CN116401886B - 一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法 - Google Patents
一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法，包括：获取测试点的资料数据；获取测试点中不同深度的代表性岩石，并作为岩石样品；对岩石样品进行岩石力学试验，得到岩石物理参数；根据资料数据和岩石物理参数建立岩石物理参数的测定随围压和深度的函数关系；对测试点邻近的区域的地应力数据进行进行收集和分段，得到多个地应力随深度的变化的深度‑强度段；根据深度‑强度段和岩石物理参数确定最大水平主应变；根据最大水平主应变和岩石物理参数确定各深度的最大水平主应力和最小水平主应力。本发明能够较为准确地快速计算出川藏地区的最大水平主应力的量级，为无测量数据地区的铁路、水电站等隧道工程地下施工的防护和设计提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及地质参数计算技术领域，特别是涉及一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法。
背景技术
地应力对重大地下工程施工建设的设计与防护非常重要，了解和预测地应力状态是工程施工设计和安全防护的基础之一。然而，地应力测试一般只代表测点附近应力状况，难以全面反映整个工程区应力场。因此，要从根本上评估地应力场，需要地应力实测数据与应力场预测技术相结合，尽可能充分挖掘实测数据背后的原理和蕴含信息，提取区域应力场特征来重建无数据区域的应力场，为重大工程建设服务。川藏地区由于高山峡谷遍布，地壳活动性强、变形强烈，铁路隧道和水电站地下硐室一般都具有埋深大的特点，高地应力问题成为了一个较为突出的威胁施工安全和后期运营安全的重要问题，同时由于地应力的测试费用昂贵、且受地形和构造因素影响较大、单个测点的地应力数值难以反映工程区的应力场特点，对无测试数据地区的地应力场预测既能较为简单有效的了解地应力的数值大小，为工程防护提供一定的参考，又能节约测试费用。
公开号为CN 111460602 B的基于岩石物理建模的横观各向同性地层地应力预测方法，提供了一种基于岩石物理建模的横观各向同性地层地应力预测方法，获取页岩物性参数，建立横观各向同性岩石物理模型，计算刚度系数、动静态岩石弹性参数、Biot系数，基于Eaton法利用纵波时差来预测地层孔隙压力，最后计算横观各向同性页岩地层最大、最小水平主应力。该技术构建了基于岩石物理建模的地应力评价体系，提高了静态岩石弹性参数的转换精度和地应力的预测精度，解决了横观各向同性页岩地层的地应力评价难题。但该技术主要适用于页岩等孔隙率较高的岩层，不能适用于区域重大工程应力场或深部地应力场的预测。
公开号为CN 109113742 B的一种煤储层现今地应力预测方法：提供了涉及一种煤储层现今地应力预测方法，即在煤岩参数实验测试和测井曲线计算基础上，建立静态参数与动态参数之间的量化关系，考虑到煤岩低杨氏模量、高泊松比、低强度、易变形等岩石力学特点，反演获取基于Maxwell煤储层现今地应力模型中的未知参数，建立基于测井曲线的煤储层地应力剖面，实现预测煤储层现今地应力的目的。该技术针对性强，可准确预测煤储层现今地应力，为煤层气有效勘探开发奠定基础，减小风险和成本，可广泛应用于煤层气勘探开发技术领域。但其主要适用于煤层等较大变形的软层区域，不能适用于区域重大工程应力场或深部地应力场的预测。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法，包括：
获取测试点的资料数据；所述测试点包括钻井和测井；
获取所述测试点中不同深度的代表性岩石，并作为岩石样品；
对所述岩石样品进行单轴或三轴岩石力学试验，得到岩石物理参数；
根据所述资料数据和所述岩石物理参数建立岩石物理参数的测定随围压和深度的函数关系；
对所述测试点邻近的区域的地应力数据进行进行收集和分段，得到多个地应力随深度的变化的深度-强度段；
根据所述深度-强度段和所述岩石物理参数确定最大水平主应变；
根据所述最大水平主应变和所述岩石物理参数确定各深度的最大水平主应力和最小水平主应力。
优选地，所述资料数据包括岩性数据和波速数据。
优选地，所述岩石物理参数包括：杨氏模量、孔隙率、泊松比和密度。
优选地，所述深度-强度段包括多参数变化段、孔隙闭合过程中的弹性模量线性变化段和孔隙闭合后的弹性模量逐渐稳定段。
优选地，根据所述深度-强度段和所述岩石物理参数确定最大水平主应变，包括：
构建最大水平主应力随深度的变化量的模型；所述模型的计算公式为：其中，ΔSH为最大水平主应力SH随深度的变化量；ΔE为杨氏模量E随深度的变化量；ΔSV为是垂向应力SV随深度的变化量，v为泊松比；εH为最大水平主应变；
根据所述模型确定孔隙闭合过程中的弹性模量线性变化段的所述最大水平主应变。
优选地，根据所述最大水平主应变和所述岩石物理参数确定各深度的最大水平主应力和最小水平主应力的公式为：
其中，SH和Sh分别为最大水平主应力和最小水平主应力。
优选地，最大水平主应变εH的值为4～6×10-4。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法，包括：获取测试点的资料数据；所述测试点包括钻井和测井；获取所述测试点中不同深度的代表性岩石，并作为岩石样品；对所述岩石样品进行单轴或三轴岩石力学试验，得到岩石物理参数；根据所述资料数据和所述岩石物理参数建立岩石物理参数的测定随围压和深度的函数关系；对所述测试点邻近的区域的地应力数据进行进行收集和分段，得到多个地应力随深度的变化的深度-强度段；根据所述深度-强度段和所述岩石物理参数确定最大水平主应变；根据所述最大水平主应变和所述岩石物理参数确定各深度的最大水平主应力和最小水平主应力。本发明能够较为准确地快速计算出川藏地区的最大水平主应力的量级，为无测量数据地区的铁路、水电站等隧道工程地下施工的防护和设计提供参考。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的技术方案示意图；
图3为本发明实施例提供的地应力深度-强度模型示意图。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法，能够较为准确地快速计算出川藏地区的最大水平主应力的量级，为无测量数据地区的铁路、水电站等隧道工程地下施工的防护和设计提供参考。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法，包括：
步骤100：获取测试点的资料数据；所述测试点包括钻井和测井；
步骤200：获取所述测试点中不同深度的代表性岩石，并作为岩石样品；
步骤300：对所述岩石样品进行单轴或三轴岩石力学试验，得到岩石物理参数；
步骤400：根据所述资料数据和所述岩石物理参数建立岩石物理参数的测定随围压和深度的函数关系；
步骤500：对所述测试点邻近的区域的地应力数据进行进行收集和分段，得到多个地应力随深度的变化的深度-强度段；
步骤600：根据所述深度-强度段和所述岩石物理参数确定最大水平主应变；
步骤700：根据所述最大水平主应变和所述岩石物理参数确定各深度的最大水平主应力和最小水平主应力。
地应力是受地壳水平构造运动和重力作用的共同影响形成。一般来说，地应力满足双轴应力模型，表达式如方程(1)所示：
其中SH和Sh分别为最大和最小水平主应力；v为岩层岩性泊松比；E为杨氏模量；SV是垂向应力；εH和εh分别是最大和最小水平主应变。因为存在由构造运动造成的最大水平主应变εH和最小水平主应变εh，而两个参数不容易获取，所以目前的技术都无法快速算出地应力的量级数值。而本发明的核心是基于已有地应力数据和岩石力学参数提取最大水平主应变εH的值。εH作为区域应变的代表参数，与应力场的代表参数(如最大水平主应力SH)相比，变化较小，具有更好的一致性。通过假设最大水平主应变与最小水平主应变在深部满足εh＝vεH，从而把方程(1)改写为方程(2)：
川藏地区公开地应力数据较多，本方案通过对已有数据的分析并结合岩石力学参数随压力变化的特点，建立了一个新的最大水平主应力SH深度-强度模型，利用SH计算εH，结果显示εH具有较好的稳定性，可作为区域基础应变。这样就很容易根据方程(2)快速计算得到各个深度层的地应力。
如图2所示，本实施例中下面介绍一个正常的流程，具体步骤如下：
步骤1：钻井、测井等资料的收集和整理；
主要包括岩性、波速等物理参数；
步骤2：岩石样品的采集；
采集钻井中不同深度的代表性岩石，最好建立一个较为详细的深度系列；
步骤3：岩石物理参数测试；
对不同深度岩石样品进行单轴或三轴岩石力学试验，测得杨氏模量E、孔隙率泊松比v、密度ρ等参数，最好是在岩石样品采集对应的深度围压相当的压力下。
步骤4：弹性模量、孔隙率、泊松比、密度等参数的测定随围压和深度的函数关系的建立；
基于以上资料建立弹性模量、孔隙率、泊松比、密度等参数的测定随围压和深度的函数关系；明确各参数随深度的变化规律。
步骤5：周边区域地应力的最大水平主应力收集和整理；
开展邻近区域地应力数据的收集和整理工作，按岩性和深度进行分类；
步骤6：地应力数据深度的分段工作；
开展邻近区域地应力数据的收集和整理工作，按岩性和深度进行分类；
步骤7：εH的数值的提取和计算；
(1)收集了多个钻孔的数据，满足各种样式，代表了区域复杂应力场；
(2)结合岩石弹性力学参数随深度的变化，我们把地应力随深度的变化分为三个深度-强度段(图3给出了基于花岗岩地应力测试数据的分段结果):①多参数变化段；②孔隙闭合过程中的弹性模量线性变化段；③孔隙闭合后的弹性模量逐渐稳定段。根据方程(2)，最大水平主应力SH随深度的变化量可近似表示为：
其中ΔSH为最大水平主应力SH随深度的变化量；ΔE为杨氏模量E随深度的变化量；ΔSV为是垂向应力SV随深度的变化量。根据我们分析的结果，只有基于第二段地应力测试数据才可以较为有效地提取最大水平主应变εH，这是因为在该段范围内，构造应力与重力的深度梯度相当，也即ΔEεH≈vΔSv；而第一段，梯度变化范围过大，会造成较大误差；第三段构造应力梯度远小于重力梯，也即ΔEεH≈1/3～1/4vΔSV。
步骤8：各深度最大水平主应力、最小水平主应力的计算工作；
根据步骤7构建的模型以及得出来的εH，以及岩石力学参数，可以根据方程(2)计算出各深度的SH和Sh。我们通过对已有地应力数据的分析给出了川藏地区的参考值εH＝4～6×10-4。利用该值，可以省略步骤5-7，快速得出川藏地区的某一工程区不同埋深深度的最大最小水平主应力。
本发明的有益效果如下：
本发明能够较为准确地快速计算出川藏地区的最大水平主应力的量级，为无测量数据地区的铁路、水电站等隧道工程地下施工的防护和设计提供参考。
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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种适用于川藏地区的快速地应力估算方法，其特征在于，包括：
获取测试点的资料数据；所述测试点包括钻井和测井；
获取所述测试点中不同深度的代表性岩石，并作为岩石样品；
对所述岩石样品进行单轴或三轴岩石力学试验，得到岩石物理参数；
根据所述资料数据和所述岩石物理参数建立岩石物理参数的测定随围压和深度的函数关系；
假设最大水平主应变与最小水平主应变在深部满足εh＝vεH，对预设双轴应力模型进行改写，得到新的最大水平主应力SH深度-强度模型；
对所述测试点邻近的区域的地应力数据进行收集和分段，得到多个地应力随深度的变化的深度-强度段；
根据所述深度-强度段中的孔隙闭合过程中的弹性模量线性变化段和所述岩石物理参数确定最大水平主应变；所述最大水平主应变的模型的计算公式为其中，ΔSH为最大水平主应力SH随深度的变化量；ΔE为杨氏模量E随深度的变化量；ΔSV为是垂向应力SV随深度的变化量，v为泊松比；εH为最大水平主应变；
根据所述最大水平主应变和所述岩石物理参数确定各深度的最大水平主应力和最小水平主应力；根据所述最大水平主应变和所述岩石物理参数确定各深度的最大水平主应力和最小水平主应力的公式为：
其中，SH和Sh分别为最大水平主应力和最小水平主应力。
2.根据权利要求1所述的适用于川藏地区的快速地应力估算方法，其特征在于，所述资料数据包括岩性数据和波速数据。
3.根据权利要求1所述的适用于川藏地区的快速地应力估算方法，其特征在于，所述岩石物理参数包括：杨氏模量、孔隙率、泊松比和密度。
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