基于MLR–ANN算法的地应力场反演与裂缝预测

中国页岩气储层埋藏深,受构造运动影响,地应力分布规律复杂,传统方法很难准确反演区域地应力大小和方向。提出多元线性回归和人工神经网络的耦合算法,对川南长宁—建武区块的页岩气储层及周边地应力场进行反演,并采用综合破裂系数法,对储层裂缝进行预测,划分裂缝发育区域。研究表明,基于多元回归和神经网络的耦合算法能准确反演区域的地应力场分布规律。研究区的地应力以挤压应力为主,方向在NE115°左右。受构造运动产生的断层周边应力较为集中,易发育剪切裂缝,裂缝以发育和较发育程度为主。研究区在邻近龙马溪组底部的五峰组上段和构造大断层部位裂缝发育程度较高。研究成果对该区块完善页岩气开采的井网布置、压裂优化设计和套管损坏防治等有一定的参考价值。

复杂地质大型地下洞室群地应力场反演方法与应用

深切河谷和大型结构面影响大型地下洞室群地应力场分布,准确预测地下洞室群区域地应力场对工程建设至关重要。本文提出融合逐步多元线性回归和神经网络的联合反演,通过逐步多元回归获得合理的构造运动因素及其基准值,再通过神经网络反演获得较优的反演结果。首先,提出复杂地质条件下地下洞室群地应力场反演方法,主要包括地应力实测数据分析、3维地质模型建立、逐步多元线性回归与BP人工神经网络联合反演,以及基于洞室围岩应力型破坏特征的结果验证。该方法从历史构造运动出发,约束多元回归因素及其回归系数,解决剪应力偏差过大的问题,并通过历史地质构造分析、实测地应力分析和洞室群应力型破坏特征等多源约束和验证,提高地应力反演结果的准确性。以叶巴滩水电站地下洞室群为例,对该方法进行工程应用。研究结果表明:叶巴滩水电站地下洞室群最大主应力为25~30MPa,方向为NWW-EW方位,缓倾向河谷,洞室开挖后上游侧拱肩和下游侧墙脚易发生应力型破坏;断层等大型结构面严重影响了地应力分布,临近断层部位最大主应力量值减小,方向近于垂直断层,在距断层5~10m范围内最大主应力量值迅速增大至原岩应力,方位逐渐转为近平行断层,与宏观主应力方向接近;密集发育的断层,是导致叶巴滩水电站地下洞室群区域主应力变异性强的主要原因。本研究阐明了深切河谷和多结构面共同作用下地下洞室群地应力场分布规律,特别是断层附近地应力场的变异特征,为地下洞室群应力集中区和应力型灾害部位预测提供基础依据。

大型地下厂房水压致裂法地应力测量及地应力场反演分析

岩体初始地应力是地下工程研究中的重要内容,依托大型地下厂房工程,采用三维水压致裂法和常规水压致裂法对洞内孔ZK1和地表孔ZK2分别进行地应力测量,获得岩体初始地应力;基于实测数据利用三维数值模拟方法进行地应力场反演计算,获得所需工程区的地应力场分布规律。研究表明:水压致裂法可以有效地获得初始地应力,三维水压致裂法获得的地下应力情况更为准确且可以与垂直孔测试数据互相印证;数值模拟获取的地应力计算值和实测值具有一致性,厂房隧洞布置较为合理且工程区发生岩爆概率较低;现场原位测试结果与回归地应力场分布规律可为工程设计提供有效的科学支撑。

致密油藏水平井组井间地应力场时空演化特征

水平井组开发致密油藏时,孔隙压力大幅下降会显著改变井间地应力的大小与方向,迫使加密井压裂裂缝朝向老井压力衰竭区扩展,导致加密井产量受限。因此,掌握致密油藏井间地应力场时空演化特征是加密井布井与压裂时机优选的重要基础。针对新疆油田金龙2井区致密油藏,基于岩石多孔弹性理论,建立了双水平井组应力渗流耦合模型,数值模拟得到随孔隙压力下降,井间地应力场的动态变化规律。以水平主应力方向发生反转时的孔隙压力变化值为评价指标,开展了储层物性和压裂完井参数对地应力时空演化特征的影响规律。结果表明,随孔隙压力下降,井间最大水平主应力方向发生反转;储层基质渗透率、井间距减小,单井单位储层厚度日产量及压裂缝间距增加会加快主应力反转,而初始储层孔隙压力对水平主应力变化趋势无影响,其中主要影响因素为井间距。

铜矿峪矿地应力场特征及深部岩爆预测分析

目前,铜矿峪二期工程进入410 m中段开采。该段开采结束后,将转入深部工程开采。随着开采深度的不断增大,将面临地应力增大所带来的问题。以铜矿峪矿地应力场和深部岩爆预测为研究对象,采用应力解除孔壁应变法对800~870 m水平的原岩应力进行测量,得出了铜矿峪矿区地应力场的一般规律,并在220~410 m水平开展了18个钻孔岩心物理力学参数的测量,结合Barton法、国标法和陶振宇法等判据,完成了对220~410 m水平深部开采区域的岩爆预测分析。

喜马拉雅东构造结北缘通麦—波密段现今地应力场特征研究

喜马拉雅东构造结是青藏高原构造演化研究的关键地区,规划有川藏铁路和雅鲁藏布江下游水电开发等重大工程,受限于地质地理条件,其现今地应力场尚不完全清楚。本文利用水压致裂法地应力数据,研究了东构造结北缘通麦—波密段现今地应力场,探讨了其构造应力环境。结果表明,通麦—波密段实测主应力随深度增加而增大,1100 m深度内SH和S_(h)分别为4.87~32.47 MPa和3.05~20.07 MPa,随深度增加梯度分别为2.49 MPa/100 m和1.61 MPa/100 m,略低于青藏地块和东构造结西缘梯度水平,但地应力状态特征参数表明其水平应力作用强度总体上高于青藏地块;SH优势方向为NEE向(N69.2°±11.5°E),相比NNE—NE向区域主压应力方向表现出明显的顺时针偏转特征;现今地应力场由水平向应力作用主导,400 m以浅应力类型为逆冲型,以深转换为走滑型;水平向差应力和构造差应力在600 m深度以下显著增加,构造差应力最大为12.42 MPa,表明通麦—波密段深部存在相对较强的构造应力作用;库伦摩擦失稳准则分析表明,受地形影响较小的200 m以深实测地应力值总体低于摩擦系数取0.6时理论地应力水平,并且430 m深度以下地应力值总体在摩擦系数取0.2~0.4的理论地应力取值范围内,揭示通麦—波密段现今地壳应力强度尚未达到极限水平,目前处于相对稳定的构造应力环境。最后,讨论了现今地应力场对东构造结北缘重大铁路隧道工程的潜在影响,并提出了应对建议。

韩城区块西北部三维地应力场反演分析

为改善当前地应力场研究对经验公式的依赖现状,以韩城区块地质条件为背景,提出了通过有限元反演回归计算地应力的方法,根据韩城区块的地质概况建立起较为精确的三维地质模型,以现场水压致裂法所测得的地应力实测资料为基础,采用三维有限元回归分析法拟合实测数据,得到研究区的地应力场分布规律。研究结果表明:煤层三向应力从大到小依次为垂向应力、水平最大主应力、水平最小主应力;煤层的整体应力差处于2~4 MPa之间,在北西部存在较大应力差;煤层整体的应力方向趋势呈北偏东45°;误差大小不超过20%,能够满足工程实际的要求。

断层构造对高地应力隧道初始地应力场影响分析

为减少地下工程区断层等地质构造对局部应力场的影响,以云南省红河州某高速公路隧道工程为例,分析隧道选址区域初始地应力场。首先,建立隧道选址区域三维地质模型,使用空芯包体法采集10处测点的初始地应力数据;然后,根据实测地应力数据,通过多元线性回归反演分析方法反演,得到隧道选址区岩体初始地应力场,同时,在该方法的基础上考虑区域内断层和破碎带的影响,总结断层对地应力分布状态的影响;最后,根据现场勘察所得地质构造条件(主要为断层),对断层带施加挤压力和压扭力模拟断层错动,从而进行局部地应力调整,得到符合实际的地应力场。结果表明:研究区域水平垂直隧道轴线方向的应力最大,表现为σy>σz>σx;应力值在断层内部减小,断层带边缘增大。在高地应力硬岩隧道工程中,应力集中的断层边缘存在岩爆发生概率增大的可能性,应加强防治,以保障施工过程安全。

软硬岩交替区隧道初始地应力场反演研究

软硬岩交替区岩体结构面两侧岩性变化剧烈,地应力分布复杂。为探明软硬岩交替形成的岩体结构面对初始地应力场的影响,以云南曼么二号隧道为研究背景,构建包含高程信息的三维数值计算模型,基于多元线性回归法反演获得了隧道轴线处的初始地应力场,分析了软硬岩交界面处水平主应力异常的影响因素。结果表明:水平主应力异常与软硬岩交界面两侧围岩弹性模量、埋深和结构面倾角的差异性有关;通过正交试验对各影响因素进行显著性评价,发现围岩弹性模量和埋深对水平主应力的影响显著,是水平主应力异常的关键因素。研究成果可为隧道(洞)开挖过程围岩稳定性评价与支护方案设计等提供依据。

地应力场反演分析的改进算法及其工程应用

为提高地应力场反演预测精度,提出一种改进的地应力反演算法。该算法基于地应力现场观测先验信息,将构造应力修改为随埋深变化的梯形荷载,梯形构造应力的斜率根据水平主应力的斜率确定。建立了解析求解4种典型荷载工况的钻孔内5个观测点的3个主应力的模拟计算方法,提高了地应力场反演的计算效率。基于弹性力学原理,将垂直主应力单独分离出来,求解与其相关的2个回归系数。基于水平主应力观测数据,反演另外2个回归系数。工程实际应用表明:反演预测的主应力与观测值吻合较好,验证了所提改进算法的鲁棒性和有效性。

基于IA-BP智能算法的初始地应力场反演研究

初始地应力场是地下工程设计与施工的重要依据,在实际工程中难以精准测得,为了能较准确地获得初始地应力场的分布规律,提出将免疫算法与BP神经网络相结合(IA-BP)的算法对初始地应力场进行反演研究。免疫算法优化BP神经网络就是将BP神经网络的连接权值和阈值作为免疫算法中的抗体进行编码。该混合算法既可以利用免疫算法全局寻优的特点快速搜索到全局最优解或次优解附近,又可以采用BP算法避免在最优解和次优解附近发生震荡,对其进行局部优化,从而达到快速收敛全局最优解的目的。通过COMSOL分别构建平面边坡模型及三维立体模型,对其进行正分析计算,将计算的结果作为“实测值”,对地应力进行反演分析,并将IA-BP算法反演的结果与PSO-BP算法及多元线性回归算法的反演结果进行对比。结果表明:二维边坡模型下,IA-BP算法反演结果误差更小。三维模型下,IA-BP算法所得实测值与反演值之间的相对误差的绝对值为0%~10.64%(平均为3.39%),PSO-BP算法所得实测值与反演值之间相对误差的绝对值为0%~48.39%(平均为6.93%),多元线性回归算法所得实测值与反演值之间相对误差的绝对值为0.55%~121.95%(平均为21.87%),通过对比可知,IA-BP算法整体反演结果精度最高。无论是平面模型还是三维模型,利用IA-BP算法反演出的结果与其他两种算法反演的结果相比,误差更小。将IA-BP智能算法运用到地应力场的反演研究中,可以为地下工程的建设提供依据。

基于正则化理论的地应力场反演及其工程应用

为了提高地应力场反演算法对观测误差的鲁棒性,提出了基于Tikhonov正则化理论的地应力场回归系数反演算法。研究表明,随着正则化因子的增加,最小二乘法法方程系数矩阵的条件数会逐渐减小,但目标函数却在逐渐增加,拟合精度也会逐步降低。为了提高反演模型的预测精度,提出了一种构造应力随埋深线性变化的假设模型。工程实际应用结果表明,与传统的矩形构造应力模型相对比,改进反演模型预测地应力的最大误差由10.96%变为1.93%,验证了所提出改进反演模型的精确性。考虑观测噪声的影响,数值模拟结果表明,所提出的地应力回归系数反演算法具有良好的鲁棒性。

滇东地应力场深度分带及其对煤储层渗透率控制

地应力贯穿于煤层气生产整个过程,对煤层气的勘探选区和工程实施具有重要的现实意义。为研究滇东地应力特征,收集了滇东地区15口井(35层煤)注入/压降试井数据。研究发现:滇东煤层埋深介于497.12~1234.31m(平均780.44m),破裂压裂介于10.26~22.31MPa(平均16.55MPa),闭合压力介于9.75~21.44MPa(平均15.52 MPa)。煤层的破裂压力与埋深、闭合压力均表现正相关性。滇东地区垂向地应力场可划分3部分,分别是走滑断层应力场(<700m)、过渡应力场(700~1000m)和正断层应力场(>1000m)。滇东地区煤储层渗透率为0.0045~1.86mD(平均0.1879mD),随着埋深的增加,表现为“先降低后增加”的趋势,与地应力场转化位置基本一致。煤储层天然裂缝的发育规律与现代地应力场垂直分布特征,共同控制滇东地区煤储层的渗透率。

非均质致密油藏三维地应力场数值模拟评价——以渤南油田Y176块为例

地应力是致密油气藏高效勘探开发的重要基础参数,渤南油田Y176区块致密油藏沙四上亚段断裂构造复杂和非均质岩石的力学性质导致区域地应力变化复杂。研究基于高精度三维层位、断层地震解释数据构建了区域三维地质模型,通过单井测井解释–井间地震体数据联合建模方法确定了非均质致密油藏岩石力学参数展布,进一步应用构造应变系数法开展三维地应力场模拟,结果与井点实测地应力大小、方向吻合较好。模拟结果表明:Y176块沙四上亚层段现今地应力数值呈西南低、东北高的分布趋势;油藏断裂构造和非均质岩性对局部地应力场影响显著,断块内及不同断块之间的现今地应力场差异明显。针对非均质性致密油藏的三维地应力数值模拟研究为渤南油田致密储层高效勘探开发提供了准确的三维地应力场数据。

地应力场的回归分析与工程应用实例

分析地应力场产生的原因及影响因素,阐述地应力场的回归分析方法,以地应力测点实测资料为基础,建立三维地质模型和数值计算模型,对安徽响水涧抽水蓄能电站厂址区域地应力场进行多元线性回归反演分析。对比实测应力与反演所得应力,两者数值上的差值最大为1.28 MPa,总体误差较小。说明采用应力回归计算求得的初始地应力场能够较真实地反映工程实际情况,可为设计、施工提供有效参考。

基于FLAC^(3D)的初始地应力场和二次应力反演研究

隧道高地应力所产生的岩爆或软岩大变形是最常见的隧道地质灾害,会对隧道工程安全施工造成严重影响,这些现象通常发生在构造应力较高的区域。如何准确地判断高地应力分布范围,对指导隧道施工具有极其重要的意义。传统的水压致裂法能够确定隧道初始地应力,但是测试过程非常复杂,测试成本较高。依据某高速公路隧道地质勘察资料和现场岩石试验资料,通过FLAC^(3D)软件建立隧址区地应力模型,经过反演可以得到隧道的初始地应力。研究结果表明,隧道埋深较大时,初始地应力场以竖直方向的应力σz为主,σz随着隧道埋深增加而增大的分布规律很明显。在水平面内X轴方向的应力σx和Y轴方向的应力σy,随着隧道埋深的增大,表现出一定程度的波动性,表明构造运动对水平方向的应力具有较大的影响。在研究初始地应力基础上,建立了隧道的局部模型,通过反演得到了隧道的二次应力大小及分布特征。

中国地应力场分布规律统计分析

查阅迄今为止中国现有的实测地应力资料,参照霍克–布朗的地应力分析、统计和拟合方法,形成实测平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的散点图,回归实测平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度的变化曲线并与霍克–布朗曲线进行比较,发现深度超过1 200 m以后,中国实测平均水平地应力与垂直地应力的比值统计值大于霍克–布朗曲线中值,且最大应力包线与霍克–布朗包线基本吻合,而最小应力包线的应力水平小于霍克–布朗包线的应力水平。进一步分析回归中国岩浆岩、沉积岩和变质岩等3种岩性的地应力统计结果,得到类似的回归曲线。统计结果对了解中国地应力场的宏观分布情况具有重要参考价值,对进行深埋地下结构分析计算和辅助设计具有重要的实用价值。

我国原位地应力测量与地应力场分析研究进展

随着我国交通、能源和水利水电等行业快速发展,在复杂地形地貌和地质条件下兴建大量岩土工程,尤其是深埋长隧道,原位地应力测量及其相关研究逾加重要。我国自20世纪60年代首次成功进行原位地应力实测以来,在地应力测量及相关研究方面已取得了长足进展。文中扼要介绍了我国地应力测量的发展历程,着重总结了在钻孔应力解除法、水压致裂法和其他常用原位地应力测量法及工程区初始地应力场分析研究方面所取得的进展,并结合我国区域构造应力环境和岩土工程的特点,对地应力测量和工程区初始地应力场研究方面的展望阐述了一点认识。

中国大陆现今地应力场黏弹性球壳数值模拟综合研究

中国大陆现今实测地应力场的状态与板块构造环境、活动断裂带分布、地形地貌以及地壳结构呈现一定相关性.在中国大陆西缘,印度洋板块与欧亚板块陆发生陆碰撞,在中国大陆东缘,菲律宾海板块、太平洋板块俯冲到欧亚板块之下.中国大陆内部被大型活动断裂带分割为多个块体,各个块体的地壳结构和厚度呈不均匀分布,地形地貌起伏具有很大的差异.笔者以中国大陆块体模型为基础,把板块构造作用和重力势作为主要影响地应力状态的两个主要要素,在现今活动构造、GPS和实测地应力等成果的约束下,利用线性黏弹体球壳有限元模拟分析了中国大陆现今地应力场的分布特征和控制因素.结果表明:(1)构造应力场总体上呈现出西部挤压,东部拉张的特征,印度板块与欧亚板块的持续碰撞形成了青藏高原及其周缘的挤压性质的构造应力场,而东部菲律宾板块与太平洋板块的俯冲形成了黄海、东海和环渤海区域的拉张性质的构造应力场,中间为拉张环境和挤压环境的过渡,最大主应力的方向受到板块构造环境和活动构造分布的控制;(2)重力的影响主要体现在地形梯度大和地壳厚度结构变化大的地壳浅部区域,在藏南、滇西北局部地区的地壳浅部由于受到重力势控制,呈现为张性应力场,在塔里木地区由于重力势引起的应力场与构造应力场同为挤压性质,因此该区的挤压强度得以增加;(3)中国大陆浅部地应力场的状态主要受到区域板块构造环境、块体边界活动构造带的展布和地形的控制,总体上以南北构造带为界,西部以较强的压性构造环境为主,东部为较弱的压性构造环境,藏南和滇西北局部地区存在有张性构造环境;构造应力对地应力的贡献比重随着深度增加而增加;(4)采用黏弹性模型的构造应力场模拟结果比完全弹性模型的模拟结果能够更好地与实测地应力场相吻合,利用完全弹性模型分析由地震等诱发的地应力瞬时变化是有效的;(5)青藏高原东南缘最大主应力方向发生了较大的偏转,其主要控制因素有:印度板块持续的碰撞、中下地壳对上地壳拖曳以及印度板块通过实皆断裂对欧亚板块的剪切拉伸作用.中国大陆现今地应力场是整个地壳岩石黏弹特性长期演化和断裂活动的结果,是地应力场动态演化过程中在现今时间点上的状态,受到板块构造环境、大陆内部活动断裂分布、地形地貌和地壳结构等因素不同程度的控制,模拟结果为中国大陆地应力场提供了一个定量的参考模型.

龙滩水电站左岸高边坡区初始地应力场反演回归分析

结合龙滩水电站左岸边坡区工程地质条件以及实测地应力资料,分析了研究区域初始地应力的影响因素。在各影响因素单独作用下,采用FLAC3D计算程序对建立的左岸高边坡三维地质概化模型进行计算;在实测点地应力值与计算得到的应力值之间建立多元回归模型,通过多元回归分析,求出最优回归系数。通过实测点的计算应力值与现场实测值的比较,两者在量值上相当且方向上接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得左岸高边坡区初始地应力场较为合理的分布规律,为左岸高边坡开挖模拟及长期稳定性分析提供了合理的三维初始地应力场。