CN115075810B - 一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法，在岩芯变形法的基础上进行改进，首先钻岩取芯，获得主孔岩芯，采用岩芯变形法测量主孔岩芯直径，计算得到应力差A，然后主孔变形稳定后，通过通过孔径测井分别获取最大孔径和最小孔径方向，两者分别对应地应力中的S_H和S_h的方向，接着分别在S_H和S_h方向进行侧壁取芯，取芯分别测量两个较小岩芯的直径，计算得到S_H和S_h方向的应力差B和C，最后利用公式计算三维应力。相对传统方法简单、经济、准确，且侧壁取芯可以在同一位置多次取芯反复验证结果的准确性。

Description

一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法

技术领域

本发明涉及地应力测量技术领域，更具体的说是涉及一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法。

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。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。

已有的地应力测量方法中以应力解除法与水压致裂法应用最为广泛。套芯应力解除法是当前最为常用的一种地应力测量方法，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。通过测量弹性变形来计算地应力，然而岩芯变形法通过岩芯只能得到两个方向的应力差，且同一位置得到的应力差只有一次，无法通过实验验证准确性，岩芯变形法如果需要得到地应力，则需要借助水压致裂法得到其中一个应力。其操作复杂且成本高、误差大。

因此，如何提供一种更加简便且准确的三维地应力测量方法是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法，在岩芯变形法的基础上进行改进，相对传统方法简单、经济、准确，且侧壁取芯可以在同一位置多次取芯反复验证结果的准确性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法，包括以下步骤：

步骤一：钻岩取芯，获得主孔岩芯，采用岩芯变形法测量主孔岩芯直径，计算得到应力差A；

步骤二：主孔变形稳定后，通过孔径测井分别获取S_H和S_h方向；

步骤三：分别在S_H和S_h方向进行侧壁取芯，取芯分别测量两个较小岩芯的直径，计算得到S_H和S_h方向的应力差B和C；

步骤四：计算三维应力：

对于S_H方向

对于S_h方向

其中，

R为主孔半径，r为侧壁取芯与主孔中心的距离，vν为泊松比，S_v为地应力的垂直分量。

优选的，步骤一中的具体计算方法如下：

采用岩芯变形法测量主孔岩芯最大直径d₁和最小直径d₂，计算得到水平应力差：

记为A。

优选的，步骤一中的具体操作和计算如下：

分别测量两个方向岩芯的最大直径和最小直径，其中S_H方向岩芯的最大直径为d₃、最小直径d₄，S_h方向岩芯的最大直径为d₅、最小直径d₆，计算应力差：

为B；

为C；

其中，σ_z主孔圆周应力，σ_θ为主孔轴向方向应力，θ为侧壁取芯方向与S_H方向夹角。

进一步的，对于S_H方向侧壁岩芯，此时θ＝0°：

对于S_h方向侧壁岩芯，此时θ＝90°：

σzh＝S_v。

进一步的，上述技术方案中，S_v为地应力的垂直分量，根据如下公式计算得到：

S_v＝∑γ_iH_i；

其中，γ_i为第i层岩层的容重，H_i为第i层岩层厚度。

优选的，在相邻深度处多次侧壁取芯计算三维应力，验证计算结果的准确性，提升测量精度。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法，具有如下有益效果：

在岩芯变形法的基础上进行的。进行主孔取芯后可以按照岩芯变形法得到一个应力差，然后通过本方法标注应力方向后，进行侧壁取两个小岩芯，得到另一个应力差之后，通过公式计算得到三维地应力，无需再借助水压致裂法，相对传统方法简单、经济、准确。且侧壁取芯可以在同一位置多次取芯反复验证结果的准确性，或者在同一主孔不同高度取芯得到多次结果验证或者通过数学方法得到较为准确的三维地应力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明流程图；

图2为岩芯变形法取芯钻进过程中因应力导致的岩芯膨胀示意图；

图3为本发明的钻孔取芯示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

基于全尺寸岩芯的直径变形来分析计算得到地应力的方法(简称岩芯变形法)中，首先选取合适的位置进行钻孔取芯，在取芯钻进过程中，取芯钻头通过旋转运动切入钻孔底部的岩石裸露表面，从而切割出一段圆柱岩石作为取芯，由于柱体是由旋转钻头切割出来的，所有切割的圆柱的横截面是理想的圆形。这个圆柱的切削面原本被其周围的围岩限制，然而这个被切割下来的圆柱体被取出之后就能够因地应力的释放而使周围岩体自由的膨胀，这种变形随着圆柱体被切削一直发生，然后岩芯在S_max和S_min方向发生变形，最终变形为椭圆，S_max和S_min分别是垂直于钻孔平面的最大和最小应力。岩芯在横截面形状上是均匀的，具有最大和最小直径d_max和d_min，如图3所示。应力释放会在岩芯中产生应变，这与从地应力中释放岩石时在岩体中产生的应变相同。假设岩石为均质、小变形材料，则可以得到如下公式：

由上述公式可以得到，通过测量岩芯最大和最小直径d_max和d_min可以得到差应力ΔS＝(S_max-S_min)。

岩芯变形法的具体应用中，首先假设：(1)主孔是垂直的；(2)地应力的垂直分量S_v是地应力主应力之一，并且已知它是覆盖层；(3)侧壁岩芯取自主孔岩芯的深度附近，因此两个岩芯都受到了均匀的原位应力；(4)两个岩芯的方向是已知的；(5)弹性模量E和泊松比ν是已知。

按照上述方法选取适当位置进行钻孔取芯，取芯直径为2R，取芯后通过仪器测量得到岩芯最大和最小直径。得到差应力ΔS，公式如下：

ΔS＝S_H-S_h (2)

钻孔为主孔，主孔稳定后为椭圆，通过孔径测井得到孔径长短，并在主孔标记处最大、最小孔径位置，最大和最小孔径夹角理论上应为90°，如附图3所示。在最小孔径和最大孔径处分别进行侧壁取芯，由于应力集中，主孔周围的应力状态已经和地应力的状态不同了(S_H和S_h和S_ν)。井壁岩芯受到应力集中的影响，应力集中随与主孔壁的径向距离而变化。主孔圆周和轴向方向的应力σ_z和σ_θ作为S_H、S_h和S_ν的函数给出如下：

θ为侧壁取芯方向与S_H方向夹角。σ_z和σ_θ的状态取决于地应力的状态，对于侧壁岩芯S_max、S_min分别与σ_z和σ_θ两者一致，其中σ_z和σ_θ中较大者的方向是根据由岩芯变形法测得的S_max的方向确定。其中S_v为地应力的垂直分量，根据如下公式计算得到：

S_v＝∑γ_iH_i； (5)

其中，γ_i为第i层岩层的容重，H_i为第i层岩层厚度；

通过钻取两方向岩芯带入式(3)、(4)中可以得到如下方程：

对于S_H方向侧壁岩芯(此时θ＝0°)：

对于S_h方向侧壁岩芯(此时θ＝90°)：

本发明的技术方案中，首先取得主孔岩芯，经过岩芯变形法测量得到直径分别为为d₁和d₂(d₁>d₂)，可以得到如下公式：

然后通过孔径测井标注S_H和S_h的方向，S_H方向取得岩芯经过岩芯变形法测量得到直径分别为d₃和d₄(d₃>d₄)，S_h方向取得岩芯经过岩芯变形法测量得到直径分别为d₅和d₆(d₅>d₆)，分别可以得到如下公式：

主孔岩芯测量计算得到的应力差记为A，S_H方向取得岩芯测量计算得到的应力差记为B、S_h方向测量计算得到的应力差记为C。将式(10)、(11)、(12)联立得到如下结论：

对于S_H方向

对于S_h方向

其中，

通过两个方向的侧壁取芯可以获得两个不同的结果，可以得出三维地应力数值。其中S_v可以通过钻孔取芯获得，两组得到的结果可以通过数学分析方法相互校核。

最后得到的结果可以通过在相邻深度附近多次侧壁取芯验证结果的准确性，可以提高结果的准确性。而且S_H或者S_h方向取芯可以相对独立，两个亦可以相互验证。本方法也可以通过相邻位置取芯验证结果的准确度，还可以通过同一主孔内不同高度取芯得到相应的结果进行验证。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：钻岩取芯，获得主孔岩芯，采用岩芯变形法测量主孔岩芯直径，计算得到应力差A，具体为：

采用岩芯变形法测量主孔岩芯最大直径d₁和最小直径d₂，计算得到水平应力差：

记为A，

其中，E为弹性模量，ν为泊松比；

步骤二：主孔变形稳定后，通过孔径测井分别获取S_H和S_h方向；

步骤三：分别在S_H和S_h方向进行侧壁取芯，取芯分别测量两个较小岩芯的直径，计算得到S_H和S_h方向的应力差B和C，具体为：

分别测量两个方向岩芯的最大直径和最小直径，其中S_H方向岩芯的最大直径为d₃、最小直径d₄，S_h方向岩芯的最大直径为d₅、最小直径d₆，计算应力差：

记为B；

记为C；

其中，σ_z主孔圆周应力，σ_θ为主孔轴向方向应力，θ为侧壁取芯方向与S_H方向夹角；

步骤四：计算三维应力：

对于S_H方向

对于S_h方向

其中，

R为主孔半径，r为侧壁取芯与主孔中心的距离，S_v为地应力的垂直分量。

2.根据权利要求1所述的一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法，其特征在于，对于S_H方向侧壁岩芯，此时θ＝0°：

对于S_h方向侧壁岩芯，此时θ＝90°：

3.根据权利要求1或2所述的一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法，其特征在于，S_v为地应力的垂直分量，根据如下公式计算得到：

S_v＝∑γ_iH_i；

其中，γ_i为第i层岩层的容重，H_i为第i层岩层厚度。

4.根据权利要求1所述的一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法，其特征在于，在相邻深度处多次侧壁取芯计算三维应力。

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