一种重现波速的地应力测试方法及装置与流程

本发明属于地球物理勘探技术领域，具体来说涉及一种重现波速的地应力测试方法及装置。

背景技术：

现有的岩石声发射(kaiser效应)地应力测试，是从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行声发射试验，测定kaiser点，即可找出每个试件以前所曾受到的最大压力，而作为当前应力。但是，原岩在地层的多重构造历史演化中受到多次挤压，kaiser效应得到的最大压力不一定就是当前压力，曾经的最大压力方向也不一定就是当前的应力方向。应变恢复法也是一种地应力的测试方法，其原理是岩芯从周围岩体分离后即发生体积恢复(一部分是立即发生的弹性恢复，另一部分是随时间缓慢发生的滞弹性恢复)，且各方向的应变恢复量与之前所受压力正相关。应变恢复法有可能得到原岩当前的应力，但是它属于间接测量法，其弹性恢复的处理计算、滞弹性恢复的测量与处理计算是一个十分复杂的过程，需要针对不同岩性建立准确的本构模型，而且滞弹性恢复的应变量一般为0.01％～0.3％，测量不易，本构模型建立不易，拟合计算不易。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种重现波速的地应力测试方法及装置，测试原理简明，设备轻便，可从量级上提高地应力的测试精度。

本发明的技术方案如下：

一种重现波速的地应力测试装置，包括声波传感器、声波刚性传力盒、承压板和侧向压力片；

所述声波传感器分别置于试块的上、下端；

所述声波刚性传力盒与承压板相连，两个所述声波刚性传力盒之间放置试块；

所述侧向压力片置于试块侧面。

一种重现波速的地应力测试方法，包括以下步骤：

步骤一，制备试块：钻孔原位取芯，采用钻孔岩心方位恢复法标定芯样的原始方位；在取芯点的原位孔壁处进行原位三维声波测试，计算三维声波值及方向；以三维声波测试的最大声波值方向作为轴向、两侧面相等加工取芯岩心，成为长方体试块；

步骤二，试块加载压缩及分级声波测试：将试块置于声波刚性传力盒处，声波刚性传力盒内安装声波传感器，试块侧面安装侧向压力片，通过承压板及声波刚性传力盒对试块进行有侧向压力的岩石三轴压缩强度试验，同时分级进行声波测试，当轴向加载压力对应的分级波速等于最大声波值时，再加压或级即结束试验；

步骤三，确定最大地应力和最大地应力方向：选取试块声波测试值与原位最大声波值相等所对应的压力值为最大地应力值，最大声波值方向为最大地应力方向。

其中，所述步骤二中，首先，按岩石三轴压缩强度试验的方式，以2mpa为预定侧向压力进行侧向压力和轴向压力同步加载；计算侧向两维的平均波速v0，以2mpa为等差级数进行轴向和侧向加载，逐级进行声波和载荷测试，当加载压力对应的分级波速等于v0时，以此时的加载压力值设定为侧压值，侧压值固定而不再变化。

本发明采用了岩石波速与岩石地应力正相关的对应原理，利用原位应力状态下测试与计算岩石的三维波速，直接在取回的岩芯中加工最大声波方向的岩石试件，在有围压下的前提下对岩石试件进行压缩试验与声波测试。最后选取试件波速与钻孔最大波速相等的压力，为钻孔原岩的最大应力，最大声波方向为原岩最大应力方向。本发明消除了岩石声发射测试地应力的缺陷，明确测定出当前的原岩最大应力，而不是原岩历史上的最大应力，同时免去了岩石声发射要求多个方向的岩石试件进行试验的繁重环节，避免了由于岩石试件样本不足而影响测试与统计精度的情况。

附图说明

图1是本发明钻孔示意图；

图2是本发明有侧压的压力加载压缩试验示意图；

图中，1-原位孔壁、2-最大声波值、3-三维声波值、4-试块、5-声波传感器、6-声波刚性传力盒、7-承压板、8-侧向压力片。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明进行进一步的说明。

本发明是在钻孔壁上原位应力状态下测试与计算出三维岩石波速，再将从原岩中取回定向的岩石试件，加工最大声波方向，即最大应力方向的岩石试件，进行侧压下的压缩试验与声波测试。选取试块4波速与钻孔最大波速相等的压力为钻孔原岩的最大应力，最大声波方向为原岩最大应力方向。本发明利用了岩石波速与地应力正相关关系，且地应力作用下波速变化量一般在5％～20％的有利条件，保证了地应力的测试精度，同时填补了岩石声发射地应力测试法的缺陷。

如图1和图2所示，一种重现波速的地应力测试装置，包括声波传感器5、声波刚性传力盒6、承压板7和侧向压力片8；声波传感器5分别置于试块4的上、下端；声波刚性传力盒6与承压板7相连，两个所述声波刚性传力盒6之间放置试块4；侧向压力片8置于试块4侧面。

其中，侧向压力片8是提供向试块4周向表面施加压力的装置，例如与试样表面贴合的钢板与水平气缸的组合，或者任意现有能提供侧向加载压力的装置。声波钢性传力盒6是内嵌声波传感器5的容器，该容器为刚性容器，能够在几乎不变形或小变形的情况下传导压力。声波传感器5安装在声波钢性传力盒6内，随声波钢性传力盒6移动。承压板7是压力机的传力结构。

一种重现波速的地应力测试方法，包括以下步骤：

步骤一，制备试块4：钻孔原位取芯，采用钻孔岩心方位恢复法标定芯样的原始方位；在取芯点的原位孔壁1处进行原位三维声波测试，计算三维声波值3及方向(可以简单的理解为在岩体内钻一个孔，将孔内的碎石取出后，在该孔取芯位置的孔壁上进行三维声波测试)；以三维声波测试的最大声波值2方向作为轴向、两侧面相等(即平行于轴线的四个侧面相等)加工取芯岩心，成为长方体试块4；

步骤二，试块4加载压缩及分级声波测试：将试块4置于声波刚性传力盒6处，声波刚性传力盒6内安装声波传感器5，试块4侧面安装侧向压力片8，通过承压板7及声波刚性传力盒6对试块4进行有侧向压力的岩石三轴压缩强度试验，同时分级进行声波测试，当轴向加载压力对应的分级波速等于最大声波值2时，再加压2或3级即结束试验；

需要注意的是步骤二中，首先，按岩石三轴压缩强度试验的方式，以2mpa为预定侧向压力进行侧向压力和轴向压力(对应压力机轴向)同步加载；计算侧向两维的平均波速v0，以2mpa为等差级数进行轴向和侧向加载，逐级进行声波和载荷测试，当加载压力对应的分级波速等于v0时，以此时的加载压力值设定为侧压值，侧压值固定而不再变化；

步骤三，确定最大地应力和最大地应力方向：选取试块4声波测试值与原位最大声波值2相等所对应的压力值为最大地应力值，最大声波值方向为最大地应力方向。

在上述测试方法中，有几个概念需要说明：

原位：岩体钻孔取芯位置；

取芯里的芯，指的是钻孔中取出的岩心；

原始方位指的是芯样在原钻孔中的方位，如何确定可参考名称为“一种钻孔岩心方位恢复方法”(公告号cn103670382b，公告日2016-07-13)的中国发明专利；

分级进行声波测试，指的是采用岩石三轴压缩强度试验模式，轴向加载采用连续加载法，以每秒0.5mpa的加载速度施加轴向荷载，2mpa左右为为一级逐级进行声波测试和侧读轴向荷载；

v0是指另外两维波速之和的平均值，不是指侧向压片的加载速度；

在最大声波值方向加工取芯成为试块，指的是在钻孔原位取芯的芯样，即在原位孔壁1处通过三维声波测试，得到最大声波值的方向，再在通过标定芯样的原始方位钻孔原位取芯的芯样上标出最大声波值的方向；

当加载压力对应的分级波速等于最大声波值2时中的加载压力是指压力机传力墩的压力(即轴向压力)。