[发明专利]高地应力地区存在岩芯饼化现象时测量地应力的方法

摘要

本发明属于原岩地应力测量技术领域，特别涉及一种对高地应力地区地应力的测量方法。其技术方案是：一种高地应力地区存在岩芯饼化现象时测量地应力的方法，包括以下步骤：a、原岩岩饼取样；b、确定每个岩饼三个主应力的方向；c、做岩石的巴西圆盘劈裂试验，确定每个岩饼的岩石抗拉强度St；d、确定每个岩饼三个主应力的大小；e、对各块岩饼确定出的地应力大小数据取算术平均值，作为该地区地应力大小的数值。本发明可以解决岩饼持续出现时传统地应力测量方法(主要是应力解除法)不能测定原岩地应力的问题，经实际使用验证，使用本发明确定出三维原岩地应力大小和方向结果可靠，并具有简便、实用和科学的优点。

主权项

一种高地应力地区存在岩芯饼化现象时测量地应力的方法，包括以下步骤：a、原岩岩饼取样取2倍洞径以外典型的原岩岩饼至少3块，要求各岩饼的孔深相差在1m以内，岩饼形态类似，记录每个岩饼发生处的埋深和孔深；b、确定每个岩饼三个主应力的方向b1、设：岩石在力学上是均匀且各向同性的；岩饼表面和岩芯根部的平均赝轴拉应力σsz方向近似垂直，其方位角和最小主应力σ3一致；b2、建立X‑Y‑Z坐标系：钻孔钻进方向为Z轴，最大主应力σ1在Z轴法平面上的投影为X轴，由右手准则确定Y轴；地磁北极到Y轴的夹角为θ0，三维地应力在三个坐标轴上的分量分别为σx、σy、σz；b3、建立岩饼外沿高度曲线z和σ1、σ2、σ3三个主应力方向的数学模型设σ2为中间主应力；b3.1当σ3＝σz和σ1＞σ2时，岩饼外沿的高度曲线z由下式给出：z＝Amcos2(θ‑θ0)(1)其中Am是岩饼外沿高度变化的幅度；θ是岩饼外沿上点在X‑Y平面投影的角度，以正北方向为0°，以逆时针为正；此时σ3的方向和钻孔轴向即Z轴一致，凹、凸面轴分别与σ1即X轴、σ2即Y轴的方向一致，即θ0＝θ2；θ2为σ2的方位角；b3.2当σ3≠σz和σ1＞σ2时，岩饼形态的对称性被破坏；为描述岩饼外沿的高度，将b2步骤中建立的X‑Y‑Z坐标绕X轴旋转α角到X′‑Y′‑Z′坐标，再绕Y′轴旋转β角到X″‑Y″‑Z″坐标，最终坐标轴Z″和σsz的方向一致；这种条件下岩饼外沿的高度z在X‑Y‑Z坐标系中的表示由下式给出： z = A m cos 2 ( θ - θ 0 ) + R [ sin α cos β cos ( θ - θ 0 ) + sin β sin ( θ - θ 0 ) ] cos α cos β - - - ( 2 ) 其中R是岩饼的半径；设：φsz为σsz的倾角，θ3为最小主应力σ3的方位角，也是σsz的方位角，则θ0＝θ2仍然成立，各个角度之间有如下关系： tan ( θ 3 - θ 0 ) = tan β sin α - - - ( 3 ) cosφsz＝cosαcosβ(4) tan φ 2 = 1 tan φ 3 cos ( θ 3 - θ 0 ) - - - ( 5 ) φsz＝58.8ξ‑151.3ξ2+141.2ξ3(6) φ 3 = φ sz 0.142 + 0.296 ξ - - - ( 7 ) 其中φ2、φ3分别是σ2、σ3的倾角；θ1、φ1分别是σ1的方位角、倾角；ξ是中间变量，其定义为：ξ＝(σz‑σ3)/σm    (8) 其中 σ m = 1 3 ( σ x + σ y + σ z ) = 1 3 ( σ 1 + σ 2 + σ 3 ) , 是平均主应力；根据三个主应力相互垂直的理论要求，当σ2、σ3的方向确定后，σ1的方向也随之确定；b4.测量岩饼外沿高度曲线以正北方向为0°，以逆时针为正，记录岩饼外沿各点的高度z和角度θ，画出z‑θ高度曲线；b5.根据z‑θ高度曲线和以下判据确定三个主应力的方向：b5.1如果α＝β＝0，且Am＝0，即岩饼形态呈轴对称，则σ3的方向和钻孔轴向平行，且σ1＝σ2；b5.2如果α＝β＝0，且Am≠0，即岩饼形态呈单个平面对称，则σ3的方向和钻孔轴向平行，σ1、σ2的方向垂直于钻孔轴向；利用计算机函数曲线拟合程序找出相应的参数θ0，确定σ1、σ2的方位角；b5.3如果α、β有一个不为零或者都不为零，且Am≤0.01，即岩饼形态呈单个平面对称，z‑θ高度曲线显示的周期近似为360°，则利用计算机函数曲线拟合程序找出最佳的α、β、θ0，再利用公式(3)、(4)、(6)、(7)求出θ3、φ2、φ3，确定相应的θ1、φ1，从而确定出三个主应力的方向；b5.4如果α、β有一个不为零或者都不为零，且Am≠0，即岩饼形态呈单个平面对称，高度曲线显示的周期近似为180°，则利用计算机函数曲线拟合程序找出最佳的Amα、β、θ0，再利用公式(3)、(4)、(6)、(7)求出θ3、φ2、φ3，确定相应的θ1、φ1，从而确定出三个主应力的方向；c、做岩石的巴西圆盘劈裂试验，确定每个岩饼的岩石抗拉强度St；d、确定每个岩饼三个主应力的大小根据三个主应力的方向确定真实的X‑Y‑Z坐标系，求出三个主应力在X‑Y‑Z坐标系下的方向余弦li＝cosθicosφi，mi＝sinθicosφi，ni＝sinφi，其中下标i＝1，2，3；σx、σy、σz在坐标系X‑Y‑Z下可由σ1、σ2、σ3来表示如下： σ x = l 1 2 σ 1 + l 2 2 σ 2 + l 3 2 σ 3 - - - ( 9 ) σ y = m 1 2 σ 1 + m 2 2 σ 2 + m 3 2 σ 3 - - - ( 10 ) σ z = n 1 2 σ 1 + n 2 2 σ 2 + n 3 2 σ 3 - - - ( 11 ) 当岩芯根部区域两个的赝轴拉应力等值面在岩心轴线附近交于一点时，可能产生岩饼，此时岩芯根部的最大平均赝轴拉应力就是临界拉应力σtc，临界拉应力和岩饼产生时岩芯所受三维应力状态的关系为： σ tc σ m = - A + B σ x σ m - C ( σ x σ m ) 2 - D ( σ x - σ y σ m ) - - - ( 12 ) 其中A、B、C、D是岩芯的临界拉应力系数；只有当临界拉应力达到岩石的抗拉强度St时，即：σtc＝St(13)岩饼才能产生；设岩饼产生后孔底残留的根部岩芯——即岩台的长度是L，岩饼的半径是R，L和岩饼厚度t有如下关系： L R = t / R 1 + 0.00261 ( t / R ) - 4.37 - 0.0716 - - - ( 14 ) 对于确定的岩饼厚度t，L一定，进而根据实验室岩石力学数据绘制的岩台长度曲线图，确定岩芯的临界拉应力系数——公式(12)中的A、B、C、D四个系数，结合步骤c中测得的岩石抗拉强度St和公式(12)，得到σx、σy、σz的一个等式(13)；X‑Y‑Z坐标系确定后，可算出垂直朝上方向在此坐标系中的方向余弦ly、mv、nv，对于岩石埋深一定，垂直应力可估算为：σv＝ρgh，其中ρ是岩石的天然密度，g是重力加速度，h是岩饼发生处的埋深；此时垂直应力σv可用σ1、σ2、σ3表示为：σv＝(l1lv+m1mv+n1nv)2σ1+(l2lv+m2mv+n2nv)2σ2+(l3lv+m3mv+n3nv)2σ3(15) 由公式(8)、(9)(10)、(11)、(13)、(15)算出三个主应力σ1、σ2、σ3的大小。e、对各块岩饼确定出的地应力大小数据取算术平均值，作为该地区地应力大小的数值。