[发明专利]一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，更具体涉及一种利用光学显微测量技术实现的多触针孔径变形测量方法以及利用孔径变形原理实现的地应力解算方法；突破了以往地应力测试(以应变片/位移传感器为主)无法在深孔和超深孔中实现的技术难题，推动了地应力测试技术的进一步发展，更适用于页岩气的开发和利用。

背景技术

地应力是存在于岩体中的天然应力，它的大小和分布规律受岩体自重、地质构造运动、地形地貌及剥蚀作用等多种因素的影响。地应力广泛存在，但难以获取和揭示，对深部工程的规划、设计和决策的科学性起着重要的作用。随着人类向深部地壳的不断探索，地应力的重要性日益显现。目前，针对地应力测量原理、技术和方法的研究正不断地深入，相应的测量仪器和设备也不断地涌现，为实现地应力测试技术的突破创造了条件。

人类对地应力的认识最早出现于20世纪初，而地应力的实测工作则开始于20世纪30年代。随着实测工作的开展，各种测量原理和测试方法不断涌现。按测量原理划分，可分为应力恢复法、应变恢复法、应力解除法、应变解除法、重力法、水压致裂法、声发射法、X射线法八类。而按测试方法划分，则可分为电磁法、构造法、地震法、变形法、地震法、发射性法五类。综合归纳，可依据测量原理的不同，将测试方法分为直接测试法和间接测试法两大类。目前，工程上广泛使用的仍局限为二种，分别是水压致裂法(直接测试法)和应力解除法(间接测试法)。

其中，水压致裂法是深部地应力测量的一种有效方法，源于石油开采中的一种技术。该方法对环境要求比较宽松，测量应力的空间范围很大，能测量较深处的地应力状态，受局部因素影响较小，又不需要套芯等复杂的工序，对钻孔设备的要求很低，成功率很高。但是，该方法随着深度的增加其所需要的水压开裂值也需要加大，这样增加了对器材的要求，而且测量精度受静水压的影响也较大。另外，虽然该方法能直接确定位于钻孔平面内的最大和最小主应力的量值，但是在确定主应力方向时仍很困难，即使使用印模技术，也难以准确获取,且成功率也较低。

而应力解除法则是技术比较成熟的地应力测量方法，它具有可靠性好、精度高的优点，目前应用十分广泛。该方法多采用压磁和应变式传感器，通过测量应力解除前后钻孔孔径的变化来计算地应力的大小和方向。通常，该方法在浅孔测量时效果较好，但是随着测试深度的增加，温度和地下水的条件都会发生变化，常用的传感器就很难满足要求了，使得这一方法的测试深度往往局限在几百米的范围内，很难实现千米测试深度的突破。另外，该方法的测试过程较为复杂，包括了测量孔钻进、传感器布设和解除孔钻进与实时测量等多个步骤，每一步都需钻机配合且分离完成，特别是传感器布设时的引线问题严重阻碍了该方法在深孔中的应用。

因此，如何突破长期以来困扰着地应力测试过程中应力方向的确定性问题、测试深度的局限性问题和测试过程的复杂性问题，实现复杂环境下深孔和超深孔的地应力测试，是地应力测试技术发展的重要方向。

鉴于现有地应力测试技术存在的问题，本发明提出一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，利用先进的光学显微测量技术实现的孔径变形测量以替代传统的压磁和应变式传感器实现的孔径变形测量，从根本上解决了地应力测试过程中的主要技术难题，使地应力测试技术得到了突破性和实质性的进展。该方法采用对称布置多触针的方式，将孔径的变化通过接触孔壁的触针引入到一个微小区域，利用光学显微测量技术和数字图像处理技术，获取孔径变形的微小影像变化，并对其进行数字化，通过应用数字罗盘技术，实现各个触针的准确定位，获得对应方向上的孔径变形。根据弹性力学的基本原理和多触点上的孔径变形数据，利用最优化分析方法，最终获得地应力解算的最优解。基于孔径变形原理的地应力测试方法的优点在于：1)孔径变形数据丰富。由多触点上获取的孔径变形数据不仅可以用于解算地应力的大小和方向，还可以用于优化处理和对比分析；2)测量精度高。采用光学显微测量技术，提高了对微小影像变化的识别能力，测量到的孔径变形数据精度更高；3)对环境要求低。利用刚性触针可适应高温高压的复杂环境，而显微测量装置独立封装并与其分离，克服了环境的影响，可用于深孔和超深孔的地应力测量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服以往地应力测试技术存在的缺点和不足，提出一种利用多触针感知孔径变化和光学显微测量孔径变形的测试方法以及基于孔径变形原理的数据优化分析和地应力解算方法。该方法思想新颖、理论严密、设计巧妙、易于实现，是地应力测试技术突破深孔和超深孔应用限制的技术基础，具有广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：