Способ определения напряженного состояния массива горных пород

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (59 4 E 21 С 39 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3755247/22-03 (22) 19.06.84 (46) 23.06.86. Бюл. № 23 (71) Ордена Ленина Кольский филиал им. С. М. Кирова АН СССР и Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии (72) С. И. Рубинраут, Г. А. Марков, О. Л. Кузнецов и А. А. Козырев (53) 622.235 (088.8) (56) Забичайло В. Е. и др. О возможности определения напряжений в массиве горных пород на стадии геологоразведочных работ. — В сб.: Методология измерения напряжений в массиве горных пород. Новосибирск, 1978, с. 81 — 83.

Nur А., Simmons G. Stress-induced anisotropy in rock: an experimental study. Journal of Geoph. Res, 1969, v. 74, № 27, р. 6667—

6674.

Методические рекомендации по оценке напряженного состояния околоствольной части глубоких скважин с помощью сейсмоакустики. М.: ВНИИЯГГ, 1980, с. 13. (54) (57) 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА

ГОРНЫХ ПОРОД, включающий измерение

„, Я0„„1239319 А1 скоростей распространения продольной и поперечной волн в массиве вдоль скважины, измерение скорости распространения продольной волны в осевом направлении керна при его нагружении и определение вертикальных напряжений в массиве путем сопоставления значений скоростей распространения продольной волны в массиве и в керне, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и информативности измерений, при нагружении керна дополнительно измеряют скорость распространения поперечных волн в его осевом направлении и определяют величину горизонтальных напряжений путем сравнения полученных значений скоростей поперечных волн в массиве и в керне с учетом изменения скорости поперечных волн от действия вертикальных напряжений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в анизотропных породах, керн дополнительно нагружают поперечными нагрузками, а величину горизонтальных напряжений в массиве принимают равной величине поперечных нагрузок, при которых скорость поперечной волны в керне совпадает со скоростью поперечной волны в массиве.

1239319

СкоОдноосная нагрузка P, MIIa рости, 10з м/с

0 5

10 15 20 25

35

3.79 4.04 4.22 4.37 4.51 4.60 4.67 4.73 4.78

3.79 — 3.85 — 3.92 4.02 4.05 4.08

2.63 2.69 2.74 2.83 2.88 2.92 2.96 2.99 3.03

2.63 2.66 2.73 2.80 2.87 2.92 2.96 3.00 3.04

V. y

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряженного состояния массива горных пород на стадии геологоразведочных изысканий.

Целью изобретения является повышение точности и информативности измерений.

Способ осуществляют следующим образом.

В массиве вдоль скважины измеряют скорости распространения продольных и поперечных волн. Затем отобранный керн нагружают в осевом направлении и параллельно измеряют скорости распространения вдоль его оси продольных и поперечных волн.

При этом вначале осевую нагрузку доводят до значений, при которых скорость продольных волн в керне становится равной скорости этих волн в массиве. При соблюдении этого условия величину осевой нагрузки принимают за величину вертикальных напряжений в массиве. Затем осевую нагрузку доводят до значений, при которых скорость поперечных волн в керне становится равной скорости указанных волн в массиве. Учитывая, что скорость поперечных волн зависит в одинаковой степени от двух главных напряжений (в массиве — вертикальных и горизонтальных, в керне — осевых и поперечных), величину горизонтальных напряжений определяют путем алгебраического вычитания из указанной нагрузки ранее измеренной величины вертикальных напряжений.

Если породы анизотропны, керн дополнительно к осевым нагрузкам нагружают также поперечными нагрузками. Величину горизонтальных напряжений в массиве определяют непосредственно по величине поперечной нагрузки, при которой скорость поперечных волн в керне становится равной скорости поперечных волн в массиве.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании наряду со скоростями продольной и поперечной волн, в основе которого лежит экспериментально установленное различие в связи скоростей двух типов волн с различными компонентами напряжений. Скорости продольных волн зависят в основном от нагрузок, действующих на породу вдоль направления распространения волн, и практически не чувствительны к поперечным нагрузкам. Скорости поперечных волн зависят в одинаковой сте10 пени от двух главных напряжений, направления действия которых соответствуют направлению распространения волн и колебаний частиц в ней (поляризации), т. е. являются функцией вида

15 Vs„ == Vs, + А(о„+ о,) + B(o-,), где Vs„— скорость распространения поперечной волны вдоль оси х и поляризации у;

Vs. †- скорость распространения поперечной волны в ненагруженной породе; о.„, о,, о,— главные напряжения, действующие вдоль соответствующих координатных осей х, у, z;

А (о„+.o „) — функция произвол ьного вида, описывающая изменение скорости поперечной волны при приложении нагрузок вдоль направления ее распространения (о,) и поляризации (o );

В (o.,) — функция, описывающая изменение скорости этой волны под действием напряжений, действующих ортогонально плоскости поляризации (для горных пород экспериментально установлено, что

35 при равных напряжениях ЛЧ =

= В(о,) значительно меньше

AV = А(о„) или ЛЪ" = — А(о,) ..

В таблице приведены результаты испытаний.

1239319 где ЧрI, Vp — скорости продольной волны при распространении параллельно и перпендикулярно оси сжимающей нагрузки;

II

Vs — скорость поперечной волны при распространении параллельно оси сжимающей нагрузки;

Vs — скорость поперечной волны при распространении перпендикулярно оси сжимающей нагрузки и положением плоскости поляризации вдоль оси сжимающей нагрузки.

Данные, представленные в таблице, полностью подтверждают особенности связи скоростей продольных и особенно поперечных волн с напряжением в горных породах.

Таким образом, измерив скорости продольной волны в массиве и в керне под давлением и сопоставив их значения, можно оценить величину вертикальных напряжений. Путем определения значений скоростей распространения поперечной волны в керне при различных нагрузках и сопоставления их со значениями скорости указанной волны в массиве становится возможным оценить совместное влияние вертикальных и горизонтальных напряжений. Учитывая, что при действии в массиве лишь гравитационных сил горизонтальные напряжения равны по величине, знание таких двух параметров, как скорости продольной и поперечной волн, достаточно для характеристики напряженного состояния массива.

Нагружение керна, необходимое для того, чтобы установить, какому напряженному состоянию пород соответствует данный набор значений скоростей упругих волн, может осуществляться осевыми или совместно осевыми и поперечными нагрузками. Наиболее простым и производительным является осевое нагружение керна. Его использование в предлагаемом способе определения напряжений наиболее корректно, если исследуемые горные породы отвечают требованию однородности и изотропности. Под однородностью свойств здесь понимается отсутствие различий свойств в разных частях образца.

Из условия однородности следует идентичность зависимости скоростей упругих волн от нагрузки для разных направлений, в данном случае, осевом и поперечном направлениях (распостранение волны совпадает с осью нагрузки). Для таких пород, как показали результаты теоретических исследований, скорость поперечных волн зависит от напряжений, действующих в направлениях распространения и поляризации волн, совершенно одинаково. Таким образом, величина горизонтальных напряжений может быть получена по скорости поперечных волн путем вычитания вклада вертикальных напряжений из общего относительного изменения скоростей поперечных волн в керне от дав5

1О

25 зо

55 ления. С целью повышения точности способа при определении напряженного состояния горных пород, отличающихся явно выраженной анизотропией и неоднородностью свойств, целесообразно совместное использование осевого и поперечного нагружений керна.

Пример 1. На Кольском полуострове была пробурена вертикальная скважина. При этом был отобран керн, из которого сделана выборка через каждые 10 м. Затем с помощью аппаратуры АКК-1 был проведен широкополостный акустический каротаж стенок скважины, Применяя метод фазовой корреляции волновой картины, определили значения интервальных времен распространения продольной и поперечной волн вдоль скважины и рассчитали значения их скоростей. В залегающих на глубине 350 м меланократовых метагаббро скорость продольной волны Ч была равна 6950 м/с, а скорость поперечной волны Vs — 3910 м/с.

Меланократовые метагаббро достаточно хорошо удовлетворяли условиям однородности и изотропии, поэтому их нагружение осуществлялось на прессе только в осевом направлении. В результате измерения скоростей продольных волн вдоль оси керна при его нагружении была получена зависимость скоростей указанных волн от напряжений в породе. Сопоставляя результаты измерений V и V,,получили, что V

= V"= 6950 м/с при нагрузке 30 МПа. Ее приняли за величину вертикальных напряжений в массиве (о = — 30 МПа).

Затем нагрузку увеличили по абсолютной величине и довели скорость поперечных волн в керне до значений Vs = 3910 м/с, которые были измерены в массиве. Необходимая для этого нагрузка оказалась равной 41 МПа.

С учетом того, что скорость поперечных волн изменялась под влиянием не только горизонтальных, но и вертикальных напряжений, из — 41 МПа вычли ранее измеренную величину вертикальных компонент (aI, = 30 МПа) и получили, что горизонтальные напряжения на глубине 1000 м равны о. = — 41 — оь ——

= — 41 — (— 30) = — 11 МПа.

Пример 2. В Хибинском массиве (Кольский полуостров) была пробурена скважина, пересекающая комплекс нефелиновых сиенитов. При этом был отобран керн, из которого сделана выборка через каждые 10 м. Затем с помощью аппаратуры АКК-1 был проведен широкополостный акустический каротаж стенок скважины. Применяя метод фазовой корреляции волн, определили значения интервальных времен распространения вдоль скважины продольных и поперечных волн и рассчитали значения их скоростей. На глубине 1150 м в трахитоидных ийолитах скорости были равны Ъ "= 6260 м/с, = 3450 м/с.

Особенностью трахитоидных ийолитов явилось наличие естественной анизотропии

1239319!

Составитель И. Назаркина

Редактор И. Шулла Техред И. Верес Корректор С. Черни

Заказ 3368/29 Тираж 470 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская на5., д. 4/5

Филиал ППП «Патенз», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 упругих свойств. Поэтому для нагружения керна использовали стабилометр, способный создавать осевые и поперечные нагрузки (КП-3 конструкции В НИМИ) . В процессе нагружения измеряли скорость распространения в осевом направлении керна продольной и поперечной волн. Нагружение осевыми и поперечными нагрузками осуществляли до достижения скоростями продольной V и поперечной Vs волн в керне значений скоростей указанных волн в массиве (V =

= V, == 6260 м/с, Vs = Vs = 3450 м/с).

Необходимая для этого осевая нагрузка была равна — 34 МПа. Она была принята

5 за величину вертикальных напряжений в массиве оь = — 34 МПа. Величину горизонтальных напряжений в массиве определили непосредственно по величине поперечных нагрузок, которые были равны — 80 МПа (от = — 80 МПа).