Способ определения напряженного состояния массива горных пород Советский патент 1987 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу, прдназначено для определения напряженного состояния массива горных . пород на стадии гео; ого-разведочных работ и яв;1Я- ется усоверп енствованием изобретения по авт. св. № 1239319.

Целью изобретения является повышение информативности и производите. 1ьности измерений.

Способ осуществляют следуюндим образом.

Из скважины, пробуренной в исследуемом массиве, отбирают керн. Затем в точке отбора керна проводят акустический каротаж скважины, в процессе которого измеряют значения интервальных времен распространения продольной и двух различно поляризованных поперечных волн, и по ним определяют значения скоростей распространения указанных упругих волн. Кроме того, онределяют положение плоскостей поляризации поперечных волн. Вдоль оси вертикальной скважины, пробуренной в негидростатическом нагруженном массиве горных пород (ов+ ого-Н Ог.з) распространяются, причем с различными скоростями, одна продольная и две ортогонально-поляризованные поперечные волны, причем плоскость поляризации каждой из поперечных волн совна- дает с направлением действия своего г лав- ного горизонтального напряжения. Наибольшей скоростью обладает та поперечная волна, положение плоскости поляризации которой совпадает с направлением действия также наибольшего горизонтального напряжения.

Далее отобранный керн нагружают на прессе в осевом и поперечном направлениях. В процессе нагружения определяют скорости продольной и поляризованных поперечных волн в осевом направлении керна, которые сравнивают со скоростями соответствующих волн в массиве. Измерив скорости распространения продольной волны в массиве и в керне под давлением и сопоставив их значения, можно оценить величину вертикального напряжения. Затем путем определения значений наиболее высокоскоростной поперечной волны в массиве и сопоставления их со значениями указанной волны в керне при различных нагрузках оценивают результат совместного влияния вертикального и наибольшего горизонтального напряжений. А с учетом еще одного параметра, а именно малоскоростной поперечной волны, скорость которой содержит информацию о влиянии вертикального и наименьшего горизонтального направлений определяют все три главных напряжения.

Для более точного учета анизотропии и неоднородности порохо, и более достоверного воспроизведения в керне уелов1ш, существовавших в естественном залегании пород, керн нагружают в направлениях, соответствующих осям действия главных на0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

пряжений в массиве. Для этого вначале керн ориентируют в соответствии с его расположение.м в массиве и наносят на него метки направлений оеей главных напряжений, определенных по поляризации поперечных волн. Нагружение керна производят не- посредетвенно до достижения скоростями продольной и поперечных волн значений, которые измерены в массиве.

С целью повышения производительности измерений скоростей в керне вначале его нагружают в осевом направлении до достижения скоростями нродольной волны в керне величин скоростей указанных волн в массиве. Таким образом, создается примерное равенство осевых нагрузок в керне и величины вертикальных напряжений в массиве. Затем дополнительно прикладывают поперечные нагрузки до достижения скоростями распространения поперечных волн в керне величин скоростей этих волн в массиве. С учетом того, что осевые напряжения в керне и вертикальные напряжения в массиве примерно равны, это позволяет уже довести величину поперечных напряжений в керне до величины горизонтальных напряжений в массиве. Если при этом значение скорости продольной волны становится больше измеренного в массиве, величину осевой нагрузки уменьщают.

Пример 1. Пробурена скважина, пересекающая комплекс нефелиновых сиенитов. При этом отобран керн, из которого сделана выборка через каждые 10 м. Затем с помощью аппаратуры АКК-1 провели широкополосный акустический каротаж сте- Н.ОК скважины, применяя метод фазовой корреляции волн, опре.аелили значения интервальных времен распространения вдоль скважины продольной и двух различно поляризованных поперечных волн и по ним рас- счит1)1вали значения скоростей распростра- не1шя волн. Кроме того, определили положение плоскости поляризации двух поперечных волн. Высокоскоростная поперечная волна имела субщиротную поляризацию, малоскоростная - субмеридиональную. Данные направления приняты как направления действия соответственно максимального и минимального горизонтальных напря-, жений. Скорости в массе на глубине 500 м равны, .м/с:

VP 6000; У;„«с. 3350, V;«uK. 3100.

Керн скважины изучался в лабораторных условиях с использованием ультразвуковой установки ДУК-66. Изучение свойств рисчорритов, отобранных из скважины, показало, что можно достаточно уверенно отнести к изотропным и однородным породам. Исходя из этого, нагружение керна осущест- в;(ялось на прессе только в осевом направлении. В процессе нагружения проводили измерения времен распространения и скоростей продольной и поперечной волн в осеBOM направлении керна. Для определения скоростей распространения поперечных волн использовали датчики поперечных волн. Измерения показали, что скорость продольной волны достигла значения 6000 м/с при осевых напряжениях 1,ЗХ 10 Па. Скорость поперечной волны достигла значений 3100 м/с и 3350 м/с при осевых напряжениях 2,5Х 10 Па и 3,2Х Ю Па соответственно. Исходя из этого, рассчитаны величины главных напряжений в массиве ав 1,3X10 Па, 0г .«. 3,2Х ств 1,9Х Ю Па, ог -. 2,5 10 -ав 1,2Х 10 Па. Направление действия наибольшего горизонтального напряжения - субширотное, наименьшего горизонтального напряжения - субмеридиональное.

Пример 2. В этой же скважине проведено изучение напряженного состояния трахито- идных ийолитов, залегаюш,их на глубине 1150 м. Особенностью указанных ийолитов являлось наличие естественной анизотропии упругих свойств. При отборе керна из буровой колонки его ориентировали в соответствии с его расположением в массиве. Характерные направления отмечались на бо- ко вых поверхностях керна с помощью меток.

Затем с помош,ью аппаратуры АКК-1 провели широкополосный акустический каротаж стенок скважины. Применяя метод фазовой корреляции волн, определили значения интегральных времен распространения продольной и двух различно поляризованных поперечных волн и рассчитали по ним скорости. Для наилучшей идентификации поперечных волн и определения их поляризации использовали датчики плоскополяризованных поперечных волн. Скорости упругих волн имели следуюш,ие значения, м/с: V 6260, V макс 3710, 3450. Поляризация высокоскоростной поперечной волны совпадала с меридиональным направлением, малоскоростной - с широтным. Указанные направления были отмечены на керне как направления действия главных горизонтальных напряжений.

Керн скважины изучался в лабораторных условиях с использованием ультразвуковой установки ДУК-66. Нагружение керна производилось в стабилометре, позволя- щем создавать трехосное нагружение. Вначале керн нагрузили осевой нагрузкой. В процессе нагружения измеряли скорость распространения в осевом направлении керна продольной волны Осевое напряжение, при котором V стало равно Vp 6260 м/с, составляло 3,4Х Ю Па. Затем в направлениях, соответствуюших осям действия главных горизонтальных напряжений в массиве, дополнительно прикладывали поперечные

ВНИИПИЗаказ 2730/22Тираж 454Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная. 4

нагрузки. В процессе нагружения измеряли скорости распространения двух ортогонально поляризованных поперечных олн, значения которых довели до Vf o r Vsx«c

3710 м/с и УГ-« УГ-« 3450 м/с.

Нагрузки, которые потребовались для этого, в пересчете на напряжения равны: в направлении поляризации высокоскоростной поперечной волны 4,5Х Ю Па, в направлении поляризации малоскоростной по0 перечной волны 8,2Х Ю Па. Повторные измерения скорости продольной показали неизменность скорости Vp V 6260 м/с. Исходя из этого, получены следующие параметры напряженного состоя5 ния трахитоидных ийолитов на глубине 1150 м: величина вертикального напряжения 3,4 X 10 Па, величина наибольшего горизонтального напряжения 8,2Х Ю Па, направление действия ог «а« широтное, величина наименьшего горизонтального на0 пряжения 4,5Х Ю Па, направление действия Or X,/ меридиональное.

Таким образом, предлагаемьш способ позволяет повысить информативность измерений за счет опреде.тения величин и напг равлений всех трех главных напряжений.

Формула изобретения

1.Способ определения напряженного состояния массива горных пород по авт. св.

0 № 1239319, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности измерений, дополнительно определяют поляризацию поперечных волн в массиве, по которой судят о направлении действия главных горизонтальных напряжений, и скорости двух раз5 лично поляризованных поперечных волн в массиве и керне, при этом величины горизонтальных главных напряжений определяют по значениям скоростей поляризованных поперечных волн в массиве и в керне.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, 0 что при отборе керн ориентируют в соответствии с его расположением в массиве и нагружают в направлениях, соответствующих осям действия главных напряжений в массиве.

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности измерений, керн нагружают в осевом направлении до достижения скоростями продольной волны в керне величин скоростей этой волны в массиве, а затем прикладывают поперечные нагрузки до достижения скоростями поляризованных поперечных волн в керне значений скоростей соответствующих волн в массиве, при этом сохраняют неизменной скорость продольной волны путем уменьшения осевой нагрузки.

5

Изобртение относится к области горного дела и позволяет повысить информативность и производительность измерений. Из скважины, пробуренной в исследуемом массиве (М), отбирают керн. В точке отбора проводят акустический каротаж скважины. По измеренным значениям интервальных времен распространения продольной и двух различно поляризованных поперечных волн определяют значения скоростей (С) распространения указанных волн. Кроме того, определяют положение плоскостей поляризации поперечных волн. Оно характеризует направление действия главных горизонтальных напряжений (ГГН). Далее отобранный керн ориентируют в соответствии с его расположением в М и нагружают в направлениях, соответствующи.х осям действия ГГН. С целью повышения производительности керн вначале нагружают в осевом HanpaB.netniH до достижения С продольной волны в керне величины С этой волны в М. Затем прикладывают поперечные нагрузки до достижения С поляризованных поперечных волн в керне значений С соответствующих волн в М. При этом С продо.чьной волны сохраняют неизменной путем уменьшения осевой нагрузки. По значениям С поляризованных поперечных волн в Д и в керне онределяют величины ГГН. 2 з.п. ф-лы. S (Л 00 ISD 00 ел 14)