CN114577380A - 用于确定地应力方向的测量装置和确定地应力方向方法 - Google Patents

Abstract

本申请是关于一种用于确定地应力方向的测量装置和确定地应力方向方法，属于石油开采技术领域。该测量装置包括底座、驱动器、旋转台、岩心夹具、探头固定板、声波发射器、声波接收器和控制设备；驱动器与底座固定，旋转台的旋转轴转动安装在底座的上表面，且驱动器的输出轴和旋转台的旋转轴相连；岩心夹具位于旋转台的表面；探头固定板位于旋转台的上方，且探头固定板具有通孔；声波发射器的发射探头和声波接收器的接收探头均位于通孔的内壁处；控制设备分别与驱动器、声波发射器和声波接收器电连接。采用本申请，驱动器驱动旋转台每次自动旋转目标角度，目标角度可以设定为很小，能够提高旋转台的旋转精度，提升该测量装置的测量结果的准确度。

Description

用于确定地应力方向的测量装置和确定地应力方向方法

技术领域

本申请是关于石油开采技术领域，尤其是关于一种用于确定地应力方向的测量装置。

背景技术

地应力也即是存在地壳中的应力，例如板块之间的挤压力即是一种地应力，技术人员可以通过了解地应力的方向来获知地层中的一些信息，例如，油气聚集位置和储层位置等。

地应力通常包括垂直地应力和水平地应力，其中垂直地应力一般可以通过计算得到，例如，可以通过上覆岩层密度积分得到。水平地应力需要现场测试或实验室岩心测量获取，而水平地应力的方向对进行钻井及压裂设计的作用较大，技术人员在实验室室内可以采用岩心测量的方法来获取水平地应力的方向。

比较常见的测量原理是基于超声波在岩心和空气中的传播速度差异较大，来测量水平地应力的方向。所使用的测量装置主要包括旋转台、声波发射器和声波接收器，取出的圆柱状的岩心固定在旋转台上，声波发射器和声波接收器分别接在岩心相对的位置处。这样，岩心每旋转一个角度，便可以得到该角度下的波速，从而可以绘制出角度和波速之间的关系曲线，进而可以根据角度和波速的关系曲线，读取出水平地应力的方向。

但是测量装置需要技术人员手动操作旋转台旋转，旋转台的旋转角度的精度低，导致该测量装置的测量结果的准确度较低。

发明内容

本申请提供了一种用于确定地应力方向的测量装置和确定地应力方向方法，以克服相关技术中存在的问题。所述技术方案如下：

根据本申请，提供了一种用于确定地应力方向的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括底座、驱动器、旋转台、岩心夹具、探头固定板、声波发射器、声波接收器和控制设备；

所述驱动器与所述底座固定，所述旋转台的旋转轴转动安装在所述底座的上表面，且所述驱动器的输出轴和所述旋转台的旋转轴相连；

所述岩心夹具位于所述旋转台的背离所述底座的表面，用于固定待测量岩心；

所述探头固定板位于所述旋转台的背离所述底座的上方，且所述探头固定板具有通孔，所述通孔和所述岩心夹具的位置相对，所述通孔的直径大于所述待测量岩心的直径；

所述声波发射器的发射探头位于所述通孔的内壁处，所述声波接收器的接收探头位于所述通孔的内壁处；

所述控制设备分别与所述驱动器、所述声波发射器和所述声波接收器电连接，被配置为控制所述驱动器的旋转角度和旋转方向，控制所述声波发射器发射声波，并记录所述声波发射器发射声波的发送时间和所述声波接收器接收声波的接收时间。

可选的，所述测量装置还包括多个立柱；

所述多个立柱固定在所述底座的上表面，所述探头固定板和所述多个立柱滑动安装，以调整所述发射探头和所述待测量岩心的相对位置，以及所述接收探头和所述待测量岩心的相对位置。

可选的，所述发射探头和所述接收探头均可伸缩安装在所述通孔的边缘处，其中伸缩方向平行于所述通孔的径向，以便于：

当测量声波在所述待测量岩心中的传播速度时，所述发射探头和所述接收探头均伸出至与所述待测量岩心的外表面相接触；

当未测量声波在所述待测量岩心中的传播速度时，所述发射探头和所述接收探头均收缩至与所述待测量岩心的外表面相脱离。

可选的，所述测量装置还包括第一压力器、第一弹性件和第二弹性件，所述通孔的内壁上具有第一径向通孔和第二径向通孔；

所述第一弹性件和所述发射探头相连且均位于所述第一径向通孔中，且所述发射探头靠近所述通孔的圆心处，所述第一弹性件远离所述发射探头的一端固定在所述第一径向通孔的内壁；

所述第二弹性件和所述接收探头相连且均位于所述第二径向通孔中，且所述接收探头靠近所述通孔的圆心处，所述第二弹性件远离所述接收探头的一端固定在所述第二径向通孔的内壁；

所述第一变化器通过管道分别与所述第一径向通孔远离所述发射探头的端口和所述第二径向通孔远离所述接收探头的端口相连；

当所述第一变化器的压力增大时，能够推动所述发射探头和所述接收探头伸出；当所述第一变化器的压力减小时，能够促使第一弹性件拉动所述发射探头收缩，第二弹性件拉动所述接收探头收缩。

可选的，所述测量装置还包括耦合剂储备罐和两个耦合剂喷嘴，所述耦合剂储备罐通过管道与所述两个耦合剂喷嘴相连；

所述发射探头的远离所述旋转台的上方安装有所述耦合剂喷嘴，以向所述发射探头添加耦合剂；

所述接收探头的远离所述旋转台的上方安装有所述耦合剂喷嘴，以向所述接收探头添加耦合剂。

可选的，所述测量装置还包括第二压力器；

所述第二压力器的输出端和所述耦合剂储备罐的进液口相连，被配置为通过增大压力促使所述耦合剂储备罐向两个所述耦合剂喷嘴添加耦合剂。

可选的，所述旋转台沿着圆周方向具有角度刻度；

所述底座的与所述旋转台相对的表面上沿着圆周方向具有角度刻度，且所述旋转台的角度刻度和所述底座的角度刻度相对应。

可选的，所述底座的中心、所述旋转台的中心、所述岩心夹具的中心和所述通孔的中心均位于一条直线上。

可选的，所述发射探头和所述接收探头分别相对于所述旋转台的高度相等，且所述发射探头和所述接收探头的连线与所述岩心夹具的中轴线相交。

另一方面，提供了一种确定地应力方向方法，所述方法应用于上述所述的测量装置，包括：

通过岩心夹具将待测量岩心固定在旋转台的背离底座的表面；

根据所述待测量岩心的外表面的光滑程度，控制声波发射器的发射探头和声波接收器的接收探头均对应所述待测量岩心的光滑程度满足要求的位置处；

控制所述驱动器驱动所述旋转台每次旋转目标角度，直至所述旋转台旋转360度，其中每旋转所述目标角度，记录发射声波的发射时间和接收声波的接收时间；

根据每一组圆周角度、发射时间和接收时间的对应关系，以及所述待测量岩心的直径，绘制包括波速和角度的波速角度曲线；

在所述波速角度曲线中确定最小波速对应的第一圆周角度和最大波速对应的第二圆周角度；

根据所述待测量岩心在地理坐标系中的地理方位、所述第一圆周角度和所述第二圆周角度，确定最大水平地应力方向和最小水平地应力方向。

本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本申请实施例中，该测量装置进行地应力方向测量中，无需技术人员时不时的手动操作旋转台旋转，而是通过控制设备控制驱动器驱动旋转台每次自动旋转预先设定好的一个旋转角度，而且每次的旋转角度可以设定为很小，能够提高旋转台的旋转角度的精度，提升该测量装置的测量结果的准确度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。在附图中：

图1是根据实施例示出的一种测量装置的结构示意图；

图2是根据实施例示出的一种测量装置结构示意图；

图3是根据实施例示出的一种第一压力器控制发射探头和接收探头伸缩的的结构示意图；

图4是根据实施例示出的一种第二压力器控制耦合剂储备罐向耦合剂喷嘴中添加耦合剂的结构示意图；

图5是根据实施例示出的一种使用测量装置确定地应力方向的流程示意图。

图例说明

1、底座；2、驱动器；3、旋转台；31、旋转轴；4、岩心夹具；

5、探头固定板；51、通孔；6、声波发射器；61、发射探头；

7、声波接收器；71、接收探头；8、控制设备；9、立柱；10、第一变化器；

11、耦合剂储备罐；12、耦合剂喷嘴；13、第二压力器；

100、待测量岩心。

通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本申请实施例提供了一种用于确定地应力方向的测量装置，其中，地应力方向可以包括垂直地应力方向和水平地应力方向，该测量装置可以用来测量水平地应力方向，而水平地应力方向中，最大水平地应力方向和最小水平地应力方向对研究储层具有重要意义，该测量装置可以测量出最大水平地应力方向和最小地应力方向，下文中未作特殊说明的情况下，最大地应力指代的是最大水平地应力，最小地应力指代的是最小水平地应力；最大地应力方向指代的是最大水平地应力方向，最小地应力方向指代的是最小水平地应力方向。

该测量装置通过测量声波在岩心中的传播速度，确定最大水平地应力方向和最小水平地应力方向，其原理如下：

其中，岩心是通过取心工具在油气井底取出的圆柱状结构，是通过取心工具从井底取出，其外表面平整，无明显裂缝及掉块的新岩心。

其中，地应力主要由上覆岩体自重、地质构造运动产生的构造应力及地层中流体压力等构成，对于某一地质体来说，可以将地应力归结为三个相互垂直的主应力(也可以称为三向应力)，其中一个为垂直的，叫做垂向地应力；另外两个主应力基本为水平的，称为最大水平地应力和最小水平地应力，最大水平地应力的指向方向称为最大水平地应力方向，最小水平地应力的指向方向称为最小水平地应力方向。

而大小、方向和作用点是力的三要素，对于岩心而言，水平地应力指向其中轴线，故确定水平地应力的方向的关键在于确定作用点，而作用点位于岩心的圆周方向的某一位置处。

地层中的岩石处于上面说的三向应力作用下，钻井取心时岩石脱离三向应力的作用，产生应力释放，应力释放过程中岩心上出现了与卸载程度成比例的微裂隙。最大水平地应力方向上岩心松弛变形最大，因此，这些小裂隙将垂直最大水平地应力方向，裂隙被空气充填。岩石与空气的波阻值相差很大，声波在岩石中传播速度远远大于在空气中传播速度，岩心中的微小裂隙使得声波在岩心不同方向(即不同圆周方向)上传播速度有明显的各向异性。在最大水平地应力方向上岩心的卸载程度最大，所产生的张开微裂隙最多，填充的空气最多，因此，沿最大水平地应力方向上波速最小；反之，在最小水平地应力方向上岩心的卸载程度最小，所产生的张开微裂隙较小，填充的空气最少，沿最小水平地应力方向上波速最大。

因此，本方案可以通过圆周波速各向异性分析法来确定最大水平地应力方向和最小水平地应力方向。由于岩心内部的微裂隙一般会成组定向分布，岩心圆周波速会随着测试位置的不同而发生变化。因为每个测量方向穿过的微裂隙数目会不完全相同，在测试过程中，一般岩心圆周按照固定角度间隔测量多个点的声波速度，通常最大水平地应力方向上所产生的张开微裂隙最多，因此岩心波速最低的方位即为最大水平地应力方向，岩心波速最高的方位即为最小水平地应力方向。

其中，岩心圆周波速，也即是，声波在岩心中传播的速度。所有的测试方向的测试位置沿着岩心的圆周方向分布。

本实施例中的测量装置能够自动测量声波在岩心的圆周方向的各个位置处穿过岩心时的声波速度，然后从声波速度和岩心的圆周角度的对应关系中，得到最大声波速度对应的圆周角度和最小声波速度对应的圆周角度。然后，再根据岩心在地理坐标系中的地理方位，两者结合即可确定最大水平地应力方向和最小水平地应力方向。

其中，该测量装置所测量的岩心可以称为待测量岩心，是通过取心工具从井底取出，其外表面平整，无明显裂缝及掉块的新岩心。

下面将详细介绍该测量装置的结构。

如图1并参考图2所示，该测量装置包括底座1、驱动器2、旋转台3、岩心夹具4、探头固定板5、声波发射器6、声波接收器7和控制设备8；驱动器2固定在底座1的上表面，旋转台3的旋转轴转动安装在底座1的上表面，且驱动器2的输出轴和旋转台3的旋转轴相连；岩心夹具4位于旋转台3的背离底座1的表面，用于固定待测量岩心100；探头固定板5位于旋转台3的背离底座1的上方，且探头固定板5具有通孔51，通孔51和岩心夹具4的位置相对，通孔51的直径大于待测量岩心的直径；声波发射器6的发射探头61位于通孔51的内壁处，声波接收器7的接收探头71位于通孔51的内壁处；控制设备8分别与驱动器2、声波发射器6和声波接收器7电连接，被配置为控制驱动器2的旋转角度和旋转方向，控制声波发射器6发射声波，控制声波接收器7接收声波。

在一种示例中，如图1所示，底座1为具有一定厚度的板状结构。驱动器2为电机，和底座1相固定，例如，驱动器2可以固定在底座1的上表面，又例如，如图2所示，驱动器2可以固定在底座1的内部，示例性地，底座1具有厚度，内部具有驱动器安装空间，驱动器2可以安装在驱动器安装空间中。

旋转台3位于底座1的上表面，且旋转台3的旋转轴31与底座1转动安装，例如，底座1的中心处具有转孔，旋转台3的旋转轴31位于底座1的转孔中。旋转轴31可以位于旋转台3的面对底座1的下表面的中心位置处。旋转台3是在驱动器2的驱动下，相对于底座1进行旋转，相应的，如图2所示，驱动器2的输出轴和旋转台3的旋转轴31相连，例如，驱动器2的输出轴和旋转台3的旋转轴31通过同步带相连，这样，驱动器2的输出轴旋转时，能够通过同步带带动旋转台3旋转。

如图1所示，旋转台3的远离底座1的上表面固定有岩心夹具4，例如，旋转台3的上表面的中心位置处具有岩心夹具4，旋转台3的中心和岩心夹具4的中心位置相对，岩心夹具4可以将岩心固定在旋转台3的表面。例如，如图1所示，岩心夹具4包括多个夹持部，这多个夹持部可以从待测量岩心的多个方向挤压待测量岩心100，使得待测量岩心稳固在旋转台3的表面。

其中，岩心夹具4的具体形状及尺寸与待测量岩心的直径相关，技术人员可以选择和待测量岩心相适配的岩心夹具。

这样，驱动器2可以驱动旋转台3旋转，而旋转台3旋转的过程中，其上的待测量岩心能够一起旋转。进而，待测量岩心100每旋转至一个位置处，就能够测量出一个声波速度，进而可以得到声波从待测量岩心100的圆周方向的各个位置穿过待测量岩心100的声波速度。

其中，如上述所述，旋转台3位于底座1的中心处，岩心夹具4位于旋转台3的中心处，那么，底座1、旋转台3和岩心夹具4三者的中心线可以位于同一条直线上，而岩心夹具4的中心位于待测量岩心的中轴线上，故底座1的中心、旋转台3和通孔51的中心均位于待测量岩心的中轴线上。

上述是底座1、驱动器2、旋转台3和岩心夹具4之间的位置关系和安装关系，上述结构能够实现将待测量岩心100固定在旋转台3的中心处，能够实现待测量岩心随着旋转台3在驱动器2的驱动下旋转。为了使声波能够在待测量岩心100中通过，还需要声波发射器6和声波接收器7，相应的实现结构如下：

如图1所示，该测量装置还包括探头固定板5，探头固定板5位于旋转台3的背离底座1的上方。如图1所示，探头固定板5具有通孔51，例如，探头固定板5的中心处具有通孔51，通孔51和岩心夹具4的位置相对，通孔51的直径大于待测量岩心100的直径。这样，如图1所示，待测量岩心100能够穿过通孔51固定在旋转台3的表面。

如图1所示，通孔51的内壁上安装有声波发射器6的发射探头61和声波接收器7的接收探头71。声波发射器6用于通过发射探头61向待测量岩心100发射声波，声波接收器7用于通过接收探头71接收从待测量岩心100穿出的声波。

为便于声波波速的计算，相应的，发射探头61和接收探头71分别相对于旋转台3的高度相等，且发射探头61和接收探头71的连线与岩心夹具4的中轴线相交。

为了进一步便于声波波速的计算，相应的，在发射声波和接收声波中，发射探头61和待测量岩心的外表面接触，接收探头71和带测量岩心的外表面接触，这样，声波的运动路径均在待测量岩心中，便于后续声波波速的计算。

为进一步便于声波波速的计算，相应的，发射探头61和待测量岩心的外表面的接触位置和接收探头71与待测量岩心的接触位置之间的连线，与待测量岩心的中轴线相交，那么，声波在待测量岩心中所通过的路径可以认为是待测量岩心的直径。那么，基于声波的发射时间、声波的接收时间和待测量岩心的直径，便可以计算出声波的波速。

在一种示例中，发射探头61和接收探头71之间的距离可以不可调节，且稍稍大于待测量岩心的直径，这样待测量岩心穿过通孔51时，发射探头61能够和待测量岩心的外表面接触，接收探头71能够和待测量岩心的外表面接触。

在另一种示例中，发射探头61和接收探头71之间的距离能够调节，相应的实现结构可以是，发射探头61和接收探头71均可伸缩安装在通孔51的内壁上，且伸缩方向平行于通孔51的径向方向。这样，当测量声波在待测量岩心中的传播速度时，发射探头61和接收探头71均伸出至与待测量岩心的外表面相贴合；当未测量声波在待测量岩心中的传播速度时，发射探头61和接收探头71均收缩至与待测量岩心的外表面相脱离。

其中，为了提高发射探头61与待测量岩心的贴合度，相应的，发射探头61的外端面为与待测量岩心的外表面相同弯度的弧面，同样，接收探头71的外端面为与待测量岩心的外表面相同弯度的弧面。

其中，实现发射探头61和接收探头71可伸缩的结构可以是：

一种方式可以是，通孔51的内壁中安装有驱动电机，驱动电机的输出轴和发射探头61的伸缩轴相连，驱动电机旋转时能够带动发射探头61伸缩。同样，通孔51的内壁中安装有驱动电机，驱动电机的输出轴和接收探头71的伸缩轴相连，驱动电机旋转时能够带动接收探头71伸缩。

另一种方式可以是，发射探头61和接收探头71均通过弹性件和压力器实现伸缩功能，相应的可以是，该测量装置还包括第一压力器10、第一弹性件和第二弹性件，通孔51的内壁上具有第一径向通孔和第二径向通孔；第一弹性件和发射探头61相连且均位于第一径向通孔中，且发射探头61靠近通孔51的圆心处，第一弹性件远离发射探头61的一端固定在第一径向通孔的内壁；第二弹性件和接收探头71相连且均位于第二径向通孔中，且接收探头71靠近通孔51的圆心处，第二弹性件远离接收探头71的一端固定在第二径向通孔的内壁；第一变化器10通过管道分别与第一径向通孔远离发射探头61的端口和第二径向通孔远离接收探头71的端口相连；以便于当第一变化器10的压力增大时，能够推动发射探头61和接收探头71伸出；当第一变化器10的压力减小时，能够促使第一弹性件拉动发射探头61收缩，第二弹性件拉动接收探头71收缩。

其中，弹性件可以是弹簧。压力器可以是能够增压和泄压的器件，例如，可以包括定量阀、充气件和泄气件，定量阀是一种体积恒定的阀门，压力器通过充气件向定量阀中冲入气体，实现增压，通过泄气件对定量阀泄气，实现泄压。

其中，打气件和泄气件可以通过手动操作，也可以通过自动操作。

在一种示例中，对于发射探头61的安装，通孔51的内壁上可以设置径向通孔，记为第一径向通孔，第一径向通孔中安装有第一弹性件和发射探头61，且第一弹性件和发射探头61相连，发射探头61位于通孔51中，第一弹性件的远离发射探头61的端部固定在第一径向通孔中。

同样，对于接收探头71的安装，通孔51的内壁上可以设置径向通孔，记为第二径向通孔，第二径向通孔中安装有第二弹性件和接收探头71，且第二弹性件和接收探头71相连，接收探头71位于通孔51中，第二弹性件的远离接收探头71的端部固定在第二径向通孔中。

而且，第一径向通孔和第二径向通孔均与第一压力器通过管道相连通，这样，当第一变化器10的压力增大时，进入到第一径向通孔的气体能够推动发射探头61伸出，直至发射探头61与待测量岩心的外表面紧密贴合，进入到第二径向通孔中的气体能够推动接收探头71伸出，直至接收探头71与待测量岩心的外表面紧密贴合。而当第一变化器10的压力减小时，也即是，当第一变压器10泄压时，第一径向通孔中的压力减小，且小于第一弹性件的弹性拉力，使得第一弹性件能够拉动发射探头61收缩复位，第二径向通孔中的压力减小，且小于第二弹性件的弹性拉力，使得第二弹性件能够拉动接收探头71收缩复位。

可见，这种发射探头61和接收探头71能够伸缩，能够实现，旋转台3旋转前，控制发射探头61和接收探头7均1收缩至均与待测量岩心相分离，然后旋转台3带动待测量岩心旋转，旋转结束时，再控制发射探头61和接收探头71均伸出至与待测量岩心的外表面紧密贴合。之后，再控制声波发射器6发射声波，控制声波接收器7接收声波。

为了增大测量结果，使得声波曲线显现的更清晰，相应的，发射探头61在发射声波之前可以涂覆耦合剂。例如，旋转台3每次旋转之前，在发射探头61和接收探头71均未与待测量岩心相接触之前，可以在发射探头61和接收探头71上涂覆耦合剂。

相应的，如图4所示，该测量装置还包括耦合剂储备罐11和两个耦合剂喷嘴12，耦合剂储备罐11通过管道与两个耦合剂喷嘴12相连；射探头61的远离旋转台3的上方安装有耦合剂喷嘴12，以向发射探头61添加耦合剂；接收探头71的远离旋转台3的上方安装有耦合剂喷嘴12，以向接收探头71添加耦合剂。

其中，涂覆耦合剂可以是手动涂覆，也可以是自动涂覆，手动涂覆也即是技术人员向各个耦合剂喷嘴12中添加耦合剂。自动涂覆的实现结构可以如下：

如图4所示，该测量装置还包括第二压力器13；第二压力器13的输出端和耦合剂储备罐11的进液口相连，被配置为通过增大压力促使耦合剂储备罐11向两个耦合剂喷嘴12添加耦合剂。

其中，第二压力器13和第一压力器10结构和作用类似，都是实现增压和泄压的器件，可以包括定压阀、打气件和泄气件，定压阀是体积恒定的阀门，打气件是用来向定压阀冲入气体以增大压力的器件，泄气件是卸载定压阀中的气压以减小压力的器件。

其中，耦合剂储备罐11的进液口可以位于耦合剂储备罐11的顶部，耦合剂储备罐11的出液口。

在一种示例中，旋转台3处于停止状态，在发射探头61和接收探头71均处于复位状态，也即是处于分别露出于第一径向通孔和第二径向通孔，但是未均未与待测量岩心的外表面贴合的状态。第二压力器13可以通过打气件向定压阀中充气以增大压力，使耦合剂储备罐11中的耦合剂在压力的推动下流向位于发射探头61上方的耦合剂喷嘴12中，然后流向发射探头61上，也促使耦合剂储备罐11中的耦合剂在压力的推动下流向位于接收探头71上方的耦合剂喷嘴12中，然后流向接收探头71上，进而为发射探头61和接收探头71涂覆耦合剂。

在一种示例中，待测量岩心从井底取出以后，表面会出现凸凹不平的地方，也会出现损坏的情况等，而为了进一步提高测量准确度，可以在待测量岩心的外表面上挑选光滑程度较为良好的位置，该位置分别于发射探头61和接收探头71相对。但是不同的岩心，光滑程度的位置不相同，所以为了满足大多数的岩心，相应的，探头固定板5相对于底座1的高度能够调节，相应的实现结构可以是，如图1所示，测量装置还包括多个立柱9；多个立柱9固定在底座1的上表面，探头固定板5和多个立柱9滑动安装，以调整发射探头61和待测量岩心的相对位置，以及接收探头71和待测量岩心的相对位置。

其中，立柱9的数量可以是两个，也可以是三个，还可以是四个，本实施例对立柱9的具体数量不做限定，能够实现探头固定板5通过多个立柱9稳固在底座1的上方即可。

在一种示例中，探头固定板5和多个立柱9滑动安装的方式具有多种，一种可能的方式可以是，如图1所示，探头固定板5具有供立柱9穿过的安装孔，立柱9可以是螺纹柱，而安装孔为裸孔，立柱9上在探头固定板5的下方具有锁紧螺母，在探头固定板5的上方具有锁紧螺母，这样立柱9上，位于探头固定板5上表面和下表面上的锁紧螺母便可以将探头固定板5锁紧在立柱9的任意位置处，进而实现探头固定板5相对于底座1的高度调节。

另一种可能的方式还可以是，探头固定板5上具有供立柱9穿过的安装孔，安装孔可以是裸孔，也可以是螺纹孔。而探头固定板的侧壁在对应安装孔的位置处具有垂直于安装孔的螺纹孔，那么调节好探头固定板5相对于底座1的高度以后，可以在探头固定板5侧壁上的螺纹孔中安装螺栓，通过螺栓将位于安装孔中的立柱9顶紧在安装孔的内壁上。

其中，本实施例对探头固定板5和立柱9的滑动安装方式不做限定，技术人员可以根据实际情况灵活选择。

其中，为实现探头固定板5能够调节相对于底座1的高度，除了通过立柱9和探头固定板5的滑动安装，另一种方式还可以是，各个立柱9可以是可上下伸缩的结构，能够实现上下伸缩，以调节探头固定板5相对于底座1的高度。

其中，本实施例对，探头固定板5的高度调节方式不做限定，技术人员可以根据实际情况灵活选择。

在一种示例中，为了得到波速角度曲线，保持单一变量法，只控制角度改变，来测量各个角度下的波速，相应的，对于同一个待测量岩心，探头固定板5的高度一旦根据待测量岩心外表面的光滑程度，调节好探头固定板5的高度以后，可以保持探头固定板5的高度不变的情况下，控制待测量岩心进行多次旋转。

在旋转台3相对于底座1进行旋转中，为了使旋转台3每次都能按照预先设定的目标角度进行旋转，相应的，旋转台3沿着圆周方向具有角度刻度；底座1的与旋转台3相对的表面上沿着圆周方向具有角度刻度，且旋转台3的角度刻度和底座1的角度刻度相对应。

在一种示例中，旋转台3沿着圆周方向具有角度刻度，底座1的上表面也具有角度刻度，而且旋转台3的角度刻度和底座1的角度刻度相对应，例如，旋转台3的角度刻度和底座1的角度刻度一一对应。这样，旋转台3旋转中，技术人员可以通过旋转台3的角度刻度和底座1的角度刻度之间的对应关系，查看旋转台3的旋转是否到位，是否是按照预设的目标角度进行旋转，如果不是，技术人员可以手动校正，以确保旋转台3每次旋转均是按照目标角度来进行旋转。可见，这种通过在旋转台3和底座1上设置相对应的角度刻度，可以进一步保障旋转台3的旋转准确性，提高测量结果的准确度。

其中，如图2所示，旋转台3的角度刻度可以位于旋转台3的沿着圆周方向的侧壁上。底座1的角度刻度可以位于上表面且和旋转台3同半径的圆周上。例如，旋转台3的侧壁上具有0至360度的角度刻度，底座1的上表面具有和旋转台3同半径的0至360度角度刻度。

为了对上述驱动器2、声波发射器6和声波接收器7进行控制，相应的，该测量装置还包括控制设备8，控制设备8可以是计算机设备，例如，可以是控制电脑等，分别与声波发射器6和声波接收器7电连接，以便于控制声波发射器6发射声波，记录声波发射器6发射声波的发射时间和声波接收器7接收声波的接收时间等。

其中，控制设备可以控制驱动器2每次进行旋转的旋转方向和旋转角度；还可以控制第二压力器13向耦合剂喷嘴12中添加耦合剂；还可以通过第一压力器10控制发射探头61和接收探头71的伸缩；还可以用来计算各个转角下的波速，以及输出波速角度曲线，以及确定第一圆周角度和第二圆周角度，以及将第一圆周角度转换为最大地应力方向，将第二圆周角度转换为最小地应力方向等。

基于上述所述，技术人员完成取心工作以后，可以将待测量岩心通过岩心夹具4固定在旋转台3上表面中心处。然后，基于待测量岩心的外表面的光滑程度，选取光滑程度最好的一圈圆周位置。之后，调节探头固定板5相对于底座1的高度，使发射探头61和接收探头71对准上述选取出来的光滑程度最好的一圈圆周位置。再之后，让旋转台3的0刻度线和底座1的0刻度线对中。

接着，控制设备8可以通过驱动器2控制旋转台3旋转，每次旋转目标角度，每旋转一次就记录待测量岩心100在当前转角下，声波发射器6的发射时间和声波接收器7的接收时间。然后，根据待测量岩心100的直径，计算出每个旋转角度下声波在待测量岩心100中穿过的波速。这样便可以得到多组圆周角度和波速的对应关系，基于此可以绘制出声波和圆周角度的波速角度曲线。

其中，目标角度可以根据该测量工具的测量精度确定，例如，测量精度越高，目标角度越小，可以以目标角度为10度示例。

例如，旋转台3的起始位置即为0度，旋转360度需要旋转36次。在旋转至10度时，记录发射时间和接收时间；在旋转至20度时，记录发射时间和接收时间；在旋转至30度时，记录发射时间和接收时间；……；在旋转至350时，记录发射时间和接收时间；在旋转至360度时，记录发射时间和接收时间。这样可以得到36组圆周角度、发射时间、接收时间三者的对应关系。每一组对应关系都可以得到一个波速，这样得到36组圆周角度和波速的对应关系。通过这36组圆周角度和波速对应关系能够绘制出圆周角度和波速的波速角度曲线。

然后，从波速角度曲线中能够确定最小波速对应的第一圆周角度和最大波速对应的第二圆周角度。之后，再根据通过测试岩心古地磁确定待测量岩心100在地理坐标系中的地理方位，结合上述确定的第一圆周角度和待测量岩心的地理方位，便可以得到第一圆周角度在地理坐标系中对应的圆周角度，同样，结合上述确定出的第二圆周角度和待测量岩心的地理方位，便可以得到第二圆周角度在地里坐标系中对应的圆周角度。

基于最大地应力方向上所产生的张开微裂隙最多，填充的空气最多，最小地应力方向上产生张开微裂隙较少，填充的空气最少，而声波在空气中的传播速度远小于在岩石中的传播速度，第一圆周角度转换后的角度即为最大水平地应力方向，第二圆周角度转换后的角度即为最小水平地应力方向。

其中，待测量岩心100从井底取出后通常会作标识线，也会在待测量岩心的取出位作标识线，以便于在进行古地磁岩心定向中，让待测量岩心原位至地层中，得到待测量岩心在地理坐标系中的地理方位。那么，在控制待测量岩心旋转中，可以以其上的标识线处作为旋转的初始位置，即为待测量岩心的0度处。

其中，通常情况下，最大水平地应力方向和最小水平地应力方向相互垂直，那么只要得到其中一个便可以得到另一个。

由此可见，使用该测量装置进行地应力方向测量中，无需技术人员时不时的手动操作旋转台旋转，手动操作旋转台每次的旋转角度比较大，旋转台的旋转角度的精度低，因为越大技术人员越容易操作，越小技术人员也不容易操作。

而本申请中通过控制设备8控制驱动器2驱动旋转台3每次自动旋转预先设定好的一个旋转角度，而且每次的旋转角度可以设定为很小，能够提高旋转台的旋转角度的精度，提升该测量装置的测量结果的准确度。

而且，发射探头61和接收探头71的高度能够调节，使得发射探头61和接收探头71能够对向待测量岩心的光滑程度比较好的位置处。

而且，发射探头61和接收探头71均能够相对于待测量岩心发生伸缩运动，待测量岩心旋转中，发射探头61和接收探头71均收缩至与待测量岩心相分离，待测量岩心停止旋转时，发射探头61和接收探头71均伸出至与待测量岩心紧密贴合，且发射探头61的外端面和待测量岩心的外表面的曲面相适配，接收探头71的外端面和待测量岩心的外表面的曲面相适配。

而且，每次发射探头61和接收探头71分别与待测量岩心贴合之前，还能通过耦合剂喷嘴添加耦合剂，实现自动添加耦合剂的效果，实现自动化。

在本申请实施例中，该测量装置进行地应力方向测量中，无需技术人员时不时的手动操作旋转台旋转，而是通过控制设备控制驱动器驱动旋转台每次自动旋转预先设定好的一个旋转角度，而且每次的旋转角度可以设定为很小，能够提高旋转台的旋转角度的精度，提升该测量装置的测量结果的准确度。

本申请实施例还提供了一种使用测量装置确定地应力方向的方法，该方法应用于上述所述的测量装置，可以按照如图5所示的步骤进行：

在步骤501中，通过岩心夹具4将待测量岩心100固定在旋转台3的背离底座1的表面。

其中，待测量岩心的标识线和旋转台3的0刻度线对中。待测量岩心100的标志线是取出时作的标记，用于后期进行古地磁岩心定向中，将待测量岩心原位至地理坐标系中。

在一种示例中，岩心夹具4可以位于旋转台3的中心处，待测量岩心100固定在旋转台3的中心处。

在步骤502中，根据待测量岩心100的外表面的光滑程度，控制声波发射器6的发射探头61和声波接收器7的接收探头71均对应待测量岩心100的光滑程度满足要求的位置处。

在一种示例中，可以根据待测量岩心外表面的光滑程度，选取最好的光滑程度对应的圆周位置，然后调节探头固定板5的高度位置，使得发射探头61和接收探头71能够对向选取的最好光滑程度的圆周位置处。可以避免发射探头61和接收探头71对向待测量岩心的表面凹凸处，而造成测量结果不准确的情况，进而使得测量结果更加准确。

在步骤503中，控制驱动器2驱动旋转台3每次旋转目标角度，直至旋转台3旋转360度，其中每旋转目标角度，记录发射声波的发射时间和接收声波的接收时间。

其中，目标角度可以根据该测量工具的测量精度确定，例如，测量精度越高，目标角度越小，可以以目标角度为10度示例。

例如，旋转台3旋转至10度时，记录声波的发射时间和接收时间；旋转台3旋转至20度时，记录声波的发射时间和接收时间；……；旋转台3旋转至350度时，记录声波的发射时间和接收时间；旋转台3旋转至360度时，记录声波的发射时间和接收时间。这样会得到36组圆周角度、发射时间和接收时间的三者对应关系。

在步骤504中，根据每一组圆周角度、发射时间和接收时间的对应关系，以及待测量岩心100的直径，绘制包括波速和角度的波速角度曲线。

在一种示例中，可以根据声波的传播路径为待测量岩心的直径，转换为36组圆周角度和波速的对应关系，进而可以根据这36组对应关系绘制波速角度曲线。

在步骤505中，在波速角度曲线中确定最小波速对应的第一圆周角度和最大波速对应的第二圆周角度。

在一种示例中，得到波速角度曲线以后，可以在该曲线中确定最小波速对应的第一圆周角度以及最大波速对应的第二圆周角度。基于最大地应力方向上所产生的张开微裂隙最多，填充的空气最多，最小地应力方向上所产生张开微裂隙较少，填充的空气最少，而声波在空气中的传播速度远小于在岩石中的传播速度，第一圆周角度与最大地应力方向相对应，第二圆周角度与最小地应力方向相对应。

在步骤506中，根据所述待测量岩心100在地理坐标系中的地理方位、所述第一圆周角度和所述第二圆周角度，确定最大水平地应力方向和最小水平地应力方向。

在一种示例中，由于上述对待测量岩心的测量并不是在地理坐标系中，所以得到的第一圆周角度和第二圆周角度还需要转换至待测量岩心所处的地理坐标系中。可以根据待测量岩心在地理坐标系中的地理方位，对第一圆周角度和第二圆周角度进行角度转换，第一圆周角度转换后的角度即为最大水平地应力方向，第二圆周角度转换后的角度即为最小水平地应力方向。

在一种示例中，旋转台3在最开始旋转之前，也即是，在在步骤503之前，该方法还可以包括让旋转台3的0刻度线和底座1的0刻度线相对中，由于旋转台3的0刻度线与待测量岩心的标识线相对中，这样，待测量岩心的标识线、旋转台的0刻度线和底座1的0刻度线相对中。

其中，待测量岩心的标识线和旋转台0刻度线相对中，是为了便于后期对待测量岩心进行原位归位，进行古地磁岩心定向。

旋转台3的0刻度线和底座1的0刻度线相对中，是为了便于技术人员监测旋转台3的每次旋转是否精准。

在一种示例中，旋转台3在旋转中，每次转转之前，需要先将发射探头61和接收探头71均收缩至与待测量岩心的外表面完全分离，以不干涉待测量岩心的旋转。在旋转中，每次旋转停止时，且发射探头61未发射声波之前，需要通过耦合剂喷嘴在所对应的发射探头61和接收探头71上添加耦合剂。

由此可见，本申请中通过控制设备8控制驱动器2驱动旋转台3每次自动旋转预先设定好的一个旋转角度，而且每次的旋转角度可以设定为很小，能够提高旋转台的旋转角度的精度，提升该测量装置的测量结果的准确度。

发射探头61和接收探头71的高度能够调节，使得发射探头61和接收探头71能够对向待测量岩心的光滑程度比较好的位置处。

待测量岩心在0至360度旋转中，发射探头61和接收探头71均能够相对于待测量岩心发生伸缩运动。具体的，在每次按照目标角度旋转之前，发射探头61和接收探头71均收缩至与待测量岩心相分离。待测量岩心每次旋转了目标角度停止旋转时，发射探头61和接收探头71均伸出至与待测量岩心紧密贴合，且发射探头61的外端面和待测量岩心的外表面的曲面相适配，接收探头71的外端面和待测量岩心的外表面的曲面相适配。待测量岩心每次旋转了目标角度停止旋转时，且发射探头61和接收探头71分别与待测量岩心贴合之前，还能通过耦合剂喷嘴添加耦合剂，实现自动添加耦合剂的效果，实现自动化。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于确定地应力方向的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括底座(1)、驱动器(2)、旋转台(3)、岩心夹具(4)、探头固定板(5)、声波发射器(6)、声波接收器(7)和控制设备(8)；

所述驱动器(2)与所述底座(1)固定，所述旋转台(3)的旋转轴(31)转动安装在所述底座(1)的上表面，且所述驱动器(2)的输出轴和所述旋转台(3)的旋转轴(31)相连；

所述岩心夹具(4)位于所述旋转台(3)的背离所述底座(1)的表面，用于固定待测量岩心(100)；

所述探头固定板(5)位于所述旋转台(3)的背离所述底座(1)的上方，且所述探头固定板(5)具有通孔(51)，所述通孔(51)和所述岩心夹具(4)的位置相对，所述通孔(51)的直径大于所述待测量岩心(100)的直径；

所述声波发射器(6)的发射探头(61)位于所述通孔(51)的内壁处，所述声波接收器(7)的接收探头(71)位于所述通孔(51)的内壁处；

所述控制设备(8)分别与所述驱动器(2)、所述声波发射器(6)和所述声波接收器(7)电连接，被配置为控制所述驱动器(2)的旋转角度和旋转方向，控制所述声波发射器(6)发射声波，并记录所述声波发射器(6)发射声波的发送时间和所述声波接收器(7)接收声波的接收时间。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括多个立柱(9)；

所述多个立柱(9)固定在所述底座(1)的上表面，所述探头固定板(5)和所述多个立柱(9)滑动安装，以调整所述发射探头(61)和所述待测量岩心(100)的相对位置，以及所述接收探头(71)和所述待测量岩心(100)的相对位置。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述发射探头(61)和所述接收探头(71)均可伸缩安装在所述通孔(51)的边缘处，其中伸缩方向平行于所述通孔(51)的径向，以便于：

当测量声波在所述待测量岩心(100)中的传播速度时，所述发射探头(61)和所述接收探头(71)均伸出至与所述待测量岩心(100)的外表面相接触；

当未测量声波在所述待测量岩心(100)中的传播速度时，所述发射探头(61)和所述接收探头(71)均收缩至与所述待测量岩心(100)的外表面相脱离。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括第一压力器(10)、第一弹性件和第二弹性件，所述通孔(51)的内壁上具有第一径向通孔和第二径向通孔；

所述第一弹性件和所述发射探头(61)相连且均位于所述第一径向通孔中，且所述发射探头(61)靠近所述通孔(51)的圆心处，所述第一弹性件远离所述发射探头(61)的一端固定在所述第一径向通孔的内壁；

所述第二弹性件和所述接收探头(71)相连且均位于所述第二径向通孔中，且所述接收探头(71)靠近所述通孔(51)的圆心处，所述第二弹性件远离所述接收探头(71)的一端固定在所述第二径向通孔的内壁；

所述第一变化器(10)通过管道分别与所述第一径向通孔远离所述发射探头(61)的端口和所述第二径向通孔远离所述接收探头(71)的端口相连；

当所述第一变化器(10)的压力增大时，能够推动所述发射探头(61)和所述接收探头(71)伸出；当所述第一变化器(10)的压力减小时，能够促使第一弹性件拉动所述发射探头(61)收缩，第二弹性件拉动所述接收探头(71)收缩。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括耦合剂储备罐(11)和两个耦合剂喷嘴(12)，所述耦合剂储备罐(11)通过管道与所述两个耦合剂喷嘴(12)相连；

所述发射探头(61)的远离所述旋转台(3)的上方安装有所述耦合剂喷嘴(12)，以向所述发射探头(61)添加耦合剂；

所述接收探头(71)的远离所述旋转台(3)的上方安装有所述耦合剂喷嘴(12)，以向所述接收探头(71)添加耦合剂。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括第二压力器(13)；

所述第二压力器(13)的输出端和所述耦合剂储备罐(11)的进液口相连，被配置为通过增大压力促使所述耦合剂储备罐(11)向两个所述耦合剂喷嘴(12)添加耦合剂。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述旋转台(3)沿着圆周方向具有角度刻度；

所述底座(1)的与所述旋转台(3)相对的表面上沿着圆周方向具有角度刻度，且所述旋转台(3)的角度刻度和所述底座(1)的角度刻度相对应。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述底座(1)的中心、所述旋转台(3)的中心、所述岩心夹具(4)的中心和所述通孔(51)的中心均位于一条直线上。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述发射探头(61)和所述接收探头(71)分别相对于所述旋转台(3)的高度相等，且所述发射探头(61)和所述接收探头(71)的连线与所述岩心夹具(4)的中轴线相交。

10.一种确定地应力方向方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1至9任一所述的测量装置，包括：

通过岩心夹具(4)将待测量岩心(100)固定在旋转台(3)的背离底座(1)的表面；

根据所述待测量岩心(100)的外表面的光滑程度，控制声波发射器(6)的发射探头(61)和声波接收器(7)的接收探头(71)均对应所述待测量岩心(100)的光滑程度满足要求的位置处；

控制所述驱动器(2)驱动所述旋转台(3)每次旋转目标角度，直至所述旋转台(3)旋转360度，其中每旋转所述目标角度，记录发射声波的发射时间和接收声波的接收时间；

根据每一组圆周角度、发射时间和接收时间的对应关系，以及所述待测量岩心(100)的直径，绘制包括波速和角度的波速角度曲线；

在所述波速角度曲线中确定最小波速对应的第一圆周角度和最大波速对应的第二圆周角度；

根据所述待测量岩心(100)在地理坐标系中的地理方位、所述第一圆周角度和所述第二圆周角度，确定最大水平地应力方向和最小水平地应力方向。

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