地应力测试方法

地应力主要测试方法总结摘要：本文总结了目前使用较为广泛的26种地应力测试，并对这些方法的基本原理做了简要介绍。这26种方法按照数据源途径可以分为5大类，分别为基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理学方法以及基于地下空间的方法。最后文章对这些方法进行了的优缺点和适用范围进行了分析对比。蓄存在岩体内部未受到扰动的应力称之为地应力，地应力可以分为两类，原地应力和诱发应力，而原地应力主要来自五个方面:岩体自重、地质构造活动、万有引力、封闭应力和外部荷载。地应力具有多来源性且受到多种因素的影响，因此地壳岩体地应力分布复杂多变。从海姆假说认为“岩体中赋存的应力近似为静水压力状态，且等于上覆岩体自重”到金尼克假说认为“垂直应力等于上覆岩体自重，水平应力等于岩体泊松效应产生的应力”，人们对岩体应力的认识逐步提高，并利用实测数据否定了以上两种假说。社会发展的需求直接催生了大量地应力测试和估算方法，而这些方法的发展又进一步促进了人类社会的基础设施建设、资源和能源开发。随着人类对能源和矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部矿产资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开发状态，而深部开采中遇到的“三高”问题(高地应力、高地温、高水压)将成为深部开采岩体力学研究中的焦点和难点问题。准确确定深部开发空间区域的原地应力状态是解决以上难题的必要途径之一，这就需要进行地应力测试方法和技术的研究。从地应力概念提出至今，各国科学家提出了数十种地应力测试方法，将其按照数据来源进行归类，大概可以分为五大类:基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理方法(或地震学方法)、基于地下空间的方法。下面将对各种方法的测试原理和方法发展的脉络作一些简要介绍，表1包括了目前认可程度和使用范围较广的各种方法.表1原地应力测试和估算方法汇总分类序号名称基于岩心的方法1非弹性应变恢复法2差应变曲线分析法3差波速分析法4饼状岩心/岩心诱发裂纹法5声发射法6圆周波速各向异性分析法7岩心二次应力解除法8微裂隙研相分析法9轴向点载荷分析法基于钻孔的方法10微型水压致裂法11套筒压裂法12原生裂隙水压致裂发13套芯解除14钻孔崩落15孔壁诱发张裂缝16钻孔变形17钻孔渗漏实验地质学方法18地倾斜调查19断层滑动反演20新构造运动节理测绘21火山口排列调查地球物理方法22震源机制解23地球物理测井基于地下空间的方法24扁千斤顶25表面解除法26反分析法1基于岩心的方法1.1非弹性应变恢复法非弹性应变恢复法(ASR)是通过测量现场从井孔取得的定向岩芯与时间相关的应变松弛变形来反演原地应力场方向和量值的一种方法。岩芯从井孔取出后，由于作用在岩芯上的原地应力场突然消失，岩芯会沿周向产生差别松弛变形，变形包括岩芯从母岩解除下来后立即产生的弹性变形和随岩芯放置时间延长逐步产生的非弹性变形。非弹性应变恢复过程原理如图1-1所示。这些变形都与原来加载在岩芯上的原地应力场密切相关，因而可以通过测量这些变形量来分析原地应力场。目前可以通过两种方法测试岩芯的非弹性应变量，一种是高精度卡夹，一种是应变片。该方法主要适用于深孔和软岩的岩芯应力测量，当岩芯从深孔中取出后，由于原来经受的应力很高，非弹性应变恢复现象会非常明显，对于浅孔和硬岩，由于非弹性应变量较小，使得测试结果的可靠性降低。图1-1非弹性应变恢复法原理示意图1.2差应变曲线分析法差应变曲线分析法(DSCA)是在实验室内对定向岩样施加围压，观测比较岩样不同方向上的相对应变，进而估算原地应力方向和量值。DSCA法基于四个重要假设:①岩样内部的微裂隙是由于岩芯围压消失而产生松弛变形所导致的;②微裂隙基本按照原始应力场的方向排列;③任何方向上微裂隙所产生的体积变化与原地应力场量值成正比;④在静水围压作用下，任一特定方向上的岩样体积收缩与该方向上的岩芯从母岩上解除下来的应力松弛变形过程是可类比的。在均匀的围压作用下，岩芯不同方向产生的应变是完全不同的，如微裂隙闭合，而这种应变信息可以用来分析原地应力场，测试原理如图1-2(a)所示。图1-2DSCA法测试原理及岩样差应变曲线示意图(a)DSCA法测试原理;(b)岩样差应变曲线示意图1-2(b)是岩样在均匀静水围压作用下的应变响应曲线。当施加的围压应力较低时，由于岩样内部存在的张开微裂隙或者半张开微裂隙，岩样表现出高度柔性。随着围压逐步增加，微裂隙开始全部闭合(转换区)，过了转换区后，仅有岩样本体的弹性变形。实际上，实验应力-应变曲线的起始段范围内，包括两部分应变量，微裂隙闭合的应变表现和岩样本体的应变，岩样本体的应变可以通过高压段的应变曲线观测获得，在起始段范围内将岩样本体应变剔除，就可以计算出微裂隙闭合所反映的应变量。当然，如果岩样均匀且各向异性，那么可以不必考虑岩样本体的应变。利用DSCA的应变记录曲线可以直接得到原地应力场的方向和三个主应力之比，应力量值还需要通过其它一些假设或者测试数据再结合主应力之比来确定。DSCA法测试的立方体样品准备及测试设备组成参见图1-3所示。图1-3DSCA法测试样品准备及测试设备示意图(a)试样立方块应变计布设方式;(b)测试设备组成示意但是实际上应力松弛变形过程是不可逆的，已有很多实验证明了这点。但是该方法在很多应用条件下仍然能提供很好的测量结果。该方法的优点是可以不考虑岩芯放置时间对实验结果的影响，这一点可以大大弥补ASR法的不足，并可以与非弹性应变恢复法配对使用。该方法的适用范围与ASR法类似。1.3差波速分析法差波速分析法(DWVA)与差应变曲线分析法所遵循的基本原理一致，但是差波速分析法是沿岩样周边测量声波速度。对不同测点(不同方位)上在不同应力状态下的声波速度进行测试比较分析，就可以对原地应力状态进行估算。该方法只能给出地应力方向，不能给出应力量值。该方法的适用范围与DSCA法类似。1.4圆周波速各向异性分析法圆周波速各向异性分析法(CVA)可以用来确定应力方位并分析岩芯内部结构。由于岩芯内部的微裂隙一般会成组定向分布，如图1-4所示，因此沿岩芯圆周的波速分布呈现出各向异性特征如图1-5所示，岩芯圆周波速会随测试位置的不同而发生变化，因为每个测试方向所穿过微裂隙数目会不完全相同。在测试过程中，一般会沿着岩芯圆周按照固定角度间隔测试多个点的声波速度，通常最大主应力方向上所产生的张开微裂隙最多，故岩芯波速最低的方位即为最大主应力方向。如果能进一步比较分析岩芯声波速度分布的理论曲线和实测曲线之间的差异，将能揭示更多关于测试岩芯的信息.图1-4岩芯微裂隙效应的示意图(a)好的CVA法测试结果(b)差的CVA法测试结果图1-5CVA法测试结果示意图在实际测试过程中，有很多因素会给CVA测试带来困难。例如有些岩石内部很难发育微裂隙，有时微裂隙或许被其它因素所掩盖或者微裂隙对声波速度影响很小，那么波速各向异性就很小了。最好的例子就是高孔隙率岩石，微裂隙对声波速度各向异性影响很小。当测点声波速度差异小于2%～3%时，推算的应力方向认为是不可靠的。第二个比较大的因素是岩石结构对速度各向异性的影响，然而岩石结构的波速特征与微裂隙完全不同，特别是利用理论模型和实测数据进行拟合对比分析时，这种差异更为明显，而且这种差异也能为岩石结构研究提供定量分析数据。图1-5就展示了一个良好的CVA测试结果和一个不好的CVA测试结果，同时也给出了测试时所需要依据的测点布设原则。CVA方法的好处是如果能拿到定向岩芯，可以在任何时候开展，即使是存放时间很久的岩芯，有时也能得到很好的测试结果。与此同时，CVA是一种无损测试方法，因此可以在各种岩样上开展实验而取得丰富的数据。故CVA方法也能作为ASR或者DSCA/DWVA方法一种补充或者验证方法。1.5饼状岩芯/岩芯诱发裂纹法在高应力区开展钻孔施工时，岩芯经常呈现为薄饼状或者片状，大多数情况下，这些岩芯呈马鞍状，有时岩芯顶面和底面也相互平行，人们一般把这种现象称之为饼状岩芯。众多研究成果显示，这种饼状岩芯主要是由于当最小主应力方向和岩芯轴线方向平行时钻孔取芯过程中产生的张应力造成的。一般饼状岩芯均出现在深孔钻探过程中，因此可以利用该现象提取应力信息。饼状岩芯的形态可以给出最大主应力和中间主应力方向，如图1-6所示，饼状岩芯的鞍状凹面轴线方向即为最大主应力方向，与轴线方向垂直的方向为中间主应力方向。图1-6饼状岩芯鞍状断面以及最大和中间主应力方向示意在实践中，饼状岩芯现象只能被用作估算岩芯应力状态的一个指标。当出现该种现象时，我们当然可以认为岩石应力集中超过了岩石强度。这样的类似信息在钻探阶段取得，当然对后续的应力确定非常宝贵，也可指导后续应力确定和估算策略的选取。但是由于饼状岩芯出现的几率是非常低的，因此其使用机会非常少。另外，饼状岩芯的定向和岩石力学参数取得非常困难，这就制约了其在实践中的应用范围。鉴于以上原因，饼状岩芯所产出的应力信息可靠性相对较低。不同的应力条件下开展钻探取芯，钻探过程会对岩芯产生不同的作用效果。上面提到的饼状岩芯只是其中的一种现象。在有些情况下，会在岩芯上产生花瓣状裂纹或者中心线花瓣裂纹。通常花瓣状裂纹均匀分布，从岩芯外沿向岩芯中心延伸，花瓣状裂纹弯曲方向与岩芯轴线平行。中心线花瓣裂纹一般会延伸至岩芯的中心部位或者接近岩芯中心的部位，并沿与钻孔轴线或者平行于钻孔轴线延伸传播一段距离。花瓣状裂纹的几何形状平行于钻头下部的主应力迹线，如图1-7（a）所示。花瓣状裂纹沿σ1和σ2所定义的平面(与σ3垂直)发展，其中σ1是垂直应力、钻头自重和液压加载应力之和σ2是原位最大水平应力σ3为原位最小水平应力，花瓣状裂纹形成的力学示意图如图1-7（a）所示。因此花瓣状裂纹走向与原地应力场最大水平主压应力方向一致。花瓣状裂纹间距通常大于饼状岩芯的厚度，裂纹间距有时呈现出均图1-7（b）岩芯花瓣状裂纹形成的力学示意图。(a)岩芯钻头前部的主应力迹线分布示意图(b)花瓣状裂纹的形成与三向主应力关系示意图图1-7岩芯花瓣状裂纹形成的力学示意图应力状态下，容易出现饼状岩芯现象。岩芯的诱发裂纹检测要求使用定向岩芯，获取花瓣状裂纹和中心线花瓣状裂纹的数据过程中需要认真仔细检查岩芯，并且认真记录花瓣状裂纹的规则间距和花瓣的形状特征(例如前面所说的倾向、倾角以及倾角变化等)。记录数据的异常值需与钻探地质志相对照，例如扭矩、贯入度等其它可能影响花瓣状裂纹的因素相对比。花瓣状裂纹的测量主要是测量岩芯上所形成的裂纹数据，并不需要特别专用的设备。饼状岩芯或者岩芯诱发裂纹法主要取决于这两种现象是否会出现，利用两种现象得到的应力方向相对较为准确，应力量值一般误差较大。1.6声发射法凯瑟效应指有应力状态下的材料发射声波的现象，故也称之为声发射(AE)，这种现象仅在所受应力超过样品所经受的最大应力时激发。在材料科学领域，约瑟夫·凯瑟是第一位描述受拉金属、岩石和木材材料的这种记忆效应的科学家。图9中展示了理想的实验室凯瑟效应测试图。如果声发射(AE)现象明显发生时的压力(所谓的回放最大应力(RMS)，等于PMS(先前经受最大应力)(如图1-8中所示，RMS=PMS)，那么记忆实验室封存应力的凯瑟效应(KE)现象就被完美地证实了。然而如果施加应力越来越接近岩石的破裂强度时(如图1-8（a），第三循环)，声发射(AE)现象明显发生时的压力水平会低于先前所施加的最大应力(如图1-8（b）所示，RMS＜PMS)。这种现象称之为费利西蒂(Felicity)效应。图1-8原始岩芯在实验室内循环加载时的应力—时间曲线(a)第二和第三个加载循环过程中测量得到的声发射事件和时间或者加载应力关系曲线(b)概括来讲，单轴凯瑟效应应力测试法是利用从深部取得的主岩芯六个不同方向上钻取得到的小岩芯开展试验室单轴压缩测试确定原地应力张量的方法。单轴凯瑟应力的声发射触发点测试能够给出可信的结果。然而这种方法仍然处于发展阶段，还不能提供完全可靠的结果。一般情况下，凯瑟效应应力测试与其它基于岩芯的应力测试方法(SAR、DSA、WVA)联合使用1.7岩芯二次应力解除法岩芯的二次应力