Способ определения напряженного состояния массива горных пород

(51) 4 Е 21 С 39 00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 161) 1239319(71) Кольский филиал им. С. М. КироваАН СССР и Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики игеохимии(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГ 1 РЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД(57) Изобртение относится к области горного дела и позволяет повысить информативность и производительность измерений.Из скважины, пробуренной в исследуемоммассиве (М), отбирают керн. В точке отборапроводят акустический каротаж скважины.По измеренным знацениям 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, соответствуюгцих осям действия ГГН. С целью повышения производительности керн вначале нагружают в осевом направлении до достижения С продольной волны в керне величины С этой волны в М. Затем прикладывают поперецные цагрмзки до достижения С поляризованных поперечць 1 х волн в керце значений С соответствхюгцих волн в М. Г 1 ри этом С продольной волны сохраняют неизменной нуем уменьшения осевой цагруз ки. По значениям С поляризованных поперечных волн в М и в керце определяют величины ГГН. 2 з.ц. ф-лы.Изобретение относится к горному делу, прдназначепо для определения напряженного состояния массива горных пород на стадии геолого-разведочных работ и является усовершенствованием изобретения по авт. св.1239319.Целью изобретения является повышение информативности и производительности измерений.Способ осуществляют следующим 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, определяют положение плоскостей поляризации поперечных волн. Вдоль оси вертикальной скважины, пробуренной в негидростатическом нагруженном массиве горных пород (он+ оз+ о.з) распространяются, причем с различными скоростями, одна продольная и две ортогонально-поляризованные поперечные волны, причем плоскость поляризации каждой из поперечных волн совпадает с направлением действия своего главного горизонтального напряжения. Наибольшей скоростью ооладает 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 сравнивакп 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. Л 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 пород и более достоверного воспроизведения в керне условий, существовавших в естественном залегании пород, керн нагружают в направлениях, соответствующих осям действия главных на 25 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 стенок скважины, применяя метод фазовой корреляции волн, определили значения интервальных времен распространения вдоль скважины продольной и двух различно поляризованных поперечных волн и по ним рассчитывали значения скоростей распростране ия волн. Кроме того, определили положение плоскости поляризации двух попереч ных волн. Высокоскоростная поперечнаяволна имела субц.иротную поляризацию, малоскоростная - субмеридиональную.Данные направления приняты как направления действия соответственно максимального и минимального горизонтальных напряжений. Скорости в массе на глубине 500 мравны, м/с:Чр =6000; Ъ 7.- =3350, Ъ 7 н. =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 осуществлялось на прессе только в осевом направлении. В процессе нагружения проводили измерения времен распространения и скоростей продольной и поперечной волн в осе 51015О пряжений в массиве. Для этого вначале керн ориентируют в соответствии с его расположением в массиве и наносят на него метки направлений осей главных напряжений, определенных по поляризации поперечных волн. Нагружение керна производят непосредственно до достижения скоростями про.дольной и поперечных волн значений, которые измерены в массиве.С целью повышения производительности измерений скоростей в керне вначале егонагружают в осевом направлении до достижения скоростями продольной волны в керневеличин 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 ве.личин скоростей этих волн в массиве. С учетом того, что осевые напряжения в кернеи вертикальные напряжения в массиве примерно равны, это позволяет уже довести величину поперечных напряжений в керне до величины горизонтальных напряжений вмассиве. Если при этом значение скорости продольной волны становится больше измеренного в массиве, величину осевой нагрузки уменьшают.1321815 5 10 15 20 25 фор,иу,га изобретения вниипи Заказ 2730/22 Тираж 454 ПодписноеПроизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, Ул. Проектная, 4 вом 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 1,3)( 10 т Па. Скорость поперечной волны достигла значений 3100 м/с и 3350 м/с при осевых напряжениях 2,5)( 10 Па и 3,2 Х 10 Па соответственно. Исходя из этого, рассчитаны величины главных напряжений в массиве оа= 1,3)(10 Па, ос - = 3,2 Р ,10 - оа= 1,9 Х 1 О Па, ос -. = 2,5)( 10 - оа= 1,2 )(. 10 Па. Направление действия наибольшего горизонтального напряжения - субширотное, наименьшего горизонтального напряжения - субмеридиональное,Пример 2. В этой же скважине проведено изучение напряженного состояния трахитоидных ийолитов, залегающих 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 боковых поверхностях керна с помощью меток,1Затем с помощью 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 следующие значения, м/с: Чр = 6260, Ъна макс = 3710, Уа мнн = 3450. Поляризация высокоскоростной поперечной волны совпадала с меридиональным направлением, малоскоростной - с широтным. Ука. занные направления были отмечены на керне как направления действия главных горизонтальных напряжений. 30 35 40 45 50 Керн скважины изучался в лабораторных условиях с использованием ультразвуковой установки ДУК - 66. Нагружение керна производилось в стабилометре, позволящем создавать трехосное нагружение. Вначале керн нагрузили осевой нагрузкой. В процессе нагружения измеряли скорость распространения в осевом направлении керна продольной волны Ч, Осевое напряжение, при котором Ъ стало равно Ъ"= 6260 м/с, составляло 3,4 к, 10 Па. Затем в направлениях, соответствующих осям действия главных горизонтальных напряжений в массиве, дополнительно прикладывали поперечные нагрузки, В процессе нагружения измеряли скорости распространения двух ортогонально поляризованных поперечных волн,км значения которых довели до Ча -а.=г, = 3710 м/с и Х, -.= Ч, - = 3450 м/с.Нагрузки, которые потребовались для этого, в пересчете на напряжения равны: в направлении поляризации высокоскоростной поперечной волны 4,5 К 1 О Па, в направлении поляризации малоскоростной поперечной волны 8,2 К 10 Па. Повторные измерения скорости продольной волны покаи 3 И зали неизменность скорости Чр -- У = = 6260 м/с. Исходя из этого, получены следующие параметры напряженного состояния трахитоидных ийолитов на глубине 150 м: величина вертикального напряжения 3,4 )( 10 Па, величина наибольшего горизонтального напряжения 8,2 К 10 т Па, направление действия осширотное, величина наименьшего горизонтального напряжения 4,5 Х 10 Па, направление действия ос -. меридиональное.Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить информативность измерений за счет определения величин и направлений всех трех главных напряжений. 1. Способ опредепения напряженного состояния массива горных пород по авт. св. Ма 1239319, отлицающийся 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 различно 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 и. 1, отяачающийся тем, 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.