一．孔壁崩落的力学机制 |
根据弹性理论，在单项水平应力σ作用下的一个无限大矩形平板中,其内部为一均匀应力场。这时的应力分布状态为: |
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式中，θ由σ方向逆时针量取，σ r 、σ θ 和τ rθ 分别为径向，切向和剪切应力。 |
当在矩形板中心钻了一个半径为α的圆孔后，势必扰动原来的应力场，寻致应力的重新分布。这时，在圆孔附近的应力分布由基尔希方程给出： |
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而当γ=α时，也就是说，孔壁上的应力分布为: |
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由方程(3)可以看出,当  时,即在与σ垂直的孔径的两个端点上,切向应力σ θ 有最大值3σ，当θ＝0和π时，即在平行于σ的孔径的两个端点上，切向应力仅有极小值为-σ。 |
由上述可见，应力的集中，仅仅是在与σ正交的直径的孔壁上，切向应力取得最大值。而随着径向的延伸(即r逐渐增大)，在与σ垂直的方向(即  )上，切向应力变化为： |
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显然，切向应力σ θ 随着径向的延伸而迅速减小。当半径(r)等于几个钻孔半径时，切向应力就近似地等于施加应力(σ)。如当r＝1.3α时，σ θ ＝1.82lσ，而当r＝4α时，σ θ 就仅为1.0372σ。 |
地壳中的岩石，一般都是处在各向不等载荷的压应力作用下。对于一个沿直铅孔来说，它的横载面往往都是处于两项水平主应力σ 1 和σ 2 (σ 1 >σ 2 )的压缩之下。根据叠加原理，这时孔壁上(即r＝α处)的应力分布状态为： |
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 由上式可见，当  时，即在与最小水平主应力平行的钻孔直径的两个端点(M和N)，切向应力σ θ 达到最大值(σ θ ＝3σ 1 -σ 2 )；而当θ＝0和π时，即在与最大水平主应力平行的直径的两个端点(P和Q)，切向应力σ θ 达到最小值(σ θ ＝3σ 2 -σ 1 图2)。根据脆性破裂理论，当作用在M和N点处的切向应力，达到或超过该点处的破裂强度时，就会使孔壁岩石崩落，形成崩落椭圆孔段，其长轴方向与最小水平主应力方向平行。
二．钻孔崩落椭圆的形成条件
在不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度，因而在地壳应力场的作用下，能够发生弹性变形，并可以在孔壁附近引起应力集中。
钻孔崩落椭圆的形成，必须满足一定的地应力场条件，即最大水平主应力与最小水平主应力不相等。如果钻孔处于各项均匀的地应力场中(即σ 1 =σ 2 )，这时沿钻孔圆周的切向应力σ θ ≈2σ 1 ，假定岩石也是各项均匀的话，则不会产生优势方向的孔壁崩落现象。
大量的地壳应力测量资料表明，在地壳中各项应力都存在着明显差异，而且两项水平主应力值及其差值(σ 1 -σ 2 )，大都是随深度呈线性增加的。因此，一般来说，形成钻孔孔壁崩落的地应力场条件是普遍存在的。 |
三、钻孔崩落椭圆的测量方法 |
1．测量方法 
钻孔孔径的大小和方向是由四臂地层倾角井径测井仪直接测量的。我国的许多油田，大都是使用斯仑贝谢测井公司的测量装置。
这种测量装置的四臂相交成90°，且I一III和II—IV测臂彼此正交。其四臂均由液压驱动，使之与孔壁紧密接触。当测井电缆由孔底以一定速率向上提升时，则井下装置总是以一定速率旋转。当井下测量装置上升到崩落椭圆孔段时，其中一对测臂旋转到椭圆孔段的相对长轴方向，且自动伸开，与之正交的另一对测臂则处于接近钻孔直径的相对短轴方向。这时，由于一对测臂嵌入到钻孔崩落的长轴孔径中，因而不再转动，随着测井电缆的不断提升，而连续地测量孔径的变化。
2．崩落椭圆长轴方位角的计算
四臂地层倾角井径测井仪除直接测量两条相互正交的井径曲线(即C l-3 和C 2-4 井径外)，由于该仪器装有一套相应的磁定向装置，还同时记录有C 1 极板的相对方位角，井斜方位角以及井斜角。它们之间的几何关系如图4所示。
{Ⅰ,Ⅱ,Ο,Α}为仪器坐标系，(Ο，E，N，V)为大地坐标系，仪器平面和水平面相交于直线FF'，平面M过直线OA和OV，并和仪器平面，水平面分别相交于直线DD'、BB'。显然，直线FF'⊥M，而且＜BOD就等于井斜角，同时，OB和OB'分别为OD和OD'在水平面上的垂直投影，OB和磁北极N的夹角就是井斜方位角，在仪器平面上OI和OD的夹角为相对方位角，α为其在水面上的垂直投影角；OI'为OI在水平面上的垂直投影，它和磁北极N的夹角就是C l 极板的方位角。由上述得到： |
PIAZ＝AZIM+α． (6) |
由于在四臂地层倾角测井曲线图上，并不记录α角，因此由图4，设  为单位矢量，在仪器坐标系中它的坐标为 ＝(0，1，0)，设 在坐标系(O，F，B，V)中的坐标为 ＝(I F ，I B ，I V )，则由图4可知： |
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式中；PIAZ为C l 极板的方位角；AZIM为井斜方位角；DEVI为并斜角；RB为C l 极板相对方角位。 |
实际上，由于井斜角一般都很小(大多小于5°)：即cosDEVI值近似等于1，故(7)式可简化为： |
PIAZ≈AZIM十RB (8) |
如果C l-3 井径曲线是长轴井径，则崩落椭圆长轴方位角(o)就等于PIAZ。即： |
α＝PIAZ． (9) |
当C 2-4 井径曲线为长轴井径时，其长轴方位角(α)则为： |
α＝AZIM十RB十90° ． (10) |
在有些测井记录中，有时直接记录C 1 极板方位角(PIAZ)，这时，我们可以直接从图上读取其长轴方位角。 |
3．钻孔崩落椭圆的特征与识别 |
根据形成钻孔崩落椭圆力学机制的分析，我们把崩落椭圆的特征归纳如下： |
1)钻孔横截面具有明显的长轴方向。在四臂地层倾角井径测井记录图上，一条井径曲线比较平直，接近或等于钻头直径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多。 |
2)椭圆孔段在深度上具有一定的长度。在同一个钻孔的不同深度上，这种崩落孔段有时较短，为几米或几十米，有时相当长，达几十米，甚至上百米，但其长轴方向基本不变，而且井径仪在崩落段的顶，底面均在旋转运动。 |
3)在钻孔横截面的两个正交方向上均有扩径现象，但一条井径曲线扩径幅度不大；而另外一条则大得多，仍保持有相当明显的长轴方向，而者扩径幅度截然不同。四条电导率曲线均较稳定或同步变化。 |
对于由断层破碎带，高角度自然裂隙等所形成的椭圆孔段，由于在双井径曲线上它们形态相似，难于辨别真伪，需要借助于用来确定地层倾角的四条电导率曲线的分析，将该孔段划分出来，予以剔除。 |
对于由断层破碎带，高角度自然裂隙等所形成的椭圆孔段，由于在双井径曲线上它们形态相似，难于辨别真伪，需要借助于用来确定地层倾角的四条电导率曲线的分析，将该孔段划分出来，予以剔除。 |
空芯包体应力测量方法，采用钻孔套芯应力解除法进行，使用KX一81型空芯包体式三轴应力计，它可在单孔中求得该点的三维应力状态，在实验室中测定的主应力误差为3％，方向误差为2°- 4°。 |
一、钻孔套芯应力解除 |
套芯应力解除法的过程是：在需要测量应力的地方，打一个Φ130mm的钻孔，至一定深度时，将孔底磨平，再打一个喇叭孔(起导正作用)，在大孔中心钻一个Φ36mm的测量小孔，测量孔的深度约为36mm，然后在测孔中安装测量探头，探头引线与孔外测量仪器相接，测得初始值。如果是进行相对值测量，设备安装工作就此结束，此后间隔一段时间再测探头的数值，就可测出应力随时间的变化情况。
绝对应力测量是在测量小孔外，再用Φ130mm口径的钻头同心钻进，开挖应力解除槽，在钻进过程中，导线从钻杆中心穿过，由水节头处引出与测量仪器相连，监视解除过程中的变化，随着应力解除槽的加深，岩芯逐渐与外界应力场相隔离，岩芯发生弹性恢复，仪器测值随着发生变化，直至仪器读数不再变化时，停止钻进，取出岩芯。应力解除槽钻出前后仪器的读数差值即为解除读数值。
通常每钻进3cm深，仪器读数一次，求得仪器读数随解除深度的变化曲线，称为应力解除曲线。此曲线的变化规律是判断原始资料可靠程度的重要依据之一。
取出带有测量探头的完整岩芯后，通常在现场进行围压率定试验。它是将岩芯放进围压率定机中，然后在岩芯上施加围压，随着压力的变化，仪器读数也跟着变化，从而作出压力与仪器读数的关系曲线，称为率定曲线。此曲线可判断孔中各探头是否处于正常工作状态，有利于我们综合判定原始资料的可靠性。从率定结果可以求出岩石的弹性模量和泊松比。
为了取得更接近实际的真值，通常在单孔中进行多次测量，然后进行统计处理分析，尽量减少测量误差和人为误差。
根据现场取得的原始资料，在室内进行资料整理，利用最小二乘法进行数据处理，求出应力状态。此过程的计算很繁杂，目前，我们已编制成电子计算机程序，处理就方便多了。若是平面应力计算，可求出最大主应力大小及方向和最小主应力的大小；若是空间应力测量，可求出最大、中间、最小主应力的大小、方向和倾角。 |
二、 KX一81型空芯包体式三轴应力计的结构 |
应力计是由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成的。将三枚应变花(每枚应变花有四个应变片)沿环氧树脂筒圆周相隔120°粘贴(图9)。然后再用环氧树脂浇注外层，使电阻应变片嵌在筒壁内，外层厚度约为0.5mm，在应力计的顶部有一个补偿应变片。
环氧树脂圆筒有一个内腔，用来装粘结剂，另有一个环氧树脂柱塞，如图10所示。使用时，将圆筒内腔7装满粘结剂，然后将柱塞10插入内腔约3cm深处，用固定销8将其固定。柱塞的另一端有一导向定位头13，以便应力计顺利安装在小孔中所需要的位置上。将应力计送入钻孔中预定位置后，用力推动安装杆1，可使固定销切断，继续推进可使粘接剂经柱塞小孔11流出，进入应力计和小孔孔壁之间的间隙里，经过一定的时间，粘接剂固化后，即可进行套芯解除。 |
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图 9 应变花位置分布图（图中A、B、C为三组应变花） |
应力计的外径为35.5mm，工作长度为150mm，可安装在直径为36—38mm的小钻孔中。
应力计具有良好的绝缘防水性能。
使用EX数字式电阻应变仪进行读数，最小读数为一个微应变。量程为±2000微应变。 |
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图 10 KX-81型空心包体三轴地应力计结构示意图 |
1-安装杆；2-定向器导线；3-定向器；4-读数电缆；5-定向销；6-密封圈；7-环氧树脂筒；8-空腔，内装粘胶剂；
9-固定销；10-应力计与孔壁之间的空隙；11-柱塞；12-岩石钻孔；13-出胶孔；14-密封圈；15-导向头；16-应变花 |
地应力测量系统包括YG-73型和YG-81型压磁应力计，DLD-数字应力仪， CW-250传感器，围压率定机以及定向装置。实验证明该测量系统是可靠的。在实验室条件下，最大主应力相对测量误差一般小于5％，方向误差小于3％(用标准棱柱检验其误差小于3％)。完全满足地应力测量工作的需要。测量精度一般超过其它类似的方法。 |
一、地应力测量过程 |
 在需要测量地应力的那一点上，钻一个直径约 36mm的小孔，把应力计安装在小孔中的适当位置，定向，同时给应力计施加预应力，并把仪器的读数记录下来。然后套心，即钻一个与小孔同轴的大孔(直径约150mm或130mm)，称为释放槽(图 3.1.1)。释放槽开完后，由于岩心发生弹性恢复，小孔的直径发生变化。于是应力计上的负荷跟着发生变化。因而仪器读数也跟着变化。应力释放槽开出前后仪器的读数之差即为“记录应力值”。
在解除过程中，随时进行仪器读数，比如每进尺2-3cm读数一次。当仪器读数不随解除钻进变化时，停止解除，并取出岩心。将带有元件的岩心，放入围压率定机中进行元件的率定以得到率定曲线。
利用三分量应力计可在三个直径方向上得到三个读数。根据这三个读数，能够计算出垂直于钻孔平面内的主应力的大小及方向。
如果需要进行三维应力测量，则需要在互相正交的三个钻孔中至少得到6个读数，才能计算三个主应力。
为了使结果更加可靠，一般要进行多次测量，用最小二乘法进行处理。 |
二、应力计的总体结构及使用方法 |
1、YG-73型压磁地应力计的总体结构 |
YG-73型压磁地应力计的总体结构如图3.2.10所示，外观见图版I-1，它由预加应力系统和三个互成60度角的传感器组成。预加应力系统主要由接头、反螺纹 连接筒、加力杆、加力螺母、空心螺丝、弹簧销、套筒、拉架、拉架接头、定向扁铲等组成。 |
2、YG-81型压磁地应力计的总体结构 |
YG-81型压磁地应力计的结构如图3.2.11所示，外观见图版I-2，图中序号1-14为预加应力系统；序号15-31为传动连接器；序号32-34为互成60度角的三个压磁传感器。 |
YG-81型压磁地应力计的结构与YG-73型的区别在于预加应力系统不同。前者预加应力系统操作较方便，但构造复杂。后者构造简单，但操作不如前者方便。 |
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3、两种压磁地应力计的使用 |
两种压磁地应力计现场使用的工序都可分为以下几步： |
①钻孔
用131mm直径钻头钻进至预定深度，再用锥形钻头钻一个喇叭口，长度为30-50mm。然后用36mm钻头钻测量小孔，并将孔内泥沙冲洗干净。 |
②下定向座
将定向座连接到钻杆上，扁铲与定向底座间用销钉铆接。当把定向座送至孔底时，利用钻机加压，以切断销钉，于是底座与测孔孔壁卡牢。并用定向仪测定底座缺口的方位。 |
③应力计的下井安装
将压磁应力计的每个传感器调整到最小尺寸，接到钻杆上，同时测量下井前各压磁传感器的读数。然后向孔内推送，使应力计的扁铲进入底座的定向缺口。 |
④预加应力
应力计的扁铲进入底座的定向缺口之后，旋转钻杆可以使应力计预加应力。在预加应力的过程中，监视传感器读数的变化，当达到预定读数后，停止预加应力。 |
⑤穿线、冲水、套心
压磁地应力计预加力完成之后，其导线需从钻杆中穿过，并对应力计进行冲水，待读数稳定后即可进行套心。在套心过程中对仪器读数进行记录。 |
⑥率定
套心后，将带有元件的岩心放入元件率定机中进行率定，划出率定曲线。 |
