一种基于钻孔声学遥测数据的新型方法，用于通过分析钻孔变形来估算原位应力

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：A Novel Approach to Estimate In-Situ Stresses Based on Borehole Deformation Analysis Using Borehole Acoustic Televiewer Data

基于钻孔变形分析和声波传播时间的原位应力估算方法研究，提出通过修正工具倾斜角、方位角和中心距误差，结合弹性理论建立平面应变条件下的圆形钻孔变形模型，解决了流体波速未知的技术瓶颈。通过与现场岩芯直接取样和钻孔突破测量的对比验证，该方法有效实现了复杂地质条件下原位应力 magnitude（大小）和 orientation（方向）的可靠评估，具有成本低、精度高的应用优势。

　　

S. Nikoie-Mahani|A. Moradzadeh|M. Bahaaddini|H. Roshan

德黑兰大学工程学院采矿工程系，伊朗德黑兰

摘要

确定地质构造中的原位应力对于岩土工程应用至关重要，并在解决岩土工程问题中发挥着重要作用。实验室实验和特定地点的方法是常用的估算原位应力的方法。然而，准确的应力估算仍然具有挑战性，通常需要大量的工作和成本。声波遥测数据和钻孔变形分析提供了一种成本效益高且可靠的间接估算原位应力的方法。然而，这种方法需要钻孔流体中的波速作为前提条件——而这往往无法获得，因此尽管其潜力巨大，但应用范围仍然有限。本研究提出了一种新的原位应力估算方法，将声波传播时间分析与钻孔变形相结合。首先，在遥测数据中识别出没有冲刷和损伤的完整岩层。然后，根据测量过程中仪器的旋转和移动情况，对工具的倾斜角度、方位角和中心位置进行校正。基于弹性理论，建立了一个平面应变条件下的分析模型，以量化钻孔钻探后的圆形变形，并确定现场应力与钻孔几何形状之间的关系。为了验证该方法的准确性和一致性，将所提出方法得出的原位应力估算结果与研究区域附近位置的钻孔破裂应力方向和直接超前钻探测量结果进行了比较。此外，该方法还可以用来估算钻孔流体中的波速。研究结果表明，所提出的方法在捕捉原位应力的复杂大小和方向方面具有可靠性和稳健性。

章节摘录

引言

了解地质构造中的原位应力对于各种工程应用至关重要，包括地下结构的设计和自然资源的开采（Rong等人，2025年；Zoback等人，2010年；Zoback等人，2003年）。准确的应力估算有助于开发用于变形评估、水库管理和钻井优化的解决方案，涉及土木工程、采矿工程和石油工程（Baouche等人，2023年；Han等人，2021b年；Vaziri等人，2022年）。

钻孔遥测数据采集

钻孔遥测数据采集的方法使用了一种改进的旋转式换能器，该换能器作为电缆测井设备，用于扫描钻孔壁并捕捉高分辨率的超声图像。这种升级的工具结合了一个旋转镜和一个固定的声波换能器，通过分析从钻孔壁反射回来的波的传播时间和振幅来生成详细图像。

结果

在对ATV数据进行工具调整后（如图3所示），将记录的传播时间转换为实际的钻孔形状。随后，在不同深度采集遥测数据时，采用过滤技术来消除任何偏离标准椭圆形状的点（如图8所示）。

任何偏离预期椭圆形状的点都被识别并剔除。接着，根据传播时间确定最长和最短的直径。

讨论

为了评估所提出的钻孔变形分析技术的可靠性和准确性，我们将估算的水平应力值与从同一矿场获得的独立超前钻探测量结果进行了比较。这种验证在多个深度区间和不同的钻孔中进行了，以评估该方法的可重复性和一致性。

结论

确定原位应力的方向和大小是土木工程、采矿工程、石油工程、地质学和地球物理学等多个学科的基本前提。然而，直接测量原位应力存在重大的技术和经济障碍，使得准确确定原位应力变得具有挑战性。本研究的主要发现总结如下：

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开发了一种利用钻孔数据估算原位应力方向和大小的方法

声明

作者声明他们没有利益冲突。

作者贡献声明

Saeed Nikoie-Mahani：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析。Ali Moradzadeh：撰写——审阅与编辑、验证、监督。Mojtaba Bahaaddini：撰写——初稿、可视化、验证、监督、方法论、调查、正式分析、概念化。Hamid Roshan：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、方法论、正式分析、概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。