(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210756634.4 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市河北 大街西 段438号 (72)发明人 邵先杰　韩森伟　高文龙　林景昱　 马胜利　张宏远　崔天琪　胡紫薇　 (74)专利代理 机构 北京市诚辉律师事务所 11430 专利代理师 朱伟军　耿慧敏 (51)Int.Cl. G01L 5/00(2006.01) E21B 47/06(2012.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种井眼原始地应力和地层破裂压力测量 装置与方法 (57)摘要 本申请公开了一种井眼原始地应力和地层 破裂压力测量装置与方法， 涉及地应力测试技术 领域。 能够在井眼中连续测量不同深度、 不同方 向上的原始地应力和地层破裂压力， 解决测量设 备回收困难、 地应力测量不准确的难题。 该测量 装置包括地面操控系统、 数据采集与处理系统、 井眼膨胀固定器、 伺服电机和液压应力测量仪； 地面操控系统能够为井眼膨胀固定器和液压应 力测量仪提供动力源和牵引力； 液压应力测量仪 中第二伸缩臂能够对目标地层围岩施加压力， 直 至地层破裂， 并使电阻测距仪两端的电压发生变 化； 数据采集与处理系统能够采集电阻测距仪两 端的电压值和液压泵的输出压力值， 计算出第二 伸缩臂的长度， 并实时绘制压力值与第二伸缩臂 的长度的关系曲线。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115096488 A 2022.09.23 CN 115096488 A 1.一种井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置， 其特征在于， 包括地面操控系统、 数 据采集与处 理系统、 井下控制系统和液压应力测量仪； 所述地面操控系统能够为所述井下控制系统和所述液压应力测量仪提供动力源和牵 引力； 所述井下控制系统包括井眼膨胀固定器和伺服电机； 所述井眼膨胀固定器的下端固连所述伺 服电机的壳体， 所述伺服电机的输出轴连接所 述液压应力测量仪的上端； 所述井眼膨胀固定器包括第 一液压驱动组件和第 一伸缩臂； 所述第 一液压驱动组件能 够驱动所述第一伸缩臂伸出并抓紧井壁； 所述液压应力测量仪包括第二液压驱动组件、 第二伸缩臂和电阻测距仪； 所述第二液 压驱动组件能够驱动所述第二伸缩臂伸出并对目标地层围岩施加连续稳定的压力直至地 层破裂， 并使电阻测距仪 两端的电压发生变化； 所述地面操控系统包括液压泵； 所述液压泵为所述第 一液压驱动组件和第 二液压驱动 组件提供 液动力； 所述数据采集与处理系统能够采集所述电阻测距仪两端的电压值和所述液压泵的输 出压力值， 并根据所述电压值计算出所述液压应力测 量仪中的第二伸缩臂的长度， 并实时 绘制所述液压泵的输出压力值与所述第二伸缩臂的长度的关系曲线。 2.根据权利要求1所述的井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置， 其特征在于， 所述 井眼膨胀固定器还包括金属支撑管和金属圆环； 所述第一液压驱动组件包括多个井眼膨胀 固定器液压缸； 多个所述井眼膨胀固定器液压缸沿所述金属支撑管 的周向均布， 且每个所 述井眼膨胀固定器液压缸的固定端连接在所述金属支撑管的侧壁和所述金属圆环上， 所述 井眼膨胀固定器液压缸 的伸出端均穿过所述金属支撑管的侧 壁后与对应的所述第一伸缩 臂连接。 3.根据权利要求1所述的井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置， 其特征在于， 所述 第一伸缩臂包括第一弧形作用面和设置在第一弧形作用面上的锥状凸起； 所述第二伸缩臂 包括第二弧形作用面。 4.根据权利要求1所述的井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置， 其特征在于， 所述 液压应力测量仪还包括金属壳体， 所述第二液压驱动组件包括一个液压应力测量仪液压 缸； 所述液压应力测 量仪液压缸采用双活塞杆液压缸， 且所述液压应力测量仪液压缸 的两 个伸出端均穿过 所述金属壳体的侧壁后与对应的所述第二伸缩臂连接 。 5.根据权利要求4所述的井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置， 其特征在于， 所述 金属壳体为顶部及两侧面设有开口的方形盒体， 所述电阻测距仪包括设置在所述金属壳体 内的滑动变阻器； 所述滑动变阻器的电阻滑动触头通过绝 缘支杆连接对应的第二伸缩臂。 6.根据权利要求4所述的井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置， 其特征在于， 所述 液压应力测量仪还包括设置在所述金属壳体内的方位测量仪和配重块； 所述配重块位于所 述金属壳体的底面上， 所述方位测量仪固定在所述配重块的上 方。 7.根据权利要求1所述的井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置， 其特征在于， 所述 地面操控系统还包括绞车和井口支架； 所述井眼膨胀固定器的第一液压驱动组件通过井眼 膨胀固定器液压管与所述液压泵连接； 所述井眼膨胀固定器液压管上设有第一开关阀； 所权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115096488 A 2述液压应力测量仪的第二液压驱动组件通过液压应力测量仪液压管与所述液压泵连接； 所 述液压应力测量仪液压管上设有第二开关阀； 所述绞车能够缠绕或松开所述井眼膨胀固定 器液压管和所述液压应力测量仪液压管； 所述井口支架能够将所述液压管线的延伸方向由 水平方向转换为竖直方向。 8.根据权利要求7所述的井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置， 其特征在于， 所述 地面操控系统还包括电源， 所述液压应力测量仪和所述伺服电机均通过电缆与所述电源连 接； 所述绞车能够缠绕或松开所述电缆和所述液压管线。 9.根据权利要求1所述的井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置， 其特征在于， 所述 数据采集与处理系统包括计算机、 数据接收卡、 数据处理单元、 电子电压表和压力传感器； 所述电子电压表用于采集所述电阻测距仪两端的电压； 所述压力 传感器用于采集所述液压 泵的输出压力； 所述数据接 收卡和所述数据 处理单元均集成在所述计算机内； 所述电子电 压表和所述压力传感器与所述数据接收卡和所述数据处 理单元均电连接 。 10.一种基于权利要求1～9任一所述井眼原始地应力和地层破裂压力测量装置的测量 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一、 在下入被测井之前将液压应力测量仪调制平衡； 步骤二、 通过地面控制系统将井眼膨胀固定器、 伺服电机和液压应力测量仪下入至预 设深度点； 步骤三、 启动液压泵驱动井眼膨胀固定器中的第一伸缩臂伸展并顶紧在井壁上， 然后 切断所述液压泵与所述井眼膨胀固定器之间的管路； 步骤四、 通过地面控制系统驱动所述伺服电机旋转至预设的方位角， 所述伺服电机带 动所述液压应力测量仪转到预设的方位； 步骤五、 液压泵持续加压驱动液压应力测量仪中的第二伸缩臂持续伸展直至地层破 裂； 步骤六、 所述数据采集与处理系统采集所述电阻测距仪两端的电压值和所述液压泵的 输出压力值， 并根据所述电压值计算出所述液压应力测量仪中的第二伸缩臂的长度， 并实 时绘制所述液压泵的输出压力值与所述第二伸缩臂的长度的关系曲线图； 步骤七、 实时分析关系曲线图， 获取所述预设深度点的原始地应力值和地层破裂压力； 所述原始地应力值为压力随着伸缩臂的长度增加而突然增大的第一个拐点值； 所述地层破 裂压力值 为液压泵的输出压力值随着伸缩臂的长度增 加而突然减小的拐点 值； 步骤八、 测完一个深度点的原始地应力和地层破裂压力后， 通过地面控制系统驱动井 眼膨胀固定器中的第一伸缩臂和液压应力测量仪中的第二伸缩臂收回， 然后在上提或下方 液压应力测量仪至下一个深度点， 并重复步骤三至步骤七， 直至的得到所有预设深度点的 原始地应力值和地层破裂压力值； 步骤九、 分析不同深度、 不同方向地应力大小和方向， 确定出被测井所在地区的最大主 应力和最小 主应力的大小以及方向。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115096488 A 3