CN110006568B - 一种利用岩芯获取三维地应力的方法及获取*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及地应力测量技术领域，尤其是涉及一种利用岩芯获取三维地应力的方法及其获取***。获取三维地应力的方法包括：S1：确定已知参数的数值和未知参数的合理取值范围；S2：生成满足的测试数据；S3：对测试数据进行反演分析；S4：在未知参数的合理取值范围内匹配输入参数值；S5：根据输入参数值再进行反演分析，得出三维地应力。三维地应力获取***包括人工神经网模型模块、反演分析模型模块、进化计算模块和控制器；控制器分别与人工神经网模型模块、反演分析模型模块和进化计算模块连接。本发明通过对生成的测试数据进行反演和进化计算，进行合理匹配输出参数，进而能够使估算的三维地应力参数准确，提高了获取三维地应力的效率。

Description

一种利用岩芯获取三维地应力的方法及获取***

技术领域

本发明涉及地应力测量技术领域，尤其是涉及一种利用岩芯获取三维地应力的方法及获取***。

背景技术

地应力是存在于地壳岩体中的初始应力，也是固体地球的重要物理属性参数之一。地应力是引起岩体变形、失稳和破坏的根源力量，也是影响石油、页岩气、干热岩等深部能源开采的重要参数。

当前，地应力测量最主要依赖的手段是钻孔和钻孔取芯，比如，岩芯滞弹性恢复法(ASR法)就是一种根据岩芯脱离岩体应力环境后，测试非弹性变形进而估算三维主应力的一种常用方法。然而，这种方法操作程序复杂，影响和干扰因素较多，且比较费时。一般来说，ASR法测试时间至少7天，有时需要长达一个月。因而，难以快速地、大规模地推广应用。

岩芯从地壳岩体中取出后，由于脱离了地应力场的挤压作用，将发生两种变形，除了ASR法地应力测试所依赖的非弹性变形之外，还有瞬间恢复的弹性变形。由于弹性变形从钻头钻取岩芯形成的那一刻已经开始发生，一旦完全钻取得到岩芯，即基本完成弹性形变的恢复，岩芯的原始直径难以测量和利用，这也将给利用岩芯弹性变形确定三维地应力值的尝试带来难以确定的困难。

现有的方法主要是利用垂直钻孔取出的岩芯，测量岩芯直径变形并评估水平应力差值。但是，尚不能得到具体的主应力量值，比如对于垂直钻孔取芯而言，最大水平主应力和最小水平主应力。其中，圆柱状岩芯脱离地壳应力场后、且发生弹性变形恢复之前的初始真圆直径d₀的大小无法直接实测，这直接导致无法可靠地得到最大水平主应力和最小水平主应力的具体量值。这也很大程度上限制了现有方法的应用效果和推广前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用岩芯获取三维地应力的方法及获取***，以解决现有技术和方法中难以解决的核心难点和问题。

本发明提供的获取三维地应力的方法，包括如下步骤：

S1：确定已知参数垂直主应力S_v、岩芯径向总体变形值d_max、d_min的数值和未知参数杨氏模量E，泊松比v，最大和最小水平主应力S_hmax和S_hmin，岩芯初始真圆直径d₀的合理取值范围；

S2：生成所有满足的测试数据；

S3：对测试数据进行反演分析；

S4：在未知参数的合理取值范围内匹配输入参数值；

S5：根据输入参数值再次进行反演分析，最终得出三维地应力。

进一步的，步骤S2、步骤S3和步骤S4进行并行化处理。

进一步的，在确定已知参数前，需要通过测试获取岩芯径向总体变形值d_max和d_min，作为已知参数。

进一步的，在确定已知参数前，需要先进行岩芯的基本物性测试。

进一步的，在得出三维地应力后，对参数值进行验证。

进一步的，对参数值进行验证的方法为多重验证。

进一步的，多重验证至少包括：有限元模拟验证和既有公式验证。

本发明还提供了一种使用上述任一项所述的方法的三维地应力获取***，其包括人工神经网模型模块、反演分析模型模块、进化计算模块和控制器；

所述控制器分别与所述人工神经网模型模块、所述反演分析模型模块和所述进化计算模块连接，用于使所述人工神经网模型模块、所述反演分析模型模块和所述进化计算模块的作业进行并行化处理。

进一步的，所述控制器还连接有优化模块，用于优化未知参数的范围。

本发明提供的利用岩芯获取三维地应力的方法及获取***，通过对生成的测试数据进行反演和进化计算，进行合理匹配输出参数，进而能够使得估算的三维地应力参数较为准确，且提高了获取三维地应力的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的获取三维地应力的方法中，岩芯在应力解除前后的弹性形变示意图；

图2为本发明实施例提供的获取三维地应力的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据弹性力学经典理论，对于垂直钻孔钻取的各向同性的圆柱状岩芯,岩芯在原位置受到的地应力被即刻解除。圆柱状岩芯在脱离地壳应力场后、且发生弹性变形恢复之前的初始直径为d₀，且此时圆柱截面是一个真圆。假设钻取的岩芯是完整的、没有微裂隙和非弹性应变的干扰。岩芯在应力解除后将产生弹性变形,其变形量与所解除的地应力水平成正比，如图1。那么，对于一个垂直钻孔，在图1中平面应力条件下，最大水平主应力S_hmax和最小水平主应力S_hmin解除时岩芯的变形模式下，在与钻孔轴直交的岩芯平面内,将分别产生拉张应变，如公式1-2所示。

另有圆柱状岩芯横截面应变ε_hmax和ε_hmin有如下关系式表达：

其中，ε_hmax为S_hmax方向上的最大拉应变，ε_hmin为S_hmin方向上的最小拉应变，S_v为垂直主应力，E为岩石的杨氏模量，v为岩石泊松比。d_max为最大岩芯直径方向，d_min为最小岩心直径方向，d₀为岩芯弹性恢复前真圆的初始直径。很明显，弹性变形恢复后的圆柱岩芯截面是一个椭圆，其长轴为d_max，短轴为d_min，如图1所示。

解上述方程式，可以分别求得最大和最小水平主应力S_hmax、S_hmin，如公式组合(5)。另外，对于垂直钻孔，垂直主应力等于上覆岩层的重量之和，很容易直接获得的。

那么，对于水平应变之差ε_hmax-ε_hmin，有如下公式：

由于d₀位于分母位置，量值上近似等于d_min，且相对于直径变形差值而言量值较大，因此在公式(6)中，可以将d₀代替d_min。在此情况下，只需测量得到弹性恢复后圆柱状岩芯的最大和最小直径，以及岩石的弹性参数E和v，即可求得水平差应力值，则公式组合(5-1)如下：

显然，公式组合下式中令d_min代替d₀是可行和成立的，近似误差可以忽略不计，而组合中的上式由于分子位置上也有2d₀，显然，不可做上述替代；否则将引入显著的误差。

因此，如果可以找到精确评估岩芯初始真圆直径d₀的值，则可以通过解方程组(7)，很容易地得到最大水平主应力S_hmax和最小水平主应力S_hmin的具体值，以及三维主应力的大小。

本发明所用的方法及实施***将可以有效地解决这一问题。

本发明推导了基于圆柱状岩芯横截面变形量的最大和最小水平主应力S_hmax、S_hmin计算公式(8)。

本发明建立了一套计算程序，利用公式(8)作为理论基础，最终求取得到d₀的精确值。

开始求解之前，对于垂直钻孔，根据取芯深度位置，垂直应力S_v是已知的。

本发明提供的获取三维地应力的方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1：确定已知参数的数值和未知参数的取值范围，其中，已知参数包括：垂直主应力S_v、最大岩芯径向总体变形值d_max和最小岩芯径向总体变形值d_min，未知参数包括：杨氏模量E、泊松比v、最大水平主应力S_hmax、最小水平主应力S_hmin和岩芯初始真圆直径d₀；

S2：生成所有满足的测试数据；

S3：对测试数据进行反演分析；

S4：在未知参数的合理取值范围内匹配输入参数值；

S5：根据输入参数值再次进行反演分析，最终得出三维地应力。

在本实施例中，具体的步骤为：

确定已知参数S_v、岩芯径向总体变形值d_max、d_min的数值，并确定未知参数的合理取值范围，以缩小计算步骤和时间。未知参数有岩石杨氏模量E，泊松比v，最大和最小水平主应力S_hmax和S_hmin，岩芯初始真圆直径d₀。

利用取芯钻头内径r、岩石力学试验参数E和v，此步骤目的是初步优化和缩小未知参数的取值区间，增加运算效率。

在前两步基础上，利用人工神经网络算法生成所有满足公式(8)的测试数据集合。

建立人工神经网络算法后，基于输入参数(实测值)和输出参数(预测值)的反演分析模型，建立岩芯d_max和d_min与目标函数(8)的关系。

利用进化算法从一个较为宽广的未知参数测试数据集合里寻求和匹配可以满足目标函数的要求的输入参数值。

利用反演分析模型将测试数据集合的每一个数据执行运行程序。

一旦全部测试后数据集合计算结束，符合目标函数要求的岩石力学试验参数E和v，最大和最小水平主应力S_hmax和S_hmin，岩芯初始真圆直径d₀将全部产生。

进一步的，步骤S2、步骤S3和步骤S4进行并行化处理。

为了确保步步骤S2、步骤S3和步骤S4的计算效率和速度，本实施例中，将上述步骤进行并行化处理，以提高计算效率和速度。

进一步的，在确定已知参数前，需要通过测试获取岩芯径向总体变形值d_max和d_min，作为已知参数。

钻孔岩芯钻取地面之后，需要第一时间测试岩芯径向总体变形值d_max和d_min，并作为求解已知量。新鲜岩芯从钻孔中取出之后，应尽快开展岩芯径向变形测试。

在测试之前，为了避免岩芯失水造成的收缩效应，将岩芯放入锡箔密封袋中保存。测试岩芯的圆柱面应尽可能光滑、形状规则、没有明显节理。

进一步的，在确定已知参数前，需要先进行岩芯的基本物性测试。

开展岩芯的基本物性测试，主要获取参数为：自然密度ρ，剪切波速V_S，岩石的杨氏模量E，岩石泊松比v。

由于开展径向变形测试的岩芯长度有限，因此仅能制作少量的岩石力学标准样品，故而通过岩石力学实验确定岩石的杨氏模量E、岩石泊松比v的准确性就不能充分保证，也就不能作为严格意义上的已知量参与公式组合(8)的计算，但可以作为重要参考依据，优化和缩小其作为未知量的取值范围。

进一步的，在得出三维地应力后，对参数值进行验证。

完成上述步骤后，即执行完毕了一轮计算评估程序，需要对输出的预测值参数进行验证。

对数值进行验证时，如果全部输出参数均符合要求，则计算终止。

如果不能确保全部参数符合要求，则通过概率分析，寻找满足最优解的参数，可能为一个或数个，将不满足要求的参数剔除，然后循环进入下一轮计算和评估程序。

如此循环往复，直至所有输出参数均符合要求，满足验证结果。

至此，用钻孔岩芯变形估算三维地应力的方法执行结束。

进一步的，对参数值进行验证的方法为多重验证。

通过多重验证，能够确保三维地应力的估算值的准确性。

进一步的，多重验证至少包括：有限元模拟验证和既有公式验证。

对于有限元模拟验证，基于岩石力学试验参数E和v为物理性质的圆柱状岩芯建模，并以d₀为变形初始条件，建立以输出参数最大和最小水平主应力S_hmax和S_hmin为初始应力条件，将模拟所得圆柱状岩芯截面变形结果与岩芯实测d_max和d_min值做对比，以判断本轮计算结果是否可靠。

对于既有公式验证，以公式组合(7)为目标函数。根据前述理由可知，对于最大和最小水平主应力的计算，岩芯真圆初始直径d₀是最为关键的要素，也是最重要的评估和确定目标参数。因此，本验证方法以d₀为不变量，衡量其余因变量和最大、最小水平主应力的拟合程度。

本发明还提供了一种三维地应力获取***，其包括人工神经网模型模块、反演分析模型模块、进化计算模块和控制器；控制器分别与人工神经网模型模块、反演分析模型模块和进化计算模块连接，用于使人工神经网模型模块、反演分析模型模块和进化计算模块的作业进行并行化处理。

在本实施例中，通过人工神经网模型模块、反演分析模型模块和进化计算模块对所有的参数进行并行化处理，通过控制器对并行化处理的参数进行协调，进而能够有效的通过计算效率。

进一步的，控制器还连接有优化模块，用于优化未知参数的范围。

优化模块利用取芯钻头内径r、岩石力学试验参数E和v，能够进行初步优化和缩小未知参数的取值区间，增加运算效率。

进一步的，所述控制器还连接有验证模块，用于对输出的参数进行验证。

在本实施例中，验证模块包括有限元模拟验证和既有公式验证。

对于有限元模拟验证，基于岩石力学试验参数E和v为物理性质的圆柱状岩芯建模，并以d₀为变形初始条件，建立以输出参数最大和最小水平主应力S_hmax和S_hmin为初始应力条件，将模拟所得圆柱状岩芯截面变形结果与岩芯实测d_max和d_min值做对比，以判断本轮计算结果是否可靠。

对于既有公式验证，以公式组合(7)为目标函数。根据前述理由可知，对于最大和最小水平主应力的计算，岩芯真圆初始直径d₀是最为关键的要素，也是最重要的评估和确定目标参数。因此，本验证方法以d₀为不变量，衡量其余因变量和最大、最小水平主应力的拟合程度。

通过双重验证，如果全部输出参数均符合要求，则计算终止。

如果不能确保全部参数符合要求，则通过概率分析，寻找满足最优解的参数，可能为一个或数个，将不满足要求的参数剔除，然后循环进入下一轮计算和评估程序。

如此循环往复，直至所有输出参数均符合要求，满足验证结果。

需要指出的是，在本实施例中为双重验证，其还可以是更多重验证，只要能够在保证效率的情况下，增加验证方式，进而增加输出参数的准确性。

还需要指出的是，在本实施例中，验证的方式为有限元模拟验证和既有公式验证，但其不仅仅局限于上述两种验证方式，其还可以是其他的验证方式，只要能够对输出的参数准确性进行验证即可。

本发明提供的利用岩芯获取三维地应力的方法及其获取***，通过对生成的测试数据进行反演和进化计算，进行合理匹配输出参数，进而能够使得估算的三维地应力参数较为准确，且提高了获取三维地应力的效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：确定已知参数的数值和未知参数的取值范围，其中，已知参数包括：垂直主应力S_v、最大岩芯径向总体变形值d_max和最小岩芯径向总体变形值d_min，未知参数包括：杨氏模量E、泊松比v、最大水平主应力S_hmax、最小水平主应力S_hmin和岩芯初始真圆直径d₀；

S2：生成所有满足的测试数据；

S3：对测试数据进行反演分析；

S4：在未知参数的取值范围内匹配输入参数值；

S5：根据输入参数值再次进行反演分析，最终得出三维地应力；

其中，最大和最小水平主应力S_hmax、S_hmin的计算方式为：

反演分析的计算公式为：

估算三维地应力的公式为：

2.根据权利要求1所述的利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，步骤S2、步骤S3和步骤S4进行并行化处理。

3.根据权利要求1所述的利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，在确定已知参数前，需要通过测试获取岩芯径向总体变形值d_max和d_min，作为已知参数。

4.根据权利要求1所述的利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，在确定已知参数前，需要先进行岩芯的基本物性测试。

5.根据权利要求1所述的利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，在得出三维地应力后，对参数值进行验证。

6.根据权利要求5所述的利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，对参数值进行验证的方法为多重验证。

7.根据权利要求6所述的利用岩芯获取三维地应力的方法，其特征在于，多重验证至少包括：有限元模拟验证和既有公式验证。

8.一种使用权利要求1-7任一项所述的方法的三维地应力获取***，其特征在于，包括人工神经网模型模块、反演分析模型模块、进化计算模块和控制器；

所述控制器分别与所述人工神经网模型模块、所述反演分析模型模块和所述进化计算模块连接，用于使所述人工神经网模型模块、所述反演分析模型模块和所述进化计算模块的作业进行并行化处理。

9.根据权利要求8所述的三维地应力获取***，其特征在于，所述控制器还连接有优化模块，用于优化未知参数的范围。

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