一种盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法及系统

本公开涉及深部地下工程和岩体工程力学，特别涉及一种盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法及系统。

背景技术：

1、针对盐穴储氦库的实际工程应用场景，深部地下工程的地应力是引起各种地下岩体变形和盐岩密闭性破坏的根本作用力，是进行盐穴储氦库稳定性分析评价、实现深部盐穴储氦库工程建设和长期安全运营的必要前提。随着深部盐穴储气库工程建设不断向深部发展，，在深部盐穴储库稳定性和密闭性的评价分析中，盐穴围岩地应力状态是最重要最根本的重点考虑因素之一；进行地应力测试是储氦库建设设计、盐穴围岩稳定性评价以及储气库安全运营的重要内容，也是准确评估与预测深部地下工程灾害风险的最大瓶颈与难题。

2、深部工程地应力的分布规律，主要是受到自重应力、地质构造应力和盐穴围岩结构特征的共同影响。同时，盐穴围岩稳定性也是受开挖区域盐穴围岩结构特征和地应力特征的影响，所以，探明盐穴围岩结构特征和地应力特征对于深部岩体工程尤为重要。在当前的研究工作中，针对盐穴围岩结构探测和地应力测量发明了很多方法和手段。对于测量地应力的方法，主要有水压致裂法、声发射法、应力解除法等；对于探测盐穴围岩结构的方法，主要有ct法、声波法、地质雷达法等。然而，现场测量手段无法将盐穴围岩结构探测与地应力测量相结合，从而进行联合探测分析研究。对于一个现场测试孔，往往需要进行多次不同方法的测量，需要更多的时间，而对于深部岩体勘察孔，时间越久，井壁越容易破碎，井下探测风险越大，甚至会出现盐穴储氦库监测井垮塌导致探测设备被深埋，造成严重经济损失。因此，快速简便的地应力测量方法显得尤为重要，对深部钻探工程和国家重大工程建设具有重要的意义。此外，建立全孔孔壁结构立体形态特征与岩体地应力分布规律之间关系，结合全孔盐穴围岩结构特征与地应力信息进行联合分析，能够极大地促进了盐穴围岩结构性质的理论研究和地应力测量技术手段的跨越式发展。

技术实现思路

1、本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法及系统。

2、第一方面，本公开提供了一种盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法，包括：

3、获取孔内孔壁图像数据；

4、根据盐穴储氦库监测井孔壁立体成像原理和孔内孔壁图像数据，构建孔内孔壁三维形态特征；

5、建立孔内孔壁三维形态特征与地应力之间的应力解算关系；

6、根据孔壁形态特征和应力解算关系，计算目标区域或孔内某预设段孔内原位地应力测量及全孔应力分布状态情况。

7、优选地，所述根据盐穴储氦库监测井孔壁立体成像原理和孔内孔壁图像数据，构建孔内孔壁三维形态特征，具体包括：

8、首先，根据孔内双锥面镜立体成像系统获取的盐穴储氦库监测井孔壁上任一点的三维数值高程；

9、然后，根号盐穴储氦库监测井崩落法测量特征区域内的单点地应力值，得出目标区域内孔壁形态与地应力值之间的关系，得到最大水平主应力及最小水平主应力与孔壁形态变化的关系；

10、最后，根据全孔段各处孔壁开裂崩落等特征计算孔壁某处或多处的地应力值，进而获取全孔孔壁形态特征。

11、优选地，所述建立孔内孔壁三维形态特征与地应力之间的应力解算关系，具体包括：

12、根据受力状态下盐穴储氦库监测井孔壁会发生变形破坏的基本原理和事实依据，建立孔壁三维形态特征与地应力之间的关系，推导受力状态下的三维孔壁状态方程，并解算出地应力及其分布规律的计算公式；

13、根据孔壁三维形态特征与地应力之间的关系和计算公式，计算孔壁上特征区域的地应力方向和水平主应力差值大小及其分布情况；根据盐穴储氦库监测井孔壁上变形崩落特征，计算崩落角，采用孔壁崩落法计算孔壁上单点的地应力值。

14、优选地，所述最大水平主应力拟采用的计算方法如公式(2)所示，最小水平主应力拟采用的计算方法如公式(3)所示，孔壁地应力的方向拟采用的计算方法如公式(4)或公式(5)所示：

15、

16、

17、

18、

19、其中，σh为最大水平主应力，σh为最小水平主应力，e为弹性模量，r为基础圆孔孔径半径，a0和b0分别为圆孔变为椭圆后的长半轴和短半轴，其中θ0为地应力方向，即为与正半轴的夹角，d1、d2、d3分别为孔壁上等间距三个点到成像中心的距离，θ1为可暂定为60°。

20、优选地，所述根据孔壁形态特征和应力解算关系，计算目标区域或孔内某段孔内原位地应力测量及全孔应力分布状态情况，具体包括：

21、结合单点地应力值和全孔水平主应力相对差值，得到全孔实测地应力的大小及其分布情况。

22、优选地，所述根据孔壁形态特征和应力解算关系，计算目标区域或孔内某段孔内原位地应力测量及全孔应力分布状态情况，之后还包括：

23、根据多孔多段图像数据，构建岩体应力-结构三维精细模型，为实际工程提供危险性区域划分和盐穴围岩结构稳定性判定的理论依据和数据支持。

24、优选地，岩体应力-结构三维精细模型包括：盐穴储氦库监测井全孔段孔壁表面特征区域的形态结构特征、岩层结构面、孔壁崩落形态、实测盐穴储氦库监测井孔径大小和形态、理想孔径大小和形态、岩层结构形态和物性参数、计算得出的全孔段应力应变数据、每个岩层岩石的弹性模量、力学性质参数和实测数据。

25、本公开还提供了一种盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析系统，所述系统可用于实现盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法，所述系统包括：

26、图像采集模块，配置为获取孔内孔壁图像数据；

27、特征构建模块，配置为根据盐穴储氦库监测井孔壁立体成像原理和孔内孔壁图像数据，构建孔内孔壁三维形态特征；

28、应力解算模块，配置为建立孔内孔壁三维形态特征与地应力之间的应力解算关系；

29、计算模块，配置为根据孔壁形态特征和应力解算关系，计算目标区域或孔内某预设段孔内原位地应力测量及全孔应力分布状态情况。

30、本公开还提供了一种电子设备，包括：

31、一个或多个处理器；

32、存储器，用于存储一个或多个程序；

33、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法。

技术特征：

1.一种盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法，其特征在于，所述根据盐穴储氦库监测井孔壁立体成像原理和孔内孔壁图像数据，构建孔内孔壁三维形态特征，具体包括：

3.根据权利要求2所述的盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法，其特征在于，所述建立孔内孔壁三维形态特征与地应力之间的应力解算关系，具体包括：

4.根据权利要求3所述的盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法，其特征在于，所述最大水平主应力拟采用的计算方法如公式(2)所示，最小水平主应力拟采用的计算方法如公式(3)所示，孔壁地应力的方向拟采用的计算方法如公式(4)或公式(5)所示：

5.根据权利要求1所述的盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法，其特征在于，所述根据孔壁形态特征和应力解算关系，计算目标区域或孔内某段孔内原位地应力测量及全孔应力分布状态情况，具体包括：

6.根据权利要求1所述的盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法，其特征在于，所述岩体应力-结构三维精细模型包括：盐穴储氦库监测井全孔段孔壁表面特征区域的形态结构特征、岩层结构面、孔壁崩落形态、实测盐穴储氦库监测井孔径大小和形态、理想孔径大小和形态、岩层结构形态和物性参数、计算得出的全孔段应力应变数据、每个岩层岩石的弹性模量、力学性质参数和实测数据。

7.一种盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析系统，其特征在于，所述系统可用于实现上述权利要求1至6中任一所述盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法，所述系统包括：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

技术总结
本公开属于岩体工程力学技术领域，具体提供了一种盐穴储氦库监测井孔壁应力分布状态分析方法及系统，其中方法包括：首先，根据监测井孔壁上任一点到钻井成像中心的距离的计算公式，并获得孔壁的三维形态特征；然后，根据受应力状态下圆形孔变形为椭圆形态的特征参数公式，建立地应力参数与三维孔壁特征之间的换算关系；最后，提出了基于监测井孔壁三维形态特征参数的地应力计算方法，根据多孔多段图像数据，构建岩体应力‑结构三维精细模型，为实际工程提供危险性区域划分和盐穴围岩结构稳定性判定的理论依据和数据支持。用以研究深部盐穴围岩结构特征及地应力分布规律的研究。为实际盐穴储氦库地下工程提供危险性区域划分和盐穴围岩结构稳定性判定依据。

技术研发人员：邹先坚,王同涛,杨春和,徐孜俊,谢卫炜,陈留平,戴秋霞,胡浩
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5