CN117432396A - 一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地应力测试技术领域，尤其涉及一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法，包括钻孔布置方法、水压致裂数据取舍方法、测试结果分析方法。所述钻孔布置方法给出了三个地应力测试钻孔方位角、倾角的基本要求，以保证测试方程的相互独立性。所述水压致裂数据取舍方法包括钻孔密封方法、致裂裂纹观测方法。所述测试结果分析方法包括致裂曲线关键数据选取方法、致裂方程组构建和求解方法。所述斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法规避了传统水压致裂测试法对地应力基本假设所带来的误差，能够以三维弹性理论为基础准确计算原始地应力及主应力。

Description

一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法

技术领域

本发明涉及地应力测试技术领域，尤其涉及一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法。

背景技术

准确的地应力数据，包括原始地应力、次生应力，是矿山压力控制、巷道及硐室开挖设计的最基础依据之一。目前，地应力的测试方法主要包括应力解除法和水压致裂法。

采用应力解除法进行测试时，需要在岩石中先钻一测量孔，将测量传感器安装在测孔中并观测读数，然后在测量孔外同心套钻钻取岩芯，使岩芯与围岩脱离。岩芯上的应力因被解除而产生弹性恢复。根据应力解除前后仪器所测得的差值，计算出应力值的大小和方向。倘若岩性条件较差，该方法中最为关键的“套芯”工作无法完成，测试也就无法进行。即便岩性条件较好，“套芯”工作顺利完成，弹性模量、剪切模量等岩性数据的离散性也会个测试结果的准确性带来很大的影响。

与间接测试法不同，直接测试法，如水压致裂法，可以做到以力测力，从而避免岩石物理力学参数的“干扰”。但目前的直接测试法，如最常用的水压致裂法也有其致命弱点。目前，水压致裂法假定竖直方向的自重应力就是一个主应力，另外两个主应力都是水平的，但是实际情况远非如此，尤其是对于岩层倾角较大的区域。对于这样的假定差强人意，对于倾角较大或局部构造应力有明显变异的区域，测试结果更加难以令人信服。

水压致裂法以远场应力圆孔周边的弾性应力分析结果为基础依据，认为沿竖直方向施工的圆形钻孔在内压P增大到某一限值后，可以克服水平地应力及岩体自身强度的阻碍，沿着最大水平主应力方向产生致裂裂纹。水压致裂测试数据包括初始致裂压力P_b、裂隙重张压力P_r、瞬时关闭压力P_s、孔隙压力P₀，如图1所示，其中瞬时关闭压力与水平方向最小主应力相等，即P_s＝σ₂。

很显然，水压致裂法对于地应力主方向的假设与实际情况有着明显的偏差。在施工场地允许的情况下，这一假设应该舍弃，并且施工若干组互不平行的测试钻孔，得到相互独立的若干组测试数据，从而求解更贴近真实情况的地应力数据。

另外，水压致裂法认为瞬时关闭压力与水平方向最小主应力相等，而瞬时关闭压力的判读往往具有一定的偏差，也给原始地应力的求解带来很大的误差。常用的瞬时关闭压力判定方法包括单切线法、dp/dt方法、马斯卡特方法和dT/dP法等。然而，即使对于同一条水压致裂测试曲线，不同的方法所确定的瞬时关闭压力均有一定的偏差，给地应力数据的分析带来很大的干扰。因此，在进行多个钻孔联合测试的条件下，瞬时关闭压力不应再作为地应力测试数据分析的主要依据之一。

发明内容

本发明的目的在于：为了消除传统水压致裂测试法对地应力基本假设所带来的误差，规避应力解除法等间接测试方法因围岩参数测试结果的不稳定而造成的影响，而提出的一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法，包括钻孔布置方法、水压致裂方法、测试结果分析方法，所述彻底规避传统水压致裂测试法关于地应力方向、竖直方向应力计算方法的基本假设，根据三次相互独立的钻孔测试得到六个相互独立的方程构成的方程组，从方程组求解原始地应力相关的六个应力分量，并进一步求解主应力及任意方位的地应力。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述根据三个测试钻孔的轴线的方位角、倾角所得的三组方向余弦是相互独立的。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述水压致裂方法给出了封孔压力和致裂压力之间关系。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述以重张压力及裂纹方位数据为依据求解六个测试方程，得到准确的原始应力值，并求解主应力。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，普通水压致裂地应力测试钻孔为单一的竖直钻孔，关于地应力也做了很多假定，包括竖直方向必为主方向、致裂泵的瞬时关闭压力即为水平方向的。本发明所采取的技术方案舍弃所有的相关假定，也就消除了相应的误差。

2、本发明中，在选定测试岩层内设置三个相互斜交的测试钻孔，联合完成地应力测试。在任一给定的三维坐标系内，三个钻孔的方向余弦向量是相互独立的。每个钻孔根据二次重张压力及致裂裂纹方位可以得到的两个关于地应力分量的方程。三个钻孔共同得到了六个方程也是相互独立的。

3、本发明中，联立三个斜交钻孔共同得到的六个相关独立的方程，求解三维地应力的六个分量，还可以根据弹性理论求解主单元等参数。

附图说明

图1为典型的水压致裂曲线图；

图2为本发明中的地应力测试原始单元体示意图；

图3为本发明中的地应力测试主单元体示意图；

图4为本发明中的三维水压致裂测试相关单元体示意图；

图5为本发明中的三维水压致裂测试平面单元体示意图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法，包括钻孔布置方法、水压致裂方法、测试结果分析方法，彻底规避传统水压致裂测试法关于地应力方向、竖直方向应力计算方法的基本假设，根据三次相互独立的钻孔测试得到六个相互独立的方程构成的方程组，从方程组求解原始地应力相关的六个应力分量，并进一步求解主应力及任意方位的地应力。

其中，根据三个测试钻孔的轴线的方位角、倾角所得的三组方向余弦是相互独立的。

其中，水压致裂方法给出了封孔压力和致裂压力之间关系。

其中，以重张压力及裂纹方位数据为依据求解六个测试方程，得到准确的原始应力值，并求解主应力。

具体的，如图2-5所示，一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法，其工作原理如下：

1、选择完整性较好、厚度较大的岩层作为地应力测试层位。三维状态下地应力的应力分量有六个，如下图2所示。图2中的坐标系以正东为x轴、正北为y轴、竖直向上为z轴，并根据岩石力学关于应力的规定表明地应力的六个应力分量其中压应力为正、拉应力为负，正面负向切应力为正。图2所示原始单元体与图3所示主单元是等效的，二者可以根据弹性理论相互转换。

2、向选定岩层以任一方位角、倾角施工第一个测试钻孔。水压致裂区段通常位于钻孔底端，为了最大程度的降低局部结构对测试精度影响，钻孔底端与钻孔施工场地的法距不小于施工场所最大尺寸的4-5倍。如图4所示，以测试钻孔的轴向为一坐标轴建立新的坐标系(x1、y1、z1)，新坐标系上的六个应力分量与原始单元上的六个应力分量可以根据弹性理论相互转换，是等效的。

3、利用常规水压致裂仪器对第一个测试钻孔的底端进行水压致裂，记录并仅仅记录重张压力、致裂裂纹方位两个数据。如图5所示，假如测钻孔轴线方向与Z1轴平行，可以得到三维水压致裂测试对应的平面单元体。该单元体内各应力分量满足下式。其中，新坐标系中的应力分量与原始单元体中的应力分量是等效的，也就是说，一个钻孔的重张压力和致裂裂纹方位数据可以得到原始单元体相关的两个方程。

4、接下来施工第二个地应力测试钻孔，重复上述水压致裂过程可以再得到两个原始单元体应力分量相关的方程。只要第二个钻孔不与第一个测试钻孔平行，新得到的方程与第一个钻孔对应的方程就是相互独立的。

5、第三个测试钻孔与前两个钻孔的轴线不在同一平面的前提下，还可得到另外两个原始单元体应力分量相关的方程，并且三个钻孔共同得到的六个方程是相互独立的。联立六个相互独立的方程就可以求解原始单元体的六个应力分量，从而进一步计算地应力的主单元体。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法，包括钻孔布置方法、水压致裂方法、测试结果分析方法，其特征在于，所述彻底规避传统水压致裂测试法关于地应力方向、竖直方向应力计算方法的基本假设，根据三次相互独立的钻孔测试得到六个相互独立的方程构成的方程组，从方程组求解原始地应力相关的六个应力分量，并进一步求解主应力及任意方位的地应力。

2.根据权利要求1所述的一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法，其特征在于，所述根据三个测试钻孔的轴线的方位角、倾角所得的三组方向余弦是相互独立的。

3.根据权利要求1所述的一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法，其特征在于，所述水压致裂方法给出了封孔压力和致裂压力之间关系。

4.根据权利要求1所述的一种斜交三孔联合水压致裂地应力测试方法，其特征在于，所述以重张压力及裂纹方位数据为依据求解六个测试方程，得到准确的原始应力值，并求解主应力。