全井段原位水平应力自动测量装置及方法与流程

本公开涉及构造地质及工程地质参数测定，尤其涉及一种全井段原位水平应力自动测量装置及方法。

背景技术：

1、详细调查研究并查明地下地层介质的构造特征和稳定性，是开展地质灾害防治、地质勘探、矿产开发、工程建设等科研或工程活动的前提。影响地层稳定性的因素主要有地层岩性、地质构造、地应力、工程施工等，钻探作为查明这些影响因素的重要途径，通过直接获取原状地层岩芯，并详细分析岩性特征和地质构造情况，可查明地下岩体的完整性和空间展布特征。而地下岩体的稳定性在很大程度上会受地应力的影响，岩体所处区域构造活动越频繁或者埋深越大，岩体所受的地应力就越大，其稳定性受地应力的影响程度同样会更高。地应力在绝大部分地区是以水平应力为主方向的三向不等压应力场，垂向应力基本上等于上覆岩层的重量，大量实践表明岩体所受水平应力要高于垂向应力，且水平地应力有很强的方向性。

2、目前，岩体应力测试方法主要基于应力解除、钻孔崩落、应变恢复、水压致裂等原理。前三种测试方法主要通过应力计(或应变计)对岩体的应力(或应变)进行直接测量，但测试时通常具有测点选择盲目性大(无法准确确定应力最集中区域进行测试)、时效要求高(即在钻孔完孔后到围岩或岩芯发生应变之前就需要完成传感器的安装，且通常一个测点需要同时安装多个传感器进行连续测量)成本高、耗时长等缺点。水压致裂测试方法通过在钻孔中封隔一段钻孔，向其中注入高压流体，使围岩沿着垂直于最小主应力方向产生对称裂缝，以指示地应力方向，但单独的钻孔往往不能满足测试要求，需要多孔交汇才能获得岩体三维应力，且对测试岩体完整性要求较高，若测试岩体中发育层理、裂隙等软弱结构面时，压裂产生的裂隙则无法代表最大主应力方向。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、为解决现有技术中岩体应力测试方法所出现的上述技术问题至少之一，本公开的实施例提供了一种全井段原位水平应力自动测量装置及方法，基于地质学和弹性力学理论，通过井径测量系统、电控液压系统和赋压桶系统的组合，可一次性完成全井段围岩应力测量，确定岩体应力分布状态，为岩体稳定性评价提供重要参量。

3、(二)技术方案

4、针对上述技术问题，本公开的实施例提出一种全井段原位水平应力自动测量装置和一种全井段原位水平应力自动测量方法。

5、根据本公开的一方面，提供了一种全井段原位水平应力自动测量装置，其特征在于，包括：中央固定轴2；井径测量系统4，与所述中央固定轴2连接，所述井径测量系统4处在第一平面中；电控液压系统5，包括第一液压系统51和第二液压系统52，与所述中央固定轴2连接，所述第一液压系统51处在第二平面中，所述第二液压系统52处在第三平面中；以及赋压桶系统3，与所述中央固定轴2连接，所述赋压桶系统3处在第四平面中。其中，所述第一平面、所述第二平面、所述第三平面和所述第四平面为互相平行并垂直于所述中央固定轴2的四个平面；所述第一平面、所述第二平面、所述第三平面和所述第四平面的位置关系为按照所述第四平面、所述第三平面、所述第一平面、所述第二平面的顺序依次排列；以及所述第二平面与所述第三平面关于所述第一平面对称。

6、在一些示例性的实施例中，所述井径测量系统4包括：井径测量系统固定横板41，所述井径测量系统固定横板41呈圆形，圆心为所述中央固定轴2与所述井径测量系统固定横板41所处的平面的交点；多个激光测距仪42，均匀对称分布在所述井径测量系统固定横板41的边缘，所述多个激光测距仪42的测线方向与其所在位置处所述井径测量系统固定横板41的径向平行。

7、在一些示例性的实施例中，所述第一液压系统51和第二液压系统52包括相同的液压系统结构，所述液压系统结构包括：液压系统固定横板521，所述液压系统固定横板521呈圆形，圆心为所述中央固定轴2与所述液压系统固定横板521所处的平面的交点；多个液压伸缩臂522，均匀对称分布在所述液压系统固定横板521的边缘，其中，所述多个液压伸缩臂522的伸缩方向与其所在位置处所述液压系统固定横板521的径向平行；以及多个传力块523，所述多个传力块523垂直设置于所述多个液压伸缩臂522远离所述中央固定轴2的一端。

8、在一些示例性的实施例中，所述赋压桶系统3包括：竖向轨道31，设置于所述中央固定轴2外侧，所述竖向轨道31呈空心圆柱状，所述空心圆柱的中心轴线与所述中央固定轴2的中心轴线重合；多个横向轨道32，所述多个横向轨道32以中央固定轴2为首端沿所述第四平面向外延伸；多个竖直弧形垫板33，每个竖直弧形垫板33的方向与所述中央固定轴2的方向平行，每个所述竖直弧形垫板33与对应位置处的所述横向轨道32远离所述中央固定轴2的一侧相连；以及多条铰链34，用于将相邻的所述竖直弧形垫板33首尾相连。

9、在一些示例性的实施例中，所述多个激光测距仪42、所述多个液压伸缩臂522、所述多个横向轨道32和所述多个竖直弧形垫板33数量相同；所述多个激光测距仪42、所述多个液压伸缩臂522、所述多个横向轨道32和所述多个竖直弧形垫板33在各自所在平面相对于所述中央固定轴2的方位相同；以及所述多条铰链34包括可自由伸缩的铰链。

10、在一些示例性的实施例中，所述装置还包括：主线缆1，设置在所述中央固定轴2的内部。所述井径测量系统4还包括：电子罗盘44，位于所述井径测量系统固定横板41的中心，与所述主线缆1连接；多条井径数据线43，所述多条井径数据线43与所述多个激光测距仪42一一对应，用于连接所述多个激光测距仪42与所述主线缆1。以及所述电控液压系统5还包括：多条控制线524，所述多条控制线524与所述多个液压伸缩臂522一一对应，用于连接所述多个液压伸缩臂522与所述主线缆1。

11、根据本公开的另一方面，提供了一种全井段原位水平应力自动测量方法，其特征在于，包括：获取钻孔全井段各深度的实时方位参数和井径数据；基于所述实时方位参数和所述井径数据，计算实际测量的井直径和围岩不受地应力情况下钻孔各深度水平剖面上的理论直径；采用插补算法对各个水平方向上的实际测量的井直径进行数据加密，得到各个水平方向上的实际井直径，计算各方向上实际井直径与围岩不受地应力情况下的钻孔理论直径的差，确定最大水平主应力方向和最小水平主应力方向；获取钻孔全井段岩体径向变形与压力关系曲线；基于不同深度的各方向上实际井直径与围岩不受地应力情况下的钻孔理论直径的差和压力与井径变形量关系曲线，计算不同井深条件下最大水平主应力的值和最小水平主应力的值；以及基于所述全井段最大水平主应力和最小水平主应力的方向和值，确定岩体水平应力随深度的变化趋势，并确定岩体在应力作用下的形变是否达到稳定。

12、在一些示例性的实施例中，所述围岩不受地应力情况下钻孔各深度水平剖面上的理论直径的计算方法包括：基于公式进行计算，其中，dki为围岩不受地应力情况下井深等于k和井倾角等于αk时钻孔水平剖面在βk-i方向上的理论直径，βk为井深等于k时的井倾向，d井为垂直钻孔轴向的设计直径，αk为井深等于k时的井倾角，i为井深等于k时钻孔水平剖面上直径dki沿顺时针方向与井倾向之间的夹角，其中0≤i＜180°。

13、在一些示例性的实施例中，所述实际测量的井直径的计算方法包括：基于公式d′kj＝dkj1+dkj2+d0进行计算，其中，d′kj为井深等于k时实际测量的井直径，dkj1为井深等于k时在j1方向上激光测距仪42实测距离长度，dkj2为井深等于k时在j2方向上激光测距仪42实测距离长度，d0为两个激光测距仪42之间的长度，其中，(n∈n，m为激光测距仪42的个数，j2＝j1+180°)。

14、在一些示例性的实施例中，所述计算各方向上实际井直径与围岩不受地应力情况下的钻孔理论直径的差，包括：基于公式δdki＝|d′ki-dki|进行计算，其中，δdki为井深等于k时钻孔在βk-i方向上实际井直径与围岩不受地应力情况下的钻孔理论直径的差，d′ki为井深等于k时实际井直径。

15、(三)有益效果

16、本发明设计了一种全井段原位水平应力自动测量装置，基于地质学和弹性力学理论，通过井径测量系统4、电控液压系统5和赋压桶系统3的组合，可一次性完成全井段围岩应力测量。通过测量钻孔围岩在地应力作用下的井径变形量以及岩体压力与井径变形量关系，可以有效获取全井段水平应力的大小和方向，并基于地质学和弹性力学理论，确定岩体稳定性受地应力影响的强变形区，确定岩体应力分布状态，为岩体稳定性评价提供重要参量。解决了现有地应力测试方法成本高、耗时长、测点时效要求高和测点选择盲目性大的问题。