一種采用群體巖屑檢測巖石力學參數(shù)的測試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、土木工程、巖石(土)力學相關(guān)領(lǐng)域，具體的講涉及一種采用群體巖肩檢測巖石力學參數(shù)的測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在油氣鉆井工程中，地層巖石的力學性質(zhì)是所必需的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)，及時準確地獲取鉆遇地層巖石的力學性質(zhì)是非常重要的工作。
[0003]傳統(tǒng)的獲取地層巖石力學參數(shù)的方法是取心實驗法和測井資料預測法。取心實驗法是將地層的實鉆巖心成塊取出，然后再加工成所需巖樣進行力學測試，該方法的難度大、成本高、周期長，且不能及時獲取地層巖石的力學參數(shù)。測井資料預測法，是一種間接測試方法，其通過測井儀器測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參數(shù)。測井資料預測法分完鉆測井和隨鉆測井。完鉆測井只能在鉆井完成之后進行，不能及時獲取地層巖石力學性質(zhì);且為間接測試，需進行測井數(shù)據(jù)解釋，解釋后所獲得的力學參數(shù)準確度不高。隨鉆測井是在鉆井過程中進行同步測試，由于是間接測試，其也需要對測得的數(shù)據(jù)進行換算解釋;且受鉆井過程鉆進作業(yè)的影響，地層參數(shù)數(shù)據(jù)誤差大，準確度低，成本高，且井底的測試工具有安全隱患，易帶來井下事故。
[0004]油氣鉆井的現(xiàn)場，在鉆井過程中，巖石經(jīng)破巖工具(鉆頭)破碎后形成巖肩通過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的力學性質(zhì)，通過檢測巖肩的巖石力學性質(zhì)來反映其所在地層巖石的力學性質(zhì)是可行的。人們有采用單顆巖肩進行測試巖肩物理力學性質(zhì)的嘗試，比如:微硬度、塑性系數(shù)、巖肩波速等。但由于各單個巖肩粒度不一，巖肩內(nèi)微缺陷(微裂紋等)的存在，致使測試結(jié)果離散性大，不能準確地反映地層巖石的力學性質(zhì)。單顆巖肩測試方法至今均未能成功應用。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的在于:避免現(xiàn)有技術(shù)的弊端，提供一種采用群體巖肩檢測巖石力學參數(shù)的測試裝置，利用群體巖肩的集體作用來反映地層巖石力學性質(zhì)，測得的壓力、壓縮量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)重復性、可靠性和穩(wěn)定性，為后續(xù)評價巖石力學性質(zhì)乃至獲得力學參數(shù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考。
[0006]本實用新型目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]—種采用群體巖肩檢測巖石力學參數(shù)的測試裝置，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)沿腔體上下活動的壓桿，與所述巖肩筒下部連接并封堵其腔體下部開口的底座，以及對所述壓桿施加壓力的加壓裝置，所述壓桿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。
[0008]現(xiàn)有的巖肩法均采用單顆巖肩進行硬度、塑性系數(shù)等相關(guān)巖石力學性質(zhì)的測試。由于選用單顆巖肩作為測試對象，在選取巖肩方面，巖肩的粒度大小會影響測試結(jié)果，然而鉆井現(xiàn)場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;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不同，這就使得測試數(shù)據(jù)會比較離散，差異性較大。巖肩是巖石經(jīng)過破碎工具(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，所測得的單顆巖肩的力學性質(zhì)存在極大差異性，結(jié)果不準確?？傊F(xiàn)有的巖肩法由于粒度大小不一、內(nèi)部缺陷等因素，致使測試過程耗時，測試結(jié)果不準確，不能夠及時、準確地反映地層巖石力學性質(zhì)。
[0009]本實用新型人研究認為: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性質(zhì)，因此采用巖肩作為測試研究對象來獲取地層相關(guān)參數(shù)是必然可行的，有其客觀的合理性和科學性。因此，針對現(xiàn)有技術(shù)的問題，本實用新型人創(chuàng)造性地提出群體巖肩測試方法，以返出的群體巖肩作為測試對象。該方法采用一定量的巖肩作為測試對象，鉆井現(xiàn)場有大量的巖肩，不必對巖肩進行過多的篩選，直接取定量的巖肩進行測試，所需時間大大減少。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巖肩內(nèi)部損傷(微裂紋)帶來的隨機性影響，測試結(jié)果更穩(wěn)定、更可靠。如圖5所示，為本發(fā)明人研究測試的三種不同硬度巖石的硬度值與對應巖石巖肩的壓力值之間的關(guān)系曲線。發(fā)明人選了細砂巖(A)、中砂巖(B)和灰?guī)r(C)三種不同強度的巖石，進行硬度測試，分別得到細砂巖(A)、中砂巖0)和灰?guī)r(0三種巖石的硬度值541.310^、1013.410^、1523.610^。然后采用本專利的實驗裝置，對上述三種巖石的巖肩進行了壓縮實驗測試，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倍時的壓力數(shù)據(jù)(為消除壓頭尺寸的影響，便于對比，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，壓力分別為10.5410^、22.7110^、35.2810^。從圖5可看出，群體巖肩的強度(壓力、壓縮量)與原巖石的硬度有明顯的對應關(guān)系，且群體巖肩的強度(一定壓縮量下所對應的壓力)隨原巖石的硬度增加而增加，且基本呈線性關(guān)系。因此，本實用新型所獲得群體巖肩強度(壓力、壓縮量數(shù)據(jù))能夠為后續(xù)評價巖石力學性質(zhì)乃至獲得力學參數(shù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考。
[0010]但是，即使要獲得群體巖肩強度(壓力、壓縮量數(shù)據(jù))也并不是想當然的容易，我們在研究中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的加壓裝置及其方法均無法可靠、穩(wěn)定、準確地得到壓力、壓縮量數(shù)據(jù)，因此本發(fā)明人提出了本發(fā)明的測試裝置及其測試方法，保證了壓力、壓縮量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)重復性、可靠性和穩(wěn)定性。
[0011]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(間隙尺寸量級遠小于巖肩尺寸及巖肩再次壓碎后的巖肩碎末尺寸)，滿足巖肩不會從間隙中漏出，讓被壓巖肩的受壓面積恒定不變的要求。
[0012]作為選擇，所述巖肩筒的內(nèi)徑d的范圍為25?50mm。
[0013]上述方案中，若巖肩筒內(nèi)徑過小，太接近所測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，這將增大測試誤差。若巖肩筒內(nèi)徑過大，測試時所需的巖肩較多，壓桿端面面積較大，測試所需施加的載荷也較大，對加載系統(tǒng)的要去也高，其將增加測試難度和成本。
[0014]作為選擇，所述壓桿前端與巖肩筒之間間隙配合。
[0015]作為進一步選擇，所述壓桿前端四分之一至三分之一的長度與巖肩筒為間隙配合，其余部分小于巖肩筒內(nèi)徑d。
[0016]上述方案中，所述壓桿前端四分之一至三分之一的長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之間，該臨界點可在壓桿前端四分之一(從壓桿最前端往后方向，占壓桿總長度四分之一的位置)至三分之一的區(qū)域間進行選擇。壓桿的前端部分長度與巖肩筒為間隙配合，在保證測試實驗壓桿壓縮巖肩所需的間隙配合的同時，能減少壓桿外壁與巖肩內(nèi)筒壁之間的接觸面積和摩擦，提高實驗實際加載載荷的準確度，同時也簡化了壓桿的加工工藝。
[0017]作為進一步選擇，所述壓桿前端四分之一至三分之一的長度與巖肩筒為間隙配合，其余部分小于巖肩筒內(nèi)徑d，大于巖肩筒內(nèi)徑d的二分之一。
[0018]上述方案中，壓桿所受載荷為幾百公斤甚至更