地应力测量原理及方法研究论文

了用岩体结构分析结合赤平投彩，找出地应力中三个主应力方位，然后定向钻孔取样，在室内做声发射Kaiser效应试验测量三个主应力大小，克服了用Kaiser效应测量地应力时主方向难以确定的缺点。通过和传统现场地应力测量方法比较，说明该法具有简单、经济、准确度高等优点，便于大量测量，以寻求区域性的地应力变化规律。

（1）扁千斤顶法

扁千斤顶又称“压力枕”，由两块薄钢板沿周边焊接在一起而成，在周边处有一个油压出口和一个出气阀，见图1-15。

图1-15 扁千斤顶应力测量示意图

扁千斤顶的测量原理基于岩石为完全线弹性的假设。具体做法是：在待测区安装两个测量柱，并用微米表测量两柱之间的距离，再挖一个垂直于测量柱连线的扁槽，其形状参数与扁千斤顶一致，同时记录下由于扁槽开挖造成的应力释放而引起的测量柱间距离的变化，而后将扁千斤顶完全塞入槽内，再用电动或手动液压泵向其加压，由于压力的增加，两测量柱的距离亦增加。当两测量柱之间的距离恢复到扁槽开挖前的大小时，停止加压，记录下此时扁千斤顶中压力，该压力称为“平衡压力”，等于扁槽开挖前表面岩体中垂直于扁千斤顶方向，即平行于二测量柱连线方向的应力。由此可以看出，扁千斤顶法测量地应力是一维的，而且应用范围也受到限制，现已被淘汰。

（2）刚性包体应力计法

此法是20世纪50年代继扁千斤顶法之后应用较为广泛的一种岩体应力测量方法。

理论分析表明，在一个无限体中的刚性包体，当周围岩体中的应力发生变化时，在刚性包体中会产生一个均匀分布的应力场，该应力场的大小和岩体中的应力变化之间存在一定的比例关系。假设在岩体中的x方向有一个应力变化σx，那么在刚性包体中的x方向会产生应力σ′x，并且有下式存在：

油气藏现今地应力场评价方法及应用

式中：E、E′——分别为岩体和刚性包体的弹性模量；μ、μ′——分别为岩体和刚性包体的泊松比。

从（1-26）式可以看出，当E′/E＞5时，σ′x/σx值将趋向于一个常数，即当刚性包体的弹性模量超过岩体的弹性模量5倍之后，在岩体中任何方位的应力变化将在包体中相同方位引起倍的应力。因此，只要测量出刚性包体中的应力变化就可知道岩体中的应力变化。根据刚性包体中压力测试原理的不同，刚性包体应力计可分为（表1⁃1）：

表1-1 刚性包体应力计表

由于刚性包体应力计具有很高的稳定性，因而可用于对现场应力变化进行长期监测。然而此法通常只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于测量原岩应力，而且除钢弦应力计外，其他各种刚性包体应力计的灵敏度均较低，故已淘汰。

在钻孔孔壁应变测量法所采用的应变计目前有两种：①一般的钻孔三向应变计，它是把测量元件电阻丝应变片直接贴在钻孔岩壁上，这种应变计测量精度高，但操作复杂，对被测岩体完整性要求高，因而测量成功率低。②我国学者刘允芳等人研制的利用环氧树脂技术制成的空心包体式钻孔三向应变计测量的成功率较高，已被广泛使用。

（3）应力解除法

图1-16 应力解除法测量地应力示意图

此法是最早被采用的实地地应力测量方法。尽管在技术细节上有很多变化，但基本原理是一致的，即先钻一大孔，孔径一般为130mm，沿大孔轴线在孔底钻一个小孔，孔径一般为36mm，把应变测量装置下入小孔中，再把塞有应变测量装置的大孔孔底套出（图1-16），卸掉孔心的围限压力，测量卸载过程中孔心应变，就可以计算出三向主应力值和主应力方向。

实际中，由于技术细节的不同，还有很多应力解除法，上面的是套孔应力解除法，对应的还有局部应力解除法，包括切槽解除法、钻孔全息干涉测量法、平行钻孔法、中心钻孔法、钻孔延伸法等。

（4）松弛应变测量法

微分应变曲线分析法

此法是由斯特里克兰（）、雷恩（）和.罗吉尔斯等人在20世纪80年代初首先提出。该法基于这样的假设：即一个从地下取出的岩心，由于解除了应力，将会随着岩石的膨胀而出现微裂隙，裂隙的分布和原岩应力的方向有关，裂隙的数量和强度与原岩应力大小成正比。在试验中可作出微分应变曲线图（图1-17）。

在对加压试验中描绘出的12条应力-应变曲线进行微分分析，由于每一曲线均包含两个（或两个以上）线性段，两个线性段的斜率明显不同，两个线性段之间有一个过渡段，由此可获得在单位压力下的裂隙闭合应变率，即ε′，如图1-17。由12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。主应力的大小可由瞬时关闭压力值来确定。

图1-17 微分应变曲线分析图

（据蔡美峰等，1995）

非弹性应变恢复法

此法的原理早在1969年即由沃伊特（）提出，后来图菲尔（）等人作了重大发展。

非弹性应变恢复法在某种程度上是应力解除法的延伸。沃伊特等人认为由应力解除引起的岩心的变形由两部分组成：一是弹性部分，它是在应力解除的瞬间完成的；二是非弹性部分，它要经过一个相当长的时间才能完成。非弹性恢复应变与总的恢复应变成正比，主非弹性恢复应变的方向与原岩主应力方向一致。同时，如果岩石是均质和线粘性的，且其泊松比已知，并不随时间而变化，而且自重是一个主应力，那么由测得的主非弹性恢复应变的大小即可计算出原岩应力的大小。