CN113605887B - 一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法及系统，方法包括S1标定获得不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线；S2将测试系统下放至指定深度后启动定位机构对中并定位；S3启动侧向取芯钻头对测试点处的岩芯进行应力解除作业，同时将按压式应变传感器探头伸出并按压在井壁表面的测试点处，采集应变信号并记录按压式应变传感器探头的伸出长度，获取第一应变测量数据；S4再次伸出按压式应变传感器探头并按压在井壁表面的测试点处，记录按压式应变传感器探头的伸出长度，获取第二应变测量数据；S5解析计算获取远场地应力分量。本发明适用范围由孔深500‑1000米扩展至3000米以上，使得在超深钻孔中开展地应力原位测试成为可能。
Description
技术领域
本发明属于岩土力学测量技术领域，更具体地，涉及一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法及系统。
背景技术
与混凝土或者钢筋这类人造材料不同，自然材料如岩石和土受到地应力的作用，而了解自然应力状态是研究所有涉及到岩石工程领域的前提。应力解除法是一种得到国际岩石力学测试技术专业委员会推荐的地应力原位测试的方法应力解除法，该方法是将测量点处的岩石样本与周围岩体的应力场中进行分离，结合应力-应变关系和岩石变形参数，由应力解除过程中记录得到的应变反算得到远场地应力。
局部壁面应力解除法使用井壁一点处任意方向上的正应变与远场地应力之间的对应关系，反算得到地应力。该方法的关键在于通过粘贴应变片的方式测量应力解除过程中岩芯表面的微小应变，然而目前局部壁面应力解除法最大应用深度深范围在500-1000米之间，受到垂直深钻孔中应变片粘贴难题的制约使其难以在更深钻孔中适用。不仅因井壁不光滑很难将应变片粘贴牢固，并且胶水在高温高压环境下所需的固化时间超过10个小时，而深钻孔中设备暂停的时间按规范规定不超过5分钟，这使得粘贴应变片的测量方式不具有可操作性，如何实现深钻孔（深度范围超过1000米）且高温、高压等复杂环境下的地应力测试成为亟待解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法及系统，克服了传统局部壁面应力解除法在深钻孔复杂环境下难以粘贴应变片的难题，将该方法的适用范围由孔深500-1000米扩展至3000米以上，使得在超深钻孔中开展地应力原位测试成为可能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法，包括以下步骤：
S1标定：获得不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线；
S2定位对中：将测试系统下放至指定深度后启动定位机构对中并定位，使得按压式应变传感器探头与钻井井壁垂直布置；
S3按压测量及应力解除：启动侧向取芯钻头对测试点处的岩芯进行应力解除作业，同时将按压式应变传感器探头伸出并按压在井壁表面的测试点处，采集应变信号并记录按压式应变传感器探头的伸出长度，获取第一应变测量数据，当侧向取芯钻头达到指定深度后停止侧向取芯钻头转动并收回；
S4变形测量：再次伸出按压式应变传感器探头并按压在井壁表面的测试点处，记录按压式应变传感器探头的伸出长度，获取第二应变测量数据；
S5解析计算：调整所述按压式应变传感器沿钻井径向的角度及轴向位置，重复步骤S3至步骤S4，获取多组第一应变测量数据和第二应变测量数据，并根据步骤S1获取的不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线，获取远场地应力分量。
进一步地，步骤S1包括：
S11：聚四氟立方块一侧的中心位置粘贴高精度应变片，并将该聚四氟立方块放置在小型室内钻孔参数快速采集装置的压力室中，将按压式应变传感器探头固定在小型室内钻孔参数快速采集装置的固定端上，并将按压式应变传感器探头和高精度应变片与应变采集仪相连；
S12：启动钻孔参数快速采集装置，向聚四氟立方块施加水平向压力，并用推动段沿导轨推动压力室向固定端移动，使按压式应变传感器探头紧贴至聚四氟立方块，通过压力室向聚四氟立方块分多级施加竖向压力；
S13：应变采集仪实时记录按压式应变传感器探头和高精度应变片所采集到的微应变值，并拟合得到两者之间的对应关系；
S14：加载完成后卸掉竖向压力，继续移动压力室，再重步骤S11-S13，得到不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线。
进一步地，步骤S12中，所述竖向压力通过五级加载，每级等值或不等值缓慢加载。
进一步地，步骤S6中，在一小段孔壁径向相隔约120°的三处测试点分别开展测试。
进一步地，所述第一应变测量数据、第二应变测量数据不少于9组。
按照本发明的另一个方面，提供一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试系统，包括：
用于确定按压式应变传感器所测量的微应变数值与真实微应变之间的对应关系的标定单元，其包括应变采集仪；
将测试系统下放至指定深度后启动定位机构对中并定位的定位对中单元；
按压单元，其包括按压式应变传感器探头，用于伸出并按压在井壁表面的测试点处；
应力解除单元，其包括侧向取芯钻头，用于实现对测试点处的岩芯进行应力解除作业；
应变测量单元，其包括位移传感器，应变采集仪采集按压式应变传感器探头的应变信号，所述位移传感器记录所述按压式应变传感器探头伸出的长度；
以及解析计算模块，调整所述按压式应变传感器沿钻井径向的角度及轴向位置，获取多组应变测量数据，并根据不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线，获取远场地应力分量。
进一步地，所述标定单元包括：
小型室内钻孔参数快速采集装置、设于其上的导轨、设于所述导轨上的推动段、压力室以及固定端。
进一步地，所述压力室内设有聚四氟立方块和高精度应变片。
进一步地，所述固定端靠近压力室一侧设有按压式应变传感器探头，其与导轨连接处设有应变采集仪，所述按压式应变传感器探头和高精度应变片与应变采集仪相连，实现信号控制。
进一步地，所述定位对中单元包括定位机构以及伽马测深设备。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1．本发明的深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试方法，克服了传统局部壁面应力解除法在深钻孔复杂环境下难以粘贴应变片的难题，将该方法的适用范围由孔深500-1000米扩展至3000米以上，使得在超深钻孔中开展地应力原位测试成为可能。
2．本发明的深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试方法，采用按压式应变测量方法，可在钻孔中不同位置开展多次地应力测量，从而极大地节省了上提下放的时间，且按压式应变测量方法可直接在钻井液条件下进行测试，避免了对钻孔的抽空排水，降低了井壁坍塌的可能，提高了方法的安全性。
3．本发明标定单元用于确定按压式应变传感器所测量的微应变数值与真实微应变之间的对应关系，定位对中单元将测试系统下放至指定深度后启动定位机构对中并定位，使得按压式应变传感器探头与钻井井壁垂直布置；应力解除单元启动侧向取芯钻头对测试点处的岩芯进行应力解除作业，当侧向取芯钻头达到指定深度后停止侧向取芯钻头转动并收回，同时应变测量单元伸出按压式应变传感器探头并按压在井壁表面的测试点处，获取应力解除过程中的第二应变测量数据，记录按压式应变传感器探头的伸出长度；解析计算模块调整所述按压式应变传感器沿钻井径向的角度及轴向位置，获取多组第一应变测量数据和第二应变测量数据，并根据不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线，获取远场地应力分量。
4．本发明的方法，小型室内钻孔参数快速采集装置，向聚四氟乙烯立方块施加水平向压力，并用推动段沿导轨推动压力室向固定端移动，使按压式应变传感器探头紧贴至聚四氟乙烯立方块，通过压力室向聚四氟乙烯立方块施加竖向压力，分五级加载，通过应变采集仪实时记录按压式应变传感器探头和高精度应变片所采集到的微应变值，并采用拟合的手段得到两者之间的对应关系。
5．本发明的方法，将定位机构、按压式应变传感器探头、应变采集仪、位移传感器以及侧向取芯钻头下入钻孔中的指定深度，通过定位机构中的伽马测深设备确定设备的深度。达到指定深度后，启动定位机构将设备固定在钻孔中，实现精确对中及定位。
附图说明
图1为本发明实施例中深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法中的标定装置结构示意图；
图2为本发明实施例中深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法中定位状态示意图；
图3为本发明实施例中深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法中按压状态示意图；
图4为本发明实施例中深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法中应力解除状态示意图；
图5为本发明实施例中深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法中变形测量状态示意图；
图6为本发明实施例中深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法中测试点分布示意图；
图7为本发明实施例中深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法流程示意图；
图8为本发明实施例中深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法中标定流程示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-小型室内钻孔参数快速采集装置、2-按压式应变传感器探头、3-应变采集仪、4-高精度应变片、5-聚四氟立方块、6-压力室、7-固定端、8-推动段、9-导轨、10-定位机构、11-位移传感器、12-侧向取芯钻头、13-伽马测深设备、14-测试点、15-第一测试点、16-第二测试点、17-第三测试点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试系统，包括标定单元、定位对中单元、按压单元、应力解除单元、应变测量单元以及解析计算模块。其中，标定单元用于确定按压式应变传感器所测量的微应变数值与真实微应变之间的对应关系，定位对中单元将测试系统下放至指定深度后启动定位机构对中并定位，使得按压式应变传感器探头与钻井井壁垂直布置；应力解除单元启动侧向取芯钻头对测试点处的岩芯进行应力解除作业，当侧向取芯钻头达到指定深度后停止侧向取芯钻头转动并收回；同时按压单元将按压式应变传感器探头伸出并按压在井壁表面的测试点处，采集应变信号并记录按压式应变传感器探头的伸出长度，获取第一应变测量数据；解析计算模块调整所述按压式应变传感器沿钻井径向的角度及轴向位置，获取多组第一应变测量数据和第二应变测量数据，并根据不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线，获取远场地应力分量。
如图1所示，本发明实施例中，标定单元包括小型室内钻孔参数快速采集装置、设于其上的导轨9、设于所述导轨9上的推动段8、压力室6以及固定端7。所述压力室6内设有聚四氟立方块5和高精度应变片4，所述固定端7靠近压力室6一侧设有按压式应变传感器探头2，其与导轨9连接处设有应变采集仪3，按压式应变传感器探头2和高精度应变片4与应变采集仪3相连，实现信号控制。启动小型室内钻孔参数快速采集装置1，向聚四氟立方块5施加水平向1000Kg压力，并用推动段8沿导轨9推动压力室6向固定端7移动，使按压式应变传感器探头2紧贴至聚四氟立方块5，通过压力室6向聚四氟立方块5施加竖向压力5000KG，分五级加载，每级1000KG。通过应变采集仪3实时记录按压式应变传感器探头2和高精度应变片4所采集到的微应变值，并采用拟合的手段得到两者之间的对应关系。
进一步地，如图2所示，定位对中单元包括定位机构10以及伽马测深设备13，其中定位机构10成对设置，一般设于整个系统的顶部和底部，用于实现与井壁的固定。将定位机构10、按压式应变传感器探头2、应变采集仪3、位移传感器11以及侧向取芯钻头12下入钻孔中的指定深度，通过定位机构中的伽马测深设备13确定设备的深度。达到指定深度后，启动定位机构10，将设备固定在钻孔中，并将仪器对中。
如图3所示，本发明实施例中，按压单元包括按压式应变传感器探头2，在设备定位完成后，将按压式应变传感器探头2伸出，并紧紧按压在孔壁表面的测试点14处。
如图4所示，在本发明的实施例中，应力解除单元包括侧向取芯钻头12。当按压式应变传感器探头2按压孔壁表面测试点14后，启动侧向取芯钻头12，对测试点14处的岩芯进行应力解除作业，实现测试点14附近的应力解除。
如图3所示，在本发明实施例中，应变测量单元包括位移传感器11，当按压式应变传感器探头2伸出紧紧按压在孔壁表面的测试点14处时，打开应变采集仪3开始采集应变信号，打开位移传感器11开始记录按压式应变传感器探头2伸出的长度。
如图6所示，本发明实施例中，在一小段孔壁相隔约120°的分别设置第一测试点15、第二测试点16以及第三测试点17，分别开展测试，然后调整不同深度，重复上述三个测试点进行测试，获得多组应变测量数据，进行解析计算，即可获得远场地应力分量。
如图7所示，在本发明的另一个实施例中，提供一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法，该方法包括如下步骤：
S1标定：获得不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线；
S2定位对中：将测试系统下放至指定深度后启动定位机构对中并定位，使得按压式应变传感器探头与钻井井壁垂直布置；
S3应力解除：启动侧向取芯钻头对测试点处的岩芯进行应力解除作业，同时将按压式应变传感器探头伸出并按压在井壁表面的测试点处，采集应变信号并记录按压式应变传感器探头的伸出长度，获取第一应变测量数据，当侧向取芯钻头达到指定深度后停止侧向取芯钻头转动并收回；
S4变形测量：再次伸出按压式应变传感器探头并按压在井壁表面的测试点处，记录按压式应变传感器探头的伸出长度，获取第二应变测量数据；；
S5解析计算：调整所述按压式应变传感器沿钻井径向的角度及轴向位置，重复步骤S3至步骤S4，获取多组第一应变测量数据和第二应变测量数据，并根据步骤S1获取的不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线，获取远场地应力分量。
其中，如图8所示，步骤S1中标定包括如下步骤：
S11：聚四氟立方块一侧的中心位置粘贴高精度应变片，并将该聚四氟立方块放置在小型室内钻孔参数快速采集装置的压力室中，将按压式应变传感器探头固定在小型室内钻孔参数快速采集装置的固定端上，并将按压式应变传感器探头和高精度应变片与应变采集仪相连；
S12：启动钻孔参数快速采集装置，向聚四氟立方块施加水平向压力，并用推动段沿导轨推动压力室向固定端移动，使按压式应变传感器探头紧贴至聚四氟立方块，通过压力室向聚四氟立方块分多级施加竖向压力；
S13：应变采集仪实时记录按压式应变传感器探头和高精度应变片所采集到的微应变值，并拟合得到两者之间的对应关系；
S14：加载完成后卸掉竖向压力，继续移动压力室，再重步骤S11-S13，得到不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线。
具体而言，图1展示了一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试方法中标定过程的示意图。如图1所示，首先在聚四氟立方块5一侧的中心位置粘贴高精度应变片4，并将该立方块放置在小型室内钻孔参数快速采集装置1的压力室6中。将按压式应变传感器探头2固定在小型室内钻孔参数快速采集装置1的固定端7上，通过对中将按压式应变传感器探头2对准聚四氟立方块5另一侧的中心位置，并将按压式应变传感器探头2和高精度应变片4与应变采集仪3相连。然后启动小型室内钻孔参数快速采集装置1，向聚四氟立方块5施加水平向1000Kg压力，并用推动段8沿导轨9推动压力室6向固定端7移动，使按压式应变传感器探头2紧贴至聚四氟立方块5，然后通过压力室6向聚四氟立方块5施加竖向压力5000KG，分五级加载，每级1000KG。通过应变采集仪3实时记录按压式应变传感器探头2和高精度应变片4所采集到的微应变值，并采用拟合的手段得到两者之间的对应关系。加载完成后，卸掉竖向压力，继续移动压力室6，再重复上述过程，得到不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线。
如图2展示了一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试方法中定位对中过程的示意图。该过程将定位机构10、按压式应变传感器探头2、应变采集仪3、位移传感器11以及侧向取芯钻头12下入钻孔中的指定深度。在下放至深井的过程中，通过定位机构中的伽马测深设备13确定设备的深度。达到指定深度后，启动定位机构，将设备固定在钻孔中，并将仪器对中。
如图3所示，在设备定位完成后，将按压式应变传感器探头2伸出，并紧紧按压在孔壁表面的测试点14处。同时打开应变采集仪3开始采集应变信号，打开位移传感器11开始记录按压式应变传感器探头2伸出的长度。
如图4所示，当按压式应变传感器探头2按压孔壁表面测试点14后，启动侧向取芯钻头12，对测试点14处的岩芯进行应力解除作业，解除深度为侧向取芯钻头11直径的1.5-2倍。
如图5所示,当侧向取芯钻头12达到指定深度后，停止侧向取芯钻头12转动并收回。然后再次伸出按压式应变传感器探头2，通过位移传感器11记录按压过程中的微应变变化，用以测量测试点岩芯的弹性模量。测试完成后，再次收回按压式应变传感器探头2，解除定位机构8。设备通过上提下放改变侧向取芯钻头12和按压式应变传感器探头2的朝向，在同一孔段的其他测试点开展测试。
如图6所示,在一小段孔壁相隔约120°的三处测试点15-17分别开展实验，就能获得9个不同方向上的微应变。将按压式应变传感器探头2及其他设备回收至地表后，读取应变测量数据，并通过第一步中得到的不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线得到正确的微应变值以及岩体变形参数。最终通过最小二乘法，再依据一点处任意方向上的正应变与远场地应力之间的对应关系，即能得到远场地应力分量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1标定：获得不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线；
S2定位对中：将测试系统下放至指定深度后启动定位机构对中并定位，使得按压式应变传感器探头与钻井井壁垂直布置，将按压式应变传感器探头固定在小型室内钻孔参数快速采集装置的固定端上，通过对中将按压式应变传感器探头对准聚四氟立方块另一侧的中心位置，并将按压式应变传感器探头和高精度应变片与应变采集仪相连；
S3按压测量及应力解除：启动侧向取芯钻头对测试点处的岩芯进行应力解除作业，同时将按压式应变传感器探头伸出并按压在井壁表面的测试点处，采集应变信号并记录按压式应变传感器探头的伸出长度，获取第一应变测量数据，当侧向取芯钻头达到指定深度后停止侧向取芯钻头转动并收回；
S4变形测量：再次伸出按压式应变传感器探头并按压在井壁表面的测试点处，记录按压式应变传感器探头的伸出长度，获取第二应变测量数据；
S5解析计算：调整所述按压式应变传感器沿钻井径向的角度及轴向位置，重复步骤S3至步骤S4，获取多组第一应变测量数据和第二应变测量数据，并根据步骤S1获取的不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线，获取远场地应力分量。
2.根据权利要求1所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11：聚四氟立方块一侧的中心位置粘贴高精度应变片，并将该聚四氟立方块放置在小型室内钻孔参数快速采集装置的压力室中，将按压式应变传感器探头固定在小型室内钻孔参数快速采集装置的固定端上，并将按压式应变传感器探头和高精度应变片与应变采集仪相连；
S12：启动钻孔参数快速采集装置，向聚四氟立方块施加水平向压力，并用推动段沿导轨推动压力室向固定端移动，使按压式应变传感器探头紧贴至聚四氟立方块，通过压力室向聚四氟立方块分多级施加竖向压力；
S13：应变采集仪实时记录按压式应变传感器探头和高精度应变片所采集到的微应变值，并拟合得到两者之间的对应关系；
S14：加载完成后卸掉竖向压力，继续移动压力室，再重步骤S11-S13，得到不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线。
3.根据权利要求2所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法，其特征在于，步骤S12中，所述竖向压力通过五级加载，每级等值或不等值缓慢加载。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法，其特征在于，步骤S6中，在一小段孔壁径向相隔约120°的三处测试点分别开展测试。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试方法，其特征在于，所述第一应变测量数据、第二应变测量数据不少于9组。
6.一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试系统，其特征在于，包括：
用于确定按压式应变传感器所测量的微应变数值与真实微应变之间的对应关系的标定单元，其包括应变采集仪（3）；
将测试系统下放至指定深度后启动定位机构对中并定位的定位对中单元；
按压单元，其包括按压式应变传感器探头（2），用于伸出并按压在井壁表面的测试点处；
应力解除单元，其包括侧向取芯钻头（12），按压式应变传感器探头（2）按压孔壁表面测试点（14）后，启动侧向取芯钻头（12）对测试点（14）处的岩芯进行应力解除作业，实现对测试点（14）处的岩芯进行应力解除作业；
应变测量单元，其包括位移传感器（11），应变采集仪（3）采集按压式应变传感器探头（2）的应变信号，所述位移传感器（11）记录所述按压式应变传感器探头（2）伸出的长度；
以及解析计算模块，调整所述按压式应变传感器沿钻井径向的角度及轴向位置，获取多组应变测量数据，并根据不同按压力条件下按压式应变传感器探头的标定曲线，获取远场地应力分量。
7.根据权利要求6所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试系统，其特征在于，所述标定单元包括：
小型室内钻孔参数快速采集装置、设于其上的导轨（9）、设于所述导轨（9）上的推动段（8）、压力室（6）以及固定端（7）。
8.根据权利要求7所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试系统，其特征在于，所述压力室（6）内设有聚四氟立方块（5）和高精度应变片（4）。
9.根据权利要求7所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试系统，其特征在于，所述固定端（7）靠近压力室（6）一侧设有按压式应变传感器探头（2），其与导轨（9）连接处设有应变采集仪（3），所述按压式应变传感器探头（2）和高精度应变片（4 ）与应变采集仪（3）相连，实现信号控制。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除测试系统，其特征在于，所述定位对中单元包括定位机构（10）以及伽马测深设备（13）。
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