CN114112753A - 一种岩石连续硬度测试装置及测试方法 - Google Patents

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陈军海
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Abstract

根据本发明提供了一种岩石连续硬度测试装置，包括：底座；设置在底座上的承压板，承压板用于放置待测岩心；设置在承压板的下方的传动滑轨；主体框架，主体框架通过传动滑轨安装到底座上；安装在主体框架上的硬度压板，在硬度压板的下端设有硬度压头，在压硬度板的上端设有用于为硬度压头提供动力的垂向定位轮；控制系统，其包括数据采集装置和控制机箱；其中，控制系统能够控制垂向定位轮带动硬度压头以恒定速率压入待测岩心表面，直至待测岩心破裂，并通过数据采集装置实时记录加载过程中硬度压头施加的压力和压入位移，主体框架能够沿传动滑轨移动以对待测岩心的表面的不同位置进行硬度测试。本发明还提供了一种岩石连续硬度测试方法。

Description

一种岩石连续硬度测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于石油勘探开发技术领域，具体涉及一种岩石连续硬度测试装置。本发明还涉及一种岩石连续硬度测试方法。
背景技术
在钻井技术工程中，获得准确的岩石硬度特征对优化钻井参数，优选钻头等有着重要意义。岩石硬度是指岩石表面抵抗其他物体表面压入或侵入的能力。岩石中的矿物组分含量对硬度值具有较大的影响，然而，岩石中矿物的分布并不是均匀的，具有较强的各向异性，传统的硬度测试通常通过单点压入的方法测得岩石硬度，获得的硬度值可能会因为局部单种矿物聚集而导致测量结果不准确，不能全面的反映岩石硬度特性，具有一定的局限性。
目前，国内外硬度测量装置及方法多种多样，然而现有的硬度测量装置或硬度测量方法仍然存在一些问题。例如，现有技术中的岩石硬度测量器将多个压头并排安装至手握装置中，通过人力按压的方式测量岩石硬度，这种方法仅能通过岩石表面划痕深浅判断岩石硬度，准确度低，且具有一定的局限性。现有的一种岩石硬度测量装置利用钢球从高处自由下落，打击岩石试样，根据钢球回弹高度与释放钢球时初始高度的比值记作该岩石的硬度，该方法只能在竖直方向进行测量，岩石试样表面的不平整度会使反弹高度的误差较大。还有适用于对金属材料硬度进行确定的洛氏硬度计，但其无法对岩石硬度进行测量。还有的硬度测试装置仅能通过岩石表面压痕深浅判断硬度，其仅能用作室外判断岩石硬度的辅助工具，有的岩石硬度检测装置仅能测量岩石表面单点硬度，不能准确反映岩石硬度测试结果。现有的大多数硬度测试装置通常采用单点测试，其测量结果准确性差，无法反映出待测物整体的硬度参数特征。
目前硬度测试装置可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、史氏硬度法等，其原理为通过压头压入材料表面，达到岩样破裂压力后卸除试验力，根据残余压痕的大小，按照不同的计算模型获得硬度值，这些方法通过对样品表面选取某个点进行测试，从而得到整个样品的硬度值。然而，对于岩石来说，其内部矿物组成、岩石结构对硬度具有较大影响，对于各向异性较强的岩石试样，单点硬度测量的方法会导致较大的误差，不能很好的描述整个地层硬度的非均质特性。此外，目前的岩石硬度测试装置对岩样尺寸、平整度及完整性具很高的要求，岩样加工困难，限制了层理、孔隙发育复杂的岩样的测试。
发明内容
针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种岩石连续硬度测试装置，其能够对现场全尺寸岩心进行连续硬度测试，从而得到连续、高分辨率的岩石硬度值与塑性系数连续剖面，能够显著增强岩石硬度测试结果的准确性。
为此，根据本发明的第一方面，提供了一种岩石连续硬度测试装置，包括：底座；设置在所述底座上的承压板，所述承压板用于放置待测岩心；设置在所述承压板的下方的传动滑轨；主体框架，所述主体框架通过所述传动滑轨安装到所述底座上；安装在所述主体框架上且处于所述待测岩心的上方的硬度压板，在所述硬度压板的下端设有硬度压头，在所述压硬度板的上端设有用于为所述硬度压头提供动力的垂向定位轮；控制系统，所述控制系统包括数据采集装置和控制机箱；其中，所述控制系统能够控制所述垂向定位轮带动所述硬度压头以恒定速率压入所述待测岩心表面，直至所述待测岩心破裂，并通过所述数据采集装置实时记录加载过程中所述硬度压头施加的压力和压入位移，所述主体框架能够沿所述传动滑轨移动以对所述待测岩心的表面的不同位置进行硬度测试。
在一个实施例中，所述主体框架包括设置于所述待测岩心的上方的横向安装板，所述硬度压板安装在所述横向安装板的横向中部。
在一个实施例中，所述数据采集装置包括用于测量所述硬度压头的压入位移的垂向引申计，所述垂向引申计设置在所述横向安装板的下端面。
在一个实施例中，所述垂向引申计设有2个，并且2个所述垂向引申计对称设置在所述硬度压板的两侧。
在一个实施例中，所述数据采集装置还包括设置在所述硬度压板的下端面的载荷传感器，所述载荷传感器用于测量所述硬度压头施加在所述待测岩心上的载荷。
在一个实施例中，所述硬度压头为金刚石复合片。
在一个实施例中，在所述承压板设有用于固定所述待测岩心的夹持器，所述夹持器能够根据所述待测岩心的直径进行调节。
在一个实施例中，在所述底座上还设有电机，所述主体框架通过所述电机提供的动力沿所述传动滑轨移动。
根据本发明的第二方面，提供了一种岩石连续硬度测试方法，包括以下步骤：
步骤一：提供如上所述的岩石连续硬度测试装置；
步骤二：在待测岩心的表面开设水平槽面，将所述待测岩心通过所述水平槽面放置在所述承压板上，并通过夹持器对所述待测岩心进行固定；
步骤三：将所述硬度压头移动至预设的初始位置，并设定预置接触力；
步骤四：通过所述控制系统控制所述硬度压头以恒定速率压入所述待测岩心，直至所述待测岩心破裂后上提所述硬度压头，并实时记录加载过程中所述硬度压头施加的压力和压入位移及其关系曲线；
步骤五：控制所述主体框架带动所述硬度压头水平移动至不同位置，并重复步骤三和步骤四，以对不同的测试点进行硬度测试，从而得到多组试验数据；
步骤六：进行数据处理和分析，从而得到岩石连续硬度性能。
在一个实施例中，所述预置接触力设置为0.3-0.5kN。
与现有技术相比，本申请的优点之处在于：
根据本发明的岩石连续硬度测试装置，其能够对现场全尺寸岩心进行连续硬度测试，从而得到连续、高质量的岩石硬度参数，且测试结果准确可靠。测试结果能够显著提高岩石力学数据段质量和代表性，从而能够为钻井、完井和储层评估计算提供关键参数，这不仅适用于传统石油勘探开发领域，而且适用于页岩气等非常规领域。岩石连续硬度测试装置能够通过传动结构带动硬度压头对待测岩心进行多点连续压入，以对待测岩心表面的多个不同位置分别进行硬度测试，从而能够测试得到岩石连续硬度剖面，这大大提高了测试结果的准确性和可靠性。并且，岩石连续硬度测试装置操作简单便捷，对待测岩心的损伤小，岩心利用率高。同时，根据测试结果能够评价岩石结构、矿物成分等非均质对岩石硬度的影响，也可用来间接评价矿物组分、岩石结构等其他重要结构特点的细微变化情况。根据本发明的岩石连续硬度测试方法采用压头静压法原理，并且对不同位置进行测试，从而得到多组测试数据，其测试结果准确可靠，不仅能准确测的岩石硬度值，且可同时获得岩石塑性系数，用于辅助评价岩石硬度特征，且该测试方法既适用于常规地层岩石硬度测试，也适用于泥页岩等非常规复杂地层和页岩气等非常规油气领域，其适用范围广。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1是根据本发明的岩石连续硬度测试装置的主视图。
图2是根据本发明的岩石连续硬度测试装置的侧视图。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
在本申请中，需要说明的是，将图1中的水平方向定义为横向，将图1中的垂直方向定义为竖向。另外，需要说明的是，本申请中使用的方向性用语或限定词“上端”、“下端”或其相似用语等均是针对所参照的附图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。
图1是根据本发明的岩石连续硬度测试装置100的主视图。如图1所示，岩石连续硬度测试装置100包括底座10。底座10构造成T型结构，其作为支撑主体以为岩石连续硬度测试装置100整体提供支撑。底座10结构稳定可靠，能够有效保证岩石连续硬度测试装置100的稳定性能，从而保证了岩石连续硬度测试装置100的测试结果的可靠性，有利于提高测试数据的准确性。
如图1所示，在底座10的上端安装有承压板20，承压板20用于放置待测岩心30。承压板20构造为矩形板状，且沿底座10的长度方向(图2中的水平方向)延伸设置。在承压板20的下端设有传动滑轨40，传动滑轨40与底座10固定李连接。传动滑轨40的作用在下文介绍。
在本实施例中，在承压板20上设有用于固定待测岩心30的夹持器21。如图1所示，夹持器21包括对称设置在承压板20的横向两侧的紧固弹片211和弧形夹持板212，弧形夹持板212连接在紧固弹片211的端部，两个弧形夹持板212共同形成用于夹持安装待测岩心30的夹持空间。紧固弹片211的两端通过紧定螺钉与承压板20和弧形夹持板212紧固连接。夹持器21通过调节紧固弹片211与弧形夹持板212之间的紧定螺钉，能够根据待测岩心30的直径夹持部的空间大小调节。为了保证待测岩心30安装的稳定性，在承压板20上沿长度方向均匀间隔开设置有多个夹持器21。夹持器21能够对待测岩心30形成有效固定，能够有效防止待测岩心30在测试过程中松动，从而保证测试数据准确可靠，增强了岩石连续性能测试的准确性。
根据本发明，岩石连续硬度测试装置100还包括主体框架50。如图1所示，主体框架包括横向安装板51、传动连接板52和连接横向安装板51与传动连接板的竖向支撑板53。横向安装板51处于待测岩心30的上方。传动连接板52与传动滑轨40适配连接，主体框架50能够沿传动滑轨40移动。在测试过程中，主体框架50沿传动滑轨40移动，能够对待测岩心30表面的不同位置进行硬度测试，从而得到多组测试数据。这样能够对现场全尺寸岩心进行连续硬度测试，从而得到岩石连续硬度性能，非常有利于增强岩石连续硬度测试结果的准确性。
在本实施例中，在底座10上设有电机80。电机80用于提供动力以驱动主体框架50沿传动滑轨40移动。
如图1所示，岩石连续硬度测试装置100还包括硬度压板60。硬度压板60安装在主体框架50的横向安装板51上，且硬度压板60安装在横向安装板51的横向中部。在硬度压板60的下端设有硬度压头61，在压硬度板60的上端设有垂向定位轮62，垂向定位轮62用于为硬度压头61提供向下移动的动力，以及提供硬度压头61向待测岩心30施加载荷的力。由此，通过垂向定位轮62带动硬度压头61上下运动，使硬度压头61靠近或远离待测岩心30，并控制硬度压头61压入或抬离待测岩心30。
根据本发明，岩石连续硬度测试装置100还包括控制系统，控制系统用于控制岩石连续硬度测试装置100运行以进行硬度测试，并采集测试数据以进行数据处理和分析。控制系统包括数据采集装置，数据采集装置包括垂向引申计72，垂向引申计72用于测量硬度压头61压入待测岩心30表面的压入位移。如图1所示，垂向引申计72设置在横向安装板51的下端面。垂向引申计72设有2个，并且2个垂向引申计72对称设置在硬度压板60的横向两侧。垂向引申计72的精度不低于0.05mm。在测试过程中，通过计算2个垂向引申计72测得的数据的平均值得到硬度压头61的垂向位移值。这样有利于提高测试数据的可靠性，从而增强岩石连续硬度性能的测试结果的准确性。
根据本发明，数据采集装置还包括载荷传感器73，载荷传感器73用于测量硬度压头61施加在待测岩心30上的压力载荷。载荷传感器73设置在硬度压板60的下端面。载荷传感器73设置在硬度压头61的一侧，在测试过程中，载荷传感器73能够准确测得硬度压头61施加在待测岩心30上的压力载荷，并且能够保证测试数据的准确性，从而能够进一步增强岩石连续硬度性能的测试结果的准确性。
如图1所示，控制系统还包括控制机箱70。控制机箱70安装在底座10上，控制机箱70用于控制硬度压头61的运动和对待测岩心30施加载荷，以及控制电机80运行以驱动主体框架50沿传动滑轨40移动。垂向引申计72和载荷传感器73分别通过信号连接线与控制机箱70连接，控制机箱70能够接收和传递信号，并能够对采集的测试数据进行分析处理，从而得到岩石连续硬度性能。
根据本发明还提供了一种岩石连续硬度测试方法，下面介绍这种岩石连续硬度测试方法的具体测试步骤。
首先，提供岩石连续硬度测试装置100，通过岩石连续硬度测试装置100测试待测岩心的连续硬度性能。之后，在待测岩心的表面开设水平槽面，并根据实际需要设定待测岩心的样品长度。水平槽面的宽度例如可以设置为5mm。之后，将待测岩心30放置在夹持器21的夹持空间内，并放置在承压板20上，且水平槽面与承压板20的上表面配合安装。同时，调节夹持器21的紧定螺钉将待测岩心30固定在承压板20上。之后，将硬度压头61移动至预设的初始位置，并将硬度压头61此时在水平面内的水平位移设置为0。同时设定硬度压头61的预置接触力，预置接触力设定为处于0.3-0.5kN的范围内。具体为，控制垂向定位轮62带动硬度压头61下降，直至硬度压头6压入待测岩心样本表面而达到预置值，例如预置值可以为0.5kN，然后上抬硬度压头61至距离待测岩心0.5mm，并将硬度压头61此时的垂向位移设置为0。由于待测岩心30的表面不平整，通过设定预置值能够使每次硬度压头61与待测岩心30之间的起始位置保持一致。之后，通过控制系统控制硬度压头61以恒定速率压入待测岩心30，直至待测岩心30破裂后上提所述硬度压头61，并实时记录加载过程中硬度压头61施加的压力和压入位移及其关系曲线。由此，测得待测岩心30表面的一个测试点的数据信息。
上提所述硬度压头61而卸除试压力，之后，通过控制系统控制主体框架50带动硬度压头61水平移动至待测岩心30表面的不同位置，到达下一个测试点后，重复上述设定预置接触力、初始位移值以及对待测岩心30施加载荷的步骤，从而对待测岩心30表面的不同测试点进行硬度测试。由此，通过对待测岩心30表面多个不同测试点进行硬度测试，直至完成整个待测岩心30的硬度测试，从而获得多组测试数据。
之后，对采集的测试数据进行处理和分析。例如，通过岩石表面所承受的最大载荷与压模面积之间的比值，得到岩石的硬度。通过硬度压头61施加在待测岩心30表面的载荷与压入位移之间的关系曲线，得到岩石弹性变形功与破碎前总功的比值，从而得到岩石的塑性系数。将待测岩心30表面各测试点处硬度值与塑性系数拟合成连续曲线，从而获得岩石连续硬度特征。
根据本发明的岩石连续硬度测试装置100，其能够对现场全尺寸岩心进行连续硬度测试，从而得到连续、高质量的岩石硬度参数，且测试结果准确可靠。测试结果能够显著提高岩石力学数据段质量和代表性，从而能够为钻井、完井和储层评估计算提供关键参数，这不仅适用于传统石油勘探开发领域，而且适用于页岩气等非常规领域。岩石连续硬度测试装置100能够通过传动结构带动硬度压头61对待测岩心30进行多点连续压入，以对待测岩心表面的多个不同位置分别进行硬度测试，从而能够测试得到岩石连续硬度剖面，这大大提高了测试结果的准确性和可靠性。并且，岩石连续硬度测试装置100操作简单便捷，对待测岩心30的损伤小，岩心利用率高。同时，根据测试结果能够评价岩石结构、矿物成分等非均质对岩石硬度的影响，也可用来间接评价矿物组分、岩石结构等其他重要结构特点的细微变化情况。此外，岩石连续硬度测试装置100结构简单，操作方便，适用范围广。
根据本发明的岩石连续硬度测试方法采用压头静压法原理，并且对不同位置进行测试，从而得到多组测试数据，其测试结果准确可靠，不仅能准确测的岩石硬度值，且可同时获得岩石塑性系数，用于辅助评价岩石硬度特征，且该测试方法既适用于常规地层岩石硬度测试，也适用于泥页岩等非常规复杂地层和页岩气等非常规油气领域，其适用范围广。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩石连续硬度测试装置，包括：
底座(10)；
设置在所述底座上的承压板(20)，所述承压板用于放置待测岩心(30)；
设置在所述承压板的下方的传动滑轨(40)；
主体框架(50)，所述主体框架通过所述传动滑轨安装到所述底座上；
安装在所述主体框架上且处于所述待测岩心的上方的硬度压板(60)，在所述硬度压板的下端设有硬度压头(61)，在所述压硬度板的上端设有用于为所述硬度压头提供动力的垂向定位轮(62)；
控制系统，所述控制系统包括数据采集装置和控制机箱(70)；
其中，所述控制系统能够控制所述垂向定位轮带动所述硬度压头以恒定速率压入所述待测岩心表面，直至所述待测岩心破裂，并通过所述数据采集装置实时记录加载过程中所述硬度压头施加的压力和压入位移，所述主体框架能够沿所述传动滑轨移动以对所述待测岩心的表面的不同位置进行硬度测试。
2.根据权利要求1所述的岩石连续硬度测试装置，其特征在于，所述主体框架包括设置于所述待测岩心的上方的横向安装板(51)，所述硬度压板安装在所述横向安装板的横向中部。
3.根据权利要求2所述的岩石连续硬度测试装置，其特征在于，所述数据采集装置包括用于测量所述硬度压头的压入位移的垂向引申计(72)，所述垂向引申计设置在所述横向安装板的下端面。
4.根据权利要求3所述的岩石连续硬度测试装置，其特征在于，所述垂向引申计设有2个，并且2个所述垂向引申计对称设置在所述硬度压板的两侧。
5.根据权利要求1或3所述的岩石连续硬度测试装置，其特征在于，所述数据采集装置还包括设置在所述硬度压板的下端面的载荷传感器(73)，所述载荷传感器用于测量所述硬度压头施加在所述待测岩心上的载荷。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的岩石连续硬度测试装置，其特征在于，所述硬度压头为金刚石复合片。
7.根据权利要求1所述的岩石连续硬度测试装置，其特征在于，在所述承压板设有用于固定所述待测岩心的夹持器(21)，所述夹持器能够根据所述待测岩心的直径进行调节。
8.根据权利要求1所述的岩石连续硬度测试装置，其特征在于，在所述底座上还设有电机(80)，所述主体框架通过所述电机提供的动力沿所述传动滑轨移动。
9.一种岩石连续硬度测试方法，包括以下步骤：
步骤一：提供根据权利要求1到8中任一项所述的岩石连续硬度测试装置；
步骤二：在待测岩心的表面开设水平槽面，将所述待测岩心通过所述水平槽面放置在所述承压板上，并通过夹持器对所述待测岩心进行固定；
步骤三：将所述硬度压头移动至预设的初始位置，并设定预置接触力；
步骤四：通过所述控制系统控制所述硬度压头以恒定速率压入所述待测岩心，直至所述待测岩心破裂后上提所述硬度压头，并实时记录加载过程中所述硬度压头施加的压力和压入位移及其关系曲线；
步骤五：控制所述主体框架带动所述硬度压头水平移动至不同位置，并重复步骤三和步骤四，以对不同的测试点进行硬度测试，从而得到多组试验数据；
步骤六：进行数据处理和分析，从而得到岩石连续硬度性能。
10.根据权利要求9所述的岩石连续硬度测试方法，其特征在于，所述预置接触力设置为0.3-0.5kN。
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