定向钻孔地应力方向的精细刻画方法、设备及存储介质与流程

本发明涉及地质勘探，具体而言，涉及一种定向钻孔地应力方向的精细刻画方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、在地质勘探与地下工程建设中，超深钻孔取心是获取深部地层岩性、结构及地应力状态最直接且有效的手段。随着地下空间开发向深部拓展，对原位地质特征的刻画精度要求日益提高，绳索取心工艺因其高效性被广泛应用，通过随钻测量获取地层产状及物理参数，对反演区域地质构造演化、指导工程选址具有重要意义。就目前而言，在现有的深部地质勘探取心作业中，一方面，受限于超深孔内复杂的地质环境，传统作业难以实现岩芯取出后的精准三维空间复位，导致原状地层走向与地应力方向信息严重丢失。另一方面，由于目前作业缺乏对岩芯空间姿态的有效仿真与建模能力，不仅无法精细刻画潜在的滑动面，而且难以将零散分布的坐标参数转化为可视化的三维地质力学模型，不仅使得反演的原地应力场分布误差较大，而且极易误判地层稳定性，进而引发坍塌或突水等重大工程灾害，极大地增加了施工风险与勘探成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种定向钻孔地应力方向的精细刻画方法、设备及存储介质，其通过岩芯姿态仿真精准还原地下原始产状，并结合三维建模反演真实地应力方向，不仅实现了地层结构的可视化，而且有效规避了工程盲掘的地质风险，显著提升了深部勘探精度。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种定向钻孔地应力方向的精细刻画方法，包括：

4、在目标地区选取孔段下钻获取定向岩芯样本，基于随钻陀螺惯性导航测斜及内管卡簧座柔性刻画标定，获取定向岩芯样本的顶角、方位角和工具面角；

5、基于顶角、方位角和工具面角，将定向岩芯样本还原至原始产状，以判断定向岩芯样本的地质稳定性，并获取定向岩芯样本中的地应力方向；

6、以下钻位置为空间坐标原点，计算定向岩芯样本的上下两端的空间位置，并结合地层组成和走向信息进行空间建模，得到地层结构模型；

7、基于定向岩芯样本上下两端面的夹角，确定下一下钻方向和位置，并基于下一下钻方向和位置重复执行上述获取定向岩芯样本、还原原始产状及空间建模的步骤，直至选取相互距离最远且目标层位样本上下端面距离最近的三处下钻位置，以形成目标区域；

8、获取目标区域内的孔内水压致裂测试数据，将孔内水压致裂测试数据与地层结构模型进行对比分析，反演得到区域地层走向与地应力方向。

9、进一步的，基于顶角、方位角和工具面角，将定向岩芯样本还原至原始产状，以判断定向岩芯样本的地质稳定性，包括：

10、通过复位装置对定向岩芯样本进行物理复位与空间姿态仿真；

11、根据顶角、方位角和工具面角，将定向岩芯样本还原至原始产状；

12、基于还原至原始产状的定向岩芯样本，判断样本层面是否存在断裂或流体渗透；

13、若定向岩芯样本存在断裂或流体渗透，则更换目标地区重新获取定向岩芯样本；若不存在，则执行计算定向岩芯样本的空间位置。

14、进一步的，计算定向岩芯样本的上下两端的空间位置，包括：

15、选择钻井的入口位置作为坐标系原点，以建立三维坐标系；

16、根据定向仪获取的顶角和钻进距离，计算定向仪在水平方向的水平位移和垂直方向的垂直位移；

17、根据水平位移、垂直位移和方位角，在三维坐标系中累加更新得到定向仪的目标位置坐标；

18、结合目标位置坐标、顶角、方位角、定向仪距离岩心管上端的距离以及岩心管样本上下两端的距离，计算得到定向岩芯样本上下两端的空间坐标。

19、进一步的，计算得到定向岩芯样本上下两端的空间坐标，包括：

20、计算定向岩芯样本上端坐标：

21、

22、计算定向岩芯样本下端坐标：

23、

24、其中，为目标位置坐标，为顶角，为方位角，为定向仪距离岩心管上端的直线距离，为岩心管样本上下两端的距离。

25、进一步的，结合地层组成和走向信息进行空间建模，得到地层结构模型，包括：

26、合并相邻孔段同一种类的定向岩芯样本的参数；

27、通过神经网络输出地层组成和走向信息，结合计算得到的定向岩芯样本上下两端的空间位置进行三维建模，还原地层走向；

28、结合现场应力传感器贴片还原的地应力释放方向，将空间建模的结果转换为可视化的地层结构模型。

29、进一步的，基于定向岩芯样本上下两端面的夹角，确定下一下钻方向和位置，包括：

30、分别测量定向岩芯样本上端面与水平面之间的夹角以及下端面与水平面之间的夹角；

31、计算上下两端面之间的夹角绝对值；

32、将夹角最大一侧确定为下一下钻方向，并在设定范围距离处确定下一下钻孔段位置。

33、进一步的，基于定向岩芯样本上下两端面的夹角，确定下一下钻方向和位置，还包括：

34、通过在内岩心管卡簧座端部固定的柔性划线头，在定向岩芯样本进入内岩心管时对样本进行滑刻，以在定向岩芯样本上形成定向参考用的长凹槽；

35、根据长凹槽在定向岩芯样本上的位置以及柔性划线头和定向仪的固定相对方位，结合定向仪的方位数据，计算得出定向仪方位零点相对于坐标原点的夹角；

36、基于定向仪方位零点相对于坐标原点的夹角求出定向岩芯样本相对于坐标原点的方向参数，并结合深度和上下两端面的夹角参数判断目标地层的走向，进而辅助确定下一下钻方向。

37、进一步的，获取目标区域内的孔内水压致裂测试数据，将孔内水压致裂测试数据与地层结构模型进行对比分析，反演得到区域地层走向与地应力方向，包括：

38、获取目标区域内三个下钻位置的水压致裂压力数据、孔内电视的裂隙影像以及定向岩心的地应力测试结果；

39、对比三个下钻位置的地应力测试方向和应力大小，识别应力集中区与稳定区；

40、将地应力测试结果输入地质力学模型中，模拟原地应力场分布；

41、将模拟所得的原地应力场分布与实际测试数据进行对比以优化模型参数，反演得到区域地层走向与地应力方向以用于制定挖掘方案。

42、一种电子设备，包括：处理器；以及与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行上述的定向钻孔地应力方向的精细刻画方法。

43、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指令，所述计算机指令用于使计算机执行上述的定向钻孔地应力方向的精细刻画方法。

44、本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

45、本发明一方面能够对超深定向岩芯进行空间姿态仿真与物理复位，精准还原岩样的原始产状与地层走向；另一方面，结合多孔段空间坐标计算与三维建模技术，不仅实现了复杂地质结构的可视化展示，而且能够精准识别应力集中区与稳定区，不仅大幅降低了深部挖掘作业遭遇突水或坍塌灾害的概率，而且有效优化了原地应力场的模型参数，显著提升了工程建设的安全性。