样的能量同时发射不锈钢钢针，然后测量不锈钢钢针暴露于立方体试样外的长度；
步骤4，变更高能枪位置，在三支高能枪中安装新的不锈钢钢针，重复步骤2和步骤3，并记录每一支高能枪发射的每一支不锈钢钢针在立方体试样外的长度数据；
步骤5，在立方体试样暴露的三个面上，分别计算每一支高能枪发射出的不锈钢钢针在立方体试样外的长度平均值，据此构建椭球体，分析岩石力学空间各向异性。
立方体试样的尺寸为20cm×20cm×20cm；高能枪不锈钢钢针在立方体试样面上的入射点位于该面以中心为圆心，半径为10cm范围的圆内，从而避免边界效应。
每一支高能枪向立方体试样重复发射10次不锈钢钢针。
根据暴露于岩石外不锈钢钢针的平均长度构建椭球体，其椭球半径分别为a，b和c，a和b分别等于水平方向暴露于岩石外不锈钢钢针的平均长度，c等于垂向暴露于岩石外不锈钢钢针的平均长度，构建各向异性参数λ1、λ2和λ3，定量分析岩石力学空间各向异性，其计算公式为：
λ1＝a/b
λ2＝a/c
λ3＝b/c。
有益效果：
传统的岩石力学各向异性研究方法一般通过对不同方位的试样开展力学实验或超声波测试获取，该过程需要采集并加工大量的实验样品，实验测试花销大，且费时费力。鉴于此，本发明的目的在于提供一种岩石力学空间各向异性测量装置及方法，旨在克服传统方法不能简便地研究岩石力学各向异性的问题，操作简单，省时省力。
附图说明
图1为本发明的岩石力学空间各向异性测量装置底座的俯视图；
图2为本发明的岩石力学空间各向异性测量装置底座的正视图；
图3为本发明的岩石力学空间各向异性测量装置立柱的结构图；
图4为本发明的岩石力学空间各向异性测量装置立柱的试样载台正视图；
图5为本发明的岩石力学空间各向异性测量装置立柱的试样载台侧视图；
图6为本发明的岩石力学空间各向异性测量装置三维图；
图7为岩石力学空间各向异性测量方法流程示意图。
图中：1-试样载台，2-支架，3-升降机，4-轨道，5-锁定器，6-高能枪，7-不锈钢钢针，8-固定器，9-底座，10-不锈钢钢板，11-立架，12-横架，13-长卡洞，14-刻度，15-凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示、图2和图6所示，本发明的一种岩石力学空间各向异性测量装置，包括底座9，底座9为正方形的钢板，底座9上表面设有两条呈十字形交叉结构的轨道4，轨道4中设有升降机3，升降机3上设有试样载台1，升降机3外侧的轨道4上设有支架2；所述轨道4上设有多个用以限制立架11在轨道4上的移动的锁定器5，所述试样载台1的正方形不锈钢钢板的尺寸为30cm×30cm，厚3cm；试样载台1底部中心与升降机3连接；轨道4长度90cm；不锈钢钢针7粗2mm；
如图3所示，所述的支架2包括与轨道4匹配呈十字形交叉设置的两根横架12，两根横架12两端分别垂直连接设置在底座9轨道4中的四根立架11，每根立架11的下部与轨道4中的凹槽结构匹配，上部均设有长卡洞13，横架12的两端通过调节固定器8使横架12在长卡洞13中上下移动，两根横架12高度一致，交叉处固结，横向可移动，两根横架12置于轨道4正上方，其中两根横架12交叉点处固接，并设有垂直向下的高能枪6，两根相邻的立架11中部水平方向向内各设有一支高能枪6，三支高能枪6内均设有不锈钢钢针7，三支不锈钢钢针7形成直角夹角；
如图4和图5所示，所述试样载台1为通过三块正方形不锈钢钢板10以边边焊接方式铸构成的立方体角结构，立方体角结构中位于底部的正方形不锈钢钢板10下方设有升降机3，升降机3底部设有与轨道4匹配的结构，试样载台1在升降机3的作用下升降，且不高于水平方向向内设置的高能枪6高度；所述三支高能枪6头部的不锈钢钢针7正好与试样载台1三块正方形不锈钢钢板10构成立方体角结构的其余三个面对应，所述轨道4和升降机3上均标有刻度14，轨道4由两条等长且垂直相交的凹槽15构成交点为每条凹槽的中心，下方的凹槽宽于上方的凹槽，两条凹槽的相交处连通。
如图7所示，一种岩石力学空间各向异性测量装置的测量方法，其步骤如下：
步骤1，定向采集新鲜的定向岩石样品，利用岩石切割机加工成立方体试样，并标注方位；
步骤2，测量三根初始不锈钢钢针7的长度，将步骤1获取的立方体试样置于试样载台1上，任意3个相邻的面贴近钢板10，调整立架11和升降机3在轨道14上的位置，调整升降机3和横架12的高度，使立方体试样暴露的三个面分别与三支高能枪6的不锈钢钢针7的针头临界接触；
步骤3，三支高能枪6以同样的能量同时发射不锈钢钢针，然后测量不锈钢钢针7暴露于立方体试样外的长度；
步骤4，变更高能枪6位置，在三支高能枪6中安装新的不锈钢钢针7，重复步骤2和步骤3，并记录每一支高能枪6发射的每一支不锈钢钢针7在立方体试样外的长度数据；
步骤5，在立方体试样暴露的三个面上，分别计算每一支高能枪6发射出的不锈钢钢针7在立方体试样外的长度平均值，据此构建椭球体，分析岩石力学空间各向异性。
所述立方体试样的尺寸为20cm×20cm×20cm；高能枪6不锈钢钢针7在立方体试样面上的入射点位于该面以中心为圆心，半径为10cm范围的圆内，从而避免边界效应。
每一支高能枪6向立方体试样重复发射10次不锈钢钢针7。
根据暴露于岩石外不锈钢钢针7的平均长度构建椭球体，其椭球半径分别为a，b和c，a和b分别等于水平方向暴露于岩石外不锈钢钢针7的平均长度，c等于垂向暴露于岩石外不锈钢钢针7的平均长度，构建各向异性参数λ1、λ2和λ3，定量分析岩石力学空间各向异性，其计算公式为：
λ1＝a/b
λ2＝a/c
λ3＝b/c。

Claims (8)

1.一种岩石力学空间各向异性测量装置，其特征在于：它包括底座(9)，底座(9)为正方形的钢板，底座(9)上表面设有两条呈十字形交叉结构的轨道(4)，轨道(4)中设有升降机(3)，升降机(3)上设有试样载台(1)，升降机(3)外侧的轨道(4)上设有支架(2)；
所述的支架(2)包括与轨道(4)匹配呈十字形交叉设置的两根横架(12)，两根横架(12)两端分别垂直连接设置在底座(9)轨道(4)中的四根立架(11)，每根立架(11)的下部与轨道(4)中的凹槽结构匹配，上部均设有长卡洞(13)，横架(12)的两端通过调节固定器(8)使横架(12)在长卡洞(13)中上下移动，两根横架(12)高度一致，交叉处固结，横向可移动，两根横架(12)置于轨道(4)正上方，其中两根横架(12)交叉点处固接，并设有垂直向下的高能枪(6)，两根相邻的立架(11)中部水平方向向内各设有一支高能枪(6)，三支高能枪(6)内均设有不锈钢钢针(7)，三支不锈钢钢针(7)形成直角夹角；
所述试样载台(1)为通过三块正方形不锈钢钢板(10)以边边焊接方式铸构成的立方体角结构，立方体角结构中位于底部的正方形不锈钢钢板(10)下方设有升降机(3)，升降机(3)底部设有与轨道(4)匹配的结构，试样载台(1)在升降机(3)的作用下升降，且不高于水平方向向内设置的高能枪(6)高度；所述三支高能枪(6)头部的不锈钢钢针(7)正好与试样载台(1)三块正方形不锈钢钢板(10)构成立方体角结构的其余三个面对应。
2.根据权利要求1所述的岩石力学空间各向异性测量装置，其特征在于：所述轨道(4)和升降机(3)上均标有刻度(14)，轨道(4)由两条等长且垂直相交的凹槽(15)构成交点为每条凹槽的中心，下方的凹槽宽于上方的凹槽，两条凹槽的相交处连通。
3.根据权利要求1所述的岩石力学空间各向异性测量装置，其特征在于：所述轨道(4)上设有多个用以限制立架(11)在轨道(4)上的移动的锁定器(5)。
4.根据权利要求1所述的岩石力学空间各向异性测量装置，其特征在于：所述试样载台(1)的正方形不锈钢钢板的尺寸为30cm×30cm，厚3cm；试样载台(1)底部中心与升降机(3)连接；轨道(4)长度90cm；不锈钢钢针(7)粗2mm。
5.一种使用权利要求1所述岩石力学空间各向异性测量装置的测量方法，其特征在于步骤如下：
步骤1，定向采集新鲜的定向岩石样品，利用岩石切割机加工成立方体试样，并标注方位；
步骤2，测量三根初始不锈钢钢针(7)的长度，将步骤1获取的立方体试样置于试样载台(1)上，任意3个相邻的面贴近钢板(10)，调整立架(11)和升降机(3)在轨道(14)上的位置，调整升降机(3)和横架(12)的高度，使立方体试样暴露的三个面分别与三支高能枪(6)的不锈钢钢针(7)的针头临界接触；
步骤3，三支高能枪(6)以同样的能量同时发射不锈钢钢针，然后测量不锈钢钢针(7)暴露于立方体试样外的长度；
步骤4，变更高能枪(6)位置，在三支高能枪(6)中安装新的不锈钢钢针(7)，重复步骤2和步骤3，并记录每一支高能枪(6)发射的每一支不锈钢钢针(7)在立方体试样外的长度数据；
步骤5，在立方体试样暴露的三个面上，分别计算每一支高能枪(6)发射出的不锈钢钢针(7)在立方体试样外的长度平均值，据此构建椭球体，分析岩石力学空间各向异性。
6.按照权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述立方体试样的尺寸为20cm×20cm×20cm；高能枪(6)不锈钢钢针(7)在立方体试样面上的入射点位于该面以中心为圆心，半径为10cm范围的圆内，从而避免边界效应。
7.按照权利要求5所述的测量方法，其特征在于：每一支高能枪(6)向立方体试样重复发射10次不锈钢钢针(7)。
8.按照权利要求5所述的测量方法，其特征在于：根据暴露于岩石外不锈钢钢针(7)的平均长度构建椭球体，其椭球半径分别为a，b和c，a和b分别等于水平方向暴露于岩石外不锈钢钢针(7)的平均长度，c等于垂向暴露于岩石外不锈钢钢针(7)的平均长度，构建各向异性参数λ1、λ2和λ3，定量分析岩石力学空间各向异性，其计算公式为：
λ1＝a/b
λ2＝a/c
λ3＝b/c。
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