一种岩石动、静态弹性参数同步测量的方法

1.一种利用岩石三轴抗压试验装置进行岩石动、静态弹性参数同步测量的方法，其特征在于，所述岩石三轴抗压试验装置包括均与三轴高压釜相连的轴向压力控制系统，围压控制系统，孔隙压力控制系统，计算机采集和控制系统；所述的方法包括：
将测试岩样密封在注满液压油的三轴高压釜内，并通过轴向压力控制系统施加油压，通过围压控制系统施加围压，通过孔隙压力控制系统施加孔隙压力；
通过计算机采集和控制系统获取纵波及横波在所述测试岩样中的传播速度，并依据所述传播速度计算动态杨氏模量和动态泊松比；
通过计算机采集和控制系统获取所述测试岩样加载过程中的变形参数，并依据所述变形参数计算静态杨氏模量和静态泊松比；
其中，
所述围压控制系统包括：增压器、第一压力传感器、变形传感器、加热器、伺服阀、第一控制器，所述通过围压控制系统施加围压的步骤包括：
所述增压器将伺服油源的低压油进行增压，为所述三轴高压釜提供主油，所述三轴高压釜的出口端装有第一压力传感器，所述第一压力传感器把三轴高压釜内的油压值转变为电信号，输出至第一控制器；
所述第一控制器按预设的参数通过伺服阀对围压进行控制；
所述加热器和第一控制器完成油温加热及围压控制，所述变形传感器把测试岩样变形的电信号传输至第一控制器里，以进行轴向变形控制；
所述孔隙压力控制系统包括：第二控制器、伺服电机、压缸、第二压力传感器、编码器；
所述第二控制器控制伺服电机，通过减速机及齿型带带动齿轮旋转，推动活塞做往复运动，在压缸内对水进行加压；
所述活塞的位移量由编码器检出，转化成脉冲信号传输至第二控制器中，水的压力值经第二压力传感器转化成电信号传输至第二控制器；
所述第二控制器按设定的参数控制水压或流量；
所述通过轴向压力控制系统施加油压的步骤包括：
将测试岩样放置于注满液压油的高压釜中，并用耐油橡胶套密封；
调整围压至预设的试验值，或将测试岩样加热至预设的温度后，施加轴向压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算机采集和控制系统中包括在测试岩样的轴向两端面设置的超声波换能器，所述超声波换能器的纵波谐振频率为850KHz，横波谐振频率为450KHz，所述超声波换能器与测试岩样之间用锡箔纸耦合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算机采集和控制系统中包括覆盖在测试岩样表面的电阻应变片。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
所述计算机采集和控制系统实时控制岩样测试的加载路径及测试过程，以及，通过传感器自动采集电压信号并转换成力和位移数据进行储存。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低压油的压力值为20MPa，增压的目标压力值为100MPa，所述围压变化通过第一压力传感器和压力计进行监测，最高围压的压力值为100MPa。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔隙压力变化通过第二压力传感器和压力计进行监测，最高孔隙压力的压力值为40MPa。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试岩样通过如下方式获得：
将从野外取回的岩石或井下岩心，钻取标准直径的岩芯，再切取合适的长度，最后将岩石断面磨平，然后采用如下方式对岩芯进行加工获得岩样:在岩芯上套取一个φ25mm的圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光,基面偏差在2.5％范围内,使岩样的长径比≥1.5。

一种岩石动、静态弹性参数同步测量的方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及油气藏开发技术领域，特别是涉及一种利用岩石三轴抗压试验装置进行岩石动、静态弹性参数同步测量的方法。\n背景技术\n[0002] 油气藏岩体是储集岩体多孔介质材料及其上下围岩在一定深度下，处在一定温度、压力下、饱和了一定数量流体，由一系列结构面与结构体组成的地质实体。与近地表工程地质相比，一般埋藏较深（所在地层深度一般为数千米），处于较高的三轴复杂围压（可达\n200MPa）、较高的温度（可达200℃）和较高的孔隙压力（可达200Mpa）及多相流体饱和（油、气、水）条件下。这与地表浅层以及下地壳上地幔处的岩体所处的环境有很大不同，岩体也具有独特的力学特性。\n[0003] 对于这种地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体而言，传统的静态力学性质研究是将钻井取心在地面条件下，利用三轴应力测试仪或者声波测试仪对取出的岩心进行力学实验，如将钻井取心拿到地面实验室中常温、常压、干样，或考虑施加不同的围压，或考虑充注不同的饱和流体进行岩石力学实验，显然，采用这种现有技术获得的岩石力学参数不能完全代表处于地下高温、高压、高孔隙压力、多相饱和流体条件下的油气藏岩体力学性质，即无法保证地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体力学参数的有效性和准确性。\n发明内容\n[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种利用岩石三轴抗压试验装置进行岩石动、静态弹性参数同步测量的方法，用以保证地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体力学参数测量的有效性和准确性。\n[0005] 为了解决上述问题，本发明公开了一种利用岩石三轴抗压试验装置进行岩石动、静态弹性参数同步测量的方法，所述岩石三轴抗压试验装置包括均与三轴高压釜相连的轴向压力控制系统，围压控制系统，孔隙压力控制系统，计算机采集和控制系统；所述的方法包括：\n[0006] 将测试岩样密封在注满液压油的三轴高压釜内，并通过轴向压力控制系统施加油压，通过围压控制系统施加围压，通过孔隙压力控制系统施加孔隙压力；\n[0007] 通过计算机采集和控制系统获取纵波及横波在所述测试岩样中的传播速度，并依据所述传播速度计算动态杨氏模量和动态泊松比；\n[0008] 通过计算机采集和控制系统获取所述测试岩样加载过程中的变形参数，并依据所述变形参数计算静态杨氏模量和静态泊松比。\n[0009] 优选地，所述计算机采集和控制系统中包括在测试岩样的轴向两端面设置的超声波换能器，所述超声波换能器的纵波谐振频率为850KHz，横波谐振频率为450KHz，所述超声波换能器与测试岩样之间用锡箔纸耦合。\n[0010] 优选地，所述计算机采集和控制系统中包括覆盖在测试岩样表面的电阻应变片。\n[0011] 优选地，所述通过轴向压力控制系统施加油压的步骤包括：\n[0012] 将测试岩样放置于注满液压油的高压釜中，并用耐油橡胶套密封；\n[0013] 调整围压至预设的试验值，或用加热线圈等将测试岩样加热至预设的温度后，施加轴向压力。\n[0014] 优选地，所述围压控制系统包括：增压器、压力传感器、变形传感器、加热器、伺服阀、第一控制器，所述通过围压控制系统施加围压的步骤包括：\n[0015] 所述增压器将伺服油源的低压油进行增压，为所述三轴高压釜提供主油，所述三轴高压釜的出口端装有压力传感器，所述压力传感器把三轴高压釜内的油压值转变为电信号，输出至第一控制器；\n[0016] 所述第一控制器按预设的参数通过伺服阀对围压进行控制；\n[0017] 所述加热器和第一控制器完成油温加热及围压控制，所述变形传感器把测试岩样变形的电信号传输至第一控制器里，以进行轴向变形控制。\n[0018] 优选地，所述孔隙压力控制系统包括：第二控制器、伺服电机、压缸、压力传感器、编码器；\n[0019] 所述第二控制器控制伺服电机，通过减速机及齿型带带动齿轮旋转，推动活塞做往复运动，在压缸内对水进行加压；\n[0020] 所述活塞的位移量由编码器检出，转化成脉冲信号传输至第二控制器中，水的压力值经压力传感器转化成电信号传输至第二控制器；\n[0021] 所述第二控制器按设定的参数控制水压或流量。\n[0022] 优选地，所述利用岩石三轴抗压试验装置进行岩石动、静态弹性参数同步测量的方法，还包括：\n[0023] 所述计算机采集和控制系统实时控制岩样测试的加载路径及测试过程，以及，通过传感器自动采集电压信号并转换成力和位移数据进行储存。\n[0024] 优选地，所述低压油的压力值为20MPa，增压的目标压力值为100MPa，所述围压变化通过压力传感器和压力计进行监测，最高围压的压力值为100MPa。\n[0025] 优选地，所述孔隙压力变化通过压力传感器和压力计进行监测，最高孔隙压力的压力值为40MPa。\n[0026] 优选地，所述测试岩样通过如下方式获得：\n[0027] 将从野外取回的岩石或井下岩心，钻取标准直径的岩芯，再切取合适的长度，最后将岩石断面磨平，然后采用如下方式对岩芯进行加工获得岩样:在岩芯上套取一个的圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光,基面偏差在2.5%范围内,使岩样的长径比≥1.5。\n[0028] 与现有技术相比，本发明包括以下优点：\n[0029] 本发明在同一测试岩样所处地层围压、温度、孔隙压力、多相流体的条件下，同步测量岩石的动、静态力学参数，从而保证地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体力学参数测量的有效性和准确性。\n[0030] 基于岩石动、静力学参数进行油气藏岩体力学原位模型恢复研究，可以有助于应用地球物理（测井、地震）理论技术的提高、优化石油工程方案（钻井、压裂、采油等）及提高天然裂缝预测精度等。\n附图说明\n[0031] 图1是本发明的一种岩石三轴抗压试验装置的结构示意图；\n[0032] 图2是本发明的一种利用岩石三轴抗压试验装置进行岩石动、静态弹性参数同步测量的方法实施例的步骤流程图；\n[0033] 图3所示的一种岩石三轴抗压试验装置中测试岩样固定方式的示意图；\n[0034] 图4是本发明的一种示例中岩芯取样示意图；\n[0035] 图5本发明的一种基于对岩石动、静态弹性参数同步测量进行油气藏岩体力学地下原位模型恢复的方法的步骤流程图；\n[0036] 图6是本发明的一种示例中岩石的应力-应变-时间关系曲线图；\n[0037] 图7是本发明的一种示例中Biot系数测试实验示意图。\n具体实施方式\n[0038] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。\n[0039] 参考图1，示出了一种岩石三轴抗压试验装置的结构示意图，具体可以包括如下系统：\n[0040] 三轴高压釜10；\n[0041] 轴向压力控制系统11；\n[0042] 围压控制系统12；\n[0043] 孔隙压力控制系统13；\n[0044] 计算机采集和控制系统14；\n[0045] 所述轴向压力控制系统11，围压控制系统12，孔隙压力控制系统13，计算机采集和控制系统14均与三轴高压釜10相连。\n[0046] 如图1所示，在具体实现中，所述计算机采集和控制系统14中可以包括与三轴高压釜10相连的声波仪141和数据采集系统142，与所述数据采集系统142相连的直流稳压源143和计算机144，以及，与所述计算机相连的输出设备打印机145和绘图仪146等等。\n[0047] 参考图2所示的本发明的一种利用岩石三轴抗压试验装置进行岩石动、静态弹性参数同步测量的方法实施例的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：\n[0048] 步骤201，将测试岩样密封在注满液压油的三轴高压釜内，并通过轴向压力控制系统施加油压，通过围压控制系统施加围压，通过孔隙压力控制系统施加孔隙压力；\n[0049] 步骤202，通过计算机采集和控制系统获取纵波及横波在所述测试岩样中的传播速度，并依据所述传播速度计算动态杨氏模量和动态泊松比；\n[0050] 步骤203，通过计算机采集和控制系统获取所述测试岩样加载过程中的变形参数，并依据所述变形参数计算静态杨氏模量和静态泊松比。\n[0051] 在具体实现中，轴向压力控制系统11可以由第一伺服加载系统提供轴向压力，并由计算机采集和控制系统14进行轴向压力的应变或压力伺服控制。在三轴应力测试过程中，可以将测试岩样放置于注满液压油的高压釜中，并用耐油橡胶套密封；然后调整围压至预设的试验值，或用加热线圈等将测试岩样加热至预设的温度后，施加轴向压力。具体的试验条件可以依据不同的测试目的自由组合设计的。把三轴应力测试得到的数据中的奇异点舍去，即可绘制出岩样的应力-应变曲线。\n[0052] 围压控制系统12可以用于模拟井下水平应力的情况，可以包括第二伺服加载系统、增压器、三轴高压釜、压力传感器、变形传感器、加热器、伺服阀、第一控制器。所述增压器将伺服油源的低压油进行增压，为所述三轴高压釜提供主油，所述三轴高压釜的出口端装有压力传感器，所述压力传感器把三轴高压釜内的油压值转变为电信号，输出至第一控制器；由所述第一控制器按预设的参数通过伺服阀对围压进行控制；并由所述加热器和第一控制器完成油温加热及围压控制，所述变形传感器把测试岩样变形的电信号传输至第一控制器里，以进行轴向变形控制。在本发明实施例具体应用的一种示例中，所述低压油的压力值可以为20MPa，进行增压的目标压力值可以为100MPa，围压变化可以通过压力传感器和压力计进行监测，最高围压可模拟到100MPa。\n[0053] 孔隙压力控制系统可以用于模拟井下孔隙压力的情况，可以包括第三伺服加载系统、第二控制器、伺服电机、压缸、压力传感器、编码器；所述第三伺服加载系统提供压力；\n所述第二控制器控制伺服电机，通过减速机及齿型带带动齿轮旋转，通过减速机及齿型带带动齿轮旋转，推动活塞后面的滚珠丝杠，使活塞做往复运动，在压缸内对水进行加压；所述活塞的位移量由编码器检出，转化成脉冲信号传输至第二控制器中，水的压力值经压力传感器转化成电信号传输至第二控制器；所述第二控制器按设定的参数控制水压或流量。\n所述第二控制器还可以平滑切换两种控制方式。在本发明实施例具体应用的一种示例中，所述孔隙压力变化可以通过压力传感器和压力计进行监测，最高孔隙压力的压力值为\n40MPa。\n[0054] 所述计算机采集和控制系统14可以实时控制岩样测试的加载路径及测试过程，以及，通过传感器自动采集电压信号并转换成力和位移数据进行储存。\n[0055] 参考图3所示的一种岩石三轴抗压试验装置中测试岩样固定方式的示意图，在具体实现中，可以将测试岩样装在三轴高压釜内，并用耐油橡胶套密封，然后用压力机施加油压，用泵提供围压，液压稳压源给岩样提供稳定的孔隙压力。用岩样轴向两端面的超声波换能器测定纵、横波在岩样中的传播速度，换算后得到动态杨氏模量和动态泊松比。超声换能器的纵波谐振频率为850KHz，横波为450KHz，换能器与岩样间用锡箔纸耦合。岩样表面的电阻应变片用于测量岩样加载过程中的变形参数，通过计算可得到岩石的静态杨氏模量和静态泊松比。运用数据采集及控制系统，使整个测定过程完全在计算机实时监控下完成。影响岩石力学特性的因素较多，实验结果通常会出现一定的偏差。将较少数据点的实验结果用于实验分析可能会引起较大的波动。因此，在具体实现中可以采用大量的实验数据进行回归分析才能得到较有代表性的结果。\n[0056] 实验所用的岩样是以延长油田的砂岩岩心用金刚石钻头在室内钻取并在车床上加工而成的，其直径为53mm，其两端面在磨床和砂纸上磨平、磨光，使得岩样的尺寸、外表面的光洁度、两端面的光洁度和平行度都达到国际岩石力学学会（ISRM）对岩石静态和动态测试的要求。参考图4所示的岩芯取样示意图，在本发明具体应用的一优选示例中，所述测试岩样可以通过如下方式获得：\n[0057] 将从野外取回的岩石或井下岩心，钻取标准直径的岩芯，再切取合适的长度，最后将岩石断面磨平，然后采用如下方式对岩芯进行加工获得岩样:在岩芯上套取一个的圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光,基面偏差在2.5%范围内,使岩样的长径比≥1.5。\n[0058] 在实验前，测量试验岩心的长度L（mm），直径D2（mm），质量W（g）和声波测试系统的纵、横波延迟时间Tpo,Tso(μs)，并用有机玻璃样品作为标准件，对动态测试系统进行了一次测试。通过测试有机玻璃样品的纵波速度为2760m/s，横波速度为1390m/s，这些结果和岩石声学测试提供的实验数据的偏差在5%之内，证明了动态测试数据可靠。在对岩样进行正式测试之前，先预压了三个应力周期，基本上消除了应力滞后的影响。\n[0059] 为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下基于对岩石动、静态弹性参数同步测量进行油气藏岩体力学地下原位模型恢复的方法进行说明，参考图5，所述方法具体可以包括如下步骤：\n[0060] 步骤501，采用静态测量方法获得静态岩石力学参数，采用动态测量方法获得动态岩石力学参数；\n[0061] 在本发明实施例中，所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数经同步测量获得，所述静态岩石力学参数可以包括静态岩石弹性参数和静态岩石强度参数，所述动态岩石力学参数可以包括动态岩石弹性参数和动态岩石强度参数；所述静态岩石弹性参数可以包括静态泊松比，静态杨氏模量和静态Biot孔隙弹性系数等，所述动态岩石弹性参数可以包括动态泊松比，动态杨氏模量和动态Biot孔隙弹性系数等。\n[0062] 在具体实现中，可以通过以下子步骤采用静态测量方法获得静态岩石力学参数：\n[0063] 子步骤S11，对岩样进行静态加载；\n[0064] 子步骤S12，测量所述岩样的应力-应变曲线；\n[0065] 子步骤S13，依据所述岩样的应力-应变曲线计算静态岩石力学参数；\n[0066] 在具体实现中，可以通过以下子步骤采用动态测量方法获得动态岩石力学参数：\n[0067] 子步骤S21，测定声波在岩样中的传播速度；\n[0068] 子步骤S22，依据所述传播速度转换计算得到动态岩石力学参数。\n[0069] 当然，上述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数的测量方法仅仅用作示例，本领域技术人员根据实际情况采用任一种测量方法均是可行的，本发明对此无需加以限制。\n[0070] 步骤502，依据所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数，计算岩石力学参数的动静差异比；\n[0071] 步骤503，依据所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数，以及，岩石力学参数的动静差异比进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。\n[0072] 本发明实施例将近地表工程地质学中的岩体力学概念、理论和方法引申到地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体中，形成油气藏岩体力学的概念，认为它是地下储集岩体多孔介质材料在特定的深度、温度、三轴围压、孔隙压力和多相流体饱和条件下所表现出的各种力学性质。主要由结构面及结构体内部的岩石成分、结构、构造、孔渗条件等固有属性和深度、温度、围压、孔隙压力、多相流体等外部环境制约。\n[0073] 油气藏岩体力学是一门研究油气藏岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的学科。油气藏岩体力学不同于传统的岩体力学，其所研究的对象是处于地下深层较高的围压（可达200MPa）、较高的温度（可达200oC)，较高的孔隙压力（可达100Mpa）且饱和多相流体的非均质复杂岩体，因此具有不同的研究特点。油气藏岩体力学是进行地应力测试、地震流体预测、时移地震以及储层水力压裂改造等油藏勘探开发措施的基础，深入研究地下原型条件下油气藏岩体的变化规律具有重要意义。\n[0074] 岩体力学弹性参数主要包括泊松比、杨氏模量和Biot系数等。泊松比是表征材料在受拉或者受压时横向变形的性能，它就是横向应变与纵向应变的比值。杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，其物理意义是物体受到应力发生弹性形变时，应力与应变的比值。Biot系数是干燥岩石的体积模量与矿物颗粒的体积模量的比值，反映了孔隙空间对岩石整体性质的贡献，是孔隙弹性特征研究中最重要的参数之一。泊松比、杨氏模量和Biot系数在钻井、完井、井壁稳定性分析、出砂预测、地层可钻性预测及钻头优选、套管损坏机理、地面沉降设计中有均有重要的应用；同时，由于油气等孔隙流体会使岩石的泊松比和杨氏模量值发生较大的改变，因此，泊松比和杨氏模量也是油气地球物理（特别是勘探地球物理）研究的重要参数。在地应力计算方面，岩体力学参数中的杨氏模量和泊松比等值是进行地应力计算的重要参数，对地应力的影响十分明显；储层压裂改造过程的裂缝的产状和延伸方向也是由岩体力学参数决定的。\n[0075] 油气藏岩体力学性质受到岩体的成分、孔隙结构、围压、孔隙压力、饱和流体和温度等因素的影响。如果能够理解岩石力学参数随这些影响因素的变化规律，就能根据地面观测到的地震波和室内的岩石力学实验反演出地下深处油气藏的弹性特征（如弹性模量、泊松比）、热力学环境（温度和围压）、岩石的微构造（孔隙、裂纹等）及流体状态（流体饱和度、孔隙压力）等，从而为油气藏的高效勘探和合理开发提供重要的基础资料。\n[0076] 油气藏岩体的力学性质受到多方面因素的影响，归结起来大致可以分为两类：一是岩石的固有属性，如岩石的矿物成分、结构、构造、孔隙度等；二是岩石所处的外部环境，如温度、围压、孔隙压力和孔隙中饱和的多相流体等。\n[0077] 岩石力学性质、波速特性是受控于岩石的组成、结构、孔裂隙数量及其分布等内在因素。但对于一定埋藏条件下的岩石，其所处的应力、温度条件也必然会对其力学性质产生很大影响；常规测试不能反映这种环境对岩石力学性质的影响，只有在岩样所处地层围压、温度、孔隙压力、多相流体的条件下测量的力学参数，才能真正的代表岩石在地下的力学性状。同时，岩石的动、静力学参数与其应力恢复过程、热平衡环境均有关系，因此在研究岩石动、静力学参数间的关系时，应在相同的条件下进行，这样才能保证岩石动、静力学参数对比的精度和准确性。\n[0078] 以下对油气藏岩体的基本力学性质进行说明：\n[0079] 油气藏岩体是在一定深度下，处在一定温度、压力下、饱和了一定数量流体由一系列结构面与结构体组成的地质实体。它是石油工程地质研究的对象，地球物理勘探、钻井、完井、油气开采和油气层改造针对的目标都是油气藏储集岩体。现今的石油勘探开发面临的难采储量越来越多，对象越来越复杂，老油田开发后期面临的问题和传统粗放式开发暴露的矛盾越来越多。这些问题都需要岩体力学方面的理论技术进步来解决，因此对油气藏岩体的力学性质进行详细了解与精细研究具有非常重要的意义。\n[0080] 由于油气藏岩体所处外部环境和内部结构与地表岩体不同，其力学性质更多的受到地层环境的影响，其所处环境具有以下特点：\n[0081] 1）油气藏岩体受到上覆地层压力和水平方向地应力的影响，受力状态非常复杂，因此其变形与破坏也很复杂多变。\n[0082] 2）处在地下深处的油气藏岩体环境温度较高。\n[0083] 3）油气藏岩体中分布有大量孔隙、裂隙、裂缝以及溶孔与溶洞，是非均质程度极高的多孔介质，与普通的材料比如金属材料是大不相同的。\n[0084] 4）油气藏岩体中不但分布有大量的孔隙、裂缝、溶洞等各类空隙，而且在其中充满了油、气、水多相流体。饱和流体以后岩石的力学性质受到岩石骨架和流体的双重影响。\n[0085] 根据油气藏岩体的应力-应变-时间关系，可将其力学属性分为弹性、塑性和粘性。以下结合图6所示的岩石的应力-应变-时间关系曲线图对弹性、塑性和粘性进一步说明。\n[0086] 弹性是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力（载荷）后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。其产生的变形称为弹性变形，一般把具有弹性性质的物质称为弹性介质。弹性按其应力-应变关系又可分为两种类型：应力应变呈直线关系的线弹性（或虎克型弹性、理想弹性）（参见图6中的（a）），以及应力应变呈非直线的非线性弹性。\n[0087] 塑性是指物体受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力（载荷）后，变形又不能完全恢复的性质。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。物体塑性变形的实质是物体内部晶格之间在剪应力作用下发生的滑动。\n在外力作用下只发生塑性变形，或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物体，称为塑性介质。塑性材料理想的应力-应变曲线如图6中的（b）所示，当应力低于屈服应力σy时，材料性质为弹性；应力达到屈服应力之后，变形不断增长而应力不变，应力-应变曲线呈水平直线。在屈服点之后，应力-应变曲线呈上升曲线，说明晶粒滑到新位置之后，导致井间相嵌、挤紧和晶粒增大，如使之继续滑动，要相应增大应力。这种现象被称为应变硬化，如图\n6中的（c）。\n[0088] 粘性是指物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力的大小而改变的性质，称为粘性。理想的粘性材料（如牛顿流体），其应力-应变速率关系为过坐标原点的直线，如图6中的（d）。应变速率随应力变化的变形称为流动变形。\n[0089] 根据岩石的变形与破坏关系，还可以将岩石性质划分为脆性和延性。脆性是指物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。延性是指物体能承受较大变形而不丧失其承载力的性质。材料的延性与脆性是根据其受力破坏前的总应变及全应力-应变曲线上负坡的坡降大小来划分的。破坏前总应变小，负坡较陡者为脆性，反之为延性。工程上一般以5%为标准进行划分，总应变大于5%者为延性材料，反之为脆性材料。赫德（Heard，1963）以3%和5%为界限，将岩石分为三类：总应变小于3%者为脆性岩石；总应变在3%～5%者为半脆性岩石；总应变大于5%者为延性岩石。按以上标准，大部分地表岩石在低围压条件下都是脆性或半脆性的。当然岩石的延性与脆性是相对的，在一定的条件下可以相互转化，如在高温高压条件下，常温常压下的脆性岩石可表现很高的延性。\n[0090] 岩石是矿物的集合体，具有复杂的成分和结构，因此其力学属性也是复杂的。岩石在外力作用下呈现何种性状，一方面取决于其成分与结构；另一方面还和它的受力条件，如载荷的大小及其组合情况、加载方式及速率、应力路径等密切相关。例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料，也不是简单的塑性和粘性材料，而往往表现出弹-塑性、弹-粘-塑或粘-弹性等性质。此外，岩石所赋存的条件，如温度、水、地应力等对其性状影响也很大。\n[0091] 岩石力学参数一般是指岩石的弹性参数（如杨氏弹性模量、剪切模量、体积弹性模量与泊松比等）和强度参数（如单轴抗压强度、岩石抗剪强度、岩石抗张强度、内聚力和内摩擦角等）。求取岩石力学参数的方法主要有两种：一是在实验室对岩样进行实测，二是用地球物理测井资料求取岩石力学参数。\n[0092] （一）泊松比：\n[0093] 岩石的泊松比是指岩石受法向应力作用时，横向缩短和纵向伸长的比值，又称横向压缩系数，是表示岩石力学的一个重要参数。岩石泊松比是评价岩石变形特征的重要参数之一，在钻井、完井、井壁稳定性分析及压裂设计等中均有重要的应用。对于常见的岩石，泊松比在0～0.5之间。岩石的泊松比越大，表示其弹性越小，塑性越大，岩石越容易断裂或压裂。沉积岩石中，泥岩的泊松比较大，说明其塑性大且易变形。\n[0094] 泊松比的计算方法分为静态和动态两种，其计算公式分别如下：\n[0095] \n[0096] \n[0097] 其中，μ为岩样的泊松比；Δε1为岩样的轴向应变增量；Δε2为岩样的横向应变增量；Δts为岩样的横波时差，μs/m；Δtp为岩样的纵波时差，μs/m；Vs为岩样的横波速度，m/s；Vp为岩样的纵波速度，m/s。\n[0098] （二）杨氏模量\n[0099] 杨氏模量是岩石在弹性变形范围内时，岩石在法向方向所受应力与沿应力作用方向引起的伸长量之比，反映了岩石受外力作用时的抗变形能力，是力学计算中不可缺少的物理量；岩石的杨氏模量是岩石的基本力学性质，是研究岩体变形，岩石中爆炸波和地震波传播等一系列问题必不可少的重要参数。在实验岩石力学中岩石的杨氏模量测量方法有两种。一种是岩石的加载变形实验，在岩石样品加载过程中测量应变与应力之间的关系，从岩石的应力-应变曲线得到岩石的杨氏模量。另一种方法是测量弹性波在岩石中的传播速度，再通过岩石的密度从而算出岩石的杨氏模量。由第一种方法得到的杨氏模量称作静态杨氏模量，由第二种方法得到的杨氏模量称作动态杨氏模量。静态杨氏模量和动态杨氏模量的计算公式分别如下：\n[0100] \n[0101] \n[0102] 其中，E为岩石的杨氏模量；所述ρ为岩石的密度，g/cm3；F为试验岩样所受的力；\nS为岩样的截面积；△L为岩样在受力方向的伸长量（或缩短量）；L为岩样在受力方向上的原长；VS为岩样的横波速度，m/s；Vp是岩样的纵波速度，m/s。\n[0103] （三）Biot系数\n[0104] Biot系数是岩石体积模量与组成岩石的矿物颗粒的体积模量的比值，Biot系数反映了孔隙空间对岩石整体性质的贡献，它是孔隙弹性特征中最重要的参数之一。\n[0105] 油藏勘探开发中所接触的地层岩石都具有孔隙，而孔隙中又充满了含有压力的流体，孔隙压力对岩石弹性应变的影响是进行油气井生产预测、地应力计算、水力压裂设计、储层压实、地面沉降问题等油藏工程及环境研究的基础。只有确定岩石的Biot系数，才能准确计算出孔隙对岩石整体力学性质的影响。\n[0106] \n[0107] 其中，B为Biot孔隙弹性系数,简称为Biot系数，Kdry为干燥岩石的体积模量（体积压缩系数），Ks为组成岩石的矿物的体积模量（固体的颗粒压缩系数）。\n[0108] 参考图7所示的Biot系数测试实验示意图，在加入围压、孔压、温度至实验条件下，加轴向载荷至围压大小，固定孔压活塞，记录岩石的体积V1和孔隙流体流量F1，将围压和轴向载荷分别增大10MPa，记录此时的岩石体积V2和孔隙流体流量F2，则可得：\n[0109] ΔVf=F2-F1\n[0110] ΔVs=V2-V1；\n[0111] 岩石变形量与孔隙变形量之差为岩石骨架颗粒变形量，则\n[0112] ΔVm=ΔVs-ΔVf\n[0113] 由Biot系数的定义可知：\n[0114] \n[0115] 其中，B为Biot孔隙弹性系数,简称为Biot系数，Kdry为干燥岩石的体积模量（体积压缩系数），Ks为组成岩石的矿物的体积模量（固体的颗粒压缩系数），ΔVf为孔隙流体流量变化量，ΔVs为岩石骨架体积变化量，ΔVm为岩石矿物颗粒体积变化量。\n[0116] 岩石力学参数是解决许多石油工程技术的基础数据，对解决钻井井壁稳定，水压裂缝起裂和扩展规律有着重要意义。在具体实现中，岩石的强度和静弹性参数可以通过岩心试验直接测定的。但是，实验室中取得的岩心并不一定能完全代表所要研究的岩层的性质，而且这些性质在取心和加工过程中可能被改变。这就要求在进行室内试验时，需要重视试件的采取和制作，使之具有足够代表性，并保持天然结构状态，尽可能不受不必要的影响；对试件制作要满足精度要求；重视试件的构造描述，如节理裂隙发育程度、分布情况及其方位等；还要注意试件尺寸（形状、大小和高径比等）、测试条件和环境对试验的影响。虽然通过采取适当的试样准备方法能够解决部分问题，但仍有一部分问题亟待解决。这是由于岩石的力学性质取决于组成晶体、颗粒和胶结材料之间的相互作用，以及诸如裂缝、节理、层面和较小断层的存在。一方面很难根据它的组成颗粒的性质来说明该岩石的力学性质，特别是它的强度；另一方面，裂缝、节理、层面和断层的分布是如此多变，以至于受这种分离影响的大块岩体的力学性。\n[0117] 岩石试件的试验工作是认识岩石在不同环境下的物理、力学性质的重要途径，也是进行岩石工程应该进行的前期工作。室内试验的目的在于了解岩石的性质，除了进行密度、含水率、孔隙率、吸水率和渗透性等物理性质试验外，应着重进行岩石的强度特性和变形特性的试验。正确的分析理论，真实可靠的实验结果，可以帮助了解至今还无法直接观察到的地壳深部的存在条件及演化过程。将从野外取回的岩石或井下岩心，用岩石钻样机钻取标准直径的岩心，再用切磨机切取合适的长度，最后用双面磨石机将岩石断面磨平，满足试样的精度要求。\n[0118] 参考图4所示的岩芯取样示意图，于取自现场的岩芯一般形状不规则，不能直接用于实验。实验前需要对现场岩芯进行加工。室内加工岩芯的过程是:先用金刚石取芯钻头在现场岩芯上套取一个 的圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光,基面偏差在2.5%范围内,使岩样的长径比≥1.5。\n[0119] 岩石力学参数的测量方法分为静态测试和动态测试两种。岩石力学参数的常用测定方法有两种：一是静态测量方法，通过在实验室对岩样进行静态加载后测量其应力-应变曲线后计算得到；二是动态测量方法，即利用地球物理方法，通过测定声波在岩样中的传播速度，再转换计算得到动态岩石力学参数。\n[0120] 静态测量方法和动态测量方法各有其有点和不足。一方面，动态测量结果与静态测量结果相比，在资料的数量、获取成本、资料的实时性等方面都具有明显优势；另一方面在实际工程中应用的是岩石的静态弹性参数，同时现有的力学本构关系一般都是基于静态参数建立的，因此需要将动态测试结果转化为静态结果才能进行应用。因此对岩体力学参数动静测量之间差异的影响因素进行定性和定量的描述，可以帮助我们利用超声波这种简单、方便的工具来获得岩石的静态参数。动静差异的影响因素的研究具有重要的现实意义。\n[0121] 以下对实验室动态力学参数试验进行说明：\n[0122] 岩石波速是油气勘探与开采、石油钻井等众多领域所关注的基本参数。声波在岩石中的传播速度取决于岩石的密度、杨氏模量、泊松比、剪切模量、体积模量等岩石的弹性常数，在实验室中，利用测得的纵、横波速度就可以求出岩石的弹性模量，如泊松比、压缩系数、切边模量和杨氏模量等，岩石的力学参数是石油钻井、压裂工程设计及裂缝预测的基础。\n[0123] 在一般的岩体声波测试实验中所施加的外力通常是微小的、瞬时的，因此认为岩石所表现的是弹性特征，因而声波在岩石中的传播也是符合弹性波的传播规律的，在利用弹性波波动方程及弹性波的波动形式计算和反演岩体内波的结构特征和分布状况是可行的。声波的走时、振幅、频谱和岩石的内部状况有着密切的联系，即随着岩体（岩石）的破碎程度增加、结构松软、应力降低，声波会相应产生波速降低、振幅减小、波形变坏、频谱中的主频向低端移动。\n[0124] 声波的传播规律与岩体力学指标之间的关系主要表现在：\n[0125] （1）岩体的弹性模量与声波在其中的传播速度有密切的数学关系，岩体的拉伸及压缩变形主要是依靠纵波表现的，能客观的反映岩体的强度、变形等物理力学特点；\n[0126] （2）由于岩体的机构不均匀性使得声波在传播过程中产生非常复杂的变化，波动过程也千变万化。声波在岩体中传播引起裂隙面效应，更甚者会产生严重的声波绕射现象；\n岩体中的结构面会使声波的波速变慢，波形产生奇异等现象。影响岩体工程特性本质的因素主要是其中存在结构面的变化；\n[0127] （3）声波在岩体中的传播速度与其围压有一定的关系，这是通过大量的室内试验所得到的结果，随着岩石所受到的压力的增大，声波的传播速度也会随之增大，但岩体达到极限压力而发生破坏后，其波速也会相应减小；\n[0128] （4）随着岩体的抗压强度的增大，声波的传播速度也会增大，两者之间有良好的相关性。\n[0129] 在实际中，测试岩石和矿物弹性波速的方法主要有声波脉冲透射法和反射法两种。\n[0130] （1）脉冲透射法：\n[0131] 脉冲透射法测量弹性波速的基本原理是测量实验样品的长度和超声波穿过实验样品所用的时间，用实验样品长度除以时间得到超声波通过实验样品的弹性波速度。\n[0132] 超声波在样品中的走时为总的走时减去上下顶砧的走时（系统基时），而顶砧的走时在实验前可以测量到；样品的长度等于样品的初始长度减去被压缩的长度，而被压缩的长度由HEL-电杆位移计测量，其长度测量精度为0.01mm，岩石的波速可表示为：\n[0133] V=L/t。\n[0134] （2）脉冲反射法：\n[0135] 超声波脉冲反射法测量弹性波速的基本原理是由超声波探头发射脉冲波，当脉冲波遇到障碍物的两个边界时发生反射，反射波被同一个换能器接收，通过示波器记录两次反射波的时间差，以实验样品长度除以时间得到超声波通过实验样品的弹性波速度：\n[0136] V=2L/t\n[0137] 其中，t为超声波通过岩石上下界面的时间差。\n[0138] 由于天然岩石由多种矿物质组成，常含有微裂隙，声波衰减比较大。因此常用脉冲透射法测量岩石的弹性波速。\n[0139] 以下对动态弹性模量、泊松比测试进行说明：\n[0140] 所述动态弹性模量、泊松比测试的实验原理可以采用如下公式进行表征：\n[0141] \n[0142] \n[0143] 其中，E为岩石的杨氏模量；ρ为岩石的密度，g/cm3；F为试验岩样所受的力；S为岩样的截面积；△L为岩样在受力方向的伸长量（或缩短量）；L为岩样在受力方向上的原长；VS为岩样的横波速度，m/s；Vp是岩样的纵波速度，m/s；μs为岩样的泊松比；Δε1为岩样的轴向应变增量；Δε2为岩样的横向应变增量；△tS为岩样的横波时差，μS/m；△tp为岩样的纵波时差。纵波传播速度定义为在固体、液体、气体中由于涨-缩变形而产生的弹性波传播速度；横波传播速度定义为在固定中，由于剪切形变而产生的弹性波的传播速度；\n[0144] 由上可知，只需测量岩石密度、纵横波速即可计算得到动态弹性模量、泊松比。\n[0145] 以下对实验室静态力学参数试验进行说明：\n[0146] 静态岩石试验结果是多种岩石试验的基础。目前最长用的静态岩石试验方法有岩石单轴向压力缩试验、岩石三轴抗压试验等。\n[0147] 一、岩石单轴向压力缩试验\n[0148] 单轴向压力缩试验，也称无侧向围压压缩试验，是最常用的岩石强度试验。试验的试样通常为圆柱体，为了减少端部效应的影响，长度和直径的比值一般为2～3。试验用的压力机，要能连续加载而没有冲击，能在总吨位10%～90%的范围内进行试验。测定试样变形，要用精度和量距均能满足要求的测量仪表。在标准的室内压缩试验中，岩心通常是经过加工并置于试验机的十字头和工作台之间进行压缩试验的。试件所受围压为零，试验采用每秒5～8公斤每平方厘米的加载速度加压，直至破坏为止。轴向加载系连续加载，通过测量轴向应力及轴向和径向变形，研究岩石的力学性质。\n[0149] 二、岩石三轴抗压试验\n[0150] 深层的岩石处于各向异性应力场中，即受到三轴应力作用。在石油钻井或开采过程中，井眼或生产射孔附近的剪切应力值增加。如果井壁是可渗透的，则在井眼或孔隙壁上的有效主应力中会有一个有效主应力分量为零。而当有泥饼堵塞流体使之无法穿越井眼或孔隙壁时，这个值会稍高一些。单轴抗压强度σC是描述井壁稳定的重要的强度参数。为了更好的评估井眼或孔隙结构的稳定性，必须了解岩石的力学性能和强度特性是如何随着外荷载变化而变化的。\n[0151] 根据上述动态力学参数试验和静态力学参数试验可获得动静差异的围观机理如下：\n[0152] 动、静态载荷应变幅值和载荷频率不同，静态属于无限低频率的大应变（10-5～-3\n10 ）载荷；动态测试为高频率的小应变，声波为小应变载荷，其典型的频率范围：地震勘探约几十赫兹，声波测井10～20KHz，室内超声波测试0.5～1.0MHz。地震所产生的应变的-6\n典型值为10 。正是由于动、静态载荷的这种差别，才使得岩石对动、静态载荷的响应不同，其动、静态弹性参数也不同。\n[0153] 钢铁、铝、有机玻璃等均值材料的动、静态弹性参数基本相同。岩石的动、静态弹性参数之所以存在差别，是由于岩石材料本身的固有特征引起的。岩石为多相复合介质，岩石内分布着微裂隙，微裂隙内部存在流体，这正是岩石动、静态弹性参数差别的内在原因。\n[0154] 对此，本专利发明人进行了动静测量差异实验设计。通过对原有实验装置进行了改装，建立了一套岩石动、静态弹性参数同步测量装置。测试岩样装在高压釜内，并用耐油橡胶套密封，用压力机施加油压，用手摇泵提供围压，液压稳压源给岩样提供稳定的孔隙压力。用岩样轴向两端面的超声波换能器测定纵、横波在岩样中的传播速度，换算后得到动态杨氏模量和泊松比。超声换能器的纵波谐振频率为850KHz，横波为450KHz，换能器与岩样间用锡箔纸耦合。岩样表面的电阻应变片用于测量岩样加载过程中的变形，通过计算可能可得到岩石的静态杨氏模量和泊松比。运用HP3054A数据采集及控制系统，使整个测定过程完全在计算机实时监控下完成。影响岩石力学特性的因素较多，实验结果通常会出现一定的偏差。将较少数据点的实验结果用于实验分析可能会引起较大的波动。因此，应采用大量的实验数据进行回归分析来活的较有代表性的结果。\n[0155] 实验所用的岩样是以延长油田的砂岩岩心用金刚石钻头在室内钻取并在车床上加工而成的，其直径为53mm，其两端面在磨床和砂纸上磨平、磨光，使得岩样的尺寸、外表面的光洁度、两端面的光洁度和平行度都达到国际掩饰力学学会（ISRM）对岩石静态和动态的测试要求。\n[0156] 在实验前，测量试验岩心的长度L（mm），直径D2（mm），质量W（g）和声波测试系统的纵、横波延迟时间Tpo,Tso(μs)，并用有机玻璃样品作为标准件，对动态测试系统进行了一次测试。通过测试有机玻璃样品的纵波速度为2760m/s，横波速度为1390m/s，这些结果和岩石声学测试提供的实验数据的偏差在5%之内，证明了动态测试数据可靠。在对岩样进行正式测试之前，先预压了三个应力周期，基本上消除了应力滞后的影响。\n[0157] 为了表示动静测试方法对岩石力学参数的影响，引入岩石力学参数动静差异比的概念。岩石力学参数动静差异比：\n[0158] \n[0159] \n[0160] 其中，Ec为杨氏模量动静差异比；Ed为动态杨氏模量；Es为静态杨氏模量；μc为泊松比动静差异比；μd为动态泊松比；μs为静态泊松比。\n[0161] 以上对本发明所提供的一种岩石动、静态弹性参数同步测量装置和一种油气藏岩体力学地下原位模型恢复的装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。