[发明专利]一种根据岩芯饼化识别地应力的智能系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过岩芯饼化识别地应力的方法和装置，尤其是涉及到一 种基于自动摄像技术和电脑智能分析的岩芯饼化识别地应力的系统。

背景技术

随着我国基础建设的进行，岩石力学与工程领域的建设项目日益增多，出 现越来越多的深部岩石工程，例如深部采矿工程、深部石油开采工程等。深部 工程的现场地应力是决定钻井设计、施工成败和水力致裂参数的关键因素。

目前对于深部岩石工程的原岩地应力而言，现有的水压致裂法、应力解除 法等常规测试方法受到限制，无法实施。在高应力环境中进行岩石取芯过程中， 常常发现岩芯存在着饼状的断裂现象，这些岩饼断裂模式及饼化厚度的不同， 对应着原岩地应力的不同分布规律，因此人们凭经验通过岩石取芯过程中岩芯 破坏的模式来推断原岩应力。但是由于岩芯饼化的机理和影响因素比较复杂， 破坏模式与岩石自身性质和应力环境状态均有很大的关系，这些原岩应力的推 断方法有很大的盲目性和随意性。

发明内容

为了克服深部原岩应力监测和识别方法的不足，本发明提供了一种集数码 摄像、图象识别、数值计算与优化的通过岩芯饼化模式自动推测深部原岩地应 力的装置和方法。弥补传统的地应力监测方法的不足，节省可观的监测费用， 具有重要的意义。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：先通过数码摄像方法获得岩芯破坏 的情况，利用计算机的图象识别技术，结合岩芯饼化力学有限元的数值模拟， 采用差异进化的优化方法进行破坏模式的识别，搜索到与饼化厚度一致的原岩 应力状态。这种技术方案，利用了计算机的数值计算和优化识别能力，在原岩 应力的优化识别过程中，不事先人为确定破坏形式(拉伸破坏、或剪切破坏)， 而是基于岩土工程广泛应用的莫尔-库仑准则获得弹性力学框架的单元安全度， 在有限元中识别到单元达到极限破坏状态，则该单元破坏。具体技术内容如下：

一种根据岩芯饼化识别地应力的方法，其特征在于包括如下步骤：

a、通过收集工程地质调查数据，预估地应力范围，选择待识别的地应力变 量；

b、通过摄像设备对钻取岩芯进行摄像，并对获取的图像进行识别，即识别 出岩芯裂隙的间距和角度；

c、根据步骤a获取的资料信息和步骤b已识别的图像信息，建立岩芯钻取 的三维有限元模型，同时施加应力边界条件，模拟实际岩芯受力状况，根据实 际观测的岩芯断裂面，即饼化厚度在模型中相应的位置设置1个以上的测点， 后根据上述测点是否处于破坏状态，通过下述地应力识别的有约束的优化问题 的目标函数获取地应力变量：

Min{(∑_i＝1^Kabs(1-F_i))}

式中F_i＝min{F_si，F_ti}，其中F_i为潜在面上观测点的第i个单元的抗剪安全度F_si和抗拉安全度F_ti的最小值，K为潜在破坏面上单元个数即测点个数；

d、优化算法初始化：在步骤c的模型中所述施加应力边界条件后，对应使 潜在破坏面的单元刚好破坏，将地应力变量作为差异进化算法的搜索变量，将 数值计算潜在破坏面的单元安全度情况作为差异进化算法的评价值，这样将步 骤c中的数值计算嵌入到差异进化算法中，设置差异进化初始参数：优化变量 数目和种群数量，同时设置缩放因子F和杂交概率常数CR值；设定收敛准则： 最小适应值或者最大迭代步数，进行优化搜索计算；

e、算法适应值评价：结合步骤d设定的参数，差异进化算法把每一个可能 的解看成一个个体，先随机产生Np个可能的地应力变量(Np称为种群)，根据 这些地应力变量，分别按照步骤c分别计算潜在破坏面单元的安全度，其中单 元安全度是基于弹性力学的框架并结合摩尔库仑准则得到的，将单元安全度与1 的误差作为适应值，结合步骤c中的计算公式如下：Min{(∑_i＝1^Kabs(1-F_i))}进行计 算；

f、变异操作：缩放种群中任意两个目标向量个体之间的差值并叠加到种群 中的第3个向量个体上，形成新的变量，计算公式如下：

V_i，j(G+1)＝x_r1j(G)+F(x_r2j(G)-x_r3j(G))