CN111982377B - 一种基于二次套芯的深孔差应力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地应力测量技术领域，具体而言，涉及一种基于二次套芯的深孔差应力评估方法。评估方法包括如下步骤：从钻孔中取出直径较大的大岩芯，对大岩芯进行径向变形测试；在大岩芯中套芯取小岩芯，对小岩芯进行径向变形测试；水平主应力的差值为：

大岩芯的直径大于小岩芯的直径。本发明可以得到大岩芯中应力诱发微裂隙的累积宽度并予以剔除，使得基于岩芯弹性形变测量的差应力能够更加真实准确。

Description

一种基于二次套芯的深孔差应力评估方法

技术领域

本发明涉及地应力测量技术领域，具体而言，涉及一种基于二次套芯的深孔差应力评估方法。

背景技术

地应力是存在于地壳岩体中的初始应力，也是固体地球的重要物理属性参数之一。地应力是引起岩体变形、失稳和破坏的根源力量，也是影响石油、页岩气、干热岩等深部能源开采的重要参考依据。对于页岩气和干热岩储层开发来说，差应力的大小是对于裂缝体系的建造和裂隙扩展成网具有重要意义的基础参数。

当前，地应力测量最主要依赖的手段是钻孔和钻孔取芯，比如，岩芯滞弹性恢复法(ASR法)就是一种根据岩芯脱离岩体应力环境后，测试非弹性变形进而估算三维主应力的一种常用方法。然而，这种方法操作程序复杂，影响和干扰因素较多，且比较费时。一般来说，ASR法测试时间至少7天，有时需要长达一个月。因而，难以快速地、大规模地推广应用。

岩芯从地壳岩体中取出后，由于脱离了地应力场的挤压作用，将发生两种变形，除了ASR法地应力测试所依赖的非弹性变形之外，还有瞬间恢复的弹性变形。由于弹性变形从钻头钻取岩芯形成的那一刻已经开始发生，一旦完全钻取得到岩芯，即基本完成弹性形变的恢复，因而难以测量和利用。尤其无法回避的问题是，由于孔底的应力集中，加上钻杆自身的重量作用于钻头端面，又进一步加剧了应力集中状态。这就造成所取的岩芯中含有微裂隙，微裂隙的分布和产状将对岩芯的外形尺寸产生干扰，造成无法准确获得岩芯的真实弹性变形量。这也将给利用岩芯弹性变形确定地应力带来难以确定的困难。

理论上，岩芯的弹性变形量十分微小，对于49mm左右地质标准的圆柱状岩芯，直径方向变形量最小一般为几个微米，而微裂隙的宽度一般是0.1微米至数微米，大量的微裂隙可能造成可观的累积宽度。但是，一般的圆柱状岩芯直径变形测量方法没有考虑剔除微裂隙这部分干扰因素，因而，其评估方法也存在较大的误差，甚至无法使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其能够有效的消除评估方法存在的误差，准确剔除已存应力诱发裂隙对差应力计算带来的影响。

本发明的技术方案是这样的：

一种基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其包括如下步骤：

先从钻孔中取出直径较大的大岩芯，对所述大岩芯进行径向变形测试；再在所述大岩芯中套芯取小岩芯，对所述小岩芯进行径向形变测试；

水平主应力的差值为：

其中，d_max为所述大岩芯的最大直径，d_min为所述大岩芯的最小直径，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比，Δd₀为大岩芯中剔除了应力裂隙累积宽度后的真实直径差，d_0max为小岩芯的最大直径，d_0min为小岩芯的最小直径；

所述大岩芯的直径大于所述小岩芯的直径。

优选的，在钻孔中取出所述大岩芯之后，再对所述大岩芯进行径向变形测试之前，对所述大岩芯进行密封保存；

在大岩芯中套芯取出所述小岩芯之后，再对所述小岩芯进行径向变形测试之前，对所述小岩芯进行密封保存。

优选的，所述大岩芯和所述小岩芯的圆柱面要求为：表面光滑、形状规则、无明显节理。

优选的，在所述大岩芯中取所述小岩芯时，所述大岩芯的轴线与所述小岩芯的轴线平行。

优选的，所述小岩芯与所述大岩芯同轴。

优选的，所述大岩芯与所述小岩芯的直径比的范围为2.5-4。

优选的，所述大岩芯的长度L的取值范围为：

L≥60mm；

所述小岩芯的长度l的取值范围为：

l≥60mm。

优选的，从套芯取出所述小岩芯，到对所述小岩芯进行测试，间隔的时间为小于24小时。

优选的，钻取的所述大岩芯和套芯的所述小岩芯的深度均大于1000m。

优选的，所述大岩芯的直径R大于或等于80mm。

本发明的有益效果是：

通过对钻孔取芯的大岩芯进行再次取芯，根据大岩芯和小岩芯的直径差值，可以得到大岩芯中应力诱发微裂隙的累积宽度，并予以剔除，使得基于岩芯弹性形变测量的差应力能够更加真实准确，避免了现有评估方法出现的误差。

附图说明

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。

图1为本发明实施例提供的基于二次套芯的深孔差应力评估方法的流程图；

图2为本发明实施例岩芯的水平应力形变示意图；

图3为本发明实施例岩芯应力诱发的裂隙分布图。

具体实施方式

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的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

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。

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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

根据弹性力学经典理论，对于垂直钻孔钻取的各向同性的圆柱状岩芯,岩芯在原位置受到的地应力被即刻解除。圆柱状岩芯在脱离地壳应力场后、且发生弹性变形恢复之前的初始直径为d₀，且此时圆柱截面是一个真圆。岩芯在应力解除后将产生弹性变形,其变形量与所解除的地应力水平成正比，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解除时岩芯的变形模式下，在与钻孔轴直交的岩芯平面内,将分别产生拉张应变，如公式(1)和公式(2)所示。

其中，为S_hmax方向上的最大拉应变，为S_hmin方向上的最小拉应变，S_v为垂直主应力，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比。另外，

其中，d_max为最大岩芯直径，d_min为最小岩心直径，d₀为岩芯弹性恢复前真圆的直径。很明显，弹性变形恢复后的圆柱岩芯截面是一个椭圆，其长轴为d_max，短轴为d_min，如图2和图3所示。解上述方程(1)～(4)，可得水平主应力差的求取公式。

由于d₀位于分母位置，量值上近似等于d_min，且相对于直径变形差值而言量值较大，因此在公式(6)中，可以将d₀代替d_min。在此情况下，只需测量得到弹性恢复后圆柱状岩芯的最大和最小直径，以及岩石的弹性参数E和v，即可求得水平差应力值，公式如下：

然而，正如前述所示，圆柱状岩芯从深部岩体中取出来之后，其内部将不可避免地产生诱发微裂隙，这是由地壳中水平差应力集中导致的。如果水平差应力较大，这种现象将十分显著，不可忽视。其中，应力诱发的微裂隙将导致S_hmax方向直径d_max异常增大，因此，必须把应力诱发裂隙的累计宽度有效剔除。所以，我们必须评估和掌握诱发微裂隙的累积宽度对水平差应力的影响。

因此，真实的水平应力差的公式为：

其中，Δd为大岩芯中应力裂隙累积宽度。

根据岩石力学和弹性力学理论可知，钻孔底部拉应力集中生成的微裂隙则具有一致的、与最大主应力近似平行的优势展布走向。

具体的，在本实施例中，通过二次套芯的方式来实现对应力诱发的累积微裂隙进行精确计算，以达到最佳的效果。

在本实施例中，如图1所示，基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其包括如下步骤：

先从钻孔中取出直径较大的大岩芯，对大岩芯进行径向变形测试；再在大岩芯中套芯取小岩芯，对小岩芯进行径向形变测试；

水平主应力的差值为：

其中，d_max为大岩芯的最大直径，d_min为大岩芯的最小直径，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比，Δd₀为大岩芯中剔除了应力裂隙累积宽度后的真实直径差，d_0max为小岩芯的最大直径，d_0min为小岩芯的最小直径；

大岩芯的直径大于小岩芯的直径。

在本发明中，应力诱发的裂隙均匀分布，因此，大岩芯和小岩芯的诱发的裂隙累积宽度造成的直径差是成正比的。

具体的，无论大岩芯还是小岩芯，在取出后，应尽快开展对岩芯径向形变的测试，以避免放置时间太久而对测试结果造成影响。

具体的，应在24小时之内。

然后，在大岩芯中间套芯取小岩芯。由于大岩芯此刻已经脱离了地应力场的作用，属于自由、不受力状态，此时测量小岩芯的直径，小岩芯直径差△d1完全由平行于最大水平主应力方向的诱发微裂隙张开所引起。

由于应力诱发微裂隙在大岩芯直径面内为均匀分布，我们认为小岩芯内应力诱发微裂隙与大岩芯内应力诱发微裂隙成正比的。

具体的，公式(9)的推导过程如下：

Δdl＝d_0max-d_0min (10)

因为：

得出，

其中，Δd1为所述小岩芯的长轴和短轴之间的长度差，Δd₀为剔除裂隙干扰后的大岩芯的长轴和短轴之间的真实长度差。

此时，将公式(13)带入到公式(8)中，即可得到公式(9)。

有上述可知，本发明可以巧妙剔除应力诱发微裂隙导致的干扰，进而得到较为真实的水平主应力差值。

在本实施例中，对于深度较大的岩芯效果尤其理想。

在本实施例中，钻孔取芯直径越大，效果越好。

为了避免岩芯失水造成的收缩效应，在钻孔中取出大岩芯之后，再对大岩芯进行径向变形测试之前，对大岩芯进行密封保存；在大岩芯中套芯取出小岩芯之后，再对小岩芯进行径向变形测试之前，对小岩芯进行密封保存。

也就是说，在本实施例中，大岩芯和小岩芯均需要进行密封保存，以保证在进行测试时的结果准确性。

具体的，在本实施例中，密封保存的方式为将大岩芯或小岩芯放置在锡箔密封袋中。

需要指出的是，密封保存的方式可以是锡箔密封袋，但其不仅仅局限于锡箔密封袋，其还可以是其他的密封保存结构，如密封箱等，其只要能够实现对大岩芯和小岩芯的密封保存，避免岩芯因失水而造成的收缩效应即可。

优选的，大岩芯和小岩芯的圆柱面要求为：

表面光滑、形状规则、无明显节理。

当大岩芯或小岩芯的圆柱外表面具有节理等造成不光滑因素时，其会影响到岩芯的形变，进而影响到最终的测试结果。

因此，在大岩芯和小岩芯的圆柱外表面上具有节理等异常情况时，需要将该岩芯放弃后，重新钻进，取岩芯。

在本实施例中，对大岩芯和小岩芯的外表面进行判断的依据为对外观进行观察明显异常，无明显节理即可。

对外表面的判断，可以是通过目视进行主观判断，但为了判断准确性，可以通过对大岩芯和小岩芯的表面粗糙度进行判断其是否光滑。

优选的，在大岩芯中取小岩芯时，大岩芯的轴线与小岩芯的轴线平行。

为保证大岩芯和小岩芯的形变方向一直，在钻取大岩芯和套芯取小岩芯时，大岩芯的轴线和小岩芯的轴线平行。

优选的，小岩芯与大岩芯同轴。

同轴设置时，能够使小岩芯的各个外壁所受的应力相同，在应力释放时，产生的形变会与大岩芯产生的形变的方向一致，利用公式(8)进行计算时，其准确性更高。

优选的，大岩芯与小岩芯的直径比的范围为2.5-4。

为保证在大岩芯上套芯取小岩芯时，小岩芯所受到的应力与大岩芯受到的应力一直，且避免套芯时，对大岩芯造成破坏，在本实施例中，将大岩芯和小岩芯之间的直径比值设置为2.5-4的范围，进而保证了计算结果的准确性。

优选的，大岩芯的长度L的取值范围为：L≥60mm；

小岩芯的长度l的取值范围为：l≥60mm。

为保证大岩芯和小岩芯测量结果的准确性，测量数据的有效性，将大岩芯的长度L和小岩芯的长度l均设置为大于或等于60mm。

优选的，钻取的大岩芯和套芯的小岩芯的深度为大于1000m，大岩芯的直径R大于或等于80mm时，效果较好。

本发明的有益效果是：

通过对钻孔取芯的大岩芯进行再次取芯，根据大岩芯和小岩芯的直径变化量，可以得到大岩芯中应力诱发微裂隙的累积宽度，并予以剔除，使得基于岩芯弹性形变测量的差应力能够更加真实准确，避免了现有评估方法出现的误差。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

先从钻孔中取出直径较大的大岩芯，对所述大岩芯进行径向变形测试；再在所述大岩芯中套芯取小岩芯，对所述小岩芯进行径向形变测试；

水平主应力的差值为：

其中，d_max为所述大岩芯的最大直径，d_min为所述大岩芯的最小直径，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比，Δd₀为所述大岩芯中剔除了应力裂隙累积宽度后的真实直径差，d_0max为所述小岩芯的最大直径，d_0min为所述小岩芯的最小直径；

所述大岩芯的直径大于所述小岩芯的直径；

在所述大岩芯中取所述小岩芯时，所述大岩芯的轴线与所述小岩芯的轴线平行。

2.根据权利要求1所述的基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其特征在于，在钻孔中取出所述大岩芯之后，再对所述大岩芯进行径向变形测试之前，对所述大岩芯进行密封保存；

在大岩芯中套芯取出所述小岩芯之后，再对所述小岩芯进行径向变形测试之前，对所述小岩芯进行密封保存。

3.根据权利要求1所述的基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其特征在于，所述大岩芯和所述小岩芯的圆柱面要求为：表面光滑、形状规则、无明显节理。

4.根据权利要求1所述的基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其特征在于，所述小岩芯与所述大岩芯同轴。

5.根据权利要求1所述的基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其特征在于，所述大岩芯与所述小岩芯的直径比值的范围为2.5-4。

6.根据权利要求1所述的基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其特征在于，所述大岩芯的长度L的取值范围为：

L≥60mm；

所述小岩芯的长度l的取值范围为：

l≥60mm。

7.根据权利要求1所述的基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其特征在于，从套芯取出所述小岩芯，到对所述小岩芯进行测试，间隔的时间为小于24小时。

8.根据权利要求1所述的基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其特征在于，钻取的所述大岩芯和套芯的所述小岩芯的深度均大于1000m。

9.根据权利要求1所述的基于二次套芯的深孔差应力评估方法，其特征在于，所述大岩芯的直径R大于或等于80mm。

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