一種采用巖屑檢測(cè)巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、土木工程、巖石(土)力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，具體的講涉及一種采用巖肩檢測(cè)巖石力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在油氣鉆井工程中，地層巖石的力學(xué)性質(zhì)是所必需的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取鉆遇地層巖石的力學(xué)性質(zhì)是非常重要的工作。
[0003]傳統(tǒng)的獲取地層巖石力學(xué)參數(shù)的方法是取心實(shí)驗(yàn)法和測(cè)井資料預(yù)測(cè)法。取心實(shí)驗(yàn)法是將地層的實(shí)鉆巖心成塊取出，然后再加工成所需巖樣進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，該方法的難度大、成本高、周期長(zhǎng)，且不能及時(shí)獲取地層巖石的力學(xué)參數(shù)。測(cè)井資料預(yù)測(cè)法，是一種間接測(cè)試方法，其通過(guò)測(cè)井儀器測(cè)得地層巖石的聲波反射曲線，然后再推算出地層巖石的力學(xué)參數(shù)。測(cè)井資料預(yù)測(cè)法分完鉆測(cè)井和隨鉆測(cè)井。完鉆測(cè)井只能在鉆井完成之后進(jìn)行，不能及時(shí)獲取地層巖石力學(xué)性質(zhì)；且為間接測(cè)試，需進(jìn)行測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋，解釋后所獲得的力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確度不高。隨鉆測(cè)井是在鉆井過(guò)程中進(jìn)行同步測(cè)試，由于是間接測(cè)試，其也需要對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算解釋；且受鉆井過(guò)程鉆進(jìn)作業(yè)的影響，地層參數(shù)數(shù)據(jù)誤差大，準(zhǔn)確度低，成本高，且井底的測(cè)試工具有安全隱患，易帶來(lái)井下事故。
[0004]油氣鉆井的現(xiàn)場(chǎng)，在鉆井過(guò)程中，巖石經(jīng)破巖工具(鉆頭)破碎后形成巖肩通過(guò)鉆井液攜帶上返到地面。巖肩是人們能直接獲得的地層巖石的另一種形態(tài)，巖肩本身帶有所在地層巖石的相應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)，通過(guò)檢測(cè)巖肩的巖石力學(xué)性質(zhì)來(lái)反映其所在地層巖石的力學(xué)性質(zhì)是可行的。人們有采用單顆巖肩進(jìn)行測(cè)試巖肩物理力學(xué)性質(zhì)的嘗試，比如:微硬度、塑性系數(shù)、巖肩波速等。但由于各單個(gè)巖肩粒度不一，巖肩內(nèi)微缺陷(微裂紋等)的存在，致使測(cè)試結(jié)果離散性大，不能準(zhǔn)確地反映地層巖石的力學(xué)性質(zhì)。單顆巖肩測(cè)試方法至今均未能成功應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于:避免現(xiàn)有技術(shù)的弊端，提供一種采用巖肩檢測(cè)巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)試方法，利用群體巖肩的集體作用來(lái)反映地層巖石力學(xué)性質(zhì)，通過(guò)獲得群體巖肩強(qiáng)度(壓力、壓縮量數(shù)據(jù))為后續(xù)評(píng)價(jià)巖石力學(xué)性質(zhì)乃至獲得力學(xué)參數(shù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考。
[0006]本發(fā)明目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]—種采用巖肩檢測(cè)巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)試方法，包括測(cè)試裝置，該測(cè)試裝置包括內(nèi)部具有上下貫通的圓柱體腔體的巖肩筒，能在所述巖肩筒腔體內(nèi)沿腔體上下活動(dòng)的壓桿，與所述巖肩筒可拆卸連接并封堵其腔體下部開口的底座，所述壓桿前端與巖肩筒之間的配合為間隙配合，巖肩筒的筒深Η與巖肩筒的內(nèi)徑d的比值范圍為2?5，巖肩筒的壁厚與內(nèi)徑d的比值范圍為0.3?2 ;該測(cè)試方法以群體巖肩作為測(cè)試對(duì)象，將一定量的巖肩放置在所述測(cè)試裝置的巖肩筒的腔體內(nèi)，腔體內(nèi)巖肩的初始高度h不小于巖肩筒筒深Η的三分之一，不高于筒深Η的三分之二，通過(guò)加壓裝置對(duì)壓桿施加壓力逐漸壓縮巖肩筒內(nèi)的巖肩，同時(shí)記錄采集加壓過(guò)程中的壓力和被壓巖肩的壓縮量，加壓時(shí)的加載速度為0.3?2MPa/s。
[0008]作為選擇，壓縮測(cè)試終止前，巖肩密度至少壓縮至巖肩對(duì)應(yīng)原始巖石的密度的90%以上。
[0009]作為進(jìn)一步選擇，壓縮測(cè)試終止前，巖肩密度壓縮至巖肩對(duì)應(yīng)原始巖石的密度的103%?120%之間，同時(shí)記錄采集該區(qū)間加壓過(guò)程中的壓力和被壓巖肩的壓縮量。
[0010]作為進(jìn)一步選擇，壓縮測(cè)試終止前，巖肩密度壓縮至巖肩對(duì)應(yīng)原始巖石的密度的105%?110%之間，同時(shí)記錄采集該區(qū)間加壓過(guò)程中的壓力和被壓巖肩的壓縮量。
[0011]現(xiàn)有的巖肩法均采用單顆巖肩進(jìn)行硬度、塑性系數(shù)等相關(guān)巖石力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試。由于選用單顆巖肩作為測(cè)試對(duì)象，在選取巖肩方面，巖肩的粒度大小會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，然而鉆井現(xiàn)場(chǎng)從井底上返的巖肩粒度大小差異很大，要挑選合適的粒度非常耗時(shí)；巖肩的挑選是靠人工選擇的，由于人的主觀性，不同的人選擇的巖肩也會(huì)不同，這就使得測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)比較離散，差異性較大。巖肩是巖石經(jīng)過(guò)破碎工具(鉆頭)破碎后形成的，其內(nèi)部必定存在損傷(微裂紋)，由于各單顆巖肩的內(nèi)部損傷(微裂紋)不同，所測(cè)得的單顆巖肩的力學(xué)性質(zhì)存在極大差異性，結(jié)果不準(zhǔn)確?？傊F(xiàn)有的巖肩法由于粒度大小不一、內(nèi)部缺陷等因素，致使測(cè)試過(guò)程耗時(shí)，測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確，不能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映地層巖石力學(xué)性質(zhì)。
[0012]本發(fā)明人研究認(rèn)為:巖肩本身是由地層巖石破碎所形成的，其必定具有原地層巖石的力學(xué)性質(zhì)，因此采用巖肩作為測(cè)試研究對(duì)象來(lái)獲取地層相關(guān)參數(shù)是必然可行的，有其客觀的合理性和科學(xué)性。因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明人創(chuàng)造性地提出群體巖肩測(cè)試方法，以返出的群體巖肩作為測(cè)試對(duì)象。該方法采用一定量的巖肩作為測(cè)試對(duì)象，鉆井現(xiàn)場(chǎng)有大量的巖肩，不必對(duì)巖肩進(jìn)行過(guò)多的篩選，直接取定量的巖肩進(jìn)行測(cè)試，所需時(shí)間大大減少。群體巖肩包含了大量的單顆巖肩，其共同作用可減小各單個(gè)巖肩內(nèi)部損傷(微裂紋)帶來(lái)的隨機(jī)性影響，測(cè)試結(jié)果更穩(wěn)定、更可靠。如圖5所示，為本發(fā)明人研究測(cè)試的三種不同硬度巖石的硬度值與對(duì)應(yīng)巖石巖肩的壓力值之間的關(guān)系曲線。發(fā)明人選了細(xì)砂巖(A)、中砂巖⑶和灰?guī)r(C)三種不同強(qiáng)度的巖石，進(jìn)行硬度測(cè)試，分別得到細(xì)砂巖(A)、中砂巖(B)和灰?guī)r(C)三種巖石的硬度值541.3MPa、1013.4MPa、1523.6MPa。然后采用本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置和方法，對(duì)上述三種巖石的巖肩進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將三種巖石的巖肩壓縮到原始密度后再繼續(xù)壓縮，圖中取了將巖肩壓到原始巖石密度的1.05倍時(shí)的壓力數(shù)據(jù)(為消除壓頭尺寸的影響，便于對(duì)比，所采用的壓力為單位面積壓力)，三種巖肩的密度較原始巖石的密度增加5%時(shí)，壓力分別為10.54MPa、22.71MPa、35.28MPa。從圖5可看出，群體巖肩的強(qiáng)度(壓力、壓縮量)與原巖石的硬度有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且群體巖肩的強(qiáng)度(一定壓縮量下所對(duì)應(yīng)的壓力)隨原巖石的硬度增加而增加，且基本呈線性關(guān)系。因此，本發(fā)明所獲得群體巖肩強(qiáng)度(壓力、壓縮量數(shù)據(jù))能夠?yàn)楹罄m(xù)評(píng)價(jià)巖石力學(xué)性質(zhì)乃至獲得力學(xué)參數(shù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考。
[0013]但是，即使要獲得群體巖肩強(qiáng)度(壓力、壓縮量數(shù)據(jù))也并不是想當(dāng)然的容易，我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，常規(guī)的加壓裝置及其方法均無(wú)法可靠、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地得到壓力、壓縮量數(shù)據(jù)，因此本發(fā)明人提出了本發(fā)明的測(cè)試裝置及其測(cè)試方法，保證了壓力、壓縮量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)重復(fù)性、可靠性和穩(wěn)定性。且發(fā)明人的研究還發(fā)現(xiàn)，在將巖肩密度壓縮至巖肩對(duì)應(yīng)原始巖石的密度的90%以前，得到的數(shù)據(jù)過(guò)于離散，重現(xiàn)性不佳，難以作為評(píng)價(jià)依據(jù)，而當(dāng)巖肩密度壓縮到90%以上時(shí)，則可以得到較佳的數(shù)據(jù)，且進(jìn)一步的優(yōu)選區(qū)間為103%?120%之間，更優(yōu)選105%?110%之間。
[0014]上述方案中，其中，所述壓桿前端與巖肩筒之間采用間隙配合，間隙配合可將施加在壓桿上的力直接傳遞給筒內(nèi)的巖肩，該“間隙配合”是指:壓桿與巖肩筒壁的間隙非常小(間隙尺寸量級(jí)遠(yuǎn)小于巖肩尺寸及巖肩再次壓碎后的巖肩碎末尺寸)，滿足巖肩不會(huì)從間隙中漏出，讓被壓巖肩的受壓面積恒定不變的要求。
[0015]作為選擇，所述巖肩的最大粒度不大于巖肩筒內(nèi)徑d的四分之一。
[0016]上述方案中，若巖肩顆粒過(guò)大，筒徑一定的筒內(nèi)橫向面內(nèi)可放置的巖肩過(guò)少，易導(dǎo)致巖肩筒內(nèi)的巖肩堆積時(shí)出現(xiàn)架空和太大間隙，在加壓時(shí)，位移和壓力會(huì)出現(xiàn)陡變，將增加測(cè)試誤差。因此要選取合適的巖肩粒度，保證巖肩盡可能飽滿地填充筒內(nèi)空間，提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
[0017]作為選擇，所述巖肩筒的內(nèi)徑d的范圍為25?50mm。
[0018]上述方案中，若巖肩筒內(nèi)徑過(guò)小，太接近所測(cè)試的巖肩中較大巖肩的粒度，巖肩筒同一橫向面內(nèi)可放置的巖肩太少，巖肩筒內(nèi)的巖肩堆積易于出現(xiàn)架空和太大間隙，這將增大測(cè)試誤差。若巖肩筒內(nèi)徑過(guò)大，測(cè)試時(shí)所需的巖肩較多，壓桿端面面積較大，測(cè)試所需施加的載荷也較大，對(duì)加載系統(tǒng)的要去也高，其將增加測(cè)試難度和成本。
[0019]作為選擇，所述壓桿前端四分之一至三分之一的長(zhǎng)度與巖肩筒為間隙配合，其余部分小于巖肩筒內(nèi)徑d。
[0020]上述方案中，所述壓桿前端四分之一至三分之一的長(zhǎng)度與巖肩筒為間隙配合是指:間隙配合的區(qū)域是壓桿最前端至壓桿上某一臨界點(diǎn)之間，該臨界點(diǎn)可在壓桿前端四分之一(從壓桿最前端往后方向，占?jí)簵U總長(zhǎng)度四分之一的位置)至三分之一的區(qū)域間進(jìn)行選擇。壓桿的前端部分長(zhǎng)度與巖肩筒為間隙配合，在保證測(cè)試實(shí)驗(yàn)壓桿壓縮巖肩所需的間隙配合的同時(shí)，能減少壓桿外壁與巖肩內(nèi)筒壁之間的接觸面積和摩擦，提高實(shí)驗(yàn)實(shí)際加載載荷的準(zhǔn)確度，同時(shí)也簡(jiǎn)化了壓桿的加工工藝。
[0021]作為進(jìn)一步選擇，所述壓桿前端四分之一至三分之一的長(zhǎng)度與巖肩筒為間隙配合，其余部分小于巖肩筒