CN109556782A - 一种基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地应力测量技术领域，尤其是涉及一种基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法。具体方法首为先测量小孔在套芯前的孔径最大和最小值，然后测量套芯后小孔孔径的初始真实孔径，最后在解除岩芯中钻取小岩芯开展力学测试，获得岩石弹性参数，根据本发明推导的理论方程，得出垂直钻孔在横向非均匀应力场情况下最大和最小水平主应力值。本发明只需要测量出套芯前后，小孔的孔径变化，即可得出水平主应力值，因此本发明提供的方法为非接触式孔壁变形测试，理论上不再受深度的限制，测试效率大大提升；本发明专利理论公式简洁、操作程序简单巧妙、测试过程快捷、高效，可以有效解决深部钻孔的地应力测试难题。

Description

一种基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法

技术领域

本发明涉及地应力测量技术领域，尤其是涉及一种基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法。

背景技术

地应力是指客观赋存于地壳岩体内且未受工程扰动的一种自然力，亦称原岩应力，是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用力。岩层中发生种种变形或破裂的痕迹，明显是应力活动的结果。随着我国采矿、隧道、水利水电、地热能开发、核废料处置等工程持续增加，岩爆、巷道变形、高边坡失稳等一系列岩体稳定性问题愈发突出，这在很大程度上是地壳岩体内应力长期积累并突然释放的结果。我国是世界上现今构造活动最为强烈、也是世界上陆内地震活动最强烈的国家之一，陆内地震、山体滑坡等地质灾害频发。开展地应力测量是探知地壳现今应力状态的重要手段，不仅可以服务各类岩体工程建设，同时也为地球动力学研究、断裂活动性研究和地质灾害预警研究提供重要的科学依据。

套芯应力解除法是当前国内外最为常用的一种地应力测量方法，也是在2003年国际岩石力学测试专业委员会新推荐的一种地应力测量方法，见图1。套芯解除法可分为孔径变形法、孔壁应变法、孔底应变法。目前主要采用的、依赖于孔径变形理论的套芯应力解除的方法有USBM法和压磁应力解除法。这两种应力解除地应力测量都是以平面应力状态为理论基础，并假定岩体是连续、均匀、各向同性、线弹性的。首先，在要测量地应力点的地块或者岩石上钻一个小孔，称为测量孔。将测量元件安装在小孔中，然后钻一个与小孔同轴的大孔，此过程称为套芯。

套芯后，岩芯即脱离周围地应力场的作用，岩芯发生弹性恢复。小钻孔发生变形，在一般的情况下，不同的直径方向，钻孔变形情况也不同。空芯包体应变计与孔壁胶结，应变计与孔壁变形趋势相反。根据孔壁解除前后的差应变与地应力之间的关系，由公式推导出地应力状态。需要注意的是，测量点要选择在新鲜完整、节理不发育的岩石中，避开大的断层破碎带，以获取稳定、无干扰的数据。

然后，现有的依赖于钻孔变形及其衍生参数测试的套芯解除方法(如经典的USBM方法、压磁套芯解除法)存在很多的问题和局限：

(1)现有的套芯解除法多采用3个不同方向的变形数据，不能方便地、直接地得到最大和最小孔径变化位置和量值，因而测试方法较为繁琐。

(2)其次，现有的套芯解除法需要采取现场围压标定，这个过程需要保持测试传感器与小孔孔壁的原始接触，再者，施加围压的过程中可能会产生微裂隙，造成标定曲线的非线性，进而引起计算误差。

(3)根据现场围压标定来确定岩石的杨氏模量E，但这个参数的确定需要变形传感器与小孔孔壁的良好接触、以及施加围压的过程中没有微裂隙产生，但是由于从深部钻孔中套芯和扭断大岩芯的过程中，上述两个因素均无法保证，进而也不能确定岩石模量的准确性。另外，岩石泊松比的v确定则需要在大岩芯表面粘贴应变片才可以获得，这增加了测试程序的繁琐性，也引入了岩芯失水、温度变化造成的应变片读数干扰。

(4)现有的依赖于孔径变形测试的套芯解除法，需要将应变测试传感器安装在小孔中，且与孔壁预加应力解除，对于深孔，预加应力的接触常常难以控制，进而影响测试效果和成功率，而且深度越大越难以实现测试目的，一般深度仅为数百米，而本发明方法是非接触式孔壁变形测试，理论上不受深度的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明提供的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，先测量小孔在套芯前的孔径最大和最小值，然后测量套芯后小孔孔径的初始真实孔径，最后在解除岩芯中钻取小岩芯开展力学测试，获得岩石弹性参数；根据理论方程，得出垂直钻孔在横向非均匀应力场情况下最大和最小水平主应力值。

进一步的，所述理论方程为：

其中，S_hmax为最大水平主应力，S_hmin为最小水平主应力，c_min为弹性变形后的最小孔径，c_max为弹性变形后的最大孔径，c₀为弹性变形前的原始孔径，S_v为垂直主应力，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比。

进一步的，小孔在套芯前后的孔径最大和最小值的变化具体为：

压应力集中条件下椭圆钻孔截面的最大和最小的孔壁位置。

进一步的，通过套芯的方式确定未知量。

进一步的，套芯的操作方式如下：

首先用小钻头打一个小孔，小孔外径为c₀，取出的小岩芯为d₀。然后再打一个大孔，大孔与小孔同心，套芯取出的大岩芯的直径为D₀。

进一步的，所述小孔和所述大孔的内外径均为发生弹性变形之前的原始直径、孔径。

进一步的，所述大岩芯直径D₀的尺寸设定为小孔孔径c₀的3倍以上。

进一步的，所述大孔的长度与所述小孔的长度相同。

进一步的，所述大孔和所述小孔的完整岩芯的最小长度为10cm。

进一步的，所述小孔孔径的测量方法为：钻孔CCD探头测试或者激光位移变形测试。

本发明提供的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，只需要测量出套芯前后，小孔的孔径变化，即可得出水平主应力值，因此本发明提供的方法为非接触式孔壁变形测试，理论上不再受深度的限制，测试效率大大提升；本发明专利理论公式简洁、操作程序简单巧妙、测试过程快捷、高效，易于推广和应用，可以有效解决深部钻孔的地应力测试难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为现有技术中的套芯应力解除法的示意图；

图2为本发明提供的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法中，钻孔孔壁在应力集中后将产生弹性变形的示意图；

图3为本发明提供的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法中，压应力集中条件下椭圆钻孔截面的最大和最小的孔壁位置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，具体为，先测量小孔在套芯前的孔径最大和最小值，然后测量套芯后小孔孔径的初始真实孔径，最后在解除岩芯中钻取小岩芯开展力学测试，获得岩石弹性参数；根据理论方程，得出垂直钻孔在横向非均匀应力场情况下最大和最小水平主应力值。

根据弹性力学经典理论，对于垂直钻孔，一旦成孔，圆形孔壁瞬间由于应力集中而发生弹性变形。圆形钻孔在脱离地壳应力场后、且发生弹性变形恢复之前的初始孔径为c₀，且此时钻孔截面是一个真圆。钻孔孔壁在应力集中后将产生弹性变形,其变形量与应力集中程度成正比，如图2。那么，对于一个垂直钻孔，在图2中平面应力条件下，最大水平主应力S_hmax和最小水平主应力S_hmin在孔壁不同方位上的造成的应力集中，结果是造成孔壁发生面向钻孔中心的变形，即“钻孔缩径”，也就是说在与钻孔轴直交的钻孔平面内,将分别产生压应变，此时垂直钻孔轴的截面是一个椭圆，其长轴为c_max，短轴为c_min。

在此，本发明只关注压应力集中条件下椭圆钻孔截面的最大和最小的孔壁位置，如图3所示，最小水平主应力S_hmin作用方向的孔壁变形最小，其对应的应变水平也最低；最大水平主应力S_hmax作用方向的孔壁变形最大，其对应的应变水平也最高。

最小压应变和最大压应变与地壳中最大和最小水平主应力的关系，本发明推导方程表达式如公式(1)所示，公式(2)、(3)为最大和最小压应变的表达方程，其中c_min、c_max和c₀分别为弹性变形后的小孔的最小、最大孔径，以及弹性变形前的原始小孔孔径。

进一步的，由上述可以推导出最大和最小水平主应力的关联方程(4)为：

其中，ε_max为S_hmax方向上的最大压应变，ε_min为S_hmin方向上的最小压应变，S_v为垂直主应力，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比。

在公式(4)中，等式右边的所有未知量一旦获得，方程组可以轻易得到最大和最小水平主应力的值，垂直主应力则等于测试深度上覆地层岩体的重量之和，也是容易直接得到的。

接下来，将逐步通过套芯的方式确定其余未知量。

套芯的定义和操作方式如下：如图2，首先用小钻头打一个小孔，小孔的长度一般为数十公分。小孔外径为c₀，取出的小岩芯为d₀。然后再打一个大孔，大孔与小孔同心，长度相近，套芯取出的大岩芯的直径为D₀。这个过程称之为套芯。注意，此处所说小孔和大孔内外径都是发生弹性变形之前的原始直径、孔径。

本发明中，套芯之前小孔孔壁受到最大和最小水平主应力的应力集中作用，发生变形，结果其截面是一个长轴为c_max、短轴为c_min的椭圆。

套芯之后，由于套芯形成的大岩芯已经脱离地壳应力场作用，因而小孔孔壁的应力集中得以完全解除，孔壁不再承受应力作用，根据弹性力学理论，孔壁变形将发生瞬间恢复，即孔壁上的压应变快速解除至零。此时，可以得到小孔在形成之初、尚未发生弹性变形的原始孔径c₀，如图3。

在本发明中，套芯操作的关键，在于获取小孔的初始的、未变形的孔径c₀。

现有方法中，多假设c₀近似等于c_min，显然，这将引入误差，尤其是公式组合(4)中水平应力之和分式中，由于分子也有c₀，因而将c₀≈c_min带来显著的误差。这将限制利用钻孔孔径变化估算地应力这一方法的推广和应用。

为解决上述问题，在本发明中，将大岩芯的直径D₀尺寸设定为小孔的孔径c₀的3倍以上，根据弹性力学理论，可以充分地使小孔孔壁发生弹性变形恢复而不受到套芯岩体尺寸效应的干扰，造成应变恢复不彻底，不能得到准确稳定的c₀值。

另外，将D₀＞3c₀还有一个有益效果，即套芯形成的大岩芯环状部分将有足够的空间可以钻取直径为c₀的岩芯，进而能够在实验室中开展岩石力学测试，求取岩石杨氏模量E和泊松比v，用于最大和最小水平主应力的计算，见图3。

这样设计的优点是：

(1)套芯前钻取的小岩芯、套芯后钻取的小岩芯都具有同样的横向位置，其物理性能代表性好，力学参数一致，所得的杨氏模量E和泊松比v具有最佳的代表性；

(2)可以充分保证获取的小岩芯的数量，至少为7个。理论上要求，在岩石力学实验结果中，有效样本参数至少需要5个方具有充分代表性；

(3)理论上可以有更大倍数差的内外径设计方式，但是，3倍的内外径比在钻探施工上成本低、最为容易实现和应用推广。

与现有根据钻孔变形及其衍生参数测试的套芯解除方法(如经典的USBM方法、压磁套芯解除法)不同的是，本发明提供的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，只关注于变形后钻孔的最大孔径值和最小孔径值，以及二者在孔壁应力集中解除后的原始孔径值。测量方法可以采用成熟的钻孔CCD探头测试或者激光位移变形测试手段，易于实现。变形后的椭圆钻孔截面，沿着钻孔直径一周360°方向的变形曲线，呈典型的正弦曲线分布，其最大和最小孔径值非常容易确定。测试参数取值的特殊性可以使本方法更易于操作。

现有的套芯解除法多采用3个不同方向的变形数据，不能方便地、直接地得到最大和最小孔径变化位置和量值，因而测试方法较为繁琐。

其次，现有的套芯解除法需要采取现场围压标定，这个过程需要保持测试传感器与小孔孔壁的原始接触，再者，施加围压的过程中可能会产生微裂隙，造成标定曲线的非线性，进而引起计算误差。

第三，现有的依赖于孔径变形测试的套芯解除法，根据现场围压标定来确定岩石的杨氏模量E，但这个参数的确定需要变形传感器与小孔孔壁的良好接触、以及施加围压的过程中没有微裂隙产生，但是由于从深部钻孔中套芯和扭断大岩芯的过程中，上述两个因素均无法保证，进而也不能确定岩石模量的准确性。

岩石泊松比的v确定则需要在大岩芯表面粘贴应变片才可以获得，这增加了测试程序的繁琐性，也引入了岩芯孔隙失水、温度变化造成的应变片读数干扰。

第四，现有的依赖孔径变形测试的套芯解除法，需要将应变测试传感器安装在小孔中，且与孔壁预加应力解除，对于深孔，预加应力的接触常常难以控制，进而影响测试效果和成功率，而且深度越大越难以实现测试目的，一般深度仅为数百米，而本发明方法是非接触式孔壁变形测试，理论上不再受深度的限制，测试效率大大提升。

最后，本方法仅需要10cm左右的完整岩芯的长度，而现有的依赖于孔径变形测试的套芯解除法，则需要30-50cm的完整岩芯长度，这样一来，对于深度岩体来说，受地应力作用，常常发育大量裂隙，无疑这会造成测试成功率降低，实施可行性大大降低。而本发明提供的方法则可以轻易地实现有效测量，同样，在常规钻进进尺范围内(50-60cm)，则可以获得更多的测试机会，这反过来也增加了同一深度可以完成的测试数量，进一步地大大增加了测试可靠性和整体数据的精度。

本发明提供的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，只需要测量出套芯前后，小孔的孔径变化，即可得出水平主应力，因此本发明提供的方法为非接触式孔壁变形测试，理论上不再受深度的限制，测试效率大大提升；本发明专利理论公式简洁、操作程序简单巧妙、测试过程快捷、成功率高，易于推广和应用，可以有效解决深部钻孔的地应力测试难题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，先测量小孔在套芯前的孔径最大和最小值，然后测量套芯后小孔孔径的初始真实孔径，最后在解除岩芯中钻取小岩芯开展力学测试，获得岩石弹性参数；根据理论方程，得出垂直钻孔在横向非均匀应力场情况下最大和最小水平主应力值。

2.根据权利要求1所述的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，所述理论方程为：

其中，S_hmax为最大水平主应力，S_hmin为最小水平主应力，c_min为弹性变形后的最小孔径，c_max为弹性变形后的最大孔径，c₀为弹性变形前的原始孔径，S_v为垂直主应力，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比。

3.根据权利要求1所述的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，小孔在套芯前后的孔径最大和最小值的变化具体为：

压应力集中条件下椭圆钻孔截面的最大和最小的孔壁位置。

4.根据权利要求2所述的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，通过套芯的方式确定未知量。

5.根据权利要求4所述的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，套芯的操作方式如下：

首先用小钻头打一个小孔，小孔外径为c₀，取出的小岩芯为d₀。然后再打一个大孔，大孔与小孔同心，套芯取出的大岩芯的直径为D₀。

6.根据权利要求5所述的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，所述小孔和所述大孔的内外径均为发生弹性变形之前的原始直径、孔径。

7.根据权利要求5所述的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，所述大岩芯直径D₀的尺寸设定为小孔孔径c₀的3倍以上。

8.根据权利要求5所述的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，所述大孔的长度与所述小孔的长度相同。

9.根据权利要求8所述的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，所述大孔和所述小孔的完整岩芯的最小长度为10cm。

10.根据权利要求1所述的基于钻孔套芯孔径变形的快捷地应力测试方法，其特征在于，所述小孔孔径的测量方法为：钻孔CCD探头测试或者激光位移变形测试。