CN115584966A - 一种利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法，首先垂直钻孔取心，通过岩心变形测量岩心截面的最大直径d₂和最小直径d₁；然后将测量后的岩心加工成岩石力学试验标准圆柱岩心，置于三轴实验压缩机中施压得到应变曲线1、2，通过曲线换算得到岩心直径并记录径向直径均相等的时刻，此时为岩心真圆状态直径d₀；岩心卸载后重新进行标准三轴实验，得到岩心对应的杨氏模量E和泊松比υ，以相应公式计算得到对应位置的三维地应力。本发明采用常规岩石力学实验方法获得三维应力，同时可继续进行三轴实验得到岩芯的各项参数。

Description

一种利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，更具体的说是涉及一种利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法。

背景技术

随着深部钻井技术的迅速发展，相关技术人员开展了多学科交叉的科学研究，其中以岩芯为对象开展了岩石圈变形、深部成矿条件、构造地质以及地应力等的研究，三轴试验是岩心研究中常用的一种技术手段，但是常规的岩芯三轴试验只能获得常规的岩石参数比如杨氏模量E和泊松比υ，无法满足实际生产需求，因此，如何提供一种改进的实验方法是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法，包括：

(1)选取垂直钻孔，在适当位置钻取岩心，通过岩心变形测量岩心截面的最大直径d₂和最小直径d₁；

(2)将测量后的岩心加工成岩石力学试验标准圆柱岩心，径向贴应变片后置于三轴实验压缩机中在轴压S_v条件下记录岩心应力应变曲线1，然后缓慢施加轴压记录岩心应力应变曲线2，通过曲线换算得到岩心直径并记录径向直径均相等的时刻，此时为岩心真圆状态直径d₀；

(3)岩心卸载后重新进行标准三轴实验，得到岩心对应的杨氏模量E和泊松比υ，以如下公式计算得到对应位置的三维地应力：

其中，S_H为最大水平主应力，S_h为最小水平主应力；γ代表每层岩芯的容重，H_i代表每层岩芯相应的厚度。

优选的，步骤(2)中所述的曲线换算过程如下：

(2.1)记录最大直径d₂和最小直径d₁并记录方向分别为方向一和方向二；

(2.2)施加轴压后记录方向一和方向二各自的位移；

(2.3)施加围压，记录方向一和方向二的位移；

(2.4)岩芯在方向一和方向二绝对变形量差值为d₂-d₁时即可。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法，具有如下有益效果：

本发明采用常规岩石力学实验方法获得三维应力，同时可继续进行三轴实验得到岩芯的各项参数，通过将岩芯在围压和轴压的条件下将岩芯压会真圆状态，通过应力应变曲线得到真圆直径，通过得到的真圆直径d₀以及三轴试验测量得到的参数杨氏模量E和泊松比υ获得岩石的三维应力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法具体原理如下：

首先选取垂直钻孔破，在合适的位置进行钻孔取芯。在取芯钻进过程中，取芯钻头通过旋转运动切入钻孔底部的岩石裸露表面，从而切割出一段圆柱岩石作为取芯。由于柱体是由旋转钻头切割出来的，所有切割的圆柱的横截面应该是理想的圆形。这个圆柱的切削面原本被其周围的围岩限制，然而这个被切割下来的圆柱体被取出之后就能够因地应力的释放而使周围岩体自由的膨胀，这种变形随着圆柱体被切削一直发生，然后岩芯在S_H和S_h方向发生变形，最终变形为椭圆，S_H和S_h分别是垂直于钻孔平面的最大和最小应力。岩芯在横截面形状上是均匀的，具有最大和最小直径d₂和d₁。应力释放会在岩芯中产生应变，这与从地应力中释放岩石时在岩体中产生的应变相同。假设岩石为均质、小变形材料，则最大水平主应力S_H和最小水平主应力S_h解除时岩芯的变形模式下，在与钻孔轴直交的岩芯平面内,将分别产生拉张应变，如公式1-2所示。

根据几何关系，圆柱状岩芯横截面应变ε_H和ε_h由如下关系式表达：

其中，ε_H为S_H方向上的最大拉应变，ε_h为S_h方向上的最小拉应变，S_v为垂直主应力，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比。d₂为最大岩芯直径方向，d₁为最小岩心直径方向，d₀为岩芯弹性恢复前真圆的初始直径。

通过上述公式联立即可得到如下公式：

由于岩芯变形法可以得到d₂和d₁，因此只需通过岩石力学实验可以得到d₀、E和v。具体采用本发明的技术方案，如下：

首先选取岩芯进行岩芯变形法测量，得到最大直径和最小直径d₂和d₁，并标记最大和最小直径方向，取出岩芯之后，将岩芯加工成标准岩石力学试件，径向贴应变片，放入三轴实验压缩机中并施加S_v大小的轴压，记录岩芯的应力应变曲线1，并得到径向应变ε₁，然后缓慢施加轴压，记录岩石的应力应变曲线2，通过曲线换算(记录最大直径d₂和最小直径d₁并记录方向分别为方向一和方向二，施加轴压后记录方向一和方向二各自的位移，施加围压，记录方向一和方向二的位移，岩芯在方向一和方向二绝对变形量差值为d₂-d₁时即可)，得到岩石的直径大小，并找到径向直径均相等的时刻，此时的径向应变ε₂，此时岩芯对应的直径即为未钻取岩芯时的真圆直径也即d₀。

得到岩芯真圆d₀之后，可以通过公式(5)计算得到三维应力如下：

其中γ代表每层岩芯的容重，H_i代表每层岩芯相应的厚度。

得到曲线1、2之后，此时岩芯处于完整状态。撤掉岩芯的轴压和围压，然后按照标准的三轴实验流程进行三轴试验，得到岩芯对应的杨氏模量E和泊松比υ，再将杨氏模量E和泊松比υ代入公式(6)即可得到对应位置的三维地应力。

具体示例如下：

取得岩芯后一段时间，对岩芯直径进行测量，最大和最小直径d2和_d1分别为48.380mm和48.374mm，两者差值为0.006mm，然后进行上述实验，记录应力应变曲线1，记录两个方向的应变为ε₁和ε₂，然后施加围压记录应力应变曲线2，记录两个方向的应变分别为ε₃和ε₄，方向一加载后应变差为ε₃-ε₁，根据虎克定律，方向一的绝对位移是(ε₃-ε₁)d₁，同理方向二的绝对位移是(ε₄-ε₂)d₂，当两者差值为0.006mm时，得到的岩芯即为真圆，此时岩芯直径记录为d₀，记录得到的直径d₀为48.368mm，然后进行岩石力学实验得到杨氏模量E和泊松比E＝64.84GPa，泊松比ν＝0.257，将计算得到的数据代入公式(6)即可得到水平应力大小，通过测量岩芯重量可以计算出垂直应力，即可得到岩芯的三维应力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法，其特征在于，包括：

(1)选取垂直钻孔，在适当位置钻取岩心，通过岩心变形测量岩心截面的最大直径d₂和最小直径d₁；

(2)将测量后的岩心加工成岩石力学试验标准圆柱岩心，径向贴应变片后置于三轴实验压缩机中在轴压S_v条件下记录岩心应力应变曲线1，然后缓慢施加轴压记录岩心应力应变曲线2，通过曲线换算得到岩心直径并记录径向直径均相等的时刻，此时为岩心真圆状态直径d₀；

(3)岩心卸载后重新进行标准三轴实验，得到岩心对应的杨氏模量E和泊松比υ，以如下公式计算得到对应位置的三维地应力：

其中，S_H为最大水平主应力，S_h为最小水平主应力；γ代表每层岩芯的容重，H_i代表每层岩芯相应的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种利用三轴岩石力学实验获得三维地应力的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的曲线换算过程如下：

(2.1)记录最大直径d₂和最小直径d₁并记录方向分别为方向一和方向二；

(2.2)施加轴压后记录方向一和方向二各自的位移；

(2.3)施加围压，记录方向一和方向二的位移；

(2.4)岩芯在方向一和方向二绝对变形量差值为d₂-d₁时即可。

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