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一種用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)性質(zhì)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)性質(zhì)的方法。它解決了現(xiàn)有測量巖石力學(xué)參數(shù)實驗條件下，巖心尺寸不滿足標(biāo)準(zhǔn)測試尺寸，無法進(jìn)行正常的實驗操作及所測數(shù)據(jù)可信性的問題。該巖石性質(zhì)的測量方法主要包括下列步驟：1、制備并加工標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖心和非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖心，并進(jìn)行編號；2、對巖心進(jìn)行加載實驗，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)和曲線。3、處理實驗數(shù)據(jù)和繪制相關(guān)曲線。4、對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，并確定判定相應(yīng)巖石力學(xué)參數(shù)的方法。該方法利用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖心來模擬標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心的性質(zhì)，操作簡便、測量精度高，能夠較好的克服石油工程中取芯缺陷的問題。
【專利說明】一種用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)性質(zhì)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油開發(fā)【技術(shù)領(lǐng)域】的一種實驗方法，尤其是一種用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)性質(zhì)的方法，能夠較好的應(yīng)用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖心來模擬標(biāo)準(zhǔn)尺寸的砂巖、頁巖、白云巖等的抗壓強(qiáng)度、彈性模量兩種力學(xué)參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著油氣田開發(fā)的不斷發(fā)展，開發(fā)技術(shù)要求越來越高，全面了解和掌握地層巖石的力學(xué)性質(zhì)，對確定油氣田開發(fā)方案，指導(dǎo)現(xiàn)場施工提供重要依據(jù)。應(yīng)用MTS電液伺服系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖心進(jìn)行試驗是確定巖石力學(xué)參數(shù)的重要技術(shù)手段。
[0003]根據(jù)巖石力學(xué)學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測試的巖心尺寸的標(biāo)準(zhǔn)為，直徑為25mm,長度為50mm-60mm的圓柱形巖心,利用標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測得的巖石力學(xué)參數(shù)精度高,具有參考價值。
[0004]現(xiàn)今，在我國陸上和海洋油氣井取芯的過程中，由于地下環(huán)境的復(fù)雜性，特別是在幾千米以下的深地層，取芯的難度越來越大，取得的巖心缺陷比較大，同時在加工過程中的人為操作，獲取能應(yīng)用做巖石力學(xué)實驗的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖心越來越困難，而鉆取巖心的直徑基本能夠滿足要求，長度一般小于50_，利用這種非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心直接測量出來的巖石力學(xué)參數(shù)往往是不準(zhǔn)確的，不能直接加以應(yīng)用。
[0005]在考慮巖心資源寶貴，充分利用已有巖心資源的情況下，利用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心來模擬標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心的性質(zhì)成為了一個可攻克和優(yōu)化的問題。根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心和標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心在實驗中測得的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行歸納、總結(jié)，能夠得到應(yīng)用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量參數(shù)確定不同巖石的力學(xué)參數(shù)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有實驗條件下，非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖心所帶來的問題。本發(fā)明提供了一種應(yīng)用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)參數(shù)的方法，該方法具有操作簡單、測量誤差小、工作效率高、巖心制作費用低和巖心利用率高等特點。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:該方法包括下列步驟:
[0008]1、利用已有模具，使用水泥和石英砂燒鑄外形尺寸一定(長300mm、寬300mm、高100mm)的長方體模擬試樣，制作模擬試件中水泥和砂的比例為1: 1(質(zhì)量比)。
[0009]2、用取芯機(jī)在已制備的長方體模擬試樣上取芯，并用切割機(jī)獲取所需長度的巖心。需要鉆取的水泥塊巖心分為標(biāo)準(zhǔn)尺寸(直徑25mm、長50mm)的巖心和不同長度的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸(直徑25mm、長度小于50mm)的巖心。標(biāo)準(zhǔn)尺寸水泥塊巖心3塊,非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心按照長度 5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm 分別制作塊。
[0010]3、用車床車削水泥塊巖心的兩端面。鉆取并加工處理直徑為25mm的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的砂巖、頁巖、白云巖。獲得長度分別為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm的砂巖、頁巖、白云巖的巖心各3塊。
[0011]4、將水泥模擬的巖心和加工處理后的砂巖、頁巖、白云巖按照類別和長度進(jìn)行分類并將每塊巖心編號、拍照。
[0012]5、應(yīng)用MTS電液伺服系統(tǒng)對巖心進(jìn)行加載，記錄加載過程中的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)及相關(guān)曲線圖。
[0013]實驗過程主要包括巖心試件的安裝、加載、卸載記錄等，實驗過程中每塊巖心的加載和卸載速率保持不變，進(jìn)行單軸加載。具體步驟如下:
[0014](I)安裝巖心試件:安裝軸向、徑向應(yīng)變儀及緊固裝置，并將試件安放在加載臺上。
[0015](2)利用控制系統(tǒng)對試件進(jìn)行預(yù)加載，使巖心試樣獲得IKN的載荷。
[0016](3)待巖心試樣和系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定后對試件開始軸向加載，控制加載速率為0.0035mm / min,加載過程中對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。
[0017](4)待軸向載荷達(dá)到巖心試樣的抗壓強(qiáng)度后，開始卸載直至載荷為零，卸載完成后，拆卸裝置，取出試件，對巖心進(jìn)行拍照，記錄并保存相關(guān)數(shù)據(jù)和圖形。
[0018]6、對數(shù)據(jù)和曲線進(jìn)行分析處理，得到每塊巖心的彈性模量和抗壓強(qiáng)度并進(jìn)行分類?？箟簭?qiáng)度即為加載過程中強(qiáng)度數(shù)據(jù)的最大值。求解彈性模量的方法為:應(yīng)變=加載過程中軸向變形/巖心試件 的長度；畫出加載過程中的應(yīng)力、應(yīng)變圖；求取曲線中直線段的斜率，即為彈性模量。
[0019]7、分別對水泥模擬巖心、砂巖、頁巖、白云巖的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心和對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心的彈性模量進(jìn)行繪圖和總結(jié)，得到兩者之間的關(guān)系，并確定判定相應(yīng)巖石力學(xué)參數(shù)的方法。
[0020]分別取每三塊相同巖心試樣計算結(jié)果的平均值，并記錄在如表格中。
[0021]分別繪制水泥塊巖心、砂巖、頁巖、白云巖彈性模量和巖心長度之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。
[0022]根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心確定巖石力學(xué)參數(shù)(彈性模量)的方法為:例如已知巖性為砂巖的巖心，在實際取芯過程中只能得到直徑為25mm，長度為30mm的巖心，通過試驗機(jī)測試后得到的彈性模量為E.則可以通過上述方法得到巖石的實際力學(xué)參數(shù)，該砂巖的彈性
模量為=|.510，即得到實際地層砂巖的真是力學(xué)參數(shù)。
Β6
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在操作和實施過程中，具有以下優(yōu)點:(I)利用實際巖心資源少，能利用制作的水泥塊巖心取代部分實驗巖心做實驗，提供相關(guān)必要的數(shù)據(jù)。(2)應(yīng)用長度差異較大的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心來模擬測量巖石的力學(xué)參數(shù)，能夠較為全面的考慮不同長度非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心帶來的影響，結(jié)果精度高。(3)由于非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心的長度短，有些巖心無法安裝應(yīng)變儀，實驗系統(tǒng)可以獲得軸向變形來確定試樣的軸向應(yīng)變，從而求解其力學(xué)參數(shù)。(4)所涉及的實驗過程簡便，需要的儀器設(shè)備都屬于巖石力學(xué)工程范圍內(nèi)的常規(guī)儀器，實驗效率較高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為水泥塊巖心、砂巖、頁巖、白云巖彈性模量和巖心長度之間的關(guān)系曲線。[0025]圖2為實驗中測得的巖心加載過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
[0026]圖3為得到實測彈性模量的條件下確定水泥塊巖心真實彈性模量的示意圖。
[0027]圖4為得到實測彈性模量的條件下確定頁巖巖心真實彈性模量的示意圖。
【具體實施方式】
[0028]實驗所涉及儀器及其主要功能如下:
[0029]1、MTS電液伺服控制加載系統(tǒng)以及其它輔助裝置:測量巖石在單軸條件和圍壓條件下的力學(xué)參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。
[0030]2、取芯機(jī):在現(xiàn)場鉆取的全直徑巖心上鉆取直徑為25mm的巖心柱。
[0031]3、切割機(jī):對直徑為25mm巖心柱的兩端進(jìn)行切割，保證兩端面的平行度及其與軸線的垂直度。
[0032]4、車床:對直徑為25mm切割后的巖心柱的兩端面進(jìn)行車削加工，保證兩端面的光滑度。
[0033]5、模具及水泥、砂等原材料:制作水泥塊巖心。
[0034]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:該方法包括下列步驟:
[0035]1、利用已有模具，使用水泥和石英砂燒鑄外形尺寸一定(長300mm、寬300mm、高100mm)的長方體模擬試樣，制作模擬試件中水泥和砂的比例為1: 1(質(zhì)量比)。
[0036]2、用取芯機(jī)在已制備的長方體模擬試樣上取芯，并用切割機(jī)獲取所需長度的巖心。需要鉆取的水泥塊巖心分為標(biāo)準(zhǔn)尺寸(直徑25mm、長50mm)的巖心和不同長度的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸(直徑25mm、長度小于50mm)的巖心。標(biāo)準(zhǔn)尺寸水泥塊巖心3塊，非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心按照長度5臟、ICtam、I5臟、2Ctam、25臟、3Ctam、35臟、4Ctam、45臟分別制作3塊。
[0037]3、用車床車削水泥塊巖心的兩端面。鉆取并加工處理直徑為25mm的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的砂巖、頁巖、白云巖。獲得長度分別為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm的砂巖、頁巖、白云巖的巖心各3塊。
[0038]4、將水泥模擬的巖心和加工處理后的砂巖、頁巖、白云巖按照類別和長度進(jìn)行分
類并將每塊巖心編號、拍照，最終獲得的巖心情況如下:
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)性質(zhì)的方法，該方法包括下列步驟: a.用水泥制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸(直徑25mm、長50mm)的巖心和不同長度的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸(直徑25_、長度小于50mm)的巖心。 b.加工和處理非標(biāo)準(zhǔn)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的砂巖、頁巖、白云巖。 c.將水泥模擬的巖心和加工處理后的砂巖、頁巖、白云巖按照類別和長度進(jìn)行分類并將每塊巖心編號。 d.應(yīng)用MTS電液伺服系統(tǒng)對巖心進(jìn)行加載，記錄加載過程中的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)及相關(guān)曲線圖。 e.對數(shù)據(jù)和曲線進(jìn)行處理，得到每塊巖心的彈性模量并進(jìn)行分類。 f.分別對水泥模擬巖心、砂巖、頁巖、白云巖的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心和對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心的彈性模量進(jìn)行繪圖和總結(jié)，得到兩者之間的關(guān)系，并確定在已測定巖心力學(xué)參數(shù)的情況下判定真實的巖石力學(xué)參數(shù)的方法。
2.如權(quán)利要求1所述用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)性質(zhì)的方法，其特征在于:采用測定非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心的力學(xué)參數(shù)來確定巖心的真實力學(xué)參數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)性質(zhì)的方法，其特征在于:可以確定砂巖、頁巖、白云巖等各種巖心的真實彈性模量。
4.如權(quán)利要求2所述用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)性質(zhì)的方法，其特征在于:對于測定各種不同長度的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心的力學(xué)參數(shù)均可用于確定巖心的真實力學(xué)參數(shù)。
5.如權(quán)利要求2或4所述用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心代替標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心測量巖石力學(xué)性質(zhì)的方法，其特征在于:所采用的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心的長度分別為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、3Omm、35mm、40mm、45mmo
【文檔編號】G01N3/08GK103852379SQ201410026869
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】張廣清, 倪純博 申請人:中國石油大學(xué)(北京)