專利名稱：利用三軸巖石試驗機(jī)測試巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測試方法，具體是指一種利用三軸巖石試驗機(jī)測試巖石內(nèi)聚力和 內(nèi)摩擦角的方法。
背景技術(shù)：
自從1932年美國在加利福尼亞州洛杉磯MontebelIo油田首次使用射孔方式完井 以來，采用射孔完井技術(shù)已有70多年的歷史了。射孔完井的出現(xiàn)成功地解決了油氣儲集地 層與井筒之間缺乏有效的液流通道這一難題。在50年代初首次用電模擬方法研究了負(fù)壓 射孔對油氣井產(chǎn)能的影響，并推廣應(yīng)用了過油管負(fù)壓射孔技術(shù)，由于受當(dāng)時所假設(shè)條件的 限制，早期的電模擬結(jié)果誤差較大、實用性差。60年代隨著射孔器和射孔理論的發(fā)展，根據(jù) 現(xiàn)場經(jīng)驗提出了一些負(fù)壓射孔標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗公式。這些經(jīng)驗方法都只是根據(jù)滲透率、聲波時 差或毛管壓力等單一的因素來確定負(fù)壓值，其負(fù)壓計算難以與巖石力學(xué)性質(zhì)和流體特性發(fā) 生聯(lián)系，也不能反映射孔彈尺寸、類型等因素的影響。70年代研究人員開始用數(shù)字模擬和有 限元法研究射孔負(fù)壓差對油氣井產(chǎn)能的影響。1974年J. A. Klotz等人首先將有限元方法引 入孔眼接近于實際的圓形孔眼的射孔井進(jìn)行產(chǎn)能研究，但他將真實的三維流動簡化成了二 維流動，無法考慮相位、孔密、射孔方式對射孔負(fù)壓差的影響。以上的研究者們都沒有考慮射孔壓實損害的影響，其射孔模型不夠精確。Allen和 Atterbury的實驗研究表明，在射孔過程中由于射孔彈對巖石的沖擊、積壓作用，會在孔眼 周圍形成一個低滲透區(qū)，即射孔壓實損害帶；Bell等在小直徑巖心靶上進(jìn)行了實驗研究， 試驗結(jié)果表明，射孔壓實損害帶的滲透率大約為巖心原始滲透率的10% 20%，壓實帶厚 度大約為0. 5in，這個壓實損害帶對負(fù)壓差有很重要的影響。80年代，為了進(jìn)一步準(zhǔn)確地描述射孔完井的真實情況，Klotz第一次使用了有 限元方法來求解射孔完井?dāng)?shù)學(xué)模型，他考慮了污染和射孔壓實損害的影響。1985年， S. M. Tariq和M. J. Ichara等人將有限元方法擴(kuò)大到非均質(zhì)、頁巖夾層和天然裂縫中射孔的 研究。研究結(jié)果表明，常見的非均勻地層特征強(qiáng)烈影響射孔完井效率，造成油井產(chǎn)率發(fā)生顯
著變化。進(jìn)入90年代后研究人員重點利用巖石參數(shù)、地層流體性質(zhì)參數(shù)和孔眼的壓實參 數(shù)等來研究不會引起孔眼出砂的最大射孔負(fù)壓差。儲層巖石力學(xué)性質(zhì)對射孔負(fù)壓設(shè)計是至 關(guān)重要的，特別是在最大無砂負(fù)壓設(shè)計時巖石力學(xué)參數(shù)對于確定孔眼的穩(wěn)定性是必不可少 的。巖石在外荷載作用下，首先產(chǎn)生變形，隨著荷載的不斷增加，變形也不斷增加，當(dāng) 荷載達(dá)到或超過某一限度時，將導(dǎo)致巖石發(fā)生某種形式的破壞。也就是卸載時巖石不會恢 復(fù)到原來的狀態(tài)。用于表征巖石破壞條件的應(yīng)力一應(yīng)變函數(shù)即為破壞判據(jù)或強(qiáng)度準(zhǔn)則?；?于對巖石破壞機(jī)理的認(rèn)識不同，提出了各種不同的破壞準(zhǔn)則，巖石破壞準(zhǔn)則的建立與選用， 應(yīng)反映實際巖石的破壞機(jī)制。石油工程中研究的巖石力學(xué)性質(zhì)包括巖石的彈性性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)。巖石的彈性是指在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，物體受外力作用產(chǎn)生變形，而去除外力后能夠立即恢復(fù)其原有的 形狀和尺寸大小的性質(zhì)，其產(chǎn)生的變形稱為彈性變形，一般把具有彈性性質(zhì)的物質(zhì)稱為彈 性介質(zhì)。彈性按其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系又可分為兩種類型應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系的線彈性，以及 應(yīng)力應(yīng)變呈非直線的非線性彈性。巖石的強(qiáng)度是指巖石試件在載荷作用下開始破壞時承受 的最大應(yīng)力，它反映了巖石承受各種載荷的性質(zhì)以及巖石抵抗破壞的能力。巖石的強(qiáng)度參 數(shù)一般包括2種(1)抗壓強(qiáng)度，是指巖石在單軸壓力作用下達(dá)到破壞的極限強(qiáng)度，在數(shù)值上等于破 壞時的最大壓應(yīng)力。(2)抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度是指巖石抵抗剪切破壞的能力，是巖石力學(xué)需要研究的巖 石最重要特性之一，比抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度更有意義。巖石的抗剪強(qiáng)度可用內(nèi)聚力和內(nèi)摩 擦角表示，內(nèi)聚力是指由分子引力引起的物體中相同組成的各部分傾向于聚合在一起的一 種力，又叫粘聚力或凝聚力，對于巖石，內(nèi)聚力主要是由于巖石中相鄰礦物顆粒表面上的分 子相互直接吸引而成；內(nèi)摩擦角是指巖石破壞時極限平衡剪切面上的正應(yīng)力和內(nèi)摩擦力形 成的合力與該正應(yīng)力之間的夾角，內(nèi)摩擦角反映了巖石內(nèi)摩擦力的大小，內(nèi)摩擦角越大，內(nèi) 摩擦力越大，所以它是反映巖石破壞時力學(xué)特性的重要指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提供一種利用三軸巖石試驗機(jī)測 試巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的方法，該利用三軸巖石試驗機(jī)測試巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的方 法操作簡單，測試成本低，能快速、準(zhǔn)確的測出巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種利用三軸巖石試驗機(jī)測試巖石內(nèi)聚力 和內(nèi)摩擦角的方法，包括以下步驟(a)在三軸巖石試驗機(jī)的圍壓缸中心位置裝入巖石試樣，蓋上圍壓缸蓋并保證圍 壓缸可靠密封。(b)通過試壓泵向三軸巖石試驗機(jī)的圍壓缸注入油介質(zhì)，并排出圍壓缸內(nèi)剩余空 氣，關(guān)閉排氣孔。(c)通過壓力泵繼續(xù)向三軸巖石試驗機(jī)的圍壓缸注油加壓，直到達(dá)到給定圍壓值。(d)逐級施加軸向壓力，直至達(dá)到有應(yīng)變值時記錄初讀數(shù)。(e)保持軸向壓力增量為較小的定值逐漸加壓，定增量值記錄軸向壓力值和巖樣 變形量值。(f)將試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并畫出σ-ε曲線。(g)根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線測得彈性模量E和泊松比μ。(h)重復(fù)上述步驟，對多個相同的巖樣進(jìn)行不同圍壓的壓力破壞測試，可得到多組 數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可繪出多個破壞應(yīng)力圓，通過繪制這些應(yīng)力圓的包絡(luò)線可得出巖石的 抗剪強(qiáng)度曲線，即可得到巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。上述步驟(b)中試壓泵的排量為500L/min，步驟(c)中壓力泵的排量為800L/
mirio綜上所述，本發(fā)明的有益效果是操作簡單，測試成本低，能快速、準(zhǔn)確的測出巖石 內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于 此。實施例本發(fā)明涉及到一種利用三軸巖石試驗機(jī)測試巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的方法，包括 以下步驟(a)在三軸巖石試驗機(jī)的圍壓缸中心位置裝入巖石試樣，蓋上圍壓缸蓋并保證圍 壓缸可靠密封。(b)通過試壓泵向三軸巖石試驗機(jī)的圍壓缸注入油介質(zhì)，并排出圍壓缸內(nèi)剩余空 氣，關(guān)閉排氣孔。(c)通過壓力泵繼續(xù)向三軸巖石試驗機(jī)的圍壓缸注油加壓，直到達(dá)到給定圍壓值。(d)逐級施加軸向壓力，直至達(dá)到有應(yīng)變值時記錄初讀數(shù)。(e)保持軸向壓力增量為較小的定值逐漸加壓，定增量值記錄軸向壓力值和巖樣 變形量值。(f)將試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并畫出σ-ε曲線。(g)根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線測得彈性模量E和泊松比μ。(h)重復(fù)上述步驟，對多個相同的巖樣進(jìn)行不同圍壓的壓力破壞測試，可得到多組 數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可繪出多個破壞應(yīng)力圓，通過繪制這些應(yīng)力圓的包絡(luò)線可得出巖石的 抗剪強(qiáng)度曲線，即可得到巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。求巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的具體作法是，先對試件施加側(cè)向壓力，即最小主應(yīng) 力，然后逐漸增大垂向應(yīng)力，直至破壞，得到破壞的最大主應(yīng)力，進(jìn)而得到一個破壞時的應(yīng) 力圓；然后再采用相同的巖樣，改變側(cè)向壓力，施加垂直壓力直至破壞，得到與之對應(yīng)的最 大主應(yīng)力，進(jìn)而又得到另一個破壞應(yīng)力圓。重復(fù)上述過程可以得到多個破壞應(yīng)力圓，繪制這 些應(yīng)力圓的包絡(luò)線，即可得到巖石的抗剪強(qiáng)度曲線。如果把它近似看作是一根直線，則該線 在縱軸上的截距即為巖石的內(nèi)聚力，該線與橫軸的夾角即為巖石的內(nèi)摩擦角。
權(quán)利要求
1.利用三軸巖石試驗機(jī)測試巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)在三軸巖石試驗機(jī)的圍壓缸中心位置裝入巖石試樣，蓋上圍壓缸蓋并保證圍壓缸 可靠密封。(b)通過試壓泵向三軸巖石試驗機(jī)的圍壓缸注入油介質(zhì)，并排出圍壓缸內(nèi)剩余空氣，關(guān) 閉排氣孔。(c)通過壓力泵繼續(xù)向三軸巖石試驗機(jī)的圍壓缸注油加壓，直到達(dá)到給定圍壓值。(d)逐級施加軸向壓力，直至達(dá)到有應(yīng)變值時記錄初讀數(shù)。(e)保持軸向壓力增量為較小的定值逐漸加壓，定增量值記錄軸向壓力值和巖樣變形量值。(f)將試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并畫出《-ε曲線。(g)根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線測得彈性模量E和泊松比μ。(h)重復(fù)上述步驟，對多個相同的巖樣進(jìn)行不同圍壓的壓力破壞測試，可得到多組數(shù) 據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可繪出多個破壞應(yīng)力圓，通過繪制這些應(yīng)力圓的包絡(luò)線可得出巖石的抗 剪強(qiáng)度曲線，即可得到巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用三軸巖石試驗機(jī)測試巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的方法，其 特征在于，所述步驟(b)中試壓泵的排量為500L/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用三軸巖石試驗機(jī)測試巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的方法，其 特征在于，所述步驟(c)中壓力泵的排量為800L/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用三軸巖石試驗機(jī)測試巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的方法。該方法包括密封、排空、施壓讀取壓力值和巖樣變形量值、數(shù)據(jù)整理畫出σ-ε曲線、測出彈性模量E和泊松比μ、重復(fù)操作測出多組數(shù)據(jù)、根據(jù)多組數(shù)據(jù)畫出破壞應(yīng)力圓、根據(jù)破壞應(yīng)力圓得到巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。本發(fā)明操作簡單，測試成本低，能快速、準(zhǔn)確的測出巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。
文檔編號G01N3/24GK102095646SQ20091021673
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者黃友華 申請人:武侯區(qū)巔峰機(jī)電科技研發(fā)中心