一種用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學性質的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學性質的方法。它解決了現有測量巖石力學參數實驗條件下，巖心尺寸不滿足標準測試尺寸，無法進行正常的實驗操作及所測數據可信性的問題。該巖石性質的測量方法主要包括下列步驟：1、制備并加工標準尺寸的巖心和非標準尺寸的巖心，并進行編號；2、對巖心進行加載實驗，并記錄相關數據和曲線。3、處理實驗數據和繪制相關曲線。4、對實驗結果進行分析和總結，并確定判定相應巖石力學參數的方法。該方法利用非標準尺寸的巖心來模擬標準尺寸巖心的性質，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】一種用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學性質的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油開發【技術領域】的一種實驗方法，尤其是一種用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學性質的方法，能夠較好的應用非標準尺寸的巖心來模擬標準尺寸的砂巖、頁巖、白云巖等的抗壓強度、彈性模量兩種力學參數。
【背景技術】
[0002]隨著油氣田開發的不斷發展，開發技術要求越來越高，全面了解和掌握地層巖石的力學性質，對確定油氣田開發方案，指導現場施工提供重要依據。應用MTS電液伺服系統對標準尺寸的巖心進行試驗是確定巖石力學參數的重要技術手段。
[0003]根據巖石力學學會的標準，進行力學參數測試的巖心尺寸的標準為，直徑為25mm,長度為50mm-60mm的圓柱形巖心,利用標準尺寸巖心測得的巖石力學參數精度高,具有參考價值。
[0004]現今，在我國陸上和海洋油氣井取芯的過程中，由于地下環境的復雜性，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，獲取能應用做巖石力學實驗的標準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_，利用這種非標準尺寸巖心直接測量出來的巖石力學參數往往是不準確的，不能直接加以應用。
[0005]在考慮巖心資源寶貴，充分利用已有巖心資源的情況下，利用非標準尺寸巖心來模擬標準尺寸巖心的性質成為了一個可攻克和優化的問題。根據非標準尺寸巖心和標準尺寸巖心在實驗中測得的力學參數進行歸納、總結，能夠得到應用非標準尺寸巖心測量參數確定不同巖石的力學參數的方法。
【發明內容】
[0006]為了克服現有實驗條件下，非標準尺寸的巖心所帶來的問題。本發明提供了一種應用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學參數的方法，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]本發明采用的技術方案是: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(質量比)。
[0009]2、用取芯機在已制備的長方體模擬試樣上取芯，并用切割機獲取所需長度的巖心。需要鉆取的水泥塊巖心分為標準尺寸(直徑25mm、長50mm)的巖心和不同長度的非標準尺寸(直徑25mm、長度小于50mm)的巖心。標準尺寸水泥塊巖心3塊,非標準尺寸巖心按照長度 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的非標準尺寸和標準尺寸的砂巖、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行分類并將每塊巖心編號、拍照。
[0012]5、應用MTS電液伺服系統對巖心進行加載，記錄加載過程中的應力和變形數據及相關曲線圖。
[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)利用控制系統對試件進行預加載，使巖心試樣獲得IKN的載荷。
[0016](3)待巖心試樣和系統參數穩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據進行監測。
[0017](4)待軸向載荷達到巖心試樣的抗壓強度后，開始卸載直至載荷為零，卸載完成后，拆卸裝置，取出試件，對巖心進行拍照，記錄并保存相關數據和圖形。
[0018]6、對數據和曲線進行分析處理，得到每塊巖心的彈性模量和抗壓強度并進行分類。抗壓強度即為加載過程中強度數據的最大值。求解彈性模量的方法為:應變=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力、應變圖；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、白云巖的非標準尺寸巖心和對應的標準尺寸巖心的彈性模量進行繪圖和總結，得到兩者之間的關系，并確定判定相應巖石力學參數的方法。
[0020]分別取每三塊相同巖心試樣計算結果的平均值，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系曲線，如圖1所示。
[0022]根據非標準尺寸巖心確定巖石力學參數(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參數，該砂巖的彈性
模量為=|.510，即得到實際地層砂巖的真是力學參數。
Β6
[0023]與現有技術相比，本發明在操作和實施過程中，具有以下優點:(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，提供相關必要的數據。(2)應用長度差異較大的非標準尺寸巖心來模擬測量巖石的力學參數，能夠較為全面的考慮不同長度非標準尺寸巖心帶來的影響，結果精度高。(3)由于非標準尺寸巖心的長度短，有些巖心無法安裝應變儀，實驗系統可以獲得軸向變形來確定試樣的軸向應變，從而求解其力學參數。(4)所涉及的實驗過程簡便，需要的儀器設備都屬于巖石力學工程范圍內的常規儀器，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系曲線。[0025]圖2為實驗中測得的巖心加載過程中的應力應變曲線圖。
[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參數，包括彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度等力學參數。
[0030]2、取芯機:在現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:對直徑為25mm巖心柱的兩端進行切割，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]本發明采用的技術方案是: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(質量比)。
[0036]2、用取芯機在已制備的長方體模擬試樣上取芯，并用切割機獲取所需長度的巖心。需要鉆取的水泥塊巖心分為標準尺寸(直徑25mm、長50mm)的巖心和不同長度的非標準尺寸(直徑25mm、長度小于50mm)的巖心。標準尺寸水泥塊巖心3塊，非標準尺寸巖心按照長度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的非標準尺寸和標準尺寸的砂巖、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]
【權利要求】
1.一種用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學性質的方法，該方法包括下列步驟: a.用水泥制備標準尺寸(直徑25mm、長50mm)的巖心和不同長度的非標準尺寸(直徑25_、長度小于50mm)的巖心。 b.加工和處理非標準尺寸和標準尺寸的砂巖、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行分類并將每塊巖心編號。 d.應用MTS電液伺服系統對巖心進行加載，記錄加載過程中的應力和變形數據及相關曲線圖。 e.對數據和曲線進行處理，得到每塊巖心的彈性模量并進行分類。 f.分別對水泥模擬巖心、砂巖、頁巖、白云巖的非標準尺寸巖心和對應的標準尺寸巖心的彈性模量進行繪圖和總結，得到兩者之間的關系，并確定在已測定巖心力學參數的情況下判定真實的巖石力學參數的方法。
2.如權利要求1所述用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學性質的方法，其特征在于:采用測定非標準尺寸巖心的力學參數來確定巖心的真實力學參數。
3.如權利要求2所述用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學性質的方法，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.如權利要求2所述用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學性質的方法，其特征在于:對于測定各種不同長度的非標準尺寸巖心的力學參數均可用于確定巖心的真實力學參數。
5.如權利要求2或4所述用非標準尺寸巖心代替標準尺寸巖心測量巖石力學性質的方法，其特征在于:所采用的非標準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 優先權日:2014年1月17日
【發明者】張廣清, 倪純博 申請人:中國石油大學(北京)
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