【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及巖石力學應力監測，具體涉及一種斷層面全應力監測方法。
技術介紹
1、頁巖氣開采水力壓裂技術通過高壓注入壓裂液來創造和擴展裂縫網絡，從而增加頁巖氣儲層的滲透性，提高頁巖氣資源的開采效率。由于油氣儲層中含有大量大小不一以及各種類型的斷層，未經擾動時，斷層在原地應力作用下保持穩定，而水力壓裂開采頁巖氣資源時產生極大的擾動，易引起斷層應力急劇變化出現滑移失穩，進而可能誘發地震；現有斷層面切應力監測傳感器能監測斷層面上切應力，而不能監測斷層面的正應力，斷層面的全應力無法準確得到。因此，設計一種斷層面全應力監測裝置及方法對于水力壓裂過程中斷層面應力演化規律研究具有重要意義。
2、專利號為cn201721848493.x的專利技術專利公開了一種斷層面切應力監測傳感器，此傳感器僅能通過應變花監測斷層處石膏板前后面一點三個方向的線應變，然后計算得到切應變，再通過物理方程求出切應力，實現對斷層面切應力的監測。但在理論分析方法中，常常采用摩爾-庫侖準則或拓展后的摩爾-庫侖準則來判定斷層滑移失穩條件，斷層面破壞不僅與其切應力的變化有關，更與其正應力密切相關，其應用于斷層面的應力監測，僅能監測斷層面上切應力，而不能監測斷層面的正應力，斷層面的全應力無法準確得到，斷層滑移失穩條件無法給出，存在較大的局限性。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種斷層面全應力監測方法，該方法采用特定方位多組應變花形成斷層面全應力監測裝置，解決斷層面應力監測傳感器只能監測切應力，而不能監測斷層面
2、為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：
3、一種斷層面全應力監測方法，包括將應力監測裝置嵌入到待測體的斜面中心處，通過應力監測裝置采集的待測體不同方向的應變值計算出六個獨立應力分量，通過六個獨立應力分量計算出斷層面的正應力和切應力，實現對斷層面全應力監測；
4、其中，所述應力監測裝置包括圓柱體結構的基體、以及安裝在基體上六組應變花，每組應變花包括三個應變片；三個應變片分別采集軸向應變值、45°方向的應變值、周向應變值；
5、根據應變花和應力關系求解出每組應變花測點處的周向正應力σθ、軸向正應力σz、剪切應力τθz；再根據已知應力利用彈性力學中孔邊應力分布計算出六個獨立應力分量σx、σy、σz、τxy、τxz、τyz；
6、再根據六個獨立應力分量可計算出待測體斷層面上任一點的正應力和切應力。
7、進一步地，六組應變花兩兩為一對，測量同一方向的應變值；一對的兩組應變花沿圓柱體的中線對稱設置。
8、進一步地，所述應變花通過膠體粘結在圓柱形基體外表面，膠體、圓柱形基體和待測體三者的彈性常數相同。
9、進一步地，通過應力監測裝置采集的待測體不同方向的應變值計算出六個獨立應力分量，包括：
10、步驟1：每組應變花采集到3個應變值ε0。、ε45。、ε90。，針對同一方向上的兩個應變值取平均值，得到9個不同方向上的應變值；利用每組應變花與應力關系計算出周向正應力σθ、軸向正應力σz、剪切應力τθz，應變值ε0°、ε45°、ε90°與應力σθ、σz、τθz的關系為：
11、
12、式中，ε0。、ε45。、ε90。分別為每組應變花3應變片測得的軸向應變值、45°方向的應變值、周向應變值，σθ、σz、τθz分別為每組應變花測點處的周向正應力、軸向正應力、剪切應力；e為測點圓柱形基體的彈性模量；υ為測點圓柱形基體的泊松比；g為測點圓柱形基體的切變模量；
13、步驟2：根據步驟1計算出的周向正應力σθ、軸向正應力σz、剪切應力τθz，利用彈性力學中孔邊應力分布公式轉換計算出6個獨立應力分量σx、σy、σz、τxy、τxz、τyz；
14、
15、式中，ε0°、ε45°、ε90°分別為每組應變花3應變片測得的軸向應變值、45°方向的應變值、周向應變值，γθz為剪切應變值，σθ、σz、τθz分別為每組應變花測點處的周向正應力、軸向正應力、剪切應力；e為測點圓柱形基體的彈性模量；υ為測點圓柱形基體的泊松比；θ為應變花與x軸的夾角。
16、進一步地，采用最小二乘法對應變花所測應變值與三維應力分量建立函數關系，
17、令6組應變花得到的9個不同方向上的應變值分別為ε′1、ε′2、ε′3、ε′4、ε′5、ε′6、ε′7、ε′8、ε′9，定義矩陣：σ′＝[σ′1?σ′2?σ′3?σ′4?σ′5?σ′6?σ′7?σ′8?σ′9]t＝e[ε′1?ε′2?ε′3?ε′4ε′5?ε′6?ε′7?ε′8?ε′9]t；其中，σ′i為6組應變花得到的9個不同方向上的應變值ε′i對應的應力值；e為測點圓柱形基體的彈性模量；
18、待測點三維應力6個獨立應力分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx定義矩陣：σ＝[σx?σy?σz?τxyτyz?τzx]t；
19、通過最小二乘法可得三維應力分量，
20、
21、其中，a2＝9(1-υ2)2；a5+a6＝e[2(ε′1+ε′4+ε′7)-2υ(ε′2+ε′5+ε′8)-υ(ε′3+ε′6+ε′9)]；a5-a6＝e(1-υ2)(4ε′1+2ε′3-2ε′4-ε′6-2ε′7-ε′9)；a7＝
22、
23、進一步地，通過六個獨立應力分量計算出斷層面的正應力和切應力，包括：
24、待測體斷層面上任一點d的全應力p在坐標軸方向的分量px、py、pz為：
25、式中，px、py、pz分別全應力p在三個坐標軸方向的應力分量；l、m、n分別為點d所在平面外法線n與x軸、y軸、z軸的方向余弦；
26、正應力σn、切應力τn為：
27、本專利技術將帶有六組應變花的應力監測裝置嵌入到待測體的斜面處，通過六組應變花測量的18個應力值，實現斷層面全應力監測；獲得準確的斷層面滑移失穩時應力變化特征；能夠為防控斷層面滑移失穩誘發災害提供依據。
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1.一種斷層面全應力監測方法，其特征在于：包括將應力監測裝置嵌入到待測體的斜面中心處，通過應力監測裝置采集的待測體不同方向的應變值計算出六個獨立應力分量，通過六個獨立應力分量計算出斷層面的正應力和切應力，實現對斷層面全應力監測；
2.根據權利要求1所述的一種斷層面全應力監測方法，其特征在于：六組應變花兩兩為一對，測量同一方向的應變值；一對的兩組應變花沿圓柱體的中線對稱設置。
3.根據權利要求1所述的一種斷層面全應力監測方法，其特征在于：所述應變花通過膠體粘結在圓柱形基體外表面，膠體、圓柱形基體和待測體三者的彈性常數相同。
4.根據權利要求1所述的一種斷層面全應力監測方法，其特征在于：通過應力監測裝置采集的待測體不同方向的應變值計算出六個獨立應力分量，包括：
5.根據權利要求4所述的一種斷層面全應力監測方法，其特征在于：采用最小二乘法對應變花所測應變值與三維應力分量建立函數關系，
6.根據權利要求3所述的一種斷層面全應力監測方法，其特征在于：通過六個獨立應力分量計算出斷層面的正應力和切應力，包括：
【技術特征摘要】
1.一種斷層面全應力監測方法，其特征在于：包括將應力監測裝置嵌入到待測體的斜面中心處，通過應力監測裝置采集的待測體不同方向的應變值計算出六個獨立應力分量，通過六個獨立應力分量計算出斷層面的正應力和切應力，實現對斷層面全應力監測；
2.根據權利要求1所述的一種斷層面全應力監測方法，其特征在于：六組應變花兩兩為一對，測量同一方向的應變值；一對的兩組應變花沿圓柱體的中線對稱設置。
3.根據權利要求1所述的一種斷層面全應力監測方法，其特征在于：所述應變花通過膠體粘...
【專利技術屬性】
技術研發人員：鄧代新，楊應林，曾春林，陶靜，
申請(專利權)人：重慶地質礦產研究院，
類型：發明
國別省市：
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