Reliability analysis of in-situ stress measurement using circumferential velocity anisotropy

In-situ stress measurement for deep reservoir formation is difficult in terms of security, reliability and technique. Acoustic velocity anisotropy test is a basic method for stress measurement of rock cores, which is based on the distribution of acoustic velocity in different directions around rock cores. The heterogeneity of core samples, such as fractures and gravel contained, can also lead to wave velocity anisotropy. Therefore, the corresponding reliability evaluation method is established to exclude some other anisotropy factors caused by non-tectonic stresses. In this paper, the reliability of testing results is evaluated from three aspects, i.e. phase difference, anisotropy index and waveform, to remove the factors caused by non-tectonic stresses.     

深层地应力测量新方法

实验研究了深部地层岩芯的声波速度各向异性及在恢复加载条件下的声发射Kaiser效应，提出了一种简便的深部地层地应力测量新方法。全尺寸岩芯被钻取后，其应力卸载的各向异性导致声波速度各向异性，利用这一原理可确定水平最大、最小地应力的相对位置，对上述位置岩芯进行取样，进行围压下的声发射Kaiser实验，就可测量出水平主地应力大小。该方法一则解决了一直困扰Kaiser实验的对岩芯完整性高标准要求的问题，二则完善了超深井地层的地应力测试方法，同时，为超深井水力压裂设计和维持井壁稳定的安全泥浆密度确定提供了最重要的参数。     

Comparison of stresses obtained from Acoustic Emission and Compact Conical-Ended Borehole Overcoring techniques and an evaluation of the Kaiser Effect level

The purpose of the study was to compare stress values obtained from Acoustic Emission and Compact Conical-Ended Borehole Overcoring stress measurement techniques applied at an underground limestone mine in Japan, and to investigate the effect of rock anisotropy and confining pressure on the Kaiser Effect level which has been used to determine in situ stresses by the Acoustic Emission technique. Initially, Acoustic Emission tests were carried out on limestone cores extracted from horizontal boreholes in a pillar and hanging wall in the underground mine. The stress values obtained were two or three times greater than those obtained by the Compact Conical-Ended Borehole Overcoring method. In the second stage, the anisotropy of a granite block was determined by P-wave measurements. Core specimens extracted from two different directions were pre-loaded under axisymetric triaxial conditions by applying a series of differential stresses. The cores were then re-loaded under uniaxial conditions and the Kaiser Effect levels were determined. It was concluded that both the anisotropy and confining pressure have an important influence on the Kaiser Effect level.     

深部岩盐矿地应力的确定及特征分析

针对深部岩盐矿溶腔稳定性分析及地应力场分析的要求和深部岩盐矿钻孔水溶开采的条件，结合长山岩盐矿深部地应力研究的实际情况，确定了矿区地应力测试方法、地应力测点和试样选择的一些要求：按照声发射Kaiser效应测地应力的基本原理，提出了沉积岩层非定向钻孔岩芯坐标方向建立的方法和多方向取样及地应力椭球回归分析的声发射Kaiser效应地应力测试方法。该方法根据三维空间多方向试样的Kaiser效应实验结果，采用多元非线性拟合方法确定测点地应力椭球的一般方法，再由二次正交变换确定测点地应力椭球的标准方程，以求得地应力的大小和方向。此方法能避免实验误差的较大影响。长山岩盐矿实验矿井深部地应力测试结果及分析表明，长山岩盐矿深部存在水平构造应力，最大主应力方向在离地表800m深左右由水平方向转为垂直方向；距离地表1000m左右深的岩盐层中，最大主应力一般为30MPa左右。     

基于声弹理论的地应力超声测量方法

首先描述岩石的声弹理论,给出岩石的应力与弹性波波速之间的理论关系;其次利用岩石应力与弹性波波速之间的理论关系提出地应力超声测量方法,即通过测量套孔应力解除前后的孔壁超声波波速的变化,利用声弹理论反演出地应力。通过数值算例讨论地应力对孔壁超声波速的影响,其结果表明,该方法可以有效地确定地应力的大小和方向。     

南京地铁工程勘察中声波测试与分析

通过将声波测井及岩芯波速测量等方法运用于南京地铁工程勘察中,利用声波测井结果与岩芯物性参数对比,进行多参数综合分析,为岩体风化程度与岩体强度变化分析提供了有效的参数。原位声波波速测量,给出了岩体波速随深度的分布特征;通过原位测井波速与室内岩芯波速的对比测量,分析了不同强度岩石在不同测量条件下的差异;对原位测井波形特征的振幅变化、衰减特性分析,可进一步了解岩体的结构性质,从而证明声波测井是工程地质勘察中一种快速、经济、有效的岩体原位测试方法。     

基于小波变换的岩芯卸荷扰动声学反应分析

 现行国家规范将岩体与岩块的纵波速度比的平方定义为岩体的完整性，这是由于通常情况下原位岩体的纵波波速低于其中岩块的波速，岩体越破碎，波速低得越多。通过对南京地铁工程围岩声波测井及岩芯声波测量发现，用通常手段得到的一部分岩体的测井波速反而大于岩芯波速，分析其原因主要是岩芯受卸荷及钻取扰动影响造成的。为更好地对岩芯卸荷扰动的声学反应进行分析，基于小波变换方法，将岩芯声波信号分解成不同频带通道的小波分量，进而对其进行时频分析，得到的各频带分量及其加权频谱参数与岩芯卸荷扰动敏感程度具有良好的相关性，表明该方法在分析岩芯卸荷扰动问题上具有优越性。     

塔河碳酸盐岩储层地应力实验研究

对常规差应变实验进行改进,结合波速各向异性和古地磁定向实验,形成一套针对小直径圆柱体岩芯的地应力实验方案。利用新实验方案对塔河油田碳酸盐岩储层进行地应力大小和方向测试,塔河碳酸盐岩储层水平最大主应力方向主要分布为NE45°～90°;垂向主应力梯度为0.025 MPa/m,水平最大主应力梯度为0.020 2 MPa/m,水平最小主应力梯度为0.015 2 MPa/m。室内实验结果与现场监测结果具有很好的一致性,间接印证了新实验方案的可靠性和实用性。     

岩石三阶弹性模量的高精度测定研究

 基于岩石的声弹理论,通过脉冲回波方法测量双轴加载条件下沿薄板岩样厚度方向传播的超声纵、横波波速变化,来测定岩石的三阶弹性模量。试验结果表明：将横波和纵波传感器放置于岩样中心部位的相对表面上,测量同一地点的纵、横波波速,不仅减弱了双向加载端部效应,而且克服了岩石的非均质性对测量结果的影响。此外,通过脉冲回波方法测量多次回波信号的时间差,来克服耦合剂和测量电路对走时差的影响。该方法可以实现岩石三阶弹性模量的高精度测定,从而为地应力测量声弹法的实现提供技术保障。     

广-渝高速公路华莹山隧道围岩地应力测试与岩爆研究

介绍了华莹山公路隧道围岩应力测试所采用的水力劈裂技术的测试方法和成果,分折了地下洞室围岩应力的分布状态及影响围岩应力的主要因素,以及岩体应力值与岩爆的关系。     

巷道围岩应力的套筒致裂法测试及原岩应力的推算

为了解决高岩体应力的套筒致裂法测试的难题，提出了高应力场的应力测试方法及原岩应力的计算方法。介绍了平行钻孔一套筒致裂岩体应力测试法及其基本假设与公式，给出原岩应力的计算方法，讨论与分析了岩体应力的量测结果。     

二维应力场作用下岩体弹性波速与衰减特性研究

基于岩体在二维应力场作用下的节理变形分析,运用节理变形对岩体中节理体积率的改变,建立节理对岩体中弹性波传播影响的等效模型,从而推导节理岩体在应力场作用下的弹性波传播速度和衰减随应力的变化关系。为检验理论公式的可靠性,对2组含裂缝的石膏模型进行弹性波测试,试验测试结果表明,理论计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

A method to model the effect of pre-existing cracks on P-wave velocity in rocks

Crack closure is one of the reasons inducing changes of P-wave velocity of rocks under compression.In this context,a method is proposed to investigate the relationships among P-wave velocity,pre-existing cracks,and confining pressure based on the discrete element method(DEM).Pre-existing open cracks inside the rocks are generated by the initial gap of the flat-joint model.The validity of the method is evaluated by comparing the P-wave velocity tested on a sandstone specimen with numerical result.As the crack size is determined by the diameter of particles,the effects of three factors,i.e.number,aspect ratio,and orientation of cracks on the P-wave velocity are discussed.The results show that P-wave velocity is controlled by the(i.e.number) of open micro-cracks,while the closure pressure is determined by the aspect ratio of crack.The reason accounting for the anisotropy of P-wave velocity is the difference in crack number in measurement paths.Both of the number and aspect ratio of cracks can affect the responses of P-wave velocity to the applied confining pressure.Under confining pressure,the number of open cracks inside rocks will dominate the lowest P-wave velocity,and the P-wave velocity of the rock containing narrower cracks is more sensitive to the confining pressure.In this sense,crack density is difficult to be back-calculated merely by P-wave velocity.The proposed method offers a means to analyze the effect of pre-existing cracks on P-wave velocity.     

岩芯卸荷扰动的声学反应与卸荷敏感岩体

声波测试是工程岩体质量评价的最主要手段之一。将岩体与岩块的纵波波速比的平方定义为岩体的完整性系数。不仅为国内外学者广泛认同。而且是现行规范的定义。这是源于如下认识：原位岩体的纵波波速小于其中岩块的波速；岩体越破碎。小得越多。然而。通过润扬大桥声波测试发现。用通常手段得到的大部分岩体的测井波速反而大于岩样波速。对该桥基岩40余个钻孔数百个岩样进行了多种手段的对比研究和综合分析。探讨了测试结果的可靠性及产生原因。进而提出了岩芯卸荷扰动和卸荷敏感岩体的概念和相应的工程对策。     

横观各向同性地层水平井井壁拟三维应力场计算模型

 针对横观各向同性地层,基于各向异性材料力学理论,运用应力叠加原理和坐标变换方法,考虑井筒流体压力、最大水平主应力、最小水平主应力和上覆岩层压力作用,推导横观各向同性地层中,水平井沿任意方向钻进时井壁应力场的拟三维解析解。进而分析了页岩和砂岩水平井井壁上任意岩石质点3个主应力的分布规律,分析表明,与地层力学性质各向同性条件相比,力学性质各向异性时,井壁上任意岩石质点的第一主应力 没有改变,而第二主应力 和第三主应力 发生了改变,岩石力学性质各向异性度越大,主应力 和 改变越大,岩石力学性质高各向异性度增加了井壁可能发生张性破裂的点数。研究成果可为横观各向同性地层水平井水力裂缝起裂以及井壁稳定性分析提供参考。     

超声波钻孔电视在地应力测量研究中的应用

通过一个300m和一个800m典型钻孔的实际测试结果,揭示超声波钻孔电视在地应力测量研究领域中的几个应用实例,如:岩层裂缝的检测、地应力测试段的选定、岩芯定向,特别是对水压致裂法形成的诱发裂缝和孔壁崩落的测定及分析,在地应力测量研究中将可显示出较强的优势,尤其是最大水平主应力方向的获取,更优于其它方法。并将在两个钻孔中所得结果与常用的定向印模测试结果进行了对比,取得了较为一致的成果。关于超声波钻孔电视对水压致裂法诱发裂缝的测试还未曾见过报道。最后简述了地应力数值大小的推估研究与展望。     

应力解除法在某金矿地应力测量中的新进展

本文介绍了应力解除法在胶东某金矿地应力测量中的应用。在测量过程和结果计算中使用了改进型空心包体应变计,完全温度补偿技术,自动数据采集记录系统和双迭代法求解测点Ｋ系数、岩石弹性模量、泊松比和地应力的新方法,有效在保证了测量结果的精度。矿区地应力场实测结果和区域构造应力场显示了良好的一致性,有力地证明了实测结果的可靠性和正确性。     

基于岩芯非弹性应变恢复量测定的深孔三维地应力测试方法

 虽然存在各种地应力测试方法,但并没有一个比较完善的方法测量较大深度条件下主应力的大小和方向。所以,在以科学研究为目的的钻井工程中,最好能够结合钻孔法和岩芯法得到三维地应力的大小和方向。叙述一个新颖而且有效的岩芯地应力测试法——非弹性应变恢复量测定法的基本原理、实验技术和基本操作程序;并给出其在科学钻探工程中的一个具体应用实例。测试结果表明,非弹性应变恢复量测定法对于测试三维地应力的主方向和估测主应力的大小有较大的实用价值。特别是在某些较大深度钻井的条件下,如在应力释放法及水压致裂法都无法实施,或者需要一些其他测试方法来补充一些不足或来增添其测试结果的可信度的时候,此方法的应用价值更高。     

用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究

地层可钻性各向异性的评价对井眼轨迹控制具有重要意义。通过室内实验分别测定了岩芯垂直于和平行于地层层面方向的可钻性及声波速度，得到了岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数，并对结果进行了讨论。用数理统计方法研究分析了牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数、牙轮钻头垂直于和平行于地层层面方向岩石可钻性差值和PDC钻头岩石可钻性各向异性指数与纵波波速各向异性系数的相关关系，建立了用纵波波速各向异性系数评价地层可钻性各向异性的模型。利用所建立的模型，采用地震资料或测井资料可以方便地对地层可钻性各向异性进行评价。对河南油田AN2004井进行评价，其结果表明，用该方法评价出的地层可钻性各向异性能正确反映被评价地层的特性。