一种利用岩芯获取三维地应力的方法及获取系统技术方案

本发明专利技术涉及地应力测量技术领域，尤其是涉及一种利用岩芯获取三维地应力的方法及其获取系统。获取三维地应力的方法包括：S1：确定已知参数的数值和未知参数的合理取值范围；S2：生成满足的测试数据；S3：对测试数据进行反演分析；S4：在未知参数的合理取值范围内匹配输入参数值；S5：根据输入参数值再进行反演分析，得出三维地应力。三维地应力获取系统包括人工神经网模型模块、反演分析模型模块、进化计算模块和控制器；控制器分别与人工神经网模型模块、反演分析模型模块和进化计算模块连接。本发明专利技术通过对生成的测试数据进行反演和进化计算，进行合理匹配输出参数，进而能够使估算的三维地应力参数准确，提高了获取三维地应力的效率。

A Method and System for Obtaining Three-Dimensional in-situ Stress from Core

【技术实现步骤摘要】
一种利用岩芯获取三维地应力的方法及其获取系统
本专利技术涉及地应力测量
，尤其是涉及一种利用岩芯获取三维地应力的方法及其获取系统。
技术介绍
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，岩芯的原始直径难以测量和利用，这也将给利用岩芯弹性变形确定三维地应力值的尝试带来难以确定的困难。现有的方法主要是利用垂直钻孔取出的岩芯，测量岩芯直径变形并评估水平应力差值。但是，尚不能得到具体的主应力量值，比如对于垂直钻孔取芯而言，最大水平主应力和最小水平主应力。其中，圆柱状岩芯脱离地壳应力场后、且发生弹性变形恢复之前的初始真圆直径d0的大小无法直接实测，这直接导致无法可靠地得到最大水平主应力和最小水平主应力的具体量值。这也很大程度上限制了现有方法的应用效果和推广前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用岩芯获取三维地应力的方法及其获取系统，以解决现有技术和方法中难以解决的核心难点和问题。本专利技术提供的获取三维地应力的方法，包括如下步骤：S1：确定已知参数垂直主应力Sv、岩芯径向总体变形值dmax、dmin的数值和未知参数杨氏模量E，泊松比v，最大和最小水平主应力Shmax和Shmin，岩芯初始真圆直径d0的合理取值范围；S2：生成所有满足的测试数据；S3：对测试数据进行反演分析；S4：在未知参数的合理取值范围内匹配输入参数值；S5：根据输入参数值再次进行反演分析，最终得出三维地应力。进一步的，步骤S2、步骤S3和步骤S4进行并行化处理。进一步的，在确定已知参数前，需要通过测试获取岩芯径向总体变形值dmax和dmin，作为已知参数。进一步的，在确定已知参数前，需要先进行岩芯的基本物性测试。进一步的，在得出三维地应力后，对参数值进行验证。进一步的，对参数值进行验证的方法为多重验证。进一步的，多重验证至少包括：有限元模拟验证和既有公式验证。进一步的，估算三维地应力的公式为：本专利技术还提供了一种三维地应力获取系统，其包括人工神经网模型模块、反演分析模型模块、进化计算模块和控制器；所述控制器分别与所述人工神经网模型模块、所述反演分析模型模块和所述进化计算模块连接，用于使所述人工神经网模型模块、所述反演分析模型模块和所述进化计算模块的作业进行并行化处理。进一步的，所述控制器还连接有优化模块，用于优化未知参数的范围。本专利技术提供的利用岩芯获取三维地应力的方法及其获取系统，通过对生成的测试数据进行反演和进化计算，进行合理匹配输出参数，进而能够使得估算的三维地应力参数较为准确，且提高了获取三维地应力的效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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的附图。图1为本专利技术实施例提供的获取三维地应力的方法中，岩芯在应力解除前后的弹性形变示意图；图2为本专利技术实施例提供的获取三维地应力的方法的流程示意图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。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。假设钻取的岩芯是完整的、没有微裂隙和非弹性应变的干扰。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1。那么，对于一个垂直钻孔，在图1中平面应力条件下，最大水平主应力Shmax和最小水平主应力Shmin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1-2所示。另有圆柱状岩芯横截面应变εhmax和εhmin有如下关系式表达：其中，εhmax为Shmax方向上的最大拉应变，εhmin为Shmin方向上的最小拉应变，Sv为垂直主应力，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比。dmax为最大岩芯直径方向，dmin为最小岩心直径方向，d0为岩芯弹性恢复前真圆的初始直径。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dmax，短轴为dmin，如图1所示。解上述方程式，可以分别求得最大和最小水平主应力Shmax、Shmin，如公式组合(5)。另外，对于垂直钻孔，垂直主应力等于上覆岩层的重量之和，很容易直接获得的。那么，对于水平应变之差εhmax-εhmin，有如下公式：由于d0位于分母位置，量值上近似等于dmin，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dmin。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，则公式组合(5-1)如下：显然，公式组合下式中令dmin代替d0是可行和成立的，近似误差可以忽略不计，而组合中的上式由于分子位置上也有2d0，显然，不可做上述替代；否则将引入显著的误差。因此，如果可以找到精确评估岩芯初始真圆直径d0的值，则可以通过解方程组(7)，很容易地得到最大水平主应力Shmax和最小水平主应力Shmin的具体值，以及三维主应力的大小。本专利技术所用的方法及实施系统将可以有效地解决这一问题。本专利技术推导了基于圆柱状岩芯横截面变形量的最大和最小水平主应力Shmax、Shmin计算公式(8)。本专利技术建立了一套计算程序，利用公式(8)作为理论基础，最终求取得到d0的精确值。开始求解之前，对于垂直钻孔，跟去取芯深度位置，垂直应力Sv是已知的。本专利技术提供的获取三维地应力的方法，如图2所示，包括如下步骤：S1：确定已知参数的数值和未知参数的取值范围，其中，已知参数包括：垂直主应力Sv、最大岩芯径向总体变形值dmax和最小岩芯径向总体变形值dmin，未知参数包括：杨氏模量E、泊松比v、最大水平主应力Shmax、最小水平主应力Shmin和岩芯初始真圆直径d0；S2：生成所有满足的测试数据；S3：对测试数据进行反演分析；S4：在未知参数的合理取值范围内匹配输入参数值；S5：根据输入参数值再次进行反演分析，最终得出三维地应力。在本实施例中，具体的步骤为：确定已知参数Sv、岩芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：确定已知参数的数值和未知参数的取值范围，其中，已知参数包括：垂直主应力Sv、最大岩芯径向总体变形值dmax和最小岩芯径向总体变形值dmin，未知参数包括：杨氏模量E、泊松比v、最大水平主应力Shmax、最小水平主应力Shmin和岩芯初始真圆直径d0；S2：生成所有满足的测试数据；S3：对测试数据进行反演分析；S4：在未知参数的取值范围内匹配输入参数值；S5：根据输入参数值再次进行反演分析，最终得出三维地应力。

【技术特征摘要】
1.一种利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：确定已知参数的数值和未知参数的取值范围，其中，已知参数包括：垂直主应力Sv、最大岩芯径向总体变形值dmax和最小岩芯径向总体变形值dmin，未知参数包括：杨氏模量E、泊松比v、最大水平主应力Shmax、最小水平主应力Shmin和岩芯初始真圆直径d0；S2：生成所有满足的测试数据；S3：对测试数据进行反演分析；S4：在未知参数的取值范围内匹配输入参数值；S5：根据输入参数值再次进行反演分析，最终得出三维地应力。2.根据权利要求1所述的利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，步骤S2、步骤S3和步骤S4进行并行化处理。3.根据权利要求1所述的利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，在确定已知参数前，需要通过测试获取岩芯径向总体变形值dmax和dmin，作为已知参数。4.根据权利要求1所述的利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，在确定已知参数前...

【专利技术属性】
技术研发人员：张重远，王锡勇，杨洪磊，陶涛，曹学农，张士安，李国岐，
申请(专利权)人：中国地质科学院地质力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11