一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法


[0001]本专利技术涉及地应力测量
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种钻孔侧壁取芯三维地应力测量方法，包括以下步骤：
[0008]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；
[0009]步骤二：主孔变形稳定后，通过通过孔径测井分别获取S
H
和S
h
方向；
[0010]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；
[0011]步骤四：计算三维应力：
[0012]对于S
H
方向
[0013][0014][0015]对于S
h
方向
[0016][0017][0018]其中，R为主孔半径，r为侧壁取芯与主孔中心的距离，v为泊松比，S
v
为地应力的垂直分量。
[0019]优选的，步骤一中的具体计算方法如下：
[0020]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：
[0021]记为A。
[0022]优选的，步骤一中的具体操作和计算如下：
[0023]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：
[0024]为B；
[0025]为C；
[0026]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。
[0027]进一步的，对于S
H
方向侧壁岩芯，此时θ＝0
°
：
[0028][0029][0030]对于S
h
方向侧壁岩芯，此时θ＝90
°
：
[0031][0032][0033]进一步的，上述技术方案中，S
v
为上部岩土容重，根据如下公式计算得到：
[0034]Sν＝∑γ
i
H
i
；
[0035]其中，γ
i
为第i层岩层的容重，H
i
为第i层岩层厚度。
[0036]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。
[0037]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术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：
[0038]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
[0039]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的实施例，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。
[0040]图1为本专利技术流程图；
[0041]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；
[0042]图3为本专利技术的钻孔取芯示意图。
具体实施方式
[0043]下面将结合本专利技术的实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0044]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，具有最大和最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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；步骤二：主孔变形稳定后，通过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
方向方向对于S
h
方向方向其中，R为主孔半径，r为侧壁取芯与主孔中心的距离，v为泊松比，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，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。3.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，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

【专利技术属性】
技术研发人员：张重远，李少辉，史维鑫，高鹏鑫，张士安，
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：