一种基于岩石波速各向异性确定地应力方向的测量装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于岩石波速各向异性确定地应力方向的测量装置及方法。该装置包括：底座、支柱、顶板、旋转台、同步旋转台、压力杆、声波装置以及多个手轮。通过旋转不同手轮分别可以控制旋转台带动岩心360度旋转、声波装置上下移动、声波装置与岩心施加压力大小，从而精确测量岩心各个方向不同高度上的声波数据。声波装置可更换不同弧度接触板，适合不同尺寸大小岩心的测量，扩大了测量装置的适用范围。本发明结构合理，操作简便，并且提高了基于岩石波速各向异性确定地应力方向的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石力学试验装置及方法，特别涉及一种基于岩石波速各向异性确定地应力方向的测量装置及方法。

背景技术

油气勘探开发的众多问题与地应力有关，如油气运移，钻井过程中的井壁稳定、采油过程中的出砂、注水开发时井网布置以及盐岩层损坏问题。其中，在测量地应力过程中，地应力方向的确定至关重要。一般常用的方法是：在差应变分析法的理论基础上，以古地磁岩心定向技术为基础，通过岩石波速各向异性分布特征，最终确定地应力方向。

目前，测量岩石波速各向异性的装置存在很多问题，操作不够简便，岩心各方位测量需要通过不断拆卸装置来达到旋转岩心的目的。同时，声波传感器与岩心之间接触的紧密程度影响声波在岩石中的传播速度，操作过程中外部施加压力大小的不稳定性将导致实验测得的波速不同，从而形成较大的操作误差。例如，申请号为201510288082.9的发明专利公布的一种圆柱体岩心地应力大小测试的实验装置及方法，需拆卸旋转岩心，并且只能应用于特定尺寸的岩心；申请号为201520036239.4的实用新型专利公布的全直径岩心波速各向异性试验装置，不能精确控制声波传感器与岩心之间的应力大小和两个声波传感器相应位置。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于岩石波速各向异性确定地应力方向的测量装置及方法，其结构合理、操作简便、精确度高。

本发明提到的一种基于岩石波速各向异性确定地应力方向的测量装置，其技术方案是：包括底座（46）、支柱Ⅰ（2）、支柱Ⅱ（11）、顶板（10）、旋转台（19）、同步旋转台（12）、压力杆（8）、声波发射装置（3）、声波接收装置（14），所述旋转台（19）安装在底座（46）中央，可用于固定岩心（13）并带动其旋转；所述顶板（10）通过螺母Ⅰ（1）和螺母Ⅱ（9）分别固定在支柱Ⅰ（2）和支柱Ⅱ（11）的上部，可用于支撑压力杆（8）；压力杆（8）将岩心（13）固定在旋转台（19）和同步旋转台（12）之间；手轮Ⅴ（18）安装在底座（46）上，用于控制旋转台（19）并带动岩心（13）实现360度旋转；所述声波发射装置（3）安装在支柱Ⅰ（2）上，用于发射声波信号；所述声波接收装置（14）安装在支架Ⅱ（2）上，用于接收声波信号；所述手轮Ⅱ（6）安装在声波发射装置（3）上，用于控制声波发射装置（3）上下移动；所述手轮Ⅰ（5）安装在声波发射装置（3）上，用于给声波发射装置（3）及岩心（13）施加压力；所述手轮Ⅲ（15）安装在声波接收装置（14）上，用于控制声波接收装置（3）上下移动；所述手轮Ⅳ（30）安装在声波接收装置（14）上，用于给声波接收装置（14）及岩心（13）施加压力；所述声波传感器Ⅰ（3）通过数据线Ⅰ（40）与声波测试仪（43）连接，由计算机（45）显示声波数据；所述声波传感器Ⅱ（14）通过数据线Ⅱ（39）与声波测试仪（43）连接，由计算机（45）显示声波数据；所述载荷传感器Ⅰ（7）通过数据线Ⅲ（41）与载荷测试仪（44）连接，由计算机（45）显示应力大小；所述载荷传感器Ⅱ（17）通过数据线Ⅳ（42）与载荷测试仪（44）连接，由计算机（45）显示应力大小。

上述的支柱Ⅰ（2）和支柱Ⅱ（11）标记有刻度尺，手轮Ⅱ（6）和手轮Ⅲ（15）可分别精确调整声波发射装置（3）和声波接受装置（14）的高度。

上述旋转台（19）和底座（46）标记有刻度盘（17），手轮（18）可精确调整旋转台（19）带动岩心（13）旋转的角度。

上述的手轮Ⅲ（15）和弹簧Ⅰ（21）用于给声波接收装置（3）及岩心（13）施加压力，并通过数据线Ⅳ（42）与载荷测试仪（44）连接，由计算机（45）显示应力大小。

上述的声波接收装置（14）可通过螺孔Ⅰ（24）、螺孔Ⅲ（26）、螺孔Ⅱ（37）更换不同弧度的接触板（25）。

上述的声波传感器（16）通过弹簧Ⅱ（28）与接触板（25）接触。

本发明提到的基于岩石波速各向异性确定地应力方向的测量装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）、准备岩心（13），沿岩心（13）轴线方向标记上标志线，记为0度；

（2）、将声波发射装置（3）、声波接收装置（14）分别安装在支柱Ⅰ（2）和支柱Ⅱ（11）上；

（3）、顶板（10）安装在支柱Ⅰ（2）、支柱Ⅱ（11）上，并用螺母Ⅰ、螺母Ⅱ固定；

（4）、将岩心（13）放置在旋转台（19）和同步旋转台（12）之间，使得标志线与刻度盘（32）上90度方向对应，旋转压力杆（8）固定岩心（13）；

（5）、旋转手轮（5）和手轮Ⅳ（30），分别调节声波发射装置（3）、声波接收装置（14）在同一高度；

（6）、旋转手轮Ⅱ（6）和手轮Ⅲ（15），分别给声波发射装置（3）、声波接收装置（14）施加压力，并观察计算机（45）所显示的压力大小，保证两侧压力相等；

（7）、打开声波测试仪（43），记录当前测量数据；

（8）、旋转手轮（18），控制岩心（13）实现360度旋转，记录每一旋转角度对应的测量数据；

（9）、通过测量数据，绘制声波波速随岩心旋转角度变化曲线，得到最小波速方向与标志线的夹角，即最大地应力方向与标志线的夹角；如果岩心为非定向岩心，此时测定的地应力方向为地应力相对岩心的方向，为了确定地下岩石的原始地应力方向，需对岩心进行古地磁定向。

本发明的有益效果是：

（1）、旋转手轮可以控制旋转台带动岩心360度旋转，从而精确测量岩心各个方向上的声波数据；

（2）、旋转手轮控制声波装置上下移动，从而精确测量岩心不同高度上的声波数据；

（3）、旋转手轮控制声波装置与岩心的压力大小，避免了压力不固定所造成的测量误差；

（4）、声波装置可更换不同弧度接触板，适合不同尺寸大小岩心的测量，扩大了测量装置的适用范围；

（5）、通过弹簧使声发射传感器与接触板接触，既保证了声波传感器与接触板的良好接触，又确保声波传感器不会过度受压而损伤。

附图说明

图1是本发明的测量装置结构示意图；

图2是本发明的测量装置底座俯视图；

图3是本发明的测量装置顶板俯视图；

图4是本发明的测量声波接收装置水平剖面图；

图5是本发明的测量声波接收装置左视图；

图6是本发明测得的声波波速随岩心旋转角度变化曲线图；

上图中，1、螺母Ⅰ，2、支柱Ⅰ，3、声波发射装置，4、声波传感器Ⅰ，5、手轮Ⅰ，6、手轮Ⅱ，7、载荷传感器Ⅰ，8、压力杆，9、螺母Ⅱ，10、顶板，11、支柱Ⅱ，12、同步旋转台，13、岩心，14、声波接受装置，15手轮Ⅲ，16、声波传感器Ⅱ，17、载荷传感器Ⅱ，18手轮Ⅴ，19、旋转台，20、声波装置外部件，21、弹簧Ⅰ，22、密封环，23、声波装置内部件，24、螺孔Ⅰ，25、接触板，26、螺孔Ⅲ，27、支柱孔Ⅲ，28、弹簧Ⅱ，29、螺孔Ⅵ，30、手轮Ⅳ，31、螺孔Ⅳ，32、刻度盘，33、支柱孔Ⅰ，34、螺纹Ⅷ，35、支柱孔Ⅱ，36、螺孔Ⅴ，37、螺孔Ⅱ，38、螺孔Ⅶ，39、数据线Ⅱ，40数据线Ⅰ，41、数据线Ⅲ，42、数据线Ⅳ，43、声波测试仪，44、载荷测试仪，45、计算机，46、底座。

具体实施方式

结合附图，对本发明作进一步的描述：

如图1所示，本发明的提供的一种基于岩石波速各向异性确定地应力方向的测量装置，包括：底座46、支柱Ⅰ2、支柱Ⅱ11、顶板10、旋转台19、同步旋转台12、压力杆8、声波发射装置3、声波接收装置14。

上述旋转台19安装在底座46中央，可用于固定岩心13并带动其旋转；所述顶板10通过螺母Ⅰ1和螺母Ⅱ9分别固定在支柱Ⅰ2和支柱Ⅱ11的合适位置，可用于支撑压力杆8；压力杆8可将岩心13固定在旋转台19和同步旋转台12之间；手轮Ⅴ18安装在底座46上，用于控制旋转台19并带动岩心13实现360度旋转；所述声波发射装置3安装在支柱Ⅰ2上，用于发射声波信号；所述声波接收装置14安装在支架Ⅱ2上，用于接收声波信号；所述手轮Ⅱ6安装在声波发射装置3上，用于控制声波发射装置3上下移动；所述手轮Ⅰ5安装在声波发射装置3上，用于给声波发射装置3及岩心13施加压力；所述手轮Ⅲ15安装在声波接收装置14上，用于控制声波接收装置3上下移动；所述手轮Ⅳ30安装在声波接收装置14上，用于给声波接收装置14及岩心13施加压力；所述声波传感器Ⅰ3通过数据线Ⅰ40与声波测试仪43连接，由计算机45显示声波数据；所述声波传感器Ⅱ14通过数据线Ⅱ39与声波测试仪43连接，由计算机45显示声波数据；所述载荷传感器Ⅰ7通过数据线Ⅲ41与载荷测试仪44连接，由计算机45显示应力大小；所述载荷传感器Ⅱ17通过数据线Ⅳ42与载荷测试仪44连接，由计算机45显示应力大小。

上述支柱Ⅰ2和支柱Ⅱ11标记有刻度尺，手轮Ⅱ6和手轮Ⅲ15可分别精确调整声波发射装置3和声波接受装置14的高度，保证声发射传感器Ⅰ5和声波传感器Ⅱ16在同一高度，从而精确测量岩心13不同高度上的声波数据。

如图2所示，本发明的底座装置，包括：底座46、支柱Ⅰ2、支柱Ⅱ11、手轮Ⅴ18、旋转台19、刻度盘32，所述旋转台19和底座46均标记有刻度盘17，手轮18可精确调整旋转台19带动岩心13旋转的角度，从而精确测量岩心13各个方向上的声波数据。

如图3所示，本发明的顶板装置，包括：顶板10、支柱孔Ⅰ33、螺纹Ⅷ34、支柱孔Ⅱ35，所述支柱Ⅰ2和支柱Ⅱ11分别穿过支柱孔Ⅰ33和支柱孔Ⅱ35，并通过螺母Ⅰ1和螺母Ⅱ9固定；所述压力杆8通过螺母Ⅷ34安装在顶板上，将岩心13固定在旋转台19和同步旋转台12之间。

如图4、5所示，本发明的声波接收装置14，包括声波传感器Ⅱ16、载荷传感器Ⅱ17、声波装置外部件20、弹簧Ⅰ21、声波装置内部件23、密封环22、接触板25、弹簧Ⅱ28、手轮Ⅲ15、手轮Ⅳ30。本发明的声波发射装置3和声波接受装置14内部结构一样。

所述手轮Ⅲ15和弹簧Ⅰ21用于给声波接收装置3及岩心13施加压力，并通过数据线Ⅳ42与载荷测试仪44连接，由计算机45显示应力大小，确保了声波接收装置14和岩心13之间作用力的稳定性，避免了压力不稳定所造成的测量误差。

所述声波接收装置14可通过螺孔Ⅰ24、螺孔Ⅲ26、螺孔Ⅱ37更换不同弧度的接触板25，从而满足不同尺寸的岩心13的要求，扩大了测量装置的适用范围。

所述声波传感器16通过弹簧Ⅱ28与接触板25接触，既保证了声波传感器16与接触板25的良好接触，又确保声波传感器16不会过度受压而损伤。

如图6所示，本发明测得的声波波速随岩心旋转角度变化曲线图，其横坐标为与标志线夹角，纵坐标为声波波速，最小波速方向与标志线的夹角，即最大地应力方向与标志线的夹角。其测量步骤为：测量前，沿岩心13轴线方向标记上标志线，记为0度。通过360度旋转岩心13，利用声波传感器Ⅰ3和声波传感器Ⅱ14测量各个方位不同高度的岩心声波数据，通过数据线Ⅰ40和数据线Ⅱ39连接声波测试仪43，在计算机45显示声波波速随岩心测试角度的测量数据。通过测量数据，绘制声波波速随岩心旋转角度变化曲线，如果岩心为非定向岩心，此时测定的地应力方向为地应力相对岩心的方向，为了确定地下岩石的原始地应力方向，需对岩心进行古地磁定向。

本发明提到的基于岩石波速各向异性确定地应力方向的测量装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）、准备岩心（13），沿岩心（13）轴线方向标记上标志线，记为0度；

（2）、将声波发射装置（3）、声波接收装置（14）分别安装在支柱Ⅰ（2）和支柱Ⅱ（11）上；

（3）、顶板（10）安装在支柱Ⅰ（2）、支柱Ⅱ（11）上，并用螺母Ⅰ、螺母Ⅱ固定；

（4）、将岩心（13）放置在旋转台（19）和同步旋转台（12）之间，使得标志线与刻度盘（32）上90度方向对应，旋转压力杆（8）固定岩心（13）；

（5）、旋转手轮（5）和手轮Ⅳ（30），分别调节声波发射装置（3）、声波接收装置（14）在同一高度；

（6）、旋转手轮Ⅱ（6）和手轮Ⅲ（15），分别给声波发射装置（3）、声波接收装置（14）施加压力，并观察计算机（45）所显示的压力大小，保证两侧压力相等；

（7）、打开声波测试仪（43），记录当前测量数据；

（8）、旋转手轮（18），控制岩心（13）实现360度旋转，记录每一旋转角度对应的测量数据；

（9）、通过测量数据，绘制声波波速随岩心旋转角度变化曲线，得到最小波速方向与标志线的夹角，即最大地应力方向与标志线的夹角；如果岩心为非定向岩心，此时测定的地应力方向为地应力相对岩心的方向，为了确定地下岩石的原始地应力方向，需对岩心进行古地磁定向。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。