利用温度观测地壳应力变化的方法、系统以及装置与流程

本发明涉及观测地壳应力变化的领域，具体地，涉及一种利用观测孔温度来观测地壳应力变化的方法、系统以及装置。

背景技术：

地壳应力的观测，对于如桥梁、隧道、核电站等工程建设，以及对于如地质过程、板块运动、地震活动等研究而言，非常重要。

然而，由于岩石的特殊性，测量地壳应力与常规应力测量方法存在明显区别。具体地，地壳应力属于压应力，必须在岩石内部进行测量。测量地壳应力的方法主要包括：水压致裂法，钻孔崩落法，应变恢复法等(arnozando.stephansson,2010,stressfieldoftheearth’scrust,springer,springerdordrechtheidelberglondonnewyork；fairhurst,2003.stressestimationinrock:abriefhistoryandreview.internationaljournalofrockmechanicsandminingsciences40(7-8):957-973；ljunggrenac.,yantingchanga,jansonbt.,christianssoncr.,2003,anoverviewofrockstressmeasurementmethods,internationaljournalofrockmechanics&miningsciences,40:975–989)，并且这些方法集中于静态测量。对于动态地壳应力测量，主要有钻孔应变测量。钻孔应变测量的主要问题在于：属于变形测力的范围，岩石的变形极小，需要特别处理设备与岩体的耦合问题。经常由于耦合关系不清楚，观测到的结果难以解释。甚至，由于耦合问题处理不当，观测不到岩石变形。尤其是在复杂的地质条件下，耦合问题极其突出。因此，虽然变形测量可以达到极高的精度，如达到10^-12(fairhurst,2003,stressestimationinrock:abriefhistoryandreview.internationaljournalofrockmechanicsandminingsciences40(7-8):957-973；欧阳祖熙，李秉元，贾维九等，一种钻井式地应力测量系统，地壳构造与地壳应力文集(2)，地震出版社，1988)，但是由于耦合问题，这种方法的广泛使用仍受到限制。

因此，虽然地壳应力随时间的变化过程，对于地学的许多领域有着重要的意义，由于受制于地质条件的复杂性和观测技术的局限性，动态地应力监测极其困难。与通过变形测力(如钻孔应变测量)不同，我们提出了利用温度测量应力状态的方法(chenshunyun,liupeixun,liuliqiang,majin,bedrocktemperatureasapotentialmethodformonitoringchangeincrustalstress:theory,insitumeasurement,andacasehistory,journalofasianearthsciences,123(2016):22–33)，称为“热测应力”。热测应力的优点是：设备与岩体的变形耦合转换为热耦合。相比之下，热耦合是容易实现的。热测应力的思路提出后，已在实际中进行了初步的应用探索。目前存在的问题是，之前的热测应力仅能测量地壳应力的大小，而无法获得应力变化的方向。由于应力是矢量，如果仅获得大小，限制了结果的深入应用。

本项发明，在原有热测应力的基础上，集中解决如何通过温度测量应力变化方向的思路与方法。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种通过利用属于标量的观测孔温度，来观测属于矢量的地壳应力变化的装置和方法，使得地壳应力变化容易观测，并且有利于实现应力动态变化的长期监测。

根据发明的一方面，提供一种观测地壳应力变化的方法，所述方法包括如下步骤：第一确定步骤，用于确定温度分布与应力变化的关系；第二确定步骤，用于确定圆孔温度分布与应力变化的关系；以及第三确定步骤，用于根据第一确定步骤及第二确定步骤确定的关系，来确定地壳应力变化。

通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他方面将变得清楚。

附图说明

图1是例示出根据本发明实施例对岩石进行地质钻井，以钻出测量孔(也称为观测孔)的示意图；

图2是例示出根据本发明实施例在所钻孔壁上安装温度测量设备的示意图；

图3是例示出根据本发明实施例的温度测量设备中的温度传感器分布截面图；

图4是例示出根据本发明实施例的测量地壳应力变化的流程图；

图5是例示根据本发明实施例的观测地壳应力变化的装置的示意性的结构框图；

图6是例示根据本发明实施例的观测地壳应力变化的系统的示意性的结构框图。

附图标记说明：

r.岩石h.测量孔

10.观测应力变化装置11.通讯线

12.温度测量设备121.温度传感器

13.应力计算单元

131.第一确定单元132.第二确定单元133.第三确定单元

20.微控制单元30.存储单元

具体实施方式

下面，将参照附图描述本发明的示例性实施例。在权利要求的范围之内，以下示例性实施例并不限制本发明。对于本发明的技术方案，并非示例性实施例中描述的所有特征的组合都是必不可少的。

下面，将参照附图来示例性地描述本发明的实施例。

图1是例示出根据本发明实施例对岩石r进行地质钻井，以钻出测量孔h的示意图。对岩石进行地质钻井之前可以包括选择测量点位的步骤。测量点位可以依据工程实施或地质研究等需求来选择。在选择测量点位之后，对测量点位进行工程钻井，并采集岩样。工程钻井结束后得到测量孔，基于该测量孔来进行后续的操作。

图2是例示出根据本发明实施例在所钻孔壁上安装温度测量设备12的示意图。图3是例示出根据本发明实施例的温度测量设备中的温度传感器121分布截面图。在完成工程钻井之后，在测量孔的内壁上安装温度测量设备12。本实施例中，如图2所示，以示例的方式示出了三个温度测量设备安装在测量孔的不同深度处。这三个温度测量设备12能够由通讯线11电连接。通讯线11是示例性示出的通讯线，不一定是有线的结构，也可以是无线通信的结构，只要能够完成设备间的信号和数据的通信即可。此外，本发明并不限于此，温度测量设备12可以是三个以内或三个以上。这里，温度测量设备12可以是包括温度传感器121的测量设备。一个温度测量设备可以包括若干个温度传感器。例如，如图3所示，根据本发明实施例的测量的横截面上布置有包括八个温度传感器121的温度测量设备。具有八个温度传感器的温度测量设备可以按照对一个完整周长的圆孔进行八等分的角度，对测量孔的周边温度进行测量。

图4是例示出根据本发明实施例的测量地壳应力变化的流程图。下面将参照图4描述测量地壳应力变化的流程图400。

在步骤s401中，选择测量点位，即选择待观测的地点。在选择测量点位之后，在步骤s402中，在测量点位处进行钻孔，并采集岩样，具体地，采用工程机械进行钻井，同时采集岩石样本。

在步骤s403中，将温度测量设备安装至井壁(观测孔壁)，具体地，安装井壁温度测量设备，各个温度测量设备最少需要4个温度传感器，观测四个方向的温度变化，然而本实施例并不限于此，可以如图3所示，包括8个温度传感器。

在步骤s404中，基于上述步骤s402所采集的岩样，在实验室测量热应力系数，具体地，测量岩样热物性参数，并分析井壁温度分布。

在步骤s405中，根据如下的各公式，基于井壁温度的分布情况来计算并确定应力变化的大小和方向。

<温度分布与应力变化的关系>

对于一般的弹性系统的热力学状态，可用应力(σ)、应变(ε)和温度(t)三个参量描述，写成微分形式(hsiehj.(1975),principlesofthermodynamics,mcgraw-hillbookcompany,scriptabookcompany,washingtond.c.)：

dσ＝edε+βdt(1)

其中，e为杨氏模量，β为热应力系数。此状态方程经常用来研究热胀冷缩引起的应力问题，但涉及应力引起温度变化的研究很少引起注意。

从理论上而言，对于等温情况(dt＝0)，(1)式变为胡克定律：

dσ＝edε(2)

对于绝热情况，固体弹性变形的状态方程不再是胡克定律，受热膨胀的材料也会受压升温。此时：

δt＝atδσv(3)

其中，t为初始温度，a为与材料性质有关的热物理常数，δσv为体应力变化，δt为温度变化。在本实施例中，与此相关的热，称为弹性变形生热。

反过来，(3)式，可以写为：

δσv＝bδt/t(4)

其中，b为常数，b＝1/a。也就是说，通过测量温度变化，可以获得应力的变化。此时，温度变化只与体应力δσv相关，还需要进一步获得应力变化的方向。

<圆孔温度分布与应力变化的关系>

考虑到地壳应力测量，一般需要在孔中进行。因此，应力变化的方向可以利用圆孔的几何效应来获得。

采用无限大空间平面圆孔问题。x和y方向的远场应力为和并且因此，圆孔内部的应力分布为：

相应地，体应力σv为：

对于圆孔表面，有r＝a，有：

通过上式，只需要测量出两个不同方向θ1和θ2的应力变化，即可以获得远场的应力变化。也就是说，根据应力与温度关系，只要获得圆孔四周的温度分布，即可以获得远场的应力变化。

根据(4)式，圆孔应力与温度变化的关系是：

δσv(a,θ)＝cδt(a,θ)(10)

其中，

因此，可得观测孔温度变化与远场应力的关系：

通过(11a，11b)式，仅观测两个方向上的温度变化，就可以获得远场的应力变化。实际上，并不能事先知道远场应力的主轴方向，最好对观测孔周围的温度分布进行观测，以准确的获取远场应力。具体地，获得观测孔周围的温度分布后，可以按如下方式获知远场应力的变化方向：降温幅度最大的方向为的方向，相应地，升温幅度最大的方向为的方向。

实际测量时，可根据不同的需求，一般存在下述两种方案：

(1)如果只关心体应力的大小，则不需要测量井孔(观测孔)四周的温度，只测量井孔不同深度的温度，即可以获得井孔不同深度的应力变化。

(2)如果需要了解应力变化的方向，则需要观测井孔四周的温度分布情况，根据温度的分布情况，利用(11a，11b)式获得应力变化的方向和大小。

下面，将描述两个实施例来分别说明上述两种情况。

<第一实施例>

(1)如果只关心体应力的大小，则不需要测量井孔四周的温度，只测量井孔不同深度的温度，即可以获得井孔不同深度的应力变化。

例如，c＝b/t为通过实验获得的参数，此处假设参数c值为1.0mk/mpa。如果测得井的某一深度的平均温度变化为5mk，根据(4)式，可得此深度上的体应力变化为5mpa。

<第二实施例>

(2)如果需要了解应力变化的方向，则需要观测井孔四周的温度分布情况，根据温度的分布情况，利用(11a，11b)式获得应力变化的方向和大小。

例如，c为通过实验获得的参数，此处假设c的值为1.0mk/mpa。如果，θ1＝0方向上的温度下降最大，下降幅度为1mk，同时，θ2＝π/2方向上的温度上升最多，上升幅度为11mk。则根据(11a，11b)式可得：的方向即为θ1＝0方向；的方向为θ2＝π/2。

图5是例示根据本发明实施例的观测地壳应力变化的装置的示意性结构框图，下面将参照图5详细描述观测地壳应力变化的装置的构造。

根据本发明实施例的观测地壳应力变化的装置(简称观测应力变化装置10)包括安装在待测量位置的温度测量设备12和经由通讯线11连接的应力计算单元13，其中通讯线11表示有线或无线的连接方式。温度测量设备12可以包括一个或多个温度传感器121。应力计算单元13可以包括用于确定温度与应力的关系的第一确定单元131、用于确定圆孔的应力分布与温度变化关系的第二确定单元132和用于利用温度变化确定应力分布的第三确定单元133。也就是说，第一确定单元131至第三确定单元就133分别被构造为执行上述方法中的各步骤。

图6是例示根据本发明实施例的观测地壳应力变化的系统的示意性的结构框图，下面将参照图6详细描述观测地壳应力变化的系统的构造。

根据本发明实施例的观测地壳应力变化的系统(简称观测应力变化系统100)包括彼此连接的温度测量设备12、应力计算单元13、存储单元30以及微控制单元20。微控制单元20控制所述应力计算单元13基于上述方法观测地壳应力变化。存储单元30用于存储各种数据，该存储单元可以是已知的用于存储数据的存储器。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种能够将现有技术中的测量元件与岩石之间的“变形耦合”转换为“热耦合”的方法。由于地壳岩石的变形量极小，测量元件与岩石之间的微小缝隙，均会对测量结果产生致命的影响，但是理论上“热”是与变形无关的量，在微小变形对于热传导的影响极小，因此通过本发明的示例性实施例的“热耦合”的方法，不仅能够克服“变形耦合”的问题，还能够实现通过对属于标量的温度进行观测，来实现应力动态变化的长期监测。

其他实施例

还可以通过读出并执行记录在存储介质(也可更完整地称为“非暂时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或更多个程序)以执行上述实施例中的一个或更多个的功能、并且/或者包括用于执行上述实施例中的一个或更多个的功能的一个或更多个电路(例如，专用集成电路(asic))的系统或装置的计算机，来实现本发明的实施例，并且，可以利用通过由系统或装置的计算机例如读出并执行来自存储介质的计算机可执行指令以执行上述实施例中的一个或更多个的功能、并且/或者控制一个或更多个电路以执行上述实施例中的一个或更多个的功能的方法，来实现本发明的实施例。计算机可以包括一个或更多个处理器(例如，中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu))，并且可以包括分开的计算机或分开的处理器的网络，以读出并执行计算机可执行指令。计算机可执行指令可以例如从网络或存储介质被提供给计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、分布式计算系统的存储器、光盘(诸如压缩光盘(cd)、数字通用光盘(dvd)或蓝光光盘(bd)^tm)、闪存装置以及存储卡等中的一个或更多个。

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu)读出并执行程序的方法。

虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。