一种原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法及系统与流程

本发明涉及地质结构勘探测量，具体涉及一种原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法及系统。

背景技术：

1、原地应力的测量对于地下工程，如公路、铁路隧道、地下厂房等地下工程的稳定性分析具有重要的意义。水压致裂(简写hf)法是目前最常用的地应力测量手段之一。然而，常规水压致裂试验仅能给出钻孔截面上的二维应力状态，且存在破裂压力可能与诱发裂缝的起裂并不对应、水压致裂诱发裂缝与最小水平主应力并不垂直等问题，使得其应用范围很受限制。

2、cornet和valette在1984年提出了原生裂隙水压致裂法，该方法不受钻孔倾斜度、深度限制，且可弥补常规水压致裂方法的局限性，仅利用原生裂隙的重张试验就可以实现三维应力测量。然而，为得到较为可靠的应力结果，该方法对原生裂隙重张试验的数量要求较多，严重制约了这种方法的推广应用。cornet等利用遗传算法等方法优化了应力场反演的算法，可在一定程度上降低原生裂隙重张试验的数量要求。后续对裂隙面上受力条件作了进一步研究，改进了原生裂隙段重张试验测量法，只需选择2个或以上原生裂隙段的重张试验，就可确定三维地应力状态。在单孔中结合完整岩体段常规压裂试验与原生裂隙段重张试验，也可以确定三维应力状态。然而在实际测量中，相关假定裂隙面的剪应力为0并不符合实际情况，会导致三维应力计算结果与实际不符情况。通过设定裂隙面不同摩擦系数又有一种修正的原生裂隙水压致裂地应力测量方法被提出。然而，并非所有裂隙面均处于优势方位，依据特定摩擦系数计算出的应力仅可作为摩擦极限情况下应力范围的参考。

3、综上所述，传统的原生裂隙水压致裂法可以在一定程度上解决水压致裂法存在的问题，并取得一定的成果，然而，原生裂隙水压致裂法测试所需的合格原生裂隙数目量太大，以至于现场很多情况下不能满足要求，如何基于合理的假设，有效降低三维应力计算所需的原生裂隙数目，并给出准确的三维应力张量结果，是目前制约该方法推广应用及应用效果的主要瓶颈。

技术实现思路

1、本发明提供了一种原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法及系统，用于解决传统原生裂隙水压致裂原地应力测量方法对原生裂隙数量的依赖以及准确性问题。

2、本发明中的一种原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，所述方法包括：

3、根据摩尔库伦理论建立原生裂隙结构面上的法向应力和剪切应力的关系；

4、基于所述法向应力和剪切应力的关系获取观测值方程组；

5、对所述观测值方程组中的特征输入参量进行随机采样，并求解所述观测值方程组；

6、优化所述观测值方程组的求解条件以限定三维应力张量范围；其中，至少基于抗压强度控制准则、抗拉强度控制准则和垂直应力控制准则之一对所述观测值方程组的结果进行筛选。

7、可选的，建立原生裂隙结构面上的法向应力和剪切应力的关系包括：

8、选取钻孔的原生裂隙段进行重张测试；

9、当原生裂隙重张时，所述原生裂隙结构面上的法向应力与关闭压力平衡，剪应力为原生裂隙间的摩擦力。

10、可选的，所述方法还包括：基于大地坐标系建立观测值方程组中的应力分量。

11、可选的，基于大地坐标系建立观测值方程组中的应力分量包括：

12、建立大地坐标系o-xyz；

13、以原生裂隙结构面走向为横轴xj、倾向为纵轴yj、将与走向垂直的线为竖轴zj建立结构面活动坐标系o-xjyjzj；

14、构建结构面活动坐标系与大地坐标系的关联关系以将观测方程组中的应力分量建立在大地坐标系中。

15、可选的，所述方法包括：

16、至少对三段原生裂隙段进行重张测试。

17、可选的，对所述观测值方程组中的特征输入参量进行随机采样包括：

18、至少对所述原生裂隙结构面上的剪切应力、抗压强度、抗拉强度进行随机抽样。

19、可选的，求解所述观测值方程组包括：

20、利用蒙特卡洛方法给不同的原生裂隙结构面赋予不同的剪应力值；

21、利用最小二乘法求解所述观测值方程组以实现三维全应力张量反演。

22、可选的，所述方法还包括：

23、针对浅部地应力计算采用垂直应力控制准则和/或抗拉强度控制准则；

24、针对深部地应力计算采用抗压强度控制准则和/或抗拉强度控制准则。

25、本发明中的一种原生裂隙水压致裂全应力张量反演系统，所述系统包括：

26、第一计算单元，用于根据摩尔库伦理论建立原生裂隙结构面上的法向应力和剪切应力的关系；

27、第二计算单元，用于基于所述法向应力和剪切应力的关系获取观测值方程组；

28、第三计算单元，用于对所述观测值方程组中的特征输入参量进行随机采样，并求解所述观测值方程组；

29、第四计算单元，用于优化所述观测值方程组的求解条件以限定三维应力张量范围；其中，至少基于抗压强度控制准则、抗拉强度控制准则和垂直应力控制准则之一对所述观测值方程组的结果进行筛选。

30、本发明中的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任意一项所述的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法的步骤。

31、本发明中的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法及系统通过对所述法向应力和剪切应力的关系获取观测值方程组；基于特征输入参量的随机采样，优化方程组求解条件，实现三维全应力张量反演，并通过引入抗压强度控制准则、抗拉强度控制准则和垂直应力控制准则，有效限定三维应力张量范围，为单孔中三维全应力张量的测量提供新的思路与可靠途径。

技术特征：

1.一种原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，其特征在于，建立原生裂隙结构面上的法向应力和剪切应力的关系包括：

3.根据权利要求1所述的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，其特征在于，所述方法还包括：基于大地坐标系建立观测值方程组中的应力分量。

4.根据权利要求3所述的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，其特征在于，基于大地坐标系建立观测值方程组中的应力分量包括：

5.根据权利要求2所述的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，其特征在于，所述方法包括：

6.根据权利要求1所述的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，其特征在于，对所述观测值方程组中的特征输入参量进行随机采样包括：

7.根据权利要求1所述的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，其特征在于，求解所述观测值方程组包括：

8.根据权利要求1或6所述的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，其特征在于，所述方法还包括：

9.一种原生裂隙水压致裂全应力张量反演系统，其特征在于，所述系统包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现权利要求1至8任意一项所述的原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法的步骤。

技术总结
本发明公开一种原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法，方法包括：根据摩尔库伦理论建立原生裂隙结构面上的法向应力和剪切应力的关系；基于所述法向应力和剪切应力的关系获取观测值方程组；对所述观测值方程组中的特征输入参量进行随机采样，并求解所述观测值方程组；优化所述观测值方程组的求解条件以限定三维应力张量范围；其中，至少基于抗压强度控制准则、抗拉强度控制准则和垂直应力控制准则之一对所述观测值方程组的结果进行筛选。优化方程组求解条件，实现三维全应力张量反演，并通过引入抗压强度控制准则、抗拉强度控制准则和垂直应力控制准则，有效限定三维应力张量范围，为单孔中三维全应力张量的测量提供新的思路与可靠途径。

技术研发人员：高桂云,王成虎
受保护的技术使用者：应急管理部国家自然灾害防治研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15