一種地應力的測試裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種地應力的測量裝置，測試裝置包括巖心夾持系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、掃描多級速度加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機后處理系統(tǒng)五部分組成。其中巖心夾持系統(tǒng)上方套用激光掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量；掃描多級速度加載系統(tǒng)結(jié)合激光掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)對巖石外表采集數(shù)據(jù)的周期性測定；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依附于激光掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計算機后處理系統(tǒng)予以存儲并處理。此種測量裝置可測量現(xiàn)場應變地應力，操作簡單，結(jié)果可靠，并可直觀可視化顯示結(jié)果。本發(fā)明的試驗結(jié)果可為地應力的測量提供重要的試驗技術(shù)支持。
【專利說明】
一種地應力的測試裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種石油鉆采工程技術(shù)，特別涉及一種地應力的測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在石油鉆采工程中越來越需要有關(guān)原地應力狀態(tài)的數(shù)據(jù)，比如鉆井過程中井眼的 穩(wěn)定問題;地層破裂壓力預測;壓裂工程設(shè)計;高壓注水中的地層破裂問題;斷層的滑動及 復活問題;地下管柱外載計算及其抗擠壽命計算問題等等?，F(xiàn)有求地應力大小及方向的諸 方法中，都有一定的局限性，因此各有利弊，一般很難以同時準確地求出地應力的方向和大 小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種地應力的測試裝置， 主要是用于測量了解地下某點的水平應力狀態(tài)，包括主應力的大小與方向。
[0004] 本發(fā)明提到的一種地應力的測試裝置，包括掃描多級速度加載系統(tǒng)(A)、激光掃描 系統(tǒng)（B)、巖心夾持系統(tǒng)（C)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（D)、計算機后處理系統(tǒng)（E)和聲波測試系統(tǒng) (17)，其中巖心夾持系統(tǒng)(C)上方套有激光掃描系統(tǒng)(B)，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量;掃 描多級速度加載系統(tǒng)(A)結(jié)合激光掃描系統(tǒng)(B)，實現(xiàn)對巖石外表采集數(shù)據(jù)的周期性測定； 聲波測試系統(tǒng)（17)依附于巖心夾持系統(tǒng)(C)，并固定于試樣的中間位置;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D) 依附于激光掃描系統(tǒng)(B)，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計算機后處理 系統(tǒng)(E)予以存儲;通過計算機后處理系統(tǒng)(E)計算得到巖石地應力試驗過程中巖石的變形 程度，繪制出巖石變形、時間、粘彈性間的相互關(guān)系曲線，并予以可視化顯示，計算出現(xiàn)場地 應力。
[0005] 上述的掃描多級速度加載系統(tǒng)(A)包括外殼上蓋(9)、多級速度適配器(6)、傳動臂
[5] ，其中，外殼上蓋(9)通過側(cè)面外殼(2)固定，多級速度適配器(6)和傳動臂（5)固定在外 殼上蓋(9)上，多級速度適配器(6)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)中的控制傳輸線(7)與計算機后處 理系統(tǒng)(E)相連。
[0006] 上述的激光掃描系統(tǒng)(B)包括激光旋轉(zhuǎn)支架（1 )、圓筒（13)、圓環(huán)（14)，兩個激光旋 轉(zhuǎn)支架（1)的下部固定在圓環(huán)（14)和圓筒（13)上，通過圓環(huán)（14)和圓筒（13)與底座固定在 一起，多個激光測距器（11)沿豎直方向等間距排列，所述的激光旋轉(zhuǎn)支架（1)的上方與傳動 臂(5)連接，用于穩(wěn)定激光掃描旋轉(zhuǎn)支架，并使其按傳動臂(5)控制旋轉(zhuǎn);激光測距器（11)與 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)中的數(shù)據(jù)傳輸線(8)相連，將激光測距器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C后處理系統(tǒng) (E)。
[0007] 上述的巖心夾持系統(tǒng)(C)包括底座(3)、巖心夾持器(4)和軸向應變測試裝置(18)， 底座(3 )的上側(cè)設(shè)有凸起部（16 )，通過縱向卡槽（10 )和橫向卡槽（15 )與激光掃描旋轉(zhuǎn)支架 (1)相配合連接，且?guī)r心夾持器(4)固定在底座（3)上；軸向應變側(cè)向系統(tǒng)（18)位于試講頂 端，主要用于測試試件軸向應變的變化； 上述的聲波測試系統(tǒng)（17)包括聲波探頭和示波器裝置，并與巖心夾持系統(tǒng)相連，固定 于試樣的中間位置。
[0008] 上述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)包括數(shù)據(jù)傳輸線(8)和控制傳輸線（7)，并通過數(shù)據(jù)傳輸 線(8)和控制傳輸線(7)分別連接到計算機后處理系統(tǒng)(E)。
[0009] 上述的縱向卡槽（10)設(shè)置在凸起部（16)的外側(cè)的底座表面上，橫向卡槽（15)設(shè)置 在凸起部（16)的上部，通過縱向卡槽（10)與圓筒（13)配合固定，通過橫向卡槽與圓環(huán)（14) 配合固定，從而將激光掃描旋轉(zhuǎn)支架(1)與底座(3)固定在一起。
[0010] 上述的等間距激光測距器(11)設(shè)有五個。
[0011] 本發(fā)明提到的一種地應力的測試裝置的測量方法，包括以下步驟： (1) 將圓柱形標準試樣放置于巖心夾持系統(tǒng)(C)內(nèi)，安放、安裝好實驗儀器并對掃描多 級速度加載系統(tǒng)(A)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)和計算機后處理系統(tǒng)(E)的參數(shù)進行設(shè)置;其中巖心 夾持系統(tǒng)(C)上方套有的激光掃描系統(tǒng)(B)，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量;掃描多級速度 加載系統(tǒng)(A)結(jié)合激光掃描系統(tǒng)(B)，實現(xiàn)對巖石外表采集數(shù)據(jù)的周期性測定;數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)(D)依附于激光掃描系統(tǒng)(B)，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計算機 后處理系統(tǒng)(E)予以存儲;通過計算機后處理系統(tǒng)(E)計算得到巖石地應力試驗過程中巖石 的變形程度，繪制出巖石變形、時間、粘彈性間的相互關(guān)系曲線，并予以可視化顯示，計算出 現(xiàn)場地應力； (2) 通過激光掃描系統(tǒng)(B)配合掃描多級速度加載系統(tǒng)(A)對巖心短時間形變測量，通 過最小二乘法數(shù)值擬合獲得整個鉆孔橫截面輪廓的變形，并根據(jù)彈性力學公式計算出最大 和最小水平主應力。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的地應力的測量裝置的試驗結(jié)果可測量現(xiàn)場應變地 應力，操作簡單，結(jié)果可靠，并可直觀可視化顯示結(jié)果;另外，本發(fā)明的試驗結(jié)果可為地應力 的測量提供重要的試驗技術(shù)支持。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的各部件的解刨說明圖； 圖3是本發(fā)明的掃描器旋轉(zhuǎn)支架部件結(jié)構(gòu)示意圖； 上圖中：掃描多級速度加載系統(tǒng)A、激光掃描系統(tǒng)B、巖心夾持系統(tǒng)C、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D、計 算機后處理系統(tǒng)E;激光掃描旋轉(zhuǎn)支架1、側(cè)面外殼2、底座3、巖心夾持器4、傳動臂5、多級速 度適配器6、控制傳輸線7、數(shù)據(jù)傳輸線8、外殼上蓋9、掃描旋轉(zhuǎn)支架卡槽10、激光測距器11、 計算機12、圓筒13、圓環(huán)14、橫向卡槽15、凸起部16、聲波測試系統(tǒng)17,軸向位移計18。
【具體實施方式】
[0014] 參照附圖1-3,本發(fā)明提到的一種地應力的測試裝置，包括掃描多級速度加載系統(tǒng) A、激光掃描系統(tǒng)B、巖心夾持系統(tǒng)C、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D、計算機后處理系統(tǒng)E，其中巖心夾持系 統(tǒng)C上方套有激光掃描系統(tǒng)B，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量;掃描多級速度加載系統(tǒng)A結(jié)合 激光掃描系統(tǒng)B，實現(xiàn)對巖石外表采集數(shù)據(jù)的周期性測定;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D依附于激光掃描 系統(tǒng)B，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計算機后處理系統(tǒng)E予以存儲;通 過計算機后處理系統(tǒng)E計算得到巖石地應力試驗過程中巖石的變形程度，繪制出巖石變形、 時間、粘彈性間的相互關(guān)系曲線，并予以可視化顯示，計算出現(xiàn)場地應力。
[0015] 其中，掃描多級速度加載系統(tǒng)A包括外殼上蓋9、多級速度適配器6、傳動臂5,其中， 外殼上蓋9通過側(cè)面外殼2固定，多級速度適配器6和傳動臂5固定在外殼上蓋9上，多級速度 適配器6通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D中的控制傳輸線7與計算機后處理系統(tǒng)E相連。
[0016] 另外，激光掃描系統(tǒng)B包括激光旋轉(zhuǎn)支架1、圓筒13、圓環(huán)14，兩個激光旋轉(zhuǎn)支架1的 下部固定在圓環(huán)14和圓筒13上，通過圓環(huán)14和圓筒13與底座固定在一起，多個激光測距器 11沿豎直方向等間距排列，所述的激光旋轉(zhuǎn)支架1的上方與傳動臂5連接，用于穩(wěn)定激光掃 描旋轉(zhuǎn)支架，并使其按傳動臂5控制旋轉(zhuǎn);激光測距器11與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D中的數(shù)據(jù)傳輸線8 相連，將激光測距器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C后處理系統(tǒng)E。
[0017] 另外，巖心夾持系統(tǒng)C包括底座3、巖心夾持器4,底座3的上側(cè)設(shè)有凸起部16,通過 縱向卡槽10和橫向卡槽15與激光掃描旋轉(zhuǎn)支架1相配合連接，且?guī)r心夾持器4固定在底座3 上，所述的巖心夾持器4靠近巖心試樣的位置包裹彈性橡膠。
[0018] 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D包括數(shù)據(jù)傳輸線8和控制傳輸線7,并通過數(shù)據(jù)傳輸線8和控制傳輸 線7分別連接到計算機后處理系統(tǒng)E，計算機通過數(shù)據(jù)交換口將定時采集的數(shù)據(jù)予以儲存、 顯示，并基于數(shù)據(jù)處理可視化程序計算得到試驗過程中巖石的外部形變，繪制出巖石形變、 時間、應力和應變參數(shù)間的相互關(guān)系曲線，并予以可視化顯示。
[0019 ]參照附圖2，縱向卡槽10設(shè)置在凸起部16的外側(cè)的底座表面上，橫向卡槽15設(shè)置在 凸起部16的上部，通過縱向卡槽10與圓筒13配合固定，通過橫向卡槽與圓環(huán)14配合固定，從 而將激光掃描旋轉(zhuǎn)支架1與底座3固定在一起;上述的等間距激光測距器11設(shè)有五個激光測 距器11。其中，兩個激光旋轉(zhuǎn)支架1，一組應變值取二者半個周期內(nèi)掃描的數(shù)據(jù);應變值取5 個激光測距器11和的平均，用于確保試樣測量準確性;所用的試樣為圓柱形試樣，直徑為 50mm，高度可在90-110mm之間予以調(diào)整，且試樣裝入巖心試樣夾持系統(tǒng)C中； 本發(fā)明提到的一種地應力的測試裝置的測量方法，包括以下步驟： (1) 將圓柱形標準試樣放置于巖心夾持系統(tǒng)C內(nèi)，安放、安裝好實驗儀器并對掃描多級 速度加載系統(tǒng)A、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D和計算機后處理系統(tǒng)E的參數(shù)進行設(shè)置;其中巖心夾持系統(tǒng) C上方套有的激光掃描系統(tǒng)B，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量;掃描多級速度加載系統(tǒng)A結(jié)合 激光掃描系統(tǒng)B，實現(xiàn)對巖石外表采集數(shù)據(jù)的周期性測定;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D依附于激光掃描 系統(tǒng)B，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計算機后處理系統(tǒng)E予以存儲;通 過計算機后處理系統(tǒng)E計算得到巖石地應力試驗過程中巖石的變形程度，繪制出巖石變形、 時間、粘彈性間的相互關(guān)系曲線，并予以可視化顯示； (2) 通過激光掃描系統(tǒng)B配合掃描多級速度加載系統(tǒng)A對巖心短時間形變測量，通過最 小二乘法數(shù)值擬合獲得整個鉆孔橫截面輪廓的變形； (3) 通過聲波測試系統(tǒng)（圖中17)測試得到振幅隨時間的衰減系數(shù)，進而利用下式計算 巖石粘性系數(shù)
[0020]式中巧為聲波振幅隨時間的衰減系數(shù)，通過聲學測試系統(tǒng)獲得;,欲為聲波頻率;E 為巖石彈性模量;7為巖石粘性系數(shù)。
[0021] (4)利用開爾文粘彈性模型對步驟1中測得的粘彈性數(shù)據(jù)進行分析，并通過下式得 到等效模量。
[0022] (5)利用等效模量根據(jù)虎克定律計算各地應力大小與方向。
【主權(quán)項】
1. 一種地應力的測試裝置，其特征是:包括掃描多級速度加載系統(tǒng)(A)、激光掃描系統(tǒng) (B)、巖心夾持系統(tǒng)(C)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)、計算機后處理系統(tǒng)(E)和聲波測試系統(tǒng)（17)，其 中巖心夾持系統(tǒng)(C)上方套有激光掃描系統(tǒng)(B)，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量;掃描多級 速度加載系統(tǒng)(A)結(jié)合激光掃描系統(tǒng)(B)，實現(xiàn)對巖石外表采集數(shù)據(jù)的周期性測定;聲波測 試系統(tǒng)（17)依附于巖心夾持系統(tǒng)(C)，并固定于試樣的中間位置;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)依附于 激光掃描系統(tǒng)(B)，實現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計算機后處理系統(tǒng) (E)予以存儲；通過計算機后處理系統(tǒng)(E)計算得到巖石地應力試驗過程中巖石的變形程 度，繪制出巖石變形、時間、粘彈性間的相互關(guān)系曲線，并予以可視化顯示，計算出現(xiàn)場地應 力； 所述的掃描多級速度加載系統(tǒng)(A)包括外殼上蓋(9)、多級速度適配器(6)、傳動臂(5)， 其中，外殼上蓋(9)通過側(cè)面外殼(2)固定，多級速度適配器(6)和傳動臂（5)固定在外殼上 蓋(9)上，多級速度適配器(6)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)中的控制傳輸線(7)與計算機后處理系 統(tǒng)(E)相連； 所述的激光掃描系統(tǒng)(B)包括激光掃描旋轉(zhuǎn)支架（1)、圓筒（13)、圓環(huán)（14)，兩個激光掃 描旋轉(zhuǎn)支架（1)的下部固定在圓環(huán)（14)和圓筒（13)上，通過圓環(huán)（14)和圓筒（13)與底座固 定在一起，多個激光測距器(11)沿豎直方向等間距排列，所述的激光掃描旋轉(zhuǎn)支架（1)的上 方與傳動臂(5)連接，用于穩(wěn)定激光掃描旋轉(zhuǎn)支架，并使其按傳動臂(5)控制旋轉(zhuǎn);激光測距 器(11)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)中的數(shù)據(jù)傳輸線(8)相連，將激光測距器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C后 處理系統(tǒng)(E); 所述的巖心夾持系統(tǒng)(C)包括底座(3)、巖心夾持器(4)和軸向應變測試裝置（18)，底座 (3 )的上側(cè)設(shè)有凸起部（16 )，通過縱向卡槽(10 )和橫向卡槽（15 )與激光掃描旋轉(zhuǎn)支架（1)相 配合連接，且?guī)r心夾持器(4)固定在底座(3)上;軸向應變測試系統(tǒng)（18)位于試件頂端，主要 用于測試試件軸向應變的變化； 所述的縱向卡槽（10)設(shè)置在凸起部（16)的外側(cè)的底座表面上，橫向卡槽（15)設(shè)置在凸 起部（16)的上部，通過縱向卡槽（10)與圓筒（13)配合固定，通過橫向卡槽與圓環(huán)（14)配合 固定，從而將激光掃描旋轉(zhuǎn)支架(1)與底座(3)固定在一起。
【文檔編號】G01L1/24GK106092396SQ201610598866
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2015年5月19日 公開號201610598866.6, CN 106092396 A, CN 106092396A, CN 201610598866, CN-A-106092396, CN106092396 A, CN106092396A, CN201610598866, CN201610598866.6
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請人】魏宇坤