基于应变片可靠性的三维地应力反演方法和相关设备

本技术涉及原岩应力测量，尤其涉及一种基于应变片可靠性的三维地应力反演方法和相关设备。

背景技术：

1、地应力（in-situstress），存在于地壳中的应力，是由于岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力，是地下洞室、隧道、矿山、边坡、地下实验室及能源地下工程设计和稳定性评价的重要基础参数。目前，工程中通常采用空心包体套孔应力解除法获取可直接观测的应变数据，具体是通过将具有多个不同方向应变片的空心包体应变计粘贴于钻孔内壁，再对包含所述应变计的岩芯进行套孔解除，以测量解除前后不同方向的应变变化。然后，根据岩石弹性参数和应力——应变转换关系反演测点处的三维地应力。

2、然而，在套孔应力解除过程中，不同应变片的测量质量并不一致。例如，个别应变片可能受到局部脱胶或粘贴不充分、岩体裂隙、局部非均质、钻进振动、导线接触、零点漂移、温度变化、仪器噪声、应变计安装角度误差以及应力解除岩芯局部破裂等因素影响导致异常。异常应变片的最终释放值可能偏离真实响应，其解除曲线也可能表现为突跳、持续漂移、非同步变化或不稳定，从而导致其对地应力反演结果产生较大的影响。目前，一般采用固定残差阈值或人工经验剔除异常数据，然而，阈值的选择依赖经验，导致主观性较强且容易造成误删或漏删，进而影响地应力反演结果的准确性和可靠性。

技术实现思路

1、本技术实施例的主要目的在于提出一种基于应变片可靠性的三维地应力反演方法和相关设备，从而降低异常应变片对地应力反演结果的影响，进而提高地应力反演的准确性和可靠性。

2、为实现上述目的，本技术实施例的一方面提出了一种基于应变片可靠性的三维地应力反演方法，包括：

3、获取围岩和空心包体应变计的几何参数以及弹性力学参数，并根据所述几何参数和所述弹性力学参数构建所述空心包体应变计的正演模型；

4、获取待反演地应力参数的当前取值，并根据所述正演模型和所述当前取值，分别确定所述空心包体应变计中多个应变测量通道的理论应变；

5、为每个所述应变测量通道分别设置通道状态参数，所述通道状态参数至少包括两个取值，所述两个取值分别对应于正常通道状态和异常通道状态；

6、获取每个所述应变测量通道的实测应变，并基于每个所述应变测量通道的实测应变和理论应变的残差，为每个所述应变测量通道构建分别与所述正常通道状态和异常通道状态对应的概率观测模型；

7、根据每个所述概率观测模型构建初始全局概率观测模型，并根据所述初始全局概率观测模型计算所述待反演地应力参数和所述通道状态参数的初始联合后验分布；

8、根据所述初始联合后验分布更新每个所述概率观测模型，并更新所述初始全局概率观测模型中每个所述概率观测模型的可靠性权重，以得到目标全局概率观测模型；

9、基于所述目标全局概率观测模型进行地应力反演，并输出地应力反演结果。

10、在一些实施例中，所述根据每个所述概率观测模型构建初始全局概率观测模型，并根据所述初始全局概率观测模型计算所述待反演地应力参数和所述通道状态参数的初始联合后验分布具体包括：

11、获取每个所述应变测量通道的应变解除曲线；

12、针对每个应变测量通道，根据对应的应变解除曲线提取至少一个曲线质量特征；

13、根据预设逻辑函数和至少一个所述曲线质量特征，确定每个所述应变测量通道的异常先验概率，并根据所述异常先验概率确定每个所述应变测量通道的初始可靠性权重；

14、根据所述初始可靠性权重和每个所述概率观测模型构建初始全局概率观测模型；

15、将所述待反演地应力参数、所述通道状态参数作为待求解参数，纳入所述初始全局概率观测模型，并结合所述待反演地应力参数和所述通道状态参数对应的先验分布得到初始联合后验分布。

16、在一些实施例中，所述根据所述初始联合后验分布更新每个所述概率观测模型，并更新所述初始全局概率观测模型中每个所述概率观测模型的可靠性权重，以得到目标全局概率观测模型，具体包括：

17、采用预设概率推断算法对所述初始联合后验分布进行求解，得到所述待反演地应力参数和所述通道状态参数的后验样本；

18、将每个所述应变测量通道对应的后验样本中，所述通道状态参数与所述异常通道状态对应的样本的比例，确定为每个所述应变测量通道的异常后验概率；

19、根据所述异常后验概率确定每个所述概率观测模型的可靠性权重；

20、根据所述可靠性权重确定每个所述概率观测模型的有效观测方差,并根据所述有效观测方差更新每个所述概率观测模型，得到更新后的概率观测模型；

21、根据每个所述可靠性权重和每个所述更新后的概率观测模型，确定更新后的全局概率观测模型；

22、将所述待反演地应力参数、所述通道状态参数纳入所述更新后的全局概率观测模型，并结合所述当前取值和所述通道状态参数对应的先验分布得到更新后的联合后验分布；

23、采用所述预设概率推断算法对所述更新后的联合后验分布进行求解，得到所述待反演地应力参数和所述通道状态参数更新后的后验样本；

24、将每个所述应变测量通道对应的所述更新后的后验样本中，所述通道状态参数与所述异常通道状态对应的样本的比例，确定为每个所述应变测量通道更新后的异常后验概率；

25、当所述联合后验分布的均值变化、所述联合后验分布对应的目标函数值变化或者所述异常后验概率的变化满足预设收敛条件时，将当前更新后的全局概率观测模型确定为目标全局概率观测模型，反之，则根据所述更新后的异常后验概率，返回执行所述根据所述异常后验概率确定每个所述概率观测模型的可靠性权重的步骤，直至所述联合后验分布的均值变化、所述联合后验分布对应的目标函数值变化或者所述异常后验概率的变化满足预设收敛条件。

26、在一些实施例中，在所述根据所述异常后验概率确定每个所述概率观测模型的可靠性权重之后，还包括：

27、根据每个所述应变测量通道的异常后验概率和每个所述概率观测模型的可靠性权重，确定当前有效观测矩阵；

28、根据所述当前有效观测矩阵进行当前地应力结果的可辨识性判断；

29、若判定当前地应力结果可辨识，则继续执行所述根据所述可靠性权重确定每个所述概率观测模型的有效观测方差,并根据所述有效观测方差更新每个所述概率观测模型，得到更新后的概率观测模型的步骤；

30、若判定当前地应力结果不可辨识，则终止迭代，并输出预设质量提示，所述预设质量提示用于提示当前地应力反演结果不可辨识。

31、在一些实施例中，所述根据每个所述应变测量通道的异常后验概率和每个所述概率观测模型的可靠性权重，确定当前有效观测矩阵，具体包括：

32、将所述异常后验概率高于预设范围的应变测量通道，确定为低有效通道；

33、根据除所述低有效通道以外的应变测量通道对应的可靠性权重确定当前有效观测矩阵。

34、在一些实施例中，所述根据所述当前有效观测矩阵进行当前地应力结果的可辨识性判断，具体包括：

35、若所述当前有效观测矩阵的秩、最小奇异值、条件数满足预设可辨识条件，则判定当前地应力结果可辨识；

36、若所述有效观测矩阵的秩、最小奇异值、条件数不满足预设可辨识条件，则判定当前地应力结果不可辨识。

37、在一些实施例中，本技术实施例的另一方面提出了一种基于应变片可靠性的三维地应力反演装置，包括：

38、第一构建模块，用于获取围岩和空心包体应变计的几何参数以及弹性力学参数，并根据所述几何参数和所述弹性力学参数构建所述空心包体应变计的正演模型；

39、确定模块，用于获取待反演地应力参数的当前取值，并根据所述正演模型和所述当前取值，分别确定所述空心包体应变计中多个应变测量通道的理论应变；

40、设置模块，用于为每个所述应变测量通道分别设置通道状态参数，所述通道状态参数至少包括两个取值，所述两个取值分别对应于正常通道状态和异常通道状态；

41、第二构建模块，用于获取每个所述应变测量通道的实测应变，并基于每个所述应变测量通道的实测应变和理论应变的残差，为每个所述应变测量通道构建分别与所述正常通道状态和异常通道状态对应的概率观测模型；

42、第三构建模块，用于根据每个所述概率观测模型构建初始全局概率观测模型，并根据所述初始全局概率观测模型计算所述待反演地应力参数和所述通道状态参数的初始联合后验分布；

43、更新模块，用于根据所述初始联合后验分布更新每个所述概率观测模型，并更新所述初始全局概率观测模型中每个所述概率观测模型的可靠性权重，以得到目标全局概率观测模型；

44、反演模块，用于基于所述目标全局概率观测模型进行地应力反演，并输出地应力反演结果。

45、为实现上述目的，本技术实施例的另一方面提出了一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前面所述的方法。

46、为实现上述目的，本技术实施例的另一方面提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前面所述的方法。

47、本技术实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。

48、本技术实施例至少包括以下有益效果：本技术提供一种基于应变片可靠性的三维地应力反演方法和相关设备,该方案通过获取围岩和空心包体应变计的几何参数以及弹性力学参数，并根据几何参数和弹性力学参数构建空心包体应变计的正演模型；获取待反演地应力参数的当前取值，并根据正演模型和当前取值，分别确定空心包体应变计中多个应变测量通道的理论应变；为每个应变测量通道分别设置通道状态参数，通道状态参数至少包括两个取值，两个取值分别对应于正常通道状态和异常通道状态；获取每个应变测量通道的实测应变，并基于每个应变测量通道的实测应变和理论应变的残差，为每个应变测量通道构建分别与正常通道状态和异常通道状态对应的概率观测模型；根据每个概率观测模型构建初始全局概率观测模型，并根据初始全局概率观测模型计算待反演地应力参数和通道状态参数的初始联合后验分布；根据初始联合后验分布更新每个概率观测模型，并更新初始全局概率观测模型中每个概率观测模型的可靠性权重，以得到目标全局概率观测模型；基于目标全局概率观测模型进行地应力反演，并输出地应力反演结果。本技术实施例通过为每个应变测量通道分别设置独立的通道状态参数，实现对异常应变测量通道进行识别，并且可以自适应调整多个通道的权重，从而降低异常应变测量通道对地应力反演结果的影响，提高反演结果的准确性和可靠性。