一种粘弹性应变测现场地应力的测试装置和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石油钻采工程技术，特别涉及一种粘弹性应变测现场地应力的测 试装置和测量方法。
【背景技术】
[0002] 在石油钻采工程中越来越需要有关原地应力状态的数据，比如钻井过程中井眼的 稳定问题；地层破裂压力预测；压裂工程设计；高压注水中的地层破裂问题；断层的滑动及 复活问题；地下管柱外载计算及其抗挤寿命计算问题等等。现有求地应力大小及方向的诸 方法中，都有一定的局限性，因此各有利弊，一般很难以同时准确地求出地应力的方向和大 小。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种粘弹性应变测现场地 应力的测试装置和测量方法，主要是用于测量了解地下某点的水平应力状态，包括主应力 的大小与方向。
[0004] 本发明提到的一种粘弹性应变测现场地应力的测试装置，包括扫描多级速度加载 系统（A )、激光扫描系统（B )、岩心夹持系统（C )、数据采集系统（D )、计算机后处理系统（E ) 和声波测试系统（17)，其中岩心夹持系统（C)上方套有激光扫描系统（B)，实现岩石外表形 变的数据测量；扫描多级速度加载系统（A)结合激光扫描系统（B)，实现对岩石外表采集数 据的周期性测定；声波测试系统（17)依附于岩心加持系统（C)，并固定于试样的中间位置； 数据采集系统（D)依附于激光扫描系统（B)，实现岩石外表形变的数据测量采集汇总，并传 输至计算机后处理系统（E)予以存储；通过计算机后处理系统（E)计算得到岩石地应力试 验过程中岩石的变形程度，绘制出岩石变形、时间、粘弹性间的相互关系曲线，并予以可视 化显示，计算出现场地应力。
[0005] 上述的扫描多级速度加载系统（A)包括外壳上盖（9 )、多级速度适配器（6 )、传动 臂（5)，其中，外壳上盖（9)通过侧面外壳（2)固定，多级速度适配器（6)和传动臂（5)固定 在外壳上盖（9)上，多级速度适配器（6)通过数据采集系统（D)中的控制传输线（7)与计算 机后处理系统（E)相连。
[0006] 上述的激光扫描系统（B)包括激光旋转支架（1)、圆筒（13)、圆环（14)，两个激光 旋转支架（1)的下部固定在圆环（14)和圆筒（13)上，通过圆环（14)和圆筒（13)与底座固 定在一起，多个激光测距器（11)沿竖直方向等间距排列，所述的激光旋转支架（1)的上方 与传动臂（5)连接，用于稳定激光扫描旋转支架，并使其按传动臂（5)控制旋转；激光测距 器（11)与数据采集系统（D)中的数据传输线（8)相连，将激光测距器的数据传输到计算机 后处理系统（E)。
[0007] 上述的岩心夹持系统（C)包括底座（3)、岩心夹持器（4)和轴向应变测试装置 (18 )，底座（3 )的上侧设有凸起部（16 )，通过纵向卡槽（10 )和横向卡槽（15 )与激光扫描旋 转支架（I)相配合连接，且岩心夹持器（4)固定在底座（3)上；轴向应变侧向系统（18)位于 试讲顶端，主要用于测试试件轴向应变的变化； 上述的声波测试系统（17)包括声波探头和示波器装置，并与岩心加持系统相连，固定 于试样的中间位置。
[0008] 上述的数据采集系统（D)包括数据传输线（8)和控制传输线（7)，并通过数据传输 线（8)和控制传输线（7)分别连接到计算机后处理系统（E)。
[0009] 上述的纵向卡槽（10)设置在凸起部（16)的外侧的底座表面上，横向卡槽（15)设 置在凸起部（16)的上部，通过纵向卡槽（10)与圆筒（13)配合固定，通过横向卡槽与圆环 (14)配合固定，从而将激光扫描旋转支架（1)与底座（3)固定在一起。
[0010] 上述的等间距激光测距器（11)设有五个。
[0011] 本发明提到的一种粘弹性应变测现场地应力的测试装置的测量方法，包括以下步 骤： (1) 将圆柱形标准试样放置于岩心夹持系统（C)内，安放、安装好实验仪器并对扫描多 级速度加载系统（A)、数据采集系统（D)和计算机后处理系统（E)的参数进行设置；其中岩 心夹持系统（C)上方套有的激光扫描系统（B)，实现岩石外表形变的数据测量；扫描多级速 度加载系统（A)结合激光扫描系统（B)，实现对岩石外表采集数据的周期性测定；数据采集 系统（D)依附于激光扫描系统（B)，实现岩石外表形变的数据测量采集汇总，并传输至计算 机后处理系统（E)予以存储；通过计算机后处理系统（E)计算得到岩石地应力试验过程中 岩石的变形程度，绘制出岩石变形、时间、粘弹性间的相互关系曲线，并予以可视化显示，计 算出现场地应力； (2) 通过激光扫描系统（B)配合扫描多级速度加载系统（A)对岩心短时间形变测量，通 过最小二乘法数值拟合获得整个钻孔横截面轮廓的变形，并根据弹性力学公式计算出最大 和最小水平主应力。
[0012] 本发明的有益效果是：本发明粘弹性应变测现场地应力的测量装置的试验结果可 测量现场应变地应力，操作简单，结果可靠，并可直观可视化显示结果；另外，本发明的试验 结果可为地应力的测量提供重要的试验技术支持。
【附图说明】
[0013] 附图1是本发明的整体结构示意图； 附图2是本发明的各部件的解刨说明图； 附图3是本发明的扫描器旋转支架部件结构示意图； 上图中：扫描多级速度加载系统A、激光扫描系统B、岩心夹持系统C、数据采集系统D、 计算机后处理系统E ;激光扫描旋转支架1、侧面外壳2、底座3、岩心夹持器4、传动臂5、多 级速度适配器6、控制传输线7、数据传输线8、外壳上盖9、扫描旋转支架卡槽10、激光测距 器11、计算机12、圆筒13、圆环14、横向卡槽15、凸起部16、声波测试系统17,轴向位移计 18。
【具体实施方式】
[0014] 参照附图1-3,本发明提到的一种粘弹性应变测现场地应力的测试装置，包括扫描 多级速度加载系统A、激光扫描系统B、岩心夹持系统C、数据采集系统D、计算机后处理系统 E，其中岩心夹持系统C上方套有激光扫描系统B，实现岩石外表形变的数据测量；扫描多级 速度加载系统A结合激光扫描系统B，实现对岩石外表采集数据的周期性测定；数据采集系 统D依附于激光扫描系统B，实现岩石外表形变的数据测量采集汇总，并传输至计算机后处 理系统E予以存储；通过计算机后处理系统E计算得到岩石地应力试验过程中岩石的变形 程度，绘制出岩石变形、时间、粘弹性间的相互关系曲线，并予以可视化显示，计算出现场地 应力。
[0015] 其中，扫描多级速度加载系统A包括外壳上盖9、多级速度适配器6、传动臂5,其 中，外壳上盖9通过侧面外壳2固定，多级速度适配器6和传动臂5固定在外壳上盖9上， 多级速度适配器6通过数据采集系统D中的控制传输线7与计算机后处理系统E相连。
[0016] 另外，激光扫描系统B包括激光旋转支架1、圆筒13、圆环14,两个激光旋转支架1 的下部固定在圆环14和圆筒13上，通过圆环14和圆筒13与底座固定在一起，多个激光测 距器11沿竖直方向等间距排列，所述的激光旋转支架1的上方与传动臂5连接，用于稳定 激光扫描旋转支架，并使其按传动臂5控制旋转；激光测距器11与数据采集系统D中的数 据传输线8相连，将激光测距器的数据传输到计算机后处理系统E。
[0017] 另外，岩心夹持系统C包括底座3、岩心夹持器4,底座3的上侧设有凸起部16,通 过纵向卡槽10和横向卡槽15与激光扫描旋转支架1相配合连接，且岩心夹持器4固定在 底座3上，所述的岩心夹持器4靠近岩心试样的位置包裹弹性橡胶。
[0018] 数据采集系统