地应力测量方法.doc

地应力测量方法目前,我所地应力测量主要采用四种方法进行,分别为基于钻孔的深孔套芯解除法、深孔水压致裂法和基于岩芯的差应变法、滞弹性恢复法.其中套芯法测试精度最高,水压致裂法次之,但套芯法测试周期长,建议根据项目需求选择合适地段进行测试.几种测试方法可以联合使用,综合比对各种方法的测试结果,最终确定测试钻孔的地应力状态与规律.一、实验参数① 深孔套芯解除法应变、弹性模量② 深孔水压致裂法应力③ 岩芯的差应变法声波波速、应力④ 岩芯的滞弹性恢复法应变、时间二、实验仪器设备与技术参数① 深孔套芯解除法2006型-深孔套芯地应力测量仪是中国地质科学院地质力学研究所研制的深孔专用地应力测量仪〔实物见图2和图3〕,包括井下专用空心包体探头和井下应变记录仪,另外还有配套的井下专用安装工具,在青藏铁路沿线、南水北调西线和西气东输等国家重大工程中得到应用.图2 中国地质科学院地质力学研究所2006型-深孔套芯地应力测量仪a b c图3 井下应变记录仪〔深孔型外壳为无磁不锈钢〕a.井下应变记录仪操作面板；b.36Ф全应力测量探头;c. 井下应变记录仪分解图KB-2006-J型井下专用空心包体探头,是我所获地质部科技成果一等奖的KX－81型空心包体全应力计的基础上改进发展的全应力测量探头,12个120Ω箔式应变片〔三组90°、0°、±45°应变花,呈径向120°排列〕,一次测量即可获得该点的三维应力.水下胶为丙烯酸树脂或可水下低温固化的双组份环氧树脂两种,下井前配好,适应期2小时.KB-12-J型深孔应变仪是超小型智能化数字仪器,是我所研制的钻孔专用定时记录式微型应变仪,采用目前最先进的msc1200微处理器芯片和Flash存贮器与独立知识产权的电子开关技术研制开发的技术先进、方便实用的智能数字应变仪.主要特点是：①外壳采用高强度不锈钢和高强度钢化玻璃视窗,端面密封圈防水结构耐静水压40MPa；②独立微功耗电子定时器,可按事先设定的时间定时启动主机,一次充电可在井下定时待机数月,连续采集工作时间＞20小时；③1秒～12小时采集控制时间间隔；④RS232C接口可以实现事后通讯,事后回访主机为PC机或笔记本电脑,简明快捷的人机对话窗口,利用主机或PC双向设置控制；⑤理想实用的PC处理软件--多点曲线实时显示同时生成数据文件,σ-ε曲线自动生成.除此之外为满足不同用户需要还设计了功能丰富的隐含菜单.主要技术指标〔1〕精度：测量值的± 0. 1%±1个字；〔2〕分辩度：1个με；〔3〕量程: ±19999με；〔4〕供桥电压：2.4V或1.2V；〔5〕灵敏系数：0.001~999.999数字设置； 〔6〕适用电阻应变片阻值:60Ω~1000Ω；〔7〕平衡方式：自动；〔8〕平衡范围：±6000με；〔9〕存贮空间：主机32K字节；当实时通讯时为海量存贮；〔10〕通信方式：定时和事后传输；〔11〕采集速率：1秒/点；〔12〕测量点数：16；〔13〕软件操作平台：Windows98/2000/XP系统；〔14〕软件特性:曲线显示/文件存贮/σ-ε曲线生成等功能;〔15〕电源：DC6V;〔16〕体积重量：Ф55×280 mm,重约2.5Kg;〔18〕工作环境：0℃-85℃,井下1000米以内.② 深孔水压致裂法2007型-深孔水压致裂地应力测量系统是中国地质科学院地质力学研究所研制的深孔专用地应力测量设备,包括高压泵、数据采集器、工控机、封隔器、印模器、拉推开关、高压管道、定向器、压力表、压力传感器、转接头与辅助设备,在水电、铁路隧道、矿山、油田等领域的国家重大工程中得到广泛应用〔现场测试见图4〕.主要技术指标〔1〕精度：0.1MPa；〔2〕分辩度：1MPa；〔3〕压力表量程: 100MPa；〔4〕高压泵供电电压：6KW；〔5〕通信方式：定时传输； 图4 SY-2007封隔器安装测试现场〔6〕数采采集速率：100次/秒；〔7〕软件操作平台：Windows98/2000/XP系统；〔8〕软件特性:曲线显示/文件存贮/σ-t曲线生成等功能;〔9〕单体积重量：小于80Kg;〔10〕工作环境：0℃-100℃,井下2500米以内.③ 岩芯的差应变法岩芯差应变压力容器是中国地质科学院地质力学研究所研制的岩芯差应变地应力测量仪器,与地质力学研究所古地磁实验室的美制立式2G－755R超导磁力仪、美制TD－48热退磁炉联合测试.目前,地应力测量实验室已应用岩芯差应变地应力测试技术在油田领域完成7个2000米以上测孔的地应力测量工作〔见图5和图6〕.图5 差应变测试岩芯 图6 差应变测试成果主要仪器和设备：〔1〕试验压力容器；〔2〕加载设备：德国产-200压力试验机；〔3〕记录设备：数字16通道电阻应变仪；〔4〕多通道数字记录仪；〔5〕多通道高精度超声波仪；〔6〕美制立式2G－755R超导磁力仪；〔7〕美制TD－48热退磁炉.主要技术指标：〔1〕精度：0.1MPa；〔2〕分辩度：0.01MPa；〔3〕压力表量程: 100MPa；〔4〕高压泵供电电压：10KW；〔5〕数采采集速率：100次/秒；〔6〕软件操作平台：Windows98/2000/XP系统；〔7〕软件特性:曲线显示/文件存贮/σ-t曲线生成等功能;〔8〕单体积重量：小于60Kg;〔9〕工作环境：0℃-100℃；〔10〕岩芯加工精度：小于0.02mm.④ 岩芯的滞弹性恢复法试验涉与的仪器设备主要有数据采集仪、数据接收机、保温设备、应变传感器与其辅助设备,如下图为我所自行研制的滞弹性地应力测试仪与试验照片.图7 地质力学所36L滞弹性地应力测试仪与试验照片三、质量控制① 深孔套芯解除法1〕地应力测量工艺控制测量步骤与套芯法基本相同,分如下9个步骤：施工大孔→磨平孔底→打小孔→清孔→仪器参数和定时参数设定→安装孔底探头→套芯→地表率定→数据回访.安装和套芯过程需要钻##切配合,需要配备特种钻具,建议钻孔和测试工作由同一家单位或合作过的两家单位实施,测量要求如下：l 随钻孔进行地应力测量,测试段应避开裂隙,在岩石较完整的孔段进行,测试段要求有300-400mm长完整岩芯.l 钻孔直径建议开孔段Ф91,穿过基岩风化带,套管插入完整基岩1～2米,套管底部用水泥密封,后变径为Ф76.l 测量小孔Ф28mm,深度400～500mm.l 建议测点间隔10～20米,每孔5～10点,最少每孔测5点.主要是考虑到要实测地应力随深度的变化规律、测点的代表性、数学统计计算的需要.l 钻机必须绝对服从测试人员的指挥.2> 地应力测量步骤控制在井下空心包体环氧树脂三轴应变法的应力解除过程如下〔如图8〕：l 打大孔：在用钻机向围岩钻进应力解除孔,钻孔深度以巷道围岩应力场的范围为准,终孔点应不受环境围岩应力场的影响.钻头直径取76mm.l 磨平钻孔孔底,消除残余岩芯和岩块、岩粉,岩芯管后带取粉筒.l 换锥形钻头做锥形孔底：以保证后面的小孔与大孔同轴心.图8 井下空心包体应变法应力解除过程示意图1．施工钻孔；2．磨平孔底；3．孔底磨锥槽；4．施工小孔；5．安装地应力探头；6．套芯解除；7．套芯结束；8．取岩芯和应变仪l 打小孔：采用特制的液压钻具,换上φ36mm的小钻头,打50cm深的一段小钻孔.钻具不同深度上开有泻水孔,通过水压的变化,判断小孔的深度.l 空心包体安装：用砂纸将空心包体外侧圆柱面打毛；按比例配制好粘结剂〔A,B两种液态材料按1:3〕,在空心包体的空腔内倒入适量的粘结剂,固定好销钉,将包体安装在定向器上.用钻杆慢慢地将其送入大孔中,不断地接长钻杆,并记下长度,在剩余长度为5m左右时要特别注意慢推,以保证包体能够完好地进到小孔中.前端近入小孔20cm 左右,应注意包体筒体部分缓慢推入,探头和安装器脱钩,包体成功地安装于小孔中.l 应变初始数据：一般在安装包体20小时左右,环氧树脂固化.将安装器小心地从钻孔中提出,安装器中电子罗盘记下探头安装角,所显示数字为应力计的安装角.l 套芯地应力解除与应变测试：在井下应变仪到达预定时间时,应变仪将自动启动,开始测量,此时应按预定深度开始缓慢钻进,进行套芯解除,套芯解除至一定深度后,应变计读数趋于稳定.每隔10秒读数一次,连续记录10小时以上,达到预定深度后,不再解除.将包含包体的岩芯折断并取出,并对岩芯的岩性进行描述.每个测孔第一测点完成后,在孔底重新锥形孔底,再打小孔,重复以上步骤,进行第二测点的测试.3〕套芯法地应力测量工作周期单段测试工作周期为48小时〔单段：就是应力解除一次所用的时间〕.② 深孔水压致裂法1〕水压致裂法地应力测量原理水压致裂地应力测量原理就是利用水压致裂装置将一对封隔器把钻孔的一段岩壁密封,向封隔段内施加压力,进而使所压部位撑裂,形成沿是大水平主应力方向的裂缝,测出相应力学参数,通过计算,获得所测部位的地应力状态,具体原理见图9.图9 水压致裂应力测量原理图水压致裂原地应力测量是以弹性力学为基础,以测量地点为依托,并以三个假设为前提的.三个假设分别为：<1>岩石是线弹性和各向同性的；<2>岩石是完整的,压裂液体对岩石来说是非渗透的；<3>岩层中有一个主应力分量的方向和孔轴平行.在上述理论和假设前提下,水压致裂的力学模型可简化为一个平面应变问题,如图9所示.根据弹性力学原理,在作用有两向主应力σ1和σ2的无限大平板内,有一半径为a的圆孔,则圆孔外任何一点M处的应力为： <1>图9 水压致裂应力测量的力学模型式中σr为M点的径向应力,σθ为切向应力,τrθ为剪应力,为M点到圆孔中心的距离；θ为σ１方向起反时针量测的角度.当r=a时,即为圆孔壁上的应力状态： <2>由式<2>可得出如图9<2>所示的孔壁A、B两点与其对称处的应力集中分别为： <3> <4>液压大于孔壁上岩石所能承受的应力时,将在最小切向应力的位置上,即A点与其对称点A′处产生张破裂.并且破裂将沿着垂直于最小主应力的方向扩展.此时把孔壁产生破裂的外加液压Pb称为临界破裂压力.临界破裂压力等于孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗张强度Thf,即： <5>若考虑岩石中所存在的孔隙压力,将有效应力换成区域主应力,则式<5>将变为： <6>此处的、分别为原地应力场中的最小和最大水平主应力.在垂直钻孔中测量地应力时,常将最大、最小水下主应力分别写为和,即,.当压裂段的岩石被压破时,可用下列公式表示： <7>孔壁破裂后,若继续注液增压,裂缝将向纵深处扩展.若马上停止注液增压,并保持压裂回路密闭,裂缝将停止延伸.由于地应力场的作用,裂缝将迅速趋于闭合.通常把裂缝处于临界闭合状态时的平衡压力称为瞬时关闭压力,它等于垂直裂缝面的最小水平主应力,即： <8>如果再次对封隔段增压,使裂缝重新张开时,即可得到裂缝重新张开的压力.由于此时的岩石已经破裂,抗张强度,这时即可把<3.7>式改写成： <9>用<7>式减<9>式即可得到岩石的原地抗张强度： <10>根据<7>、<8>、<9>式又可得到求取最大水平主应力的公式： <11>。