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(yīng)力的測試裝置。

背景技術(shù)：

在石油鉆采工程中越來越需要有關(guān)原地應(yīng)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(yù)測；壓裂工程設(shè)計(jì)；高壓注水中的地層破裂問題；斷層的滑動及復(fù)活問題；地下管柱外載計(jì)算及其抗擠壽命計(jì)算問題等等?，F(xiàn)有求地應(yīng)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(zhǔn)確地求出地應(yīng)力的方向和大小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(yīng)力的測試裝置，主要是用于測量了解地下某點(diǎn)的水平應(yīng)力狀態(tài)，包括主應(yīng)力的大小與方向。

本發(fā)明提到的一種地應(yīng)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(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)（E）予以存儲；通過計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)（E）計(jì)算得到巖石地應(yīng)力試驗(yàn)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(jì)算出現(xiàn)場地應(yīng)力。

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(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)（E）相連。

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?jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)（E）。

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(yīng)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(yīng)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(yīng)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。

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(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)（E）。

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。

上述的等間距激光測距器（11）設(shè)有五個。

本發(fā)明提到的一種地應(yīng)力的測試裝置的測量方法，包括以下步驟：

（1）將圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣放置于巖心夾持系統(tǒng)（C）內(nèi)，安放、安裝好實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)（E）的參數(shù)進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)（E）予以存儲；通過計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)（E）計(jì)算得到巖石地應(yīng)力試驗(yàn)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(jì)算出現(xiàn)場地應(yīng)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(xué)公式計(jì)算出最大和最小水平主應(yīng)力。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明粘彈性應(yīng)變測現(xiàn)場地應(yīng)力的測量裝置的試驗(yàn)結(jié)果可測量現(xiàn)場應(yīng)變地應(yīng)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(yàn)結(jié)果可為地應(yīng)力的測量提供重要的試驗(yàn)技術(shù)支持。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2是本發(fā)明的各部件的解刨說明圖；

附圖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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)18。

具體實(shí)施方式

參照附圖1-3，本發(fā)明提到的一種地應(yīng)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(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)E予以存儲；通過計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)E計(jì)算得到巖石地應(yīng)力試驗(yàn)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(jì)算出現(xiàn)場地應(yīng)力。

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(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)E相連。

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?jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)E。

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。

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(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)E，計(jì)算機(jī)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(jì)算得到試驗(yàn)過程中巖石的外部形變，繪制出巖石形變、時間、應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)間的相互關(guān)系曲線，并予以可視化顯示。

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(yīng)變值取二者半個周期內(nèi)掃描的數(shù)據(jù)；應(yīng)變值取5個激光測距器11和的平均，用于確保試樣測量準(zhǔn)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(yīng)力的測試裝置的測量方法，包括以下步驟：

（1）將圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣放置于巖心夾持系統(tǒng)C內(nèi)，安放、安裝好實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)E的參數(shù)進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)巖石外表形變的數(shù)據(jù)測量采集匯總，并傳輸至計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)E予以存儲；通過計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)E計(jì)算得到巖石地應(yīng)力試驗(yàn)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(jìn)而利用下式計(jì)算巖石粘性系數(shù)。

式中為聲波振幅隨時間的衰減系數(shù)，通過聲學(xué)測試系統(tǒng)獲得；為聲波頻率；E為巖石彈性模量；為巖石粘性系數(shù)。

（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(jìn)行分析，并通過下式得到等效模量。

（5）利用等效模量根據(jù)虎克定律計(jì)算各地應(yīng)力大小與方向。