原地应力对钻孔应变耦合系数的影响分析.pdf

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1、第37卷第3期地震研究Vo1．37，No．32014年7月JoI『RNAI．OFSEISM0LoGICALRESEARCHJu1．，2014原地应力对钻孔应变耦合系数的影响分析水田韬，杨军，郝永亮，王维(江苏省地震局，江苏南京210014)摘要：利用4层介质耦合钻孔模型，研究该模型中耦合介质弹性参数变化对钻孔应变耦合系数的影响。计算结果表明：在钻孔耦合介质中，弹性层等效弹性模量变化对面应变耦合系数的影响大于对差应变的影响，与观测结果对比，分析发现面应变耦合系数观测值存在明显非均匀性，而且其大小与台

2、站的背景应力场存在对应关系。关键词：原地应力；钻孔应变；耦合系数；钻孔模型；应力场中图分类号：P315．61文献标识码：A文章编号：1000—0666(2014)03—0419—07等研究认为局部地层的垂向应变对钻孔应变观测0引言产生影响，张晶和刘琦(2012)分析认为差应变潮汐相位滞后与地下介质各向异性存在关联。钻孔应变研究中，人们关注的是应变观测曲综上所述，在钻孔应力一应变耦合关系分析线的相对变化，可以利用厚壁筒力学模型给出地中，如何能准确的解读出观测数据中所反映的信层应力与钻孔应变之间的耦合

3、关系，将观测的应息，取决于研究人员对观测数据产出机理的理解。变变化转化成应力变化进行分析研究(潘立宙，笔者在分析野外实验数据后，发现实际观测中钻1981；Gladwin，Hart，1985)。前人对钻孔应变耦孔围岩与真实地层的弹性模量之间竟然相差1—2合系数的研究方法主要有两种：一是数值模拟方个量级，钻孔岩体围岩弹性模量测值在(0．1～法，利用力学模型分析介质的弹性参数变化对钻6．5)GPa范围内(艾凯等，2003)，而地层的弹性孔应力一应变的耦合关系影响：二是潮汐标定方模量测值在(1．0—7．0

4、)GPa范围内(秦向辉等，法，利用钻孔力学模型对固体潮潮汐的响应反演2012)，分析认为该现象与原地应力对钻孔围岩卸耦合介质弹性参数(骆呜津等，1989；Harteta1．，载作用存在关联，在研究耦合介质弹性参数变化1996)。采用数值模拟方法进行定量分析(李玉江对钻孔耦合系数影响时不可忽视。本文给出了等，2011；张凌空，牛安福，2013)，受限于模型“探头一水泥环一弹性层一地层”4层介质组合模介质参数的取值，直接用其对观测数据的产生机型，并进行了数值模拟分析、与实际观测数据对理进行分析仍存在一

5、定困难。高龙生(1973)分比分析，验证了4层组合模型的有效性和合理性。析认为钻孔固结介质与围岩之间存在的非完全耦合会对观测结果产生影响，邱泽华等(2005)利l钻孔物理模型及耦合系数表达式用潮汐标定对实际观测结果进行分析后，认为钻孔耦合状态与围岩介质的非均匀性存在关联；根据地层受非均匀地层应力作用的特点，将Langbein等(2010)和Hodgkinson(2013)对同一其分解为与方位角无关的面应力项以及与方位角台站多套形变仪器测量结果对比分析后认为潮汐有关的偏应力项，并将问题转化成两个平面

6、应力力大小不可忽视。另外还存在一些认识，池顺良状态下的弹性力学问题，再分别分析地层在面应等(2007)进行数值模拟与观测结果对比分析，力和偏应力作用下的应力场和位移场，最后由叠认为断层阻隔了潮汐应力的传递，Roeloffs(2010)加原理获得地层中应力场和位移场。收稿日期：2013—09—03．基金项目：江苏省地震局青年科学基金项目(201302)资助420地震研究37卷1．1空孔模型及耦合系数计算无限大地层带有半径为a的圆孔在非均匀地应=百1{2(1cp_(1詈一[力q。和g：作用下，可分解为

7、面应力q和偏应力s+(1+秽)2，p一丢一cl+】c}，4的组合表达式：H日=百1[(6+2v)A'p。+(1+)2B'p+(一1)一q1×g2gl—g2g丁二，丁厶】si地层中空孔的受力问题可分解成两个平面应对无孔地层，在P-5和P=b处应力相同，由式力问题，均匀应力q作用下的力学模型(图la)(2)、(3)、(4)可得任一点应变eD表达式为和偏应力s作用下的受力模型(图1b)，再将两个平面问题进行叠加，可获得地层中空孔的应力场和位移场。ep：：_q+c∞。s20，(L5))假设和分别表示面应变

8、耦合系数和差应变耦合系数，在p=口处，钻孔径向应变eD可表示为面应变和差应变的组合函数：ep==+sc。=+．sc，(6)图1钻孔受均匀应力(a)和偏应力(b)作用下的模型对空孔条件，由式(2)～(4)可得在p=0处应变Fig．1Modelofboreholeunderuniformstress(a)eD表达式为andpartialstress(b)ep==+c∞(7)依据弹性力学中的极坐标下平面问题，采用应力函数法进行求解，可得平面应力状态下地层由式(6)可得空孔时，钻孔应变的耦