CN114441302A - 一种利用单轴声发射测定真实地应力的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用单轴声发射测定真实地应力的方法及系统，该方法通过制备待测定地层不同方向对应的岩心试样，采集各岩心试样在轴压加载过程中的应力数据、应变数据及声发射信号数据，进而基于各岩心试样的应力数据、应变数据计算待测定地层的弹性参数，获取待测定地层的声发射特征参数，并依据弹性参数和声发射特征参数结合各岩心试样的应变数据计算确定待测定地层真实地应力。采用本发明的技术方案能够克服现有技术中仅采用声发射测试方法，无法获取深部地层可靠真实地应力的问题，不需要测量或模拟深部地层的围压，能够通过简单的操作和计算获取精确的地层真实地应力数据，在有效控制资源消耗的基础上，有效改善地应力研究的质量。

Description

一种利用单轴声发射测定真实地应力的方法及系统
技术领域
本发明涉及油气田地应力研究技术领域，尤其涉及一种利用单轴声发射测定真实地应力的方法及系统。
背景技术
地应力是制定地下施工工艺以及实施地下工程的重要依据，获取地应力的传统方法之一是利用声发射试验技术进行测试。与差应变及其他地应力测试方法相比，单轴声发射试验不需要依赖三轴测试系统，而且具有易操作、测试成本低等特点。
利用声发射试验测定地应力大小的过程中，利用了凯赛尔声发射原理，该原理认为当测试岩心应力达到其受过的最大应力时就开始出现明显的声波发射现象，基于此，研究者通过试验监测岩心在加载过程中的声波信号，来确定取心地层原始承受的应力状态，实现地应力参数测定。
现有应用中，虽然利用声发射测试地应力的手段在矿山、坝基等地表之上或地表浅层的工程领域得到广泛而良好的应用，但是对于油气钻探领域的目标钻探地层，其地层应力属于深层地应力，利用声发射测试方法无法精确有效地获得真实地应力，所述目标钻探地层包括常规钻探地层以及深部钻探地层。比如，由于试验状态与地下状态的围压并不相同，在开展地应力声发射测试过程中，岩样还远没有加载到地层应力范围就已经破碎，说明加载过程中虽然有声发射现象，但其加载应力值明显不能解释为地层原有真实地应力。而且，在测定深层地应力的过程中，学者们普遍发现声发射测试地应力值明显偏小，精确度不足，而这种情况下真实地应力值与单轴声发射地应力之间的联系也没有得到可靠的论证和计算结果，由此可见，在深层地应力研究中，仅仅基于现有的实时策略应用声发射这种原本具有成本和操作性优势的技术，并不能够实现理想的测定效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种利用单轴声发射测定真实地应力的方法，在一个实施例中，所述方法包括：
步骤S1、按照设定的制备方案制备待测定地层不同方向对应的岩心试样；
步骤S2、采集各岩心试样在轴压加载过程中的应力数据、应变数据及声发射信号数据；
步骤S3、基于各个岩心试样的应力数据、应变数据计算获取所述待测定地层的弹性参数；
步骤S4、基于所述声发射信号数据获取待测定地层的声发射特征参数，并依据所述弹性参数和声发射特征参数结合各岩心试样的应变数据计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实地应力。
一个实施例中，在所述步骤S1中，包括以下操作：
基于待测定地层获取对应的全直径岩心；
设定垂直方向为z方向，在水平方向间隔45度设定三个方向，分别为x方向，xy方向和y方向；
基于上述4个方向从所述全直径岩心中制备4个岩性一致、质地均匀、无裂纹、无损坏的圆柱状试样作为待测定地层的岩心试样。
一个实施例中，在步骤S2中，包括以下操作：
利用单轴加载系统对各个岩心试样进行轴压加载；
利用轴向应变传感器和横向应变传感器分别采集各个岩心试样在加载过程中的轴向应变数据和横向应变数据，利用载荷传感器获取各个岩心试样在加载过程中的轴向应力数据，利用声发射探头采集各个岩心试样在加载过程中的声发射信号数据；
进而结合加载时间生成各个岩心试样对应的横向应变曲线、轴向应变曲线、应力曲线以及声发射信号曲线；
其中，分别按照轴向和横向将所述轴向应变传感器和横向应变传感器设置在各岩心试样的圆周侧壁上；将所述声发射探头固定设置在各岩心试样的圆周侧壁上。
一个实施例中，在步骤S3中，待测定地层的弹性参数包括：待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均弹性模量和平均泊松比。
一个实施例中，在步骤S4中，通过以下操作获取待测定地层的声发射特征参数：
获取待测定地层在x、xy、y和z四个方向上各岩心试样上产生声发射事件突变的时间；
进而结合各岩心试样的轴向应变曲线获取待测定地层产生声发射事件突变时不同方向的轴向应变，作为其声发射特征参数。
一个实施例中，在步骤S4中，计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实地应力的过程，包括：
依据矢量转换规律利用所述声发射特征参数计算待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变；
基于待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变，结合弹性参数计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实应力。
进一步地，按照以下公式计算待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变：
Figure BDA0002763888590000031
式中，εH为待测定地层的水平最大主应变，εh为待测定地层的水平最小主应变，εv为待测定地层的垂向应变，εx为x方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变，分别记录为、εxy为xy方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变、εy为y方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变、εz为z方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变。
在一个实施例中，按照以下公式计算待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实应力：
Figure BDA0002763888590000032
式中，σH为待测定地层的水平最大地应力，σh为待测定地层的水平最大地应力，σv为待测定地层的垂向地应力，E为待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均弹性模量，v为待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均泊松比，εH为待测定地层的水平最大主应变，εh为待测定地层的水平最小主应变，εv为待测定地层的垂向应变。
在一个实施例中，所述方法还包括：
将所述步骤S4中计算确定的待测定地层的真实地应力与获得的所述测试结果进行对比分析，根据对比分析的结果验证待测定地层真实地应力的计算精确度；
其中，所述测试结果是采用其他手段对待测定地层的同一岩心进行测定获得的真实地应力结果。
考虑到上述任意一个或多个实施例的其他方面，本发明还提供一种利用单轴声发射测定真实地应力的系统，该系统执行上述任意一个或多个实施例中所述的方法。
与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：
本发明提供的利用单轴声发射测定真实地应力的方法，要先制备待测定地层不同方向对应的岩心试样，基于制备的多个岩心试样开展试验和研究，该操作获取设定方向的多个岩心柱体试样，应用于声发射加载试验和计算，能够保证其加载过程中的数据或信号能够客观地表征当前待测定地层的应力特征，从基础上保障各计算过程的可靠数据输入。
另外的，本发明实施例中基于各岩心试样的应力数据、应变数据计算待测定地层的弹性参数，进而获取待测定地层的声发射特征参数，结合各岩心试样的应变数据计算待测定地层的真实地应力，能够克服现有技术中采用声发射测试方法无法精确获取深部地层真实地应力的问题，且本发明不需要额外测量或模拟深部地层的围压，通过简单的试验操作和计算就能够获取精确的地层真实地应力数据，在有效控制资源消耗的基础上有效改善地应力研究的质量，为地层的应力研究领域提供了一种高效可靠的测定方案。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的利用单轴声发射测定真实地应力的方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中利用单轴声发射测定真实地应力的方法的岩心试样制备方案示意图；
图3是本发明实施例中利用单轴声发射测定真实地应力的方法在加载试验过程中信息采集及输出的原理示意图；
图4是本发明另一实施例提供的利用单轴声发射测定真实地应力的系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
地应力是制定地下施工工艺以及实施地下工程的重要依据，获取地应力的传统方法之一是利用声发射试验技术进行测试。与差应变及其他地应力测试方法相比，单轴声发射试验不需要依赖三轴测试系统，而且具有易操作、测试成本低等特点。
利用声发射试验测定地应力大小的过程中，利用了凯赛尔声发射原理，该原理认为当测试岩心应力达到其受过的最大应力时就开始出现明显的声波发射现象，基于此，研究者通过试验监测岩心在加载过程中的声波信号，来确定取心地层原始承受的应力状态，实现地应力参数测定。
我国石油天然气资源丰富，尽管目前已建成油气田上万个，但整体探明程度偏低，石油探明程度约35％，天然气探明程度约15％，油气勘探开发前景广阔。2007年以来，每年新增探明储量保持在10亿吨当量以上，其中，2018年新增石油探明储量9.59亿吨、天然气探明储量8.3千亿立方米，存在诸多新区域、新层位的油气开采需要开展大量的地应力研究工作。
现有应用中，虽然利用声发射测试地应力的手段在矿山、坝基等地表之上或地表浅层的工程领域得到广泛而良好的应用，但是对于油气钻探领域的目标钻探地层，其地层应力属于深层地应力，利用声发射测试方法无法精确有效地获得真实的深层地应力，所述目标钻探地层包括常规钻探地层以及深部钻探地层。比如，由于试验状态与地下状态的围压并不相同，在开展地应力声发射测试过程中，岩样还远没有加载到地层应力范围就已经破碎，说明加载过程中虽然有声发射现象，但其加载应力值明显不能解释为地层原有真实地应力。而且，在测定深层地应力的过程中，学者们普遍发现声发射测试地应力值明显偏小，精确度不足，但这种情况下真实地应力值与单轴声发射地应力之间的联系也没有得到可靠的论证和计算结果，由此可见，在深层地应力研究中，仅仅基于现有的技术策略应用声发射这种的技术，并不能够实现理想的测定效果，不能发挥其原本具有的成本和操作性优势。
现有研究中，岩石的声发射现象已经被广泛认知，这也证明了地下岩石具有对其所经受的应力作用过程信息有所积累、保留与再现的能力。对于以上现状，虽然有学者提出真实地应力值为单轴声发射地应力和围压的某种线性组合，但并没有形成统一结论和合理的解释。
对岩石产生声发射的现象进行进一步研究可以发现：岩石声发射现象由岩石结构变形所产生的内在微观破坏所致，岩心在加载测试过程中，当变形达到并超过原始地下状态的变形量时，岩样内部微观裂纹扩展，声发射信号突变增强，此时试样在加载方向经受的变形与地下状态时变形一致。但是由于试验状态与地下状态的围压并不相同，单轴声发射对应的加载应力值(声发射应力)并不能真实反映原始地应力状态，要想使声发射应力值直接与原始地应力一致，则需要声发射试验的围压与真实地应力一致，但这显然不易实现，一方面，围压下的声发射测试需将声发射探头至于高压环境存在相应试验难度，另一方面，要想在地面环境模拟围压环境，需要先行确定属于未知参数的油气钻探地层的深层围压，也是一个测定难题。
为解决上述问题，本发明提供一种利用单轴声发射测定真实地应力的方法，该方法利用地下岩石对其所经受的原始地下应力作用信息有所积累、保留与再现的特征，基于单轴加载产生声发射现象时岩样变形特征与其原始地下状态相同的特点，进一步计算还原测定岩样的真实地应力，解决了常规单轴声发射地应力测试中由于围压与地下状态的不同而造成获取应力偏离真实地应力的问题，在发挥声发射试验易操作、成本低的基础上，提高地应力尤其是深层地应力参数获取的准确性，以推广声发测试技术在油气田地应力研究中的应用，并改善地应力研究的质量和经济效益。下面参考附图对本发明各个实施例进行说明。
实施例一
图1示出了本发明实施例一提供的利用单轴声发射测定真实地应力的方法的流程示意图，参照图1可知，该方法包括如下步骤。
步骤S110、按照设定的制备方案制备待测定地层不同方向对应的岩心试样。
在该步骤中，具体通过以下操作制备待测定地层的岩心试样：
基于待测定地层获取对应的全直径岩心。
设定垂直方向为z方向，在水平方向间隔45度设定三个方向，分别为x方向，xy方向和y方向。
基于上述4个方向从全直径岩心中制备4个岩性一致、质地均匀、无裂纹、无损坏的圆柱状试样作为待测定地层的岩心试样。
步骤S110的目的主要是对地应力测试层位进行试验岩心制备，实际应用中，为确保制备得到的岩心试样能够精确反应整个待测定地层的真实地应力情况，该步骤中设置试样从待测定地层的全直径岩心上进行制取，每组测试需在4个方向上进行取样，其中垂直方向取1个样，记录为z方向；水平面内两两间隔45°方向依次取3个样，分别记录为x方向、xy方向和y方向，通常以全直径岩心的定点为取样中心，采样方向如图2所示。
需要说明的是，同组试样要在同一个全直径岩心上制取，且保证制备得到的各个岩心试样岩性一致、质地均匀、无裂纹与损坏，这样才能够保证中间参数计算以及最终地应力计算结果不受其他因素干扰，保障精确性。
在一个实施例中，可以制备并制作成4个直径25mm、长度50mm的岩心柱作为待测定地层不同方向的岩心试样，此外，实际试验时，将岩心柱的两端面磨平、平行度公差不大于0.1mm，能够保障加载应力值与岩心试样应力数据的一致性，这样将加载过程中载荷传感器的测试结果作为岩心试样的轴向应力数据才具有足够的可靠性。
本发明实施例的方法利用地下岩石对其所经受的原始地下应力作用信息有所积累、保留与再现的特征，基于单轴加载产生声发射现象时岩样变形特征与其原始地下状态相同的特点，进一步计算还原测定岩样的真实地应力，因此需要利用单轴加载系统对各个岩心试样进行轴向加载试验，执行轴向加载试验之前，需要执行以下相应的准备工序：
i.在各个岩心试样圆周侧壁沿轴向和横向粘贴应变传感器，分别作为轴向应变传感器和横向应变传感器。
ii.在各个岩心试样圆周侧壁粘贴固定声发射探头，以采集加载过程中岩心试样的声发射信号。
iii.将岩心试样置于加载系统上，连接好轴向应变传感器、横向应变传感器、声发射探头、载荷传感器与采集系统之间线路。
iv.调试系统，做好对岩心试样进行轴压加载试验以及数据采集的准备。
上述准备操作执行完毕后就可以启用轴压加载系统对各个岩心试样进行轴向加载，以获取各个岩心试样在加载过程中的应力数据、应变数据及声发射信号数据，因此有以下步骤：步骤S120、采集各岩心试样在轴压加载过程中的应力数据、应变数据及声发射信号数据。
具体的，图3示出了本发明实施例中利用单轴声发射测定真实地应力的方法在加载试验过程中信息采集及输出的原理示意图，如图3所示，在该实施例中，采用以下操作采集各岩心试样在轴压加载过程中的应力数据、应变数据及声发射信号数据：
利用单轴加载系统对各个岩心试样进行轴压加载。
利用轴向应变传感器和横向应变传感器分别采集各个岩心试样在加载过程中的轴向应变数据和横向应变数据，利用载荷传感器获取各个岩心试样在加载过程中的轴向应力数据，利用声发射探头采集各个岩心试样在加载过程中的声发射信号数据。
进而结合加载时间生成各个岩心试样对应的横向应变曲线、轴向应变曲线、应力曲线以及声发射信号曲线。
其中，轴向应变传感器和横向应变传感器分别按照轴向和横向设置在各岩心试样的圆周侧壁上；声发射探头固定设置在各岩心试样的圆周侧壁上。
其中，采集系统包括声信号采集系统以及传感器信号采集系统，采集系统由计算机控制系统控制运行，采集各岩心试样在轴压加载过程中的应力数据、应变数据及声发射信号数据，并生成对应的横向应变曲线、轴向应变曲线、应力曲线以及声发射信号曲线。
通常由集成的计算机系统对这些数据进行时间同步关联存储，便于用户提取并分析，其中，应力曲线是将各岩心试样不同时间的同步轴向应力数据，与时间同步关联展示的时间-轴向应力曲线。实际应用中，重复执行上述步骤，直至完成所有岩心试样的轴压加载及数据采集。
进一步地，本发明实施例通过以下步骤获取待测定地层的弹性参数：步骤S130、基于各个岩心试样的应力数据、应变数据计算获取待测定地层的弹性参数。
在一个实施例中，其中的弹性参数包括：待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均弹性模量和平均泊松比。
该实施例中，在测定试验过程中，通过对各岩心试样的轴向应力数据、轴向应变数据及横向应变据进行处理，获取待测定地层的弹性参数，实际应用中，采用以下方式获取各岩心试样的平均弹性模量和平均泊松比：
分别记录4个方向岩心试样的弹性模量为Ex、Exy、Ey、Ez，分别记录4个方向岩心试样的泊松比为vx、vxy、vy、vz。
进而基于4个方向岩心试样的弹性模量及泊松比计算对应的平均值作为待测定地层的平均弹性模量和平均泊松比，即有：
通过下式计算待测定地层的平均弹性模量E：
E＝(Ex+Exy+Ey+Ez)/4；
通过下式计算待测定地层的平均泊松比v：
v＝(vx+vxy+vy+vz)/4。
在获取了待测定地层的弹性参数后，按照声发射事件突变反应测试岩心再现地下原始信息的方式，即岩心在加载测试过程中，当变形达到并超过原始地下状态的变形量时，岩样内部微观裂纹扩展，声发射信号突变增强，此时试样在加载方向经受的变形与地下状态时变形一致；基于此，进一步结合获取的弹性参数对待测定地层的声发射特征参数和应变数据进行处理，以还原待测定地层的原始水平应力和垂向应力，因此本发明实施例有以下步骤：步骤S140、获取待测定地层的声发射特征参数，并依据弹性参数和声发射特征参数结合各岩心试样的应变数据计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实地应力。
在一个实施例中，获取待测定地层的声发射特征参数的过程可以包括：
获取待测定地层在x、xy、y和z四个方向上各岩心试样上产生声发射事件突变的时间。实际应用中，获取并记录岩心试样产生声发射事件突变的时间，4个方向岩心试样声发射事件突变产生时间分别记录为Tx、Txy、Ty、Tz。
进而结合各岩心试样的轴向应变曲线获取待测定地层产生声发射事件突变时不同方向的轴向应变，作为其声发射特征参数。
具体地，依据岩心试样声发射事件突变产生的时间，在同一岩心试样的时间-轴向应变曲线上获取岩心声发射事件突变产生时对应的轴向应变数据，4个方向岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变分别记录为εx、εxy、εy、εz，作为待测定地层的声发射特征参数。
基于此，根据岩心力学原理及待测定地层的声发射特征参数计算地层真实地应力，其中，计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实地应力的过程，包括：
依据矢量转换规律利用不同方向的声发射特征参数计算待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变。
基于待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变，结合弹性参数计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实应力。该操作中，根据待测定地层三轴主应变数据及对应的弹性参数，按广义胡克定律计算待测定地层的真实应力。
进一步地，实际应用中，可以按照以下公式计算待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变：
Figure BDA0002763888590000091
式中，εH为待测定地层的水平最大主应变，εh为待测定地层的水平最小主应变，εv为待测定地层的垂向应变，εx为x方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变，分别记录为、εxy为xy方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变、εy为y方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变、εz为z方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变。
在一个实施例中，按照以下公式计算待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实应力：
Figure BDA0002763888590000101
式中，σH为待测定地层的水平最大地应力，σh为待测定地层的水平最大地应力，σv为待测定地层的垂向地应力，E为待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均弹性模量，v为待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均泊松比。
为确保本发明上述任意一个或多个实施例测定结果的可靠性，本发明实施例中利用单轴声发射测定真实地应力的方法还可以包括以下步骤：
将所述步骤S4中计算确定的待测定地层的真实地应力与获得的所述测试结果进行对比分析，根据对比分析的结果验证待测定地层真实地应力的计算精确度；
其中，所述测试结果是采用其他手段对待测定地层的同一岩心进行测定获得的真实地应力结果。其他手段指的是能够有效获取深度地层的可靠真实地应力结果的方法或手段，测试岩心试样从同一待测定地层区域获取，保证其岩心的岩性、质地以及完整程度与本发明试验中的岩心试样一致，能够最大程度上确保验证结果的可信度。
本发明实施例的方案基于单轴声发射现象和岩样经历的原始地应力状态时变形量一致的特征，形成了利用单轴声发射获得真实地应力的具体计算方法，明确了单轴声发射应力值与原始地应力的具体差异及关联因素，基于此，本发明提供的方法相当程度上提高了单轴声发射获取深层地应力的可靠性和精确性；且相比于其他真实地应力确定方案，具备试验操作简单和成本低的优势，能够有效改善地应力研究质量与经济效益。
需要说明的是，本发明也适用于地下工程的地层应力基础研究，尤其适用于油气钻采工程涉及的深层地应力的测试研究。对于目前的油气田地应力研究现状，本发明实施例提供的技术方案为油气田地层相应的地应力研究提供了准确、经济、高效的分析途径，对合理制定钻采工程技术方案，确保井下工程科学设计具有积极作用。
实施例二
考虑到上述任意一个或多个实施例的其他方面，本发明还提供一种利用单轴声发射测定真实地应力的系统，该系统执行上述任意一个或多个实施例中的方法及步骤。图4示出了本发明实施例中利用单轴声发射测定真实地应力的系统的结构示意图，如图4所示，该系统包括：
试样制备模块41，其配置为按照设定的制备方案制备待测定地层不同方向对应的岩心试样。
加载及数据采集模块43，其配置为采集各岩心试样在轴压加载过程中的应力数据、应变数据及声发射信号数据。
弹性参数计算模块45，其配置为基于各个岩心试样的应力数据、应变数据计算获取待测定地层的弹性参数。
地应力结果确定模块47，其配置为获取待测定地层的声发射特征参数，并依据弹性参数和声发射特征参数结合各岩心试样的应变数据计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实地应力。
结果验证模块49，其配置为将所述步骤S4中计算确定的待测定地层的真实地应力与获得的所述测试结果进行对比分析，根据对比分析的结果验证待测定地层真实地应力的计算精确度；
其中，所述测试结果是采用其他手段对待测定地层的同一岩心进行测定获得的真实地应力结果。
在一个实施例中，试样制备模块41通过以下操作制备待测定地层不同方向对应的岩心试样：
基于待测定地层获取对应的全直径岩心；
设定垂直方向为z方向，在水平方向间隔45度设定三个方向，分别为x方向，xy方向和y方向；
基于上述4个方向从全直径岩心中制备4个岩性一致、质地均匀、无裂纹、无损坏的圆柱状试样作为待测定地层的岩心试样。
在一个实施例中，加载及数据采集模块43执行以下操作以采集各岩心试样在轴压加载过程中的应力数据、应变数据及声发射信号数据：
利用单轴加载系统对各个岩心试样进行轴压加载；
利用轴向应变传感器和横向应变传感器分别采集各个岩心试样在加载过程中的轴向应变数据和横向应变数据，利用载荷传感器获取各个岩心试样在加载过程中的轴向应力数据，利用声发射探头采集各个岩心试样在加载过程中的声发射信号数据；
进而结合加载时间生成各个岩心试样对应的横向应变曲线、轴向应变曲线、应力曲线以及声发射信号曲线；
其中，轴向应变传感器和横向应变传感器分别按照轴向和横向设置在各岩心试样的圆周侧壁上；声发射探头固定设置在各岩心试样的圆周侧壁上。
在一个实施例中，待测定地层的弹性参数包括：待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均弹性模量和平均泊松比。
在一个实施例中，地应力结果确定模块47通过以下操作获取待测定地层的声发射特征参数：
获取待测定地层在x、xy、y和z四个方向上各岩心试样上产生声发射事件突变的时间；
进而结合各岩心试样的轴向应变曲线获取待测定地层产生声发射事件突变时不同方向的轴向应变，作为其声发射特征参数。
在一个实施例中，地应力结果确定模块47执行以下操作以计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实地应力：
依据矢量转换规律利用声发射特征参数计算待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变；
基于待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变，结合弹性参数计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实应力。
进一步地，地应力结果确定模块47按照以下公式计算待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变：
Figure BDA0002763888590000121
式中，εH为待测定地层的水平最大主应变，εh为待测定地层的水平最小主应变，εv为待测定地层的垂向应变，εx为x方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变，分别记录为、εxy为xy方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变、εy为y方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变、εz为z方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变。
进一步地，地应力结果确定模块47按照以下公式计算待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实应力：
Figure BDA0002763888590000131
式中，σH为待测定地层的水平最大地应力，σh为待测定地层的水平最大地应力，σv为待测定地层的垂向地应力，E为待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均弹性模量，v为待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均泊松比，εH为待测定地层的水平最大主应变，εh为待测定地层的水平最小主应变，εv为待测定地层的垂向应变。
本发明实施例提供的利用单轴声发射测定真实地应力的系统中，各个模块或单元结构可以根据实际测定需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。
说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种利用单轴声发射测定真实地应力的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1、按照设定的制备方案制备待测定地层不同方向对应的岩心试样；
步骤S2、采集各岩心试样在轴压加载过程中的应力数据、应变数据及声发射信号数据；
步骤S3、基于各个岩心试样的应力数据、应变数据计算获取所述待测定地层的弹性参数；
步骤S4、基于所述声发射信号数据获取待测定地层的声发射特征参数，并依据所述弹性参数和声发射特征参数结合各岩心试样的应变数据计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实地应力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，包括以下操作：
基于待测定地层获取对应的全直径岩心；
设定垂直方向为z方向，在水平方向间隔45度设定三个方向，分别为x方向，xy方向和y方向；
基于上述4个方向从所述全直径岩心中制备4个岩性一致、质地均匀、无裂纹、无损坏的圆柱状试样作为待测定地层的岩心试样。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，包括以下操作：
利用单轴加载系统对各个岩心试样进行轴压加载；
利用轴向应变传感器和横向应变传感器分别采集各个岩心试样在加载过程中的轴向应变数据和横向应变数据，利用载荷传感器获取各个岩心试样在加载过程中的轴向应力数据，利用声发射探头采集各个岩心试样在加载过程中的声发射信号数据；
进而结合加载时间生成各个岩心试样对应的横向应变曲线、轴向应变曲线、应力曲线以及声发射信号曲线；
其中，分别按照轴向和横向将所述轴向应变传感器和横向应变传感器设置在各岩心试样的圆周侧壁上；将所述声发射探头固定设置在各岩心试样的圆周侧壁上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，待测定地层的弹性参数包括：待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均弹性模量和平均泊松比。
5.如权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，通过以下操作获取待测定地层的声发射特征参数：
获取待测定地层在x、xy、y和z四个方向上各岩心试样上产生声发射事件突变的时间；
进而结合各岩心试样的轴向应变曲线获取待测定地层产生声发射事件突变时不同方向的轴向应变，作为其声发射特征参数。
6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实地应力的过程，包括：
依据矢量转换规律利用所述声发射特征参数计算待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变；
基于待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变，结合弹性参数计算确定待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实应力。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，按照以下公式计算待测定地层原始状态的水平主应变及垂向应变：
Figure FDA0002763888580000021
式中，εH为待测定地层的水平最大主应变，εh为待测定地层的水平最小主应变，εv为待测定地层的垂向应变，εx为x方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变，分别记录为、εxy为xy方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变、εy为y方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变、εz为z方向的岩心试样产生声发射事件突变时的轴向应变。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，按照以下公式计算待测定地层在水平方向上和垂直方向上的真实应力：
Figure FDA0002763888580000031
式中，σH为待测定地层的水平最大地应力，σh为待测定地层的水平最大地应力，σv为待测定地层的垂向地应力，E为待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均弹性模量，v为待测定地层在x、xy、y和z四个方向上的平均泊松比，εH为待测定地层的水平最大主应变，εh为待测定地层的水平最小主应变，εv为待测定地层的垂向应变。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述步骤S4中计算确定的待测定地层的真实地应力与获得的所述测试结果进行对比分析，根据对比分析的结果验证待测定地层真实地应力的计算精确度；
其中，所述测试结果是采用其他手段对待测定地层的同一岩心进行测定获得的真实地应力结果。
10.一种利用单轴声发射测定真实地应力的系统，其特征在于，所述系统执行如权利要求1～9中任意一项所述的方法。
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