一种水平应力测量方法及装置

摘要

本发明提供了一种水平应力测量方法及装置，包括：测量圆柱状待测量岩芯曲面上多个监测位置的滞弹性恢复应变值，及获取待测量岩芯所在钻井的钻井参数；确定滞弹性恢复应变值与待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系；根据滞弹性恢复应变值和比例关系，确定待测量岩芯的水平最大应变值和水平最小应变值；根据水平最大应变值和水平最小应变值，确定待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值；根据泥浆压力、孔隙压力、岩石力学参数、待测量岩芯在岩石中所处深度的垂向应力和上述比值，确定水平应力的范围。本发明中，根据测量的待测量岩芯的应变值以及钻井参数，测量水平应力的范围，能够测量泥页岩的水平应力，并且测量方法简单。

权利要求

1.一种水平应力测量方法，其特征在于，所述方法包括：分别采集各个预设的监测位置在多个预设时刻对应的应变值；

统计每个监测位置对应的应变值在多个预设时刻出现的次数；

将出现次数最多的所述应变值确定为所述监测位置对应的滞弹性恢复应变值；

以及获取待测量岩芯所在钻井的钻井参数，所述钻井参数包括泥浆压力、孔隙压力和岩石力学参数；

以所述待测量岩芯的底面的中点作为原点，以过所述中点的两条垂直线作为横轴和纵轴，以过所述中点且垂直于所述横轴和所述纵轴的轴线作为竖轴，建立坐标系；

确定各个所述监测位置与所述待测量岩芯的底面平行的切线相对于所述坐标系的横轴和纵轴的方向余弦；

根据所述方向余弦确定所述滞弹性恢复应变值与所述待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系；

在每个监测位置上均设置一个应变计，通过每个监测位置上的应变计确定出每个监测位置对应的滞弹性恢复应变值，根据确定的所述滞弹性恢复应变值和所述比例关系，确定所述待测量岩芯的水平应变分量；

根据所述水平应变分量，通过公式(1)得到未知参数λ的两个根λ1和λ2，将λ1和λ2中较大的一个根确定为待测量岩芯的水平最大应变值，将λ1和λ2中较小的一个根确定为待测量岩芯的水平最小应变值；

(ε'x-λ)(ε'y-λ)-ε'xyε'yx＝0      (1)其中，ε′x为X轴方向的应变分量，ε′y为Y轴方向的应变分量，ε′xy和ε′yx均为剪应变，且ε′xy和ε′yx大小相等，但是正负号不一样；

根据所述水平最大应变值和所述水平最小应变值，确定所述待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值；

根据垂向应力和孔隙压力，确定待测量岩芯的水平应力的第一范围；

根据所述岩石力学参数、所述孔隙压力、所述泥浆压力和所述比值，确定待测量岩芯的水平应力的第二范围；

确定所述水平应力的第一范围与水平应力的第二范围的交集；

将所述交集确定为待测量岩芯的水平应力的范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钻井参数还包括：弹性模量、泊松比和热膨胀系数；

所述岩石力学参数包括岩石的单轴抗压强度或岩石的单轴抗拉强度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述垂向应力和所述孔隙压力，确定所述待测量岩芯的水平应力的第一范围，包括：根据所述垂向应力和所述孔隙压力，通过公式(2)、(3)和(4)确定所述水平应力的第一范围；

其中，在公式(2)、公式(3)和公式(4)中，SV为所述待测量岩芯的在岩石中所处深度的垂向应力，PP为所述待测量岩芯的孔隙压力，σHmax为所述待测量岩芯的水平最大应力，σhmin为所述待测量岩芯的水平最小应力，μ为摩擦系数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述岩石力学参数、所述孔隙压力、所述泥浆压力和所述比值，确定所述待测量岩芯的水平应力的第二范围，包括：根据所述岩石的单轴抗拉强度或所述岩石的单轴抗压强度，确定所述待测量岩芯的钻孔周向应力的取值范围；

根据所述钻孔周向应力的取值范围和所述比值，通过公式(5)和公式(6)确定所述待测量岩芯的水平应力的第二范围；

其中，在公式(5)和公式(6)中， 为所述钻孔周向应力的最小值， 为所述钻孔周向应力的最大值，Pm为泥浆压力，αT为热膨胀系数，ΔT为钻井泥浆与钻井的孔壁岩石的温度差，E为弹性模量，ν为泊松比。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述水平最大应变值和所述水平最小应变值，确定所述待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值，包括：根据所述水平最大应变值和所述水平最小应变值确定待测量岩芯的平均应变值；

根据所述水平最大应变值、所述水平最小应变值和所述平均应变值，确定所述待测量岩芯的水平最大应力值和水平最小应力值的比值。

6.一种水平应力测量装置，其特征在于，所述装置包括：测量模块，用于分别采集各个预设的监测位置在多个预设时刻对应的应变值；

统计每个监测位置对应的应变值在多个预设时刻出现的次数；

将出现次数最多的所述应变值确定为所述监测位置对应的滞弹性恢复应变值；

获取模块，用于获取待测量岩芯所在钻井的钻井参数，所述钻井参数包括泥浆压力、孔隙压力和岩石力学参数；

第一确定模块，用于以所述待测量岩芯的底面的中点作为原点，以过所述中点的两条垂直线作为横轴和纵轴，以过所述中点且垂直于所述横轴和所述纵轴的轴线作为竖轴，建立坐标系；

确定各个所述监测位置与所述待测量岩芯的底面平行的切线相对于所述坐标系的横轴和纵轴的方向余弦；

根据所述方向余弦确定所述滞弹性恢复应变值与所述待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系；

第二确定模块，用于在每个监测位置上均设置一个应变计，通过每个监测位置上的应变计确定出每个监测位置对应的滞弹性恢复应变值，根据确定的所述滞弹性恢复应变值和所述比例关系，确定所述待测量岩芯的水平应变分量；

根据所述水平应变分量，通过公式(1)得到未知参数λ的两个根λ1和λ2，将λ1和λ2中较大的一个根确定为待测量岩芯的水平最大应变值，将λ1和λ2中较小的一个根确定为待测量岩芯的水平最小应变值；

(ε'x-λ)(ε'y-λ)-ε'xyε'yx＝0    (1)其中，ε′x为X轴方向的应变分量，ε′y为Y轴方向的应变分量，ε′xy和ε′yx均为剪应变，且ε′xy和ε′yx大小相等，但是正负号不一样；

第三确定模块，用于根据所述水平最大应变值和所述水平最小应变值，确定所述待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值；

第四确定模块，用于根据垂向应力和孔隙压力，确定待测量岩芯的水平应力的第一范围；

根据所述岩石力学参数、所述孔隙压力、所述泥浆压力和所述比值，确定待测量岩芯的水平应力的第二范围；

确定所述水平应力的第一范围与水平应力的第二范围的交集；

将所述交集确定为待测量岩芯的水平应力的范围。

说明书

一种水平应力测量方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及非常规油气开发技术领域，具体而言，涉及一种水平应力测量方法及装置。

背景技术

[0002] 非常规油气开发技术是近十年来全球最大的能源技术革命，以水平井多级压裂和“井工厂模式”为核心的页岩油气勘探开发技术促使了全球页岩油气的成功开发。在页岩油气压裂开发中，水平应力的范围是页岩气等非常规油气开发中的重要参数之一，因此，测量水平应力的范围就显得尤为重要。其中，上述水平应力的范围包括水平最大应力的范围和水平最小应力的范围。

[0003] 现有技术中，在进行水平应力的测量时，大都是先测量水平最小应力的范围，再通过发生井壁破坏时的工程参数，如泥浆压力、井底泥浆与岩石的温度差等信息，确定出水平最大应力的范围。

[0004] 现有技术中的水平最小应力的范围大都是通过压裂施工曲线获取，需要在压裂施工时才能完成，但是，压裂施工成本高且工期长，并且多数钻井不能进行压裂施工，因此，会导致无法获取水平最小应力的范围，进而无法确定出水平最大应力的范围，最终导致无法测量水平应力。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种水平应力测量方法及装置，以解决现有技术中通过压裂施工有时无法获取泥页岩的水平最小应力的范围，从而导致无法确定出水平最大应力的范围，最终导致无法测量水平应力的问题。

[0006] 第一方面，本发明实施例提供了一种水平应力测量方法，其中，该方法包括：

[0007] 测量圆柱状待测量岩芯曲面上多个监测位置的滞弹性恢复应变值，以及获取所述待测量岩芯所在钻井的钻井参数，所述钻井参数包括泥浆压力、孔隙压力和岩石力学参数；

[0008] 确定所述滞弹性恢复应变值与所述待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系；

[0009] 根据所述滞弹性恢复应变值和所述比例关系，确定所述待测量岩芯的水平最大应变值和水平最小应变值；

[0010] 根据所述水平最大应变值和所述水平最小应变值，确定所述待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值；

[0011] 根据所述泥浆压力、所述孔隙压力、所述岩石力学参数、所述待测量岩芯在岩石中所处深度的垂向应力和所述比值，确定所述待测量岩芯的水平应力的范围。

[0012] 结合第一方面，本发明实施例提供了上述第一方面的第一种可能的实现方式，其中，所述钻井参数还包括：弹性模量、泊松比和热膨胀系数；

[0013] 所述岩石力学参数包括岩石的单轴抗压强度或岩石的单轴抗拉强度。

[0014] 结合第一方面的第一种可能的实现方式，本发明实施例提供了上述第一方面的第二种可能的实现方式，其中，所述根据所述泥浆压力、所述孔隙压力、所述岩石力学参数、所述待测量岩芯在岩石中所处深度的垂向应力和所述比值，确定所述待测量岩芯的水平应力的范围，包括：

[0015] 根据所述垂向应力和所述孔隙压力，确定所述待测量岩芯的水平应力的第一范围；

[0016] 根据所述岩石力学参数、所述孔隙压力、所述泥浆压力和所述比值，确定所述待测量岩芯的水平应力的第二范围；

[0017] 确定所述水平应力的第一范围与所述水平应力的第二范围的交集；

[0018] 将所述交集确定为所述待测量岩芯的水平应力的范围。

[0019] 结合第一方面的第二种可能的实现方式，本发明实施例提供了上述第一方面的第三种可能的实现方式，其中，所述根据所述垂向应力和所述孔隙压力，确定所述待测量岩芯的水平应力的第一范围，包括：

[0020] 根据所述垂向应力和所述孔隙压力，通过公式(1)、(2)和(3)确定所述水平应力的第一范围；

[0021]

[0022]

[0023]

[0024] 其中，在公式(1)、公式(2)和公式(3)中，SV为所述待测量岩芯的在岩石中所处深度的垂向应力，PP为所述待测量岩芯的孔隙压力，σHmax为所述待测量岩芯的水平最大应力，σhmin为所述待测量岩芯的水平最小应力，μ为摩擦系数。

[0025] 结合第一方面的第二种可能的实现方式，本发明实施例提供了上述第一方面的第四种可能的实现方式，其中，所述根据所述岩石力学参数、所述孔隙压力、所述泥浆压力和所述比值，确定所述待测量岩芯的水平应力的第二范围，包括：

[0026] 根据所述岩石的单轴抗拉强度或所述岩石的单轴抗压强度，确定所述待测量岩芯的钻孔周向应力的取值范围；

[0027] 根据所述钻孔周向应力的取值范围和所述比值，通过公式(4)和公式(5)确定所述待测量岩芯的水平应力的第二范围；

[0028]

[0029]

[0030] 其中，在公式(4)和公式(5)中， 为所述钻孔周向应力的最小值， 为所述钻孔周向应力的最大值，Pm为泥浆压力，αT为热膨胀系数，ΔT为钻井泥浆与钻井的孔壁岩石的温度差，E为弹性模量，ν为泊松比。

[0031] 结合第一方面，本发明实施例提供了上述第一方面的第五种可能的实现方式，其中，所述确定所述滞弹性恢复应变值与所述待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系，包括：

[0032] 以所述待测量岩芯的底面的中点作为原点，以过所述中点的两条垂直线作为横轴和纵轴，以过所述中点的轴线作为竖轴，建立坐标系；

[0033] 确定各个所述监测位置与所述待测量岩芯的底面平行的切线相对于所述坐标系的横轴和纵轴的方向余弦；

[0034] 根据所述方向余弦确定所述滞弹性恢复应变值与所述待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系。

[0035] 结合第一方面，本发明实施例提供了上述第一方面的第六种可能的实现方式，其中，所述根据所述滞弹性恢复应变值和所述比例关系，确定所述待测量岩芯的水平最大应变值和水平最小应变值，包括：

[0036] 根据确定的所述滞弹性恢复应变值和所述比例关系，确定所述待测量岩芯的水平应变分量；

[0037] 根据所述水平应变分量，确定所述待测量岩芯的水平最大应变值和水平最小应变值。

[0038] 结合第一方面，本发明实施例提供了上述第一方面的第七种可能的实现方式，其中，所述根据所述水平最大应变值和所述水平最小应变值，确定所述待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值，包括：

[0039] 根据所述水平最大应变值和所述水平最小应变值确定待测量岩芯的平均应变值；

[0040] 根据所述水平最大应变值、所述水平最小应变值和所述平均应变值，确定所述待测量岩芯的水平最大应力值和水平最小应力值的比值。

[0041] 结合第一方面，本发明实施例提供了上述第一方面的第八种可能的实现方式，其中，所述测量圆柱状待测量岩芯曲面上多个监测位置的滞弹性恢复应变值，包括：

[0042] 分别采集各个所述监测位置在多个预设时刻对应的应变值；

[0043] 统计每个监测位置对应的应变值在多个预设时刻出现的次数；

[0044] 将出现次数最多的所述应变值确定为所述监测位置对应的滞弹性恢复应变值。

[0045] 第二方面，本发明实施例提供了一种水平应力测量装置，其中，所述装置包括：

[0046] 测量模块，用于测量圆柱状待测量岩芯曲面上多个监测位置的滞弹性恢复应变值；

[0047] 获取模块，用于获取所述待测量岩芯所在钻井的钻井参数，所述钻井参数包括泥浆压力、孔隙压力和岩石力学参数；

[0048] 第一确定模块，用于确定所述滞弹性恢复应变值与所述待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系；

[0049] 第二确定模块，用于根据所述滞弹性恢复应变值和所述比例关系，确定所述待测量岩芯的水平最大应变值和水平最小应变值；

[0050] 第三确定模块，用于根据所述水平最大应变值和所述水平最小应变值，确定所述待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值；

[0051] 第四确定模块，用于根据所述泥浆压力、所述孔隙压力、所述岩石力学参数、所述待测量岩芯在岩石中所处深度的垂向应力和所述比值，确定所述待测量岩芯的水平应力的范围。

[0052] 本发明实施例提供的水平应力测量方法及装置，根据测量的待测量岩芯的应变值以及钻井参数，测量水平应力的范围，能够测量泥页岩的水平应力，并且测量方法简单。

[0053] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

[0054] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

[0055] 图1示出了本发明实施例1所提供的水平应力测量方法的流程图；

[0056] 图2示出了本发明实施例1所提供的水平应力测量方法中测量待测量岩芯滞弹性恢复应变值的流程图；

[0057] 图3示出了本发明实施例1所提供的水平应力测量方法中待测量岩芯的示意图；

[0058] 图4示出了本发明实施例1所提供的水平应力测量方法中确定水平应力范围的流程图；

[0059] 图5示出了本发明实施例1所提供的水平应力测量方法中的水平应力曲线图；

[0060] 图6示出了本发明实施例2所提供的水平应力测量装置的结构示意图。

具体实施方式

[0061] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0062] 考虑到现有技术中，在进行水平应力范围的测量时，大都是先测量水平最小应力的范围，再通过发生井壁破坏时的工程参数，如泥浆压力、井底泥浆与岩石的温度差等信息，确定水平最大应力的范围，其中，水平最小应力的范围大都是通过压裂施工获取的，但是，压裂施工的成本高且工期长，并且多数钻井不能进行压裂施工，因此，会导致无法获取水平最小应力的范围，进而无法确定出水平最大应力的范围，最终导致无法确定出水平应力的范围。基于此，本发明实施例提供了一种水平应力测量方法及装置，下面通过实施例进行描述。

[0063] 实施例1

[0064] 如图1所示，本发明实施例提供了一种水平应力测量方法，包括步骤S110-S150，具体如下。

[0065] S110，测量圆柱状待测量岩芯曲面上多个监测位置的滞弹性恢复应变值，以及获取待测量岩芯所在钻井的钻井参数，该钻井参数包括泥浆压力、孔隙压力和岩石力学参数。

[0066] 在采用本发明实施例提供的方法测量水平应力时，需要现场钻取泥页岩岩芯，且钻取的泥页岩岩芯为圆柱形，然后将钻取的泥页岩岩芯的表面进行清洗，得到待测量岩芯。

[0067] 将泥页岩岩芯钻取出来后，这时，泥页岩岩芯不再受力，即处于卸荷状态，本发明实施例中，通过测量待测量岩芯卸荷后的滞弹性恢复变形数据来计算待测岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值之间的比值。

[0068] 上述在测量待测量岩芯的滞弹性恢复应变值时设置的多个监测位置可以位于曲面上的同一高度处，也可以位于曲面上不同高度处，本发明实施例并不对上述多个监测位置在曲面上的具体位置进行限定。

[0069] 上述多个监测位置在圆柱状的待测量曲面上可以均匀分布，即每个监测位置和相邻的监测位置之间的角度间隔相等，该角度间隔指的是该监测位置与圆柱中心的连接线之间的角度，比如说，如果在待测量岩心上设置三个监测位置，则可以是每个监测位置和其相邻的监测位置之间间隔120°。

[0070] 为了更方便的计算待测量岩芯的水平应力，在本发明实施例中，取相邻的监测位置之间间隔45°。

[0071] 如果相邻的监测位置之间间隔45°，在圆柱状待测量岩芯曲面上最多可以设置八个监测位置，因此，在本发明实施例中，可以选择设置八个监测位置，当然，本发明实施例并不对设置的监测位置的个数进行限定，只要上述监测位置的个数大于或等于3个即可。

[0072] 由于待测量岩芯卸荷后水平方向上的滞弹性恢复应变值在一段时间内会随着时间而变化，一段时间后，应变值趋于稳定，这时将稳定的应变值确定为待测量岩芯在该方向的滞弹性恢复应变值，如图2所示，确定圆柱状的待测量岩芯曲面上多个监测位置的滞弹性恢复应变值，包括步骤S210-S230，具体如下。

[0073] S210，分别采集各个监测位置在多个预设时刻对应的应变值；

[0074] S220，统计每个监测位置对应的应变值在多个预设时刻出现的次数；

[0075] S230，将出现次数最多的应变值确定为监测位置对应的滞弹性恢复应变值。

[0076] 上述在采集各个监测位置的应变值时，需要保持待测量岩芯的温度恒定，这样能够消除待测量岩芯温度变化带来的误差。

[0077] 在本发明实施例中，可以测量一段时间内各个监测位置对应的应变值，并且测量的这一段时间应该大于待测量岩芯的滞弹性应变值趋于稳定的时间，将测量的这一段时间段预先划分为多个时刻，采集各个监测位置在预设时刻对应的应变值，在开始一段时间内，各个监测位置对应的应变值会随着时间发生变化，当一段时间过后，各个监测位置对应的应变值趋于稳定，即各个监测位置对应的应变值不再随着时间发生变化，因此，会在连续多个预设时刻测量的该监测位置的应变值是相等的，即该监测位置对应的应变值会在多个预设时刻出现，因此，可以统计每个监测位置对应的应变值在多个预设时刻出现的次数，将出现次数最多的应变值确定为该监测位置对应的滞弹性恢复应变值，也就是，出现次数最多的应变值就是该监测位置稳定的应变值。

[0078] 在本发明实施例中，为了测量各个监测位置对应的应变值，上述各个监测位置处设置有应变计，通过应变计采集各个监测位置在多个预设时刻对应的应变值。

[0079] 上述应变计贴在待测量岩芯表面的监测位置处，在上述各个监测位置处可以设置一个应变计，也可以设置一组应变计，一组应变计中可以包括多个应变计，如果，在每个监测位置上均设置一组应变计，则在每个监测位置对应的应变计组中包括的应变计的个数相等。

[0080] 如果在每个监测位置上设置一组应变计，则将该组应变计内各个应变计测量的应变值的平均值作为该监测位置的应变值。

[0081] 其中，上述钻井参数还包括弹性模量、泊松比和热膨胀系数；上述岩石力学参数包括岩石的单轴抗压强度或岩石的单轴抗拉强度。

[0082] 具体的，上述钻井参数可以通过成像测井的方法获取，即获取钻孔壁上的图像，然后根据钻孔壁图像确定上述钻井参数。

[0083] 另外，在钻取上述待测量岩芯时，需要记录钻取的待测量岩芯的深度，根据待测量岩芯的深度和待测量岩芯的密度，可以计算出待测量岩芯的垂向应力。

[0084] 上述待测量岩芯的垂向应力指的是待测量岩芯在岩石中的所处深度所受的重力，根据公式G＝ρgh可以计算出待测量岩芯在其所处深度的垂向应力，其中，在该公式中，G表示待测量岩芯的垂向应力,ρ表示待测量岩芯的密度，g表示重力加速度，为常量，h为待测量岩芯在钻井中的深度。

[0085] S120，确定上述滞弹性恢复应变值与待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系。

[0086] 上述确定滞弹性恢复应变值与待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系，具体包括：

[0087] 以待测量岩芯的底面的中点作为原点，以过中点的两条垂线作为横轴和纵轴，以过中点的轴线作为竖轴，建立坐标系；确定各个监测位置与待测量岩芯的地面平行的切线相对于坐标系的横轴和纵轴的方向余弦；根据上述方向余弦确定上述滞弹性恢复应变值与待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系。

[0088] 上述可以以圆柱状待测量岩芯的上底面的中心点作为原点，也可以以圆柱状待测量岩芯的下底面的中心点作为原点，优选的，在本发明实施例中，以待测量岩芯的上底面的中心点作为原点。

[0089] 具体的，将建立的坐标系的原点用O表示，横轴用X表示，纵轴用Y表示，竖轴用Z表示，建立待测量岩芯的O-XYZ坐标系。

[0090] 下面将以每个监测位置设置一个应变计、总共设置四个监测位置，且相邻每个监测位置之间间隔45°为例，详细介绍上述确定滞弹性恢复应变值与待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系。

[0091] 如图3所示，上述四个监测位置分别记为第一监测位置a1、第二监测位置a2、第三监测位置a3和第四监测位置a4，在每个监测位置上均设置一个应变计，第一监测位置a1上的两个应变计为C1，且将应变计C1测量得到的应变值确定为第一监测位置a1对应的应变值，第二监测位置a2上的两个应变计为C3，且将应变计C3测量得到的应变值确定为第二监测位置a2对应的应变值，第三监测位置a3上的两个应变计为C2，且将应变计C2测量得到的应变值确定为第三监测位置a3对应的应变值，第四监测位置a4上的两个应变计为C4，且将应变计C4测量得到的应变值确定为第四监测位置a4对应的应变值。

[0092] 分别计算第一监测位置a1、第二监测位置a2、第三监测位置a3和第四监测位置a4与待测量岩芯的底面平行的切线相对于上述坐标系的横轴和纵轴的方向余弦，该方向余弦指的是上述切线分别与横轴和纵轴的夹角的余弦值，如图3所示，第一监测位置a1与待测量岩芯的底面平行的切线与X轴平行，因此，该切线与X轴的夹角为0°，与Y轴的夹角为90°，由此，可以计算出第一监测位置a1分别与X轴和Y轴的方向余弦分别为1和0,，第二监测位置a2与待测量岩芯的底面平行的切线与Y轴平行，因此，该切线与X轴的夹角为90°，与Y轴的夹角为0°，由此，可以计算出第二监测位置分别与X轴和Y轴的方向余弦分别为0和1，第三监测位置a3与待测量岩芯的底面平行的切线与X轴的夹角为45°，与Y轴的夹角为135°，由此，可以计算出第三监测位置a3分别与X轴和Y轴的方向余弦分别为0.707和-0.707，第四监测位置a4与待测量岩芯的底面平行的切线与X轴的夹角为135°，与Y轴的夹角为45°，由此，可以计算出第四监测位置a4分别与X轴和Y轴的方向余弦分别为-0.707和0.707，上述第一监测位置a1、第二监测位置a2、第三监测位置a3和第四监测位置a4分别与X轴和Y轴的方向余弦如表1所示。

[0093] 表1

[0094]

[0095] 在表1中，监测位置与待测量岩芯的底面平行的切线相对于X轴的方向余弦用li表示，监测位置待测量岩芯的底面平行的切线相对于Y轴的方向余弦用mi表示，其中，i＝1,2,3,4。当i取值为1时，l1表示第一监测位置与待测量岩芯的底面平行的切线相对于X轴的方向余弦，m1表示第一监测位置与待测量岩芯的底面平行的切线相对于Y轴的方向余弦。

[0096] 当确定出每个监测位置与待测量岩芯的底面平行的切线相对于X轴和Y轴的方向余弦后，根据如下公式确定出每个监测位置对应的应变值与待测量岩芯的水平应变分量之间比例系数，

[0097]

[0098] 通过上述公式确定监测位置对应的滞弹性恢复应变值与待测量岩芯的水平分量之间的比例系数后，得到监测位置对应的应变值与待测量岩芯的水平分量之间的比例关系为：b＝Aε′，其中，在该公式中A为上述计算得出的比例系数，b为每个监测位置对应的滞弹性恢复应变值，ε′为待测量岩芯的水平应变分量，且ε′＝[ε′x,ε′y,ε′xy]T，其中，ε′x为X轴方向的应变分量，ε′y为Y轴方向的应变分量，ε′xy为剪应变。

[0099] S130，根据上述滞弹性恢复应变值和上述比例关系，确定待测量岩芯的水平最大应变值和水平最小应变值。

[0100] 其中，上述确定待测量岩芯的水平最大应变值和水平最小应变值，具体包括：

[0101] 根据确定的滞弹性恢复应变值和上述比例关系，确定待测量岩芯的水平应变分量；根据上述水平应变分量，确定上述待测量岩芯的水平最大应变值和水平最小应变值。

[0102] 具体的，通过每个监测位置上的应变计可以确定出每个监测位置对应的滞弹性恢复应变值，如果在每个监测位置上设置一个应变计，则将该应变计采集的稳定的应变值确定为该监测位置对应的应变值，如果在每个监测位置上设置有一组应变计，则将该组内所有应变计采集的稳定的应变值的平均值确定为该监测位置对应的应变值。

[0103] 第一监测位置对应的应变值用b1表示，第二监测位置对应的应变值用b2表示，第三监测位置对应的应变值用b3表示，第四监测位置对应的应变值用b4表示，则b＝[b1,b2,b3,b4]T为待测量岩芯的应变值。

[0104] 根据公式b＝Aε′及确定的待测量岩芯的应变值b＝[b1,b2,b3,b4]T，可以计算出水平应变分量，具体计算过程如下：

[0105] 在公式b＝Aε′的两边各乘以应变值与水平应变分量之间的比例系数的转置矩阵，即：

[0106] ATAε′＝ATb

[0107] 通过解上述公式，可以得出ε′＝(ATA)-1ATb。

[0108] 水平面上的应变状态可以通过两个主应变值来表示，这两个主应变就是水平最大应变值和水平最小应变值，通过水平应变分量计算水平最大应变值和水平最小应变值可以通过求解如下方程组得到：

[0109]

[0110] 其中，在上述公式中，λ为待求解的未知参数，li为监测位置与待测量岩芯的底面平行的切线相对于X轴的方向余弦，mi为监测位置与待测量岩芯的底面平行的切线相对于Y轴的方向余弦，ε′x为X轴方向的应变分量，ε′y为Y轴方向的应变分量，ε′xy和ε′yx均为剪应变，且ε′xy和ε′yx大小相等，但是正负号不一样。

[0111] 上述方程组为齐次线性方程组，上述方程组非零解的必要和充分条件时系数行列式为零，即：

[0112]

[0113] 将上述行列式展开后为一元二次方程式，即：

[0114] (ε′x-λ)(ε′y-λ)-ε′xyε′yx＝0

[0115] 通过求解上述公式，可以得到关于未知参数λ的两个根λ1和λ2，将λ1和λ2中较大的一个根确定为待测量岩芯的水平最大应变值，将λ1和λ2中较小的一个根确定为待测量岩芯的水平最小应变值。

[0116] S140，根据上述水平最大应变值和水平最小应变值，确定待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值。

[0117] 具体的，上述确定待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值，包括：根据上述水平最大应变值和水平最小应变值确定待测量岩芯的平均应变值；根据上述水平最大应变值、水平最小应变值和平均应变值，确定待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值。

[0118] 在本发明实施例中，可以通过如下公式确定待测量岩芯的平均应变值：

[0119] ε平＝(εmax+εmin)/2

[0120] 其中，在上述公式中，ε平为待测量岩芯的滞弹性恢复平均应变值，εmax为待测量岩芯的水平最大应变值，εmin为待测量岩芯的水平最小应变值。

[0121] 根据水平应变值和平均应变值，通过如下公式，确定出水平最大应力值和水平最小应力值；

[0122] σi＝ei/Jas+em/Jav+P0

[0123] 其中，在上述公式中，i的取值为H和h，当i为H时表示水平最大应力值，当i为h时表示水平最小应力值，ei为滞弹性恢复偏应变，即水平应变值与平均应变值的差值，平均应变值为水平最大应变值和水平最小应变值的平均值，当i为H时，ei为水平最大应变值与平均应变值的差值，当i为h时，ei为水平最大应变值与平均应变值的差值，em为滞弹性恢复体应变，即滞弹性恢复平均应变值ε平，Jas为滞弹性恢复应变柔度，Jav为体积非滞弹性应变柔度，P0为孔隙压力，σi为水平应力值。

[0124] 具体的，根据水平最大应变值和平均应变值，通过如下公式，确定待测量岩芯的水平最大应力值为：

[0125] σH＝(εmax-ε平)/Jas+ε平/Jav+P0

[0126] 根据水平最小应变值和平均应变值，通过如下公式，确定待测量岩芯的水平最小应力值为：

[0127] σh＝(εmin-ε平)/Jas+ε平/Jav+P0

[0128] 通过上述公式，可以确定出水平最大应力值与水平最小应力值之间的比值为：

[0129]

[0130] 由于JavJas的取值一定，在某些具体实施例中JasJav的取值为1.56，因此，水平最大应力值与水平最小应力值之间的比值可以确定为：

[0131]

[0132] 将已经确定出的水平最大应变值与水平最小应变值之间的比值代入上述公式，可以确定出水平最大应力值与水平最小应力值之间的比值，将水平最大应变值与水平最小应变值之间的比值记为εmax/εmin＝K，因此，可以得出：

[0133]

[0134] 在上式中，P0为已知的，Jav及εmin均为已知的，因此，通过上述公式可以确定出水平最大应力值与水平最小应力值之间的比值。

[0135] S150，根据上述泥浆压力、上述孔隙压力、岩石力学参数、待测量岩芯在岩石中所处深度的垂向应力和上述比值，确定待测量岩芯的水平应力的范围。

[0136] 具体的，确定待测量岩芯的水平应力的范围，如图4所示，包括步骤S410-S440，具体如下。

[0137] S410，根据上述垂向应力和孔隙压力，确定待测量岩芯的水平应力的第一范围；

[0138] S420，根据上述岩石力学参数、上述孔隙压力、上述泥浆压力和上述比值，确定待测量岩芯的水平应力的第二范围；

[0139] S430，确定上述水平应力的第一范围与水平应力的第二范围的交集；

[0140] S440，将上述交集确定为待测量岩芯的水平应力的范围。

[0141] 在本发明实施例中，首先根据待测量岩芯的垂向应力和钻井参数中的孔隙压力，确定出待测量岩芯的水平应力的一个较大的范围，即待测量岩芯的水平应力的第一范围。

[0142] 具体的，上述待测量岩芯的水平应力包括待测量岩芯的水平最大应力和水平最小应力。

[0143] 确定上述待测量岩芯的水平应力的第一范围，包括：根据上述垂向应力和孔隙压力，通过公式(1)、(2)和(3)确定上述水平应力的第一范围；

[0144]

[0145]

[0146]

[0147] 其中，在上述公式(1)、公式(2)和公式(3)中，SV为待测量岩芯在岩石中所处深度的垂向应力，PP为待测量岩芯的孔隙压力，σHmax为待测量岩芯的水平最大应力，σhmin为待测量岩芯的水平最小应力，μ为摩擦系数。

[0148] 上述摩擦系数μ指的是地壳中的岩石发生滑动时的摩擦系数，该摩擦系数μ为一个常量，优选的，取值0.6。

[0149] 上述公式(1)是根据泥页岩的正断层的取值范围，确定待测量岩芯的水平最小应力的范围，上述公式(2)是根据泥页岩的走滑断层的取值范围，确定待测量岩芯的水平最大应力与水平最小应力之间的变化关系，上述公式(3)根据泥页岩的逆断层的取值范围，确定待测量沿岩芯的水平最大应力的范围。

[0150] 对上述公式(1)、(2)和(3)联立求解，可以确定出待测量岩芯的水平最大应力的范围、待测量岩芯的水平最小应力的范围，从而得到水平应力的第一范围。

[0151] 具体的，根据上述公式(1)可以做出水平最小应力值的取值范围曲线，记为第一曲线，根据公式(3)可以做出水平最大应力值的取值范围曲线，记为第二曲线，根据公式(2)可以做出水平最大应力值随水平最小应力值的变化曲线，记为第三曲线，根据待测量岩芯的垂向应力的取值做出过该垂向应力值的曲线，记为第四曲线，其中，第四曲线的斜率为1，即位于第四曲线上的点的横坐标和纵坐标相等，即位于第四曲线上的点的水平最小应力值和水平最大应力值相等，根据上述四条曲线可以确定出待测量岩芯的水平应力的第一范围，上述四条曲线所包围的区域就是待测量岩芯的水平应力的第一范围。

[0152] 上述根据岩石力学参数、孔隙压力、泥浆压力和水平最大应力值与水平最小应力值的比值，确定待测量岩芯的水平应力的第二范围，具体包括：

[0153] 根据上述岩石的单轴抗拉强度或岩石的单轴抗压强度，确定待测量岩芯的钻孔周向应力的取值范围；

[0154] 根据钻孔周向应力的最大值的取值范围、最小值的取值范围和上述比值，通过公式(4)和公式(5)确定上述待测量岩芯的水平应力的第二范围；

[0155]

[0156]

[0157] 其中，在公式(4)和公式(5)中， 为钻孔周向应力的最小值， 为钻孔周向应力的最大值，Pm为泥浆压力，αT为热膨胀系数，ΔT为钻井泥浆与钻井的孔壁岩石的温度差，E为弹性模量，ν为泊松比。

[0158] 在本发明实施例中，可以根据岩石的单轴抗拉强度确定待测量岩芯的钻孔周向应力的取值范围，也可以根据岩石的单轴抗压强度确定待测量岩芯的钻孔周向应力的取值范围。

[0159] 具体的，根据岩石发生孔壁破坏(包括拉破坏和压破坏)的临界条件，确定出钻孔周向应力的取值范围，包括钻孔周向应力的最大值的取值范围和钻孔周向应力的最小值的取值范围。

[0160] 具体的，上述公式(3)和公式(4)可以通过如下公式变形得到：

[0161]

[0162] 其中，在上述公式中，σθθ为钻孔周向应力，θ为待测量岩芯上任意一个位置相对于水平最大应变方向的夹角。

[0163] 当θ取值为0°时，上述公式取得最小值，即钻孔周向应力σθθ取得最小值，即得到上述公式(4)，当θ取值为90°时，上述公式取得最大值，即钻孔周向应力σθθ取得最大值，即得到上述公式(5)。

[0164] 上述公式(4)为钻孔周向应力的最小值的公式，上述公式(5)为钻孔周向应力的最大值的公式，具体的，当钻孔周向应力的最小值为负值时，容易发生孔壁诱发张裂缝，当钻孔周向应力的最大值超过岩石的单轴抗拉强度时，容易发生孔壁剪切破坏，因此，根据钻孔周向应力的最小值的取值范围、钻孔周向应力的最大值的取值范围可以确定出上述公式(4)和公式(5)的取值范围。

[0165] 优选的，钻孔周向应力的最小值的取值范围为0-20MPa，钻孔周向应力的最大值的取值范围为0-80。

[0166] 另外，上述已经确定出了待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值，因此，可以根据公式(4)和公式(5)的取值范围，以及上述比值，上述三个公式联立方程组，确定出待测量岩芯的水平应力的第二范围。

[0167] 具体的，还可以分别画出上述钻孔周向应力取不同值时对应的曲线，上述待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值对应的曲线，将上述各条曲线的交集确定出的范围作为水平应力的第二范围。

[0168] 由于选取不同的待测量岩芯，确定出来的水平最大应力值与水平最小应力值的比值可能会有所差别，因此，最终会确定出水平最大应力值与水平最小应力值的比值的取值范围，根据该比值的取值范围确定出水平应力的第二范围。

[0169] 当确定出水平应力的第二范围后，由于水平应力的第二范围可能全部落在水平应力的第一范围内，也可能部分落在水平应力的第一范围内，甚至，全部没有落在水平应力的第一范围内，因此，确定出水平应力的第一范围和水平应力的第二范围的交集，将该交集确定出待测量岩芯的水平应力的范围。

[0170] 具体的，如图5所示，为确定出的一种可能的水平应力的范围，在图5中，钻取的待测量岩芯的深度为2980m，计算出的垂向应力为77.5MPa，水平最大应力值与水平最小应力值之间的比值的取值范围为1.02-1.10，钻孔周向应力的最大值的取值范围为0-80，钻孔周向应力的最小值的取值范围为0-20，待测量岩芯的孔隙压力为32.1MPa,钻井的泥浆压力为51.5MPa，弹性模量为60GPa，泊松比为0.2，摩擦系数为0.6，图5中最外层的四条曲线围城的区域为水平应力的第一范围，上述四条曲线分别是第一曲线、第二曲线、第三曲线和第四曲线，图中阴影部分为水平应力的第二范围，因此，第一范围和第二范围的交集则为图5中阴影部分，因此，最终确定出的图5中阴影部分即待测量岩芯的水平应力的范围。

[0171] 本发明实施例提供的水平应力的测量方法，根据测量的待测量岩芯的应变值以及钻井参数，测量水平应力的范围，能够测量泥页岩的水平应力，并且测量方法简单。

[0172] 实施例2

[0173] 本发明实施例提供了一种水平应力测量装置，如图6所示，该装置包括测量模块610、获取模块620、第一确定模块630、第二确定模块640、第三确定模块650和第四确定模块
660；

[0174] 上述测量模块610，用于测量圆柱状待测量岩芯曲面上多个监测位置的滞弹性恢复应变值；

[0175] 上述获取模块620，用于获取上述待测量岩芯所在钻井的钻井参数，所述钻井参数包括泥浆压力、孔隙压力和岩石力学参数；

[0176] 上述第一确定模块630，用于确定上述滞弹性恢复应变值与待测量岩芯的水平应变分量之间的比例关系；

[0177] 上述第二确定模块640，用于根据上述滞弹性恢复应变值和上述比例关系，确定待测量岩芯的水平最大应变值和水平最小应变值；

[0178] 上述第三确定模块650，用于根据上述水平最大应变值和水平最小应变值，确定待测量岩芯的水平最大应力值与水平最小应力值的比值；

[0179] 上述第四确定模块660，用于根据上述泥浆压力、孔隙压力、上述岩石力学参数、待测量岩芯在岩石中所处深度的垂向应力和上述比值，确定待测量岩芯的水平应力的范围。

[0180] 本发明实施例提供的水平应力测量装置，根据测量的待测量岩芯的应变值以及钻井参数，测量水平应力的范围，能够测量泥页岩的水平应力，并且测量方法简单。

[0181] 本发明实施例所提供的水平应力测量装置可以为设备上的特定硬件或者安装于设备上的软件或固件等。本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0182] 在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0183] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0184] 另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

[0185] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0186] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0187] 最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。