一種高地應(yīng)力鉆井區(qū)存在巖心餅化現(xiàn)象時測量地應(yīng)力方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地應(yīng)力測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高地應(yīng)力鉆井區(qū)存在巖心餅化現(xiàn) 象時測量地應(yīng)力方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，越來越多的地下工程向深部發(fā)展，高地應(yīng)力下巖芯餅化現(xiàn)象時地應(yīng)力的測 量是一個尚未解決的難題。在高地應(yīng)力條件下，工程設(shè)計和建設(shè)更加需要準確快速測量 工程區(qū)的原巖三維地應(yīng)力，而當鉆孔過程中出現(xiàn)巖芯餅化現(xiàn)象時，傳統(tǒng)的地應(yīng)力測量方法 (主要是應(yīng)力解除法）難以實施。傳統(tǒng)測量方法，不論是應(yīng)力解除法，還是水壓致裂法，都需 要來回的下鉆、穿線等繁瑣測量工序和笨重的測量設(shè)備，有的方法需要多個不同方向的鉆 孔；其結(jié)果更依賴于傳感器、解調(diào)儀等大量電子儀器，在地下工程惡劣的測量環(huán)境下儀器誤 差和可靠性都較難控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的之一在于為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種高地應(yīng)力鉆井區(qū)存在巖 心餅化現(xiàn)象時測量地應(yīng)力方法。
[0004] 本發(fā)明提供的一種高地應(yīng)力鉆井區(qū)存在巖心餅化現(xiàn)象時測量地應(yīng)力方法，包括如 下步驟：
[0005] 步驟SlOO :取2倍洞徑以外典型的原巖巖餅至少3 ±夬，記錄每個巖餅發(fā)生處的埋 深和孔深；
[0006] 步驟S200 :確定每個巖餅最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力三個主應(yīng)力的方 向；
[0007] 步驟S300 :做巖石的巴西圓盤劈裂試驗，確定每個巖餅的巖石抗拉強度；
[0008] 步驟S400 :確定每個巖餅最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力三個主應(yīng)力的大 ?。?br>[0009] 步驟S500 :對各塊巖餅確定出的地應(yīng)力大小數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，作為該地區(qū)地應(yīng) 力大小的數(shù)值。
[0010] 進一步的，所述步驟S200 :確定每個巖餅三個主應(yīng)力的方向的步驟包括如下步 驟：
[0011] 步驟S210 :令巖石在力學(xué)上是均勻且各向同性，巖餅表面和巖芯根部的平均拉應(yīng) 力osz方向近似垂直，其方位角與最小主應(yīng)力一致；
[0012] 步驟S220 :建立X-Y-Z坐標系：鉆孔鉆進方向為Z軸，最大主應(yīng)力在Z軸法平面上 的投影為X軸，由右手準則確定Y軸；
[0013] 步驟S230 :建立巖餅外沿高度曲線和三個主應(yīng)力方向的數(shù)學(xué)模型；
[0014] 步驟S240 :測量巖餅外沿高度曲線；
[0015] 步驟S250 :根據(jù)巖餅外沿高度曲線確定三個主應(yīng)力的方向。
[0016] 本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明可以解決巖餅持續(xù)出現(xiàn)時傳統(tǒng)地應(yīng)力測量方法不 能測定原巖地應(yīng)力的問題，經(jīng)實際使用驗證，使用本發(fā)明確定出三維原巖地應(yīng)力大小和方 向結(jié)果可靠，并具有簡便、實用和科學(xué)的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0017] 圖1所示為本發(fā)明【具體實施方式】中步驟S231中有關(guān)坐標和角度示意圖。
[0018] 圖2所示為本發(fā)明【具體實施方式】中步驟S232中有關(guān)坐標和角度示意圖
[0019] 圖3所示為本發(fā)明一種高地應(yīng)力鉆井區(qū)存在巖心餅化現(xiàn)象時測量地應(yīng)力方法流 程圖。
[0020] 圖4所示為本發(fā)明確定每個巖餅三個主應(yīng)力的方向的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 下文將結(jié)合具體實施例詳細描述本發(fā)明。應(yīng)當注意的是，下述實施例中描述的技 術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應(yīng)當被認為是孤立的，它們可以被相互組合從而達到更好的 技術(shù)效果。
[0022] 如圖1-4所示，本發(fā)明提供的一種高地應(yīng)力鉆井區(qū)存在巖心餅化現(xiàn)象時測量地應(yīng) 力方法，包括如下步驟：
[0023] 步驟SlOO :取2倍洞徑以外典型的原巖巖餅至少3 ±夬，記錄每個巖餅發(fā)生處的埋 深和孔深。
[0024] 選取的原巖巖餅要求各巖餅的孔深相差在Im以內(nèi)，巖餅形態(tài)類似。
[0025] 步驟S200 :確定每個巖餅最大主應(yīng)力σ i、中間主應(yīng)力σ 2和最小主應(yīng)力σ 3三個 主應(yīng)力的方向。
[0026] 步驟S210 :令巖石在力學(xué)上是均勻且各向同性，巖餅表面和巖芯根部的平均拉應(yīng) 力Osz方向近似垂直，其方位角與最小主應(yīng)力σ 3-致。
[0027] 步驟S220 :建立X-Y-Z坐標系：鉆孔鉆進方向為Z軸，最大主應(yīng)力〇在Z軸法平 面上的投影為X軸，由右手準則確定Y軸，地磁北極到Y(jié)軸的夾角為θ。，三維地應(yīng)力在三個 坐標軸上的分量分別為σ χ、σ y、σ ζ。
[0028] 步驟S230 :建立巖餅外沿高度曲線ζ和〇 ρ 〇 2、〇 3三個主應(yīng)力方向的數(shù)學(xué)模型， 具體地，包括如下步驟：
[0029] 步驟S231 :當σ 3= ?，? P ? 2時，得到巖餅外沿的高度曲線Z = A " cos2(0-0。)，其中Ani是巖餅外沿高度變化的幅度，Θ是巖餅外沿上點在X-Y平面投影的 角度，以正北方向為〇°，以逆時針為正，此時〇 3的方向和鉆孔軸向即Z軸一致，凹面軸與 。卿X軸的方向一致、凸面軸與。2即Y軸的方向一致，即Θ。= Θ 2，其中θ2為。2的方 位角。
[0030] 步驟S232 :當σ 3辛σ，σ P σ 2時，巖餅形態(tài)的對稱性被破壞。為 描述巖餅外沿的高度，將步驟S220步驟中建立的X-Y-Z坐標繞X軸旋轉(zhuǎn)α角到 X' -Y' -Z'坐標，再繞Y'軸旋轉(zhuǎn)β角到X " -Y" -Z"坐標，最終坐標軸Ζ"和 〇sz的方向一致，這種條件下巖餅外沿的高度ζ在X-Y-Z坐標系中的表示由下式給出： CN 105092107 A 說明書 3/4 頁
?其中R是巖餅的半徑。
[0031] 設(shè)：(^是σ屈傾角，φ sz為σ sz的傾角，Θ 3為最小主應(yīng)力σ 3的方位角，也是 〇sz的方位角，則Θ。= Θ 2仍然成立，各個角度之間有如下關(guān)系：
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] 其中ξ是中間變量，其定義為：ξ = (〇z-〇3)/〇ni，其中Oni是平均主應(yīng)力，根據(jù) 三個主應(yīng)力相互垂直的理論要求，當σ 2、〇3的方向確定后，〇 i的方向也隨之確定。
[0038] 步驟S240 :測量巖餅外沿高度曲線。
[0039] 以正北方向為0°，以逆時針為正，記錄巖餅外沿各點的高度z和角度Θ，畫出 Z-Θ高度曲線