(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202211086021.0 (22)申请日 2022.09.06 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 115169163 A (43)申请公布日 2022.10.11 (73)专利权人 中国科学院武汉岩土力学研究所 地址 430071 湖北省武汉市武昌区水果湖 街小洪山2号 (72)发明人 秦雨樵　汤华　吴振君　葛修润　 张勇慧　袁从华　邓琴　尹小涛　 (74)专利代理 机构 武汉知伯乐知识产权代理有 限公司 42 282 专利代理师 赵伟红 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01)G06F 17/15(2006.01) G06F 119/12(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (56)对比文件 QIN Yuqiao;TANG Hua;et al. .Regional seismic slope assessment improvements considering slope aspect and vertical ground moti on. 《Engineering Geology》 .2019, 审查员 黄剑飞 (54)发明名称 考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地 应力计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑不规则钻孔和裂隙 形状的水压致裂地应力计算方法， 包括计算考虑 任意不规则钻孔和裂隙形状的映射函数表达式； 代入复变函数表达式中推导平面应变条件下远 场地应力与钻孔孔壁应力关系； 转换至极坐标 获 得水压裂隙方向与远场地应力最大主应力方向 关系； 构建无裂纹条件下裂隙应力影 响因子表达 式， 与临界应力强度因子对比确定裂纹破裂压力 与地应力分量关系； 确定关闭压力与地应力关 系； 根据封隔段压力时间曲线获得 实测裂纹起裂 压力和关闭压力； 扫描确定裂隙发育最终长度和 形状， 代入裂纹破裂压力与地应力分量关系、 关 闭压力与地应力关系中得到地应力分量大小； 能 够解决现有水压致裂方法测量地应力时精确性 差的问题。 权利要求书4页 说明书10页 附图3页 CN 115169163 B 2022.12.16 CN 115169163 B 1.一种考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法， 其特征在于， 包括如 下步骤： S1:获取钻孔真实形态， 计算 考虑任意 不规则钻孔和裂隙形状的映射 函数表达式； S2:将映射函数表达式代入平面应变问题的复变函数表达 式中推导并获得考虑任意不 规则钻孔和裂隙形状的平面应 变条件下远场地应力与钻孔 孔壁应力之间的关系式； S3:将所述平面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力之间的关系式转换至极坐标 下， 并对孔 壁切向应力求 导， 得到水压裂隙方向与远场地应力最大主应力方向之间的关系； S4:根据步骤S2获得的平面应变条件下远场地应力与孔壁应力之间的关系式分别构建 无裂纹条件下孔 壁附近裂隙应力影响因子表达式； S5： 将无裂纹条件下孔壁附近裂隙应力影响因子与临界应力强度因子进行对比， 确定 裂纹破裂压力与地应力分量之间的关系式； S6： 将任意形态裂纹代入步骤S2获得的平面应变条件下远场 地应力与孔壁应力之间的 关系式， 确定关闭压力与地应力之间的关系； S7： 在深钻孔中开展水压致裂法测试， 测量并得到封隔段的压力 ‑时间曲线， 并从压力 ‑ 时间曲线中得到实测裂纹起裂压力和关闭压力； S8： 重新获取钻孔的真实形态， 对测试段重新扫描并确定裂隙发育的最终长度和裂隙 形状， 代入步骤S3获得的水压裂隙方向与地应力最大主应力方向之间的关系， 得到地应力 分量方向； S9： 将步骤S8获得的裂隙发育的最终长度、 裂 隙形状和地应力分量方向代入步骤S5获 得的裂纹破裂压力与地应力 分量之间的关系式和步骤S6获得的所述关闭压力与地应力 之 间的关系式 中， 得到地应力分量大小。 2.根据权利要求1所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法， 其 特征在于， 步骤S1和步骤S8的所述获取钻孔的真实形态通过井径仪、 超声成像技术或微电 阻扫描技 术得到。 3.根据权利要求2所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法， 其 特征在于， 步骤S4中所述无裂纹条件下孔 壁附近裂隙包括张开型裂隙和滑开型裂隙。 4.根据权利要求1 ‑3中任一项所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计 算方法， 其特征在于， 步骤S1中考虑任意不规则钻孔和 裂隙形状的映射函数表达式的计算 还包括如下步骤： S11:对于无限域中的映射 函数采用洛朗级数 形式表示； S12:将步骤S1中的任意 不规则钻孔和裂隙形状的映射 函数转换至正交曲线坐标系下； S13:分离实部和虚部； S14:采用最优化方法迭代求解， 构建目标函数 ， 求解使目标函数 取最小值时R、 C1、 C2…、 Ck这k+1个实常数的值。 5.根据权利要求4所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法， 其 特征在于， 步骤S14中所述目标函数 通过式 （5） 和式 （6） 表示： （5）权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115169163 B 2（6） 其中， R、 C1、 C2…、 Ck为k+1个实常数； 表示洛朗级数的第 项； 表示任意不规则钻孔 和裂隙形状上的第 个点； 为实际坐标空间中第 个点到原点的距离； 为第 个点 在实际坐标空间中对应的与x轴正向的夹角； 为第 个点在映射坐标空间中对应的与x 轴正向的夹角； 为叙述单位。 6.根据权利要求5所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法， 其 特征在于， 步骤S2中所述平 面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力之 间的关系式推导包 括如下步骤： S21： 构建平面应变条件下孔壁在x方向上的正应力、 y方向上的正应力和xy平面上的切 应力通过映射 坐标空间的第一应力函数和第二应力函数表示的表达式； S22： 构建平面应 变条件下实际坐标空间钻孔应力边界条件的复变函数表达式； S23： 构建平面应变条件下映射坐标空间的第一应力函数和第二应力函数的边界值表 达式； S24： 构建平面应变条件下映射坐标空间中第一应力函数的余项和映射坐标空间中第 二应力函数的余项通过映射 坐标空间中钻孔 边界处的坐标值表示的关系式； S25： 通过比较同次项系数的方式求解步骤S24获得的所述平面应变条件下映射坐标空 间中第一应力函数 的余项和映射坐标空间中第二应力函数的余项通过映射坐标空间中钻 孔边界处的坐标值表示的关系式， 获得复数域上 的线性代数方程组， 从而确定映射坐标空 间中第一应力函数和第二应力函数 的表达式,进而得到平面应变条件下孔壁x方向上 的正 应力、 y方向上的正应力和xy平 面上的切应力的表达式， 即平面应变条件下远场地应力与钻 孔孔壁应力之间的关系式。 7.根据权利要求6所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法， 其 特征在于， 步骤S 3中所述水压裂隙方向与远场地应力最大主应力方向之 间的关系的获得还 包括： S31： 将平面应变条件下孔壁x方向上的正应力、 y方向上的正应力和xy平面上的切应力 的表达式转换至极坐标 下得到孔壁径向应力、 孔 壁切向应力和孔 壁切应力的解析表达式； S32： 对孔壁切向应力的解析表达式求导， 得到考虑任意不规则钻孔和裂隙形状的水压 裂隙方向与远场地应力最大主应力方向之间的关系。 8.根据权利要求7所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法， 其 特征在于， 步骤S21 中所述平 面应变条件 下孔壁在x方向上的正应力、 y方向上的正应力和xy 平面上的切应力通过映射坐标空间的第一应力函数和第二应力函数表示的表达式通过式 （7） ～式 （10） 表示： (7) （8）权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115169163 B 3