地应力测量方法.docx

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地应力测量方法

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及规律。

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、实验仪器设备及技术参数

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

ab

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存贮器及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：

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；

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；

1秒～12小时采集控制时间间隔；

RS232C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；

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：

Ф55×280mm,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、转接头及辅助设备，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4SY-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

试验涉及的仪器设备主要有数据采集仪、数据接收机、保温设备、应变传感器及其辅助设备，如下图为我所自行研制的滞弹性地应力测试仪及试验照片。

图7地质力学所36L滞弹性地应力测试仪及试验照片

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机密切配合，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：

●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。

●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。

●测量小孔Ф28mm，深度400～500mm。

●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。

●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）：

●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。

●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。

●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

●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。

●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。

●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。

●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两点及其对称处（A′、B′）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点及其对称点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）

垂直应力可根据上覆岩石的重量来计算：

（12）

式中

为岩石密度，

为重力加速度，

为深度。

以上是水压致裂法地应力测量的基本原理及有关参数的计算方法。

2）现场钻杆式测试体系的工艺流程控制：

SY-2007钻杆式深孔水压致裂地应力测试体系的现场测试示意图，见图10。

●选择试验段

根据岩芯编录选择完整岩芯所处的深度位置作为测试段，在钻孔条件允许的情况下应尽可能多选测试段。

●检验测量系统

在正式压裂前，要对测试所使用的封隔器及压裂系统进行检漏试验，一般试验压力不低于40MPa。

另外，还要对封隔器、印模器所使用的低压卸压阀进行现场调试，开启压力根据测试段深度而定。

●密封测试段

首先用钻杆将一对可膨胀的橡胶封隔器放置到测试段所在的深度，然后通过地面的加压系统，给两个1m长的封隔器同时增压，使其膨胀并与孔壁紧密接触，即可将压裂段隔离，形成一个密闭空间（即压裂试验段）。

●测试段压裂试验

利用高压泵通过高压管和钻杆向压裂试验段注高压水，压裂段内的岩石在足够大的水压作用下，将会在最小切向应力的位置开裂（即沿最大水平主应力的方向开裂）,记临界开裂压力值为Pb。

图10SY-2007钻杆式深孔水压致裂地应力测试体系示意图

岩石开裂后压力将急剧下降，当裂隙扩展到3～4倍钻孔直径处，关闭高压泵。

在岩体应力的作用下，裂缝趋于闭合，裂缝处于临界闭合状态时的压力称为关闭压力，记为Ps。

此后卸压使裂隙闭合，然后再注高压水使裂隙重新张开，记裂隙重张时的压力为Pr。

接着再关泵，记录Ps值。

此过程重复3～5次，以确定Pr和Ps的统计值。

根据Pr和Ps值，就可计算出测试段水平面内两个主应力的值。

●印模试验

水压致裂试验完成后，将封隔器卸压后提升至地面，并从钻杆上卸下；然后将印模定向系统装（包括印模器和定向器）上钻杆并送至井下，使印模器对准压裂裂缝的位置。

通过给印模器加压膨胀将钻孔裂隙印刻到印模器上，其定向器可确定裂缝在井下的方位，该方位就是最大水平主应力的方位。

通过上述试验工艺流程，测试段水平面内两个主应力的大小和方位就全部确定了。

3）水压致裂法地应力测量工作周期

1000米以内的单孔测试工作周期为24小时，1000～2000米的单孔测试工作周期为3天，2000～2500米的单孔测试工作周期为7天。

③岩芯的差应变法

1）测试原理控制

差应变分析法地应力测量是利用从井下采取的新鲜岩芯通过加压试验装置在实验室进行地应力测量的方法。

地应力测量原理是利用岩石应力解除后松弛应变，岩石的膨胀而出现微裂隙，裂隙的空间分布形态与原岩应力的方向有关，裂隙的数量和发育强度与原岩应力大小成正比。

通常岩石压缩变形是由岩石固体颗粒变形和空隙变形两部分组成，空隙变形又由与岩石天然孔隙变形和与岩石受力释放后所产生的次生裂隙变形及孔隙变形组成，只有后部分变形才包含岩石先前的受力信息，如何分离出岩石受力释放后所产生的次生裂隙变形及孔隙变形是差应变法地应力测量的关键。

如果将岩石样品置于压力容器中逐步加压，在加压过程中裂隙逐步闭合，将引起岩石应变率的改变，当岩石表面压力大于原岩应力时，微裂隙将闭合，测量裂隙闭合前后岩石的应变率变化，与标准试验数据进行比较，可确定不同压力下不同方向的裂隙应变差，用最小二乘法回归计算其对应的应变椭球形状，将不同压力下主应变轴投影到吴氏网上，其差应变主轴极密较稳定，不随围压变化而变动。

根据差应变椭球的形状可确定三个主应变比值和空间方位。

如果已知岩石围压与差应变的比值，即岩石差应变弹性模量，或已知铅直应力的大小，就可以计算出该处地应力大小和方位角。

2）测试条件

为保证试验结果的一致性，必须保证仪器有足够高的分辨率和足够高的试样加工精度。

保证试验条件一致，包括试验环境条件和探头。

试验多通道应变仪分辨率：

1με。

试样研磨加工精度：

直径0.001mm，不平整度0.01mm。

隔离绝缘层：

环氧树脂或硫化硅橡胶。

压力传感器分辨率：

0.1MPa。

高压容器：

耐压200MPa。

加温温度限制：

小于350℃。

3）岩芯的古地磁定向

此项试验由地质力学所古地磁实验室加工标准古地磁样品。

全部样品的系统剩磁测试是在中国地质科学院地质力学研究所古地磁实验室美制立式2G-755R超导磁力仪上进行的，样品的系统热退磁处理是使用美制TD-48热退磁炉完成。

热退磁温度间隔为40℃，样品的剩磁组分均利用主向量法分析获得。

4）试验流程

a.从现场取回定向岩芯，记录该岩芯相应的位置和深度。

b.将岩芯加工成边长为长径比1:

1的圆柱体试样，加工过程中不允许出现新的裂隙。

c.将3支特制的相互成45º的4轴应变花粘贴在三个相互垂直的端面上（见图11），在岩心上画上标线。

d.将试样和补偿块一起放入一个压力容器中，并加静水压至100～140MPa，加压大小取决于原来岩芯所在的深度．按0.1MPa/min的增压速率增加，在加压过程中裂隙逐步闭合。

记录加压过程中应变片的应力-应变值，描绘出应变片的应力-应变曲线。

e.以上步骤加压和卸压重复3次以上。

f.对每一应力—应变曲线进行微分分析。

g.由多个方向的裂隙闭合应变率可求得三个主裂隙应变的方向，它们对应着三个主应力的方向。

由于试样是确定了原始方向的，那么试样所在点的三个主应力方向也即已知了，主应力的大小可由瞬时关闭压力值来确定。

在每一应变片所在方向，地应力大小对应于应力—应变曲线的过渡段。

6）岩芯差应变法地应力测量工作周期

古地磁单孔岩芯定向实验的工作周期为14天；单孔岩芯差应变测试工作周期为7天；合计为21天。

④岩芯的滞弹性恢复法

图11差应变分析法应变片粘贴位置及编号

利用岩芯的滞弹性恢复理论，记录刚取出的岩芯滞弹性应变松弛曲线，分析带弹性应变松弛与初始应力的关系，进而获得主应力及其方向，并将其测试结果与其它测试方法进行对比。

1）试验质量控制

滞弹性应变恢复的工作原理就是在解除应变稳定后，仍然可观测到一个微小的应变增加，这种应变增加可以延续数百个小时，被称为滞弹性应变松弛，通过测试能够将岩芯取出后数百个小时内的应变恢复量记录下来，并进行计算、分析得出岩芯所处位置的主应力方向和大小。

岩芯测试必需在现场进行，测量时，要把岩芯和测量装置一起放入保温装置中，保水、保温，以保证测量结果的可靠性。

2）工作周期

滞弹性应变恢复的工作周期一般为40天。

四、深孔综合地球物理监测系统

另外，我所自行研制ZH-2002型深孔综合观测仪，观测内容包括高精度应变、倾斜、应力、孔隙压力、位移、地电、地磁、温度、速度和加速度。

可用于研究断层近场变化和地球物理场的变化规律，监测断层破裂过程中近场参数（上述各物理量）随时间的变化，有助于解决长期没能很好解决的地震和破裂物理问题。

采用地质力学所ZH-2002型深孔综合观测仪（见图12-图14），建立钻孔地球动力学观测系统，构建现场观测测量基站和北京中心端数据采集和数据共享服务器和网站，实现数据采集、编码、传输、解码、数据存储、数据分类、数据处理和数据共享及数据发布网站，同时实现测量基站的遥控操作。

基站由井下、地面观测仪器和电源及通讯三部分构成，电源采用风-电联合DC-DC电源，系统通讯基于internet技术。

图13综合型高精度应变仪6舱段及舱段连接法兰

图14综合型高精度应变仪

其中应变仪探头为3分量仪器，具体参数见表1。

表1应变仪探头参数表

规格

名称

观测动态

范围

分辨率

电压输出

范围

灵敏系数

日漂移

具体

参数

一次量程≥5×10-6；

接续量程≥5×10-5

2×10-10

0～±3.0V

≥10mv／10-8

≤1×10-9

规格

名称

标定方法

标定幅度

标定精度

工作寿命

井下

工作水深

具体

参数

磁致伸缩标定，

遥控标定

≥1×10-8

1％

＞10年

>500米

测量精度1×10-9应变。

2010年11月，项目组完成了山丹地应力台站的建设与监测系统安装工作，并开始组网进行。

在2011年3月份，山丹地应力台站捕捉到日本东海9.0级地震和云南盈江5.8级地震过程中的地应变反应。

山丹地应力监测台站记录到日本Mw9.0级特大地震的同震应变（2011.3.11-12）

日本Mw9.0级地震引起了2011年12-14日固体潮异常