精准测量深部原位地应力的应力解除技术——挑战与解决方案

李鹏 ,  刘岩 ,  蔡美峰 ,  苗胜军 ,  李远 ,  胡云进 ,  Mostafa Gorjian

Engineering ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3) : 9 -15.

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Engineering ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3) : 9 -15. DOI: 10.1016/j.eng.2024.12.010
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精准测量深部原位地应力的应力解除技术——挑战与解决方案

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The Overcoring Technique for Precise Measurement of In Situ Rock Stress at Great Depths: Challenges and Solutions

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李鹏,刘岩,蔡美峰,苗胜军,李远,胡云进,Mostafa Gorjian. 精准测量深部原位地应力的应力解除技术——挑战与解决方案[J]. 工程（英文）, 2025, 46(3): 9-15 DOI:10.1016/j.eng.2024.12.010

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1 引言

地球表面及内部的各种地质现象以及相关的物理、化学过程都与原位地应力密切相关[1‒5]。了解深部岩体的应力状态，不仅是研究地质学、地球物理学和地球动力学等科学问题（如板块驱动机制、地球能量平衡、地震机制和构造活动等）的基础，同时也是评估、开发和处置深部能源与资源（如煤炭和金属矿产）的必要前提。由于原位地应力起源复杂且存在不确定性，与其他岩石性质相比，它更难以评估。目前，区域内应力状态的可靠信息只能通过现场应力测量来确定。世界各地已经开发并应用了多种应力测量技术，用于提供特定深度范围内地壳现今的地应力信息[6]。

在已开发的众多应力测量技术中，1963年开发的套孔应力解除（OC）法是一种相对成熟且合理的方法，用于确定岩体中某一点的三维应力状态。但与其他方法相比，它对地质条件的要求更高。OC技术通过应力解除将岩芯从地下应力中隔离出来，并在需要评估应力的部位附近，利用仪器化装置测量解除应力后的岩芯应变或变形（图1）。这一方法基于“恢复原理”，即在应力解除过程中，利用仪器化装置（如CSIR三轴应变计、CSIRO空心包体应变计或USBM应力计[7]；图2）记录的弹性应变或变形，结合已知的岩芯变形参数，通过相关公式计算出完整的应力张量[8]。

图3展示了使用仪器化装置的OC测量地应力的典型主要流程。首先，在岩体中钻一个大直径钻孔，达到所需深度以进行地应力测量。随后，在大直径钻孔的末端钻一个同心的小直径导向孔。导向孔钻成后，会释放周围岩体中的一部分弹性应力。下一步，将仪器化装置插入导向孔并牢固黏附到孔壁上。最后，通过套孔操作取出一个空心岩芯（其内径由导向孔决定、外径由钻头内径决定），并同步记录仪器化装置内与应力解除相关的应变或位移变化。该技术可以通过单次测量估算三维应力状态。据统计，全球约80%的应力数据是使用OC技术测得的[9]，因此该技术受到了科学家和工程师的广泛关注。

尽管OC技术具有许多优点，但其在深部岩体应力测量中的局限性也显而易见。使用OC技术测得的岩体应力是一个点张量，且测量应力结果受到多方面不确定性的影响，包括现场地质和环境因素（如地质构造、岩石的各向异性与非均质性、岩石温度和孔隙水压力）、测量仪器精度以及数据分析和解释方法等。尤其是在深部环境中，岩体通常具有高地应力、高温和高水压的特点。该方法还表现出强烈的时效特性，这可能导致测量的应力数据具有强随机性和高变异性。因此，精确测量深部岩体应力面临重大挑战。要想提高应力测量的可靠性和精度，充分理解并有效控制所有已知的局部或区域影响因素和误差源至关重要。本研究重点分析了当前OC技术在深部精确应力测量中面临的主要挑战，并提出有针对性的潜在解决方案，以提高OC测量的准确性和可靠性，特别是在复杂岩层和极端条件的环境中。本文还为未来的研究提出了建议，并为深部原位地应力相关的尖端科学问题的探索以及实现深部能源资源的安全高效开发提供了新的思路。

2 主要挑战

众所周知，岩石应力测量的可靠性取决于测量技术和设备以及所测岩石本身的性质。多种内源性或外源性因素会影响OC技术的测量精度。使用OC技术精确测量深部应力面临的挑战主要源于以下因素。

2.1 岩石各向异性

国际岩石力学学会推荐的通过OC技术评估岩体应力的方法[7]强调，应通过对仍与探头连接的岩芯进行围压率定试验来获得变形参数。该方法假设岩石是连续、均质、各向同性的，并表现出线弹性行为。因此，从测量原理到计算应力大小和方向的公式，OC技术始终建立在岩石为各向同性的理论之上。然而，实际岩体中存在大量孔隙、裂隙、节理以及不均匀的矿物成分和颗粒结构，使其力学性质具有各向异性。从完整岩样到整个岩体，不同尺度的岩体均存在各向异性。在应力大小与方向的计算过程中，如果不考虑岩石的各向异性，计算出的应力大小和方向的误差在某些情况下可能分别高达50%~80%和90°~100° [10]。如此大的误差在实际应用中显然是不可接受的。尽管岩石各向异性可以通过各种分析和数值方法来解释，但目前在探索和表征各向异性岩石方面仍存在挑战。目前，针对各向异性岩石的实验室和现场实验分析所采用的本构关系，仍高度依赖简化的正交各向异性和横观各向同性线弹性模型。

2.2 岩石温度

OC技术使用应变计（如三轴应变计和空心包体应变计）来测量小孔变形或应变。与许多其他应变测量装置一样，电阻应变计作为测量元件，其应变变化根据惠斯通电桥原理转换为电阻变化；电阻变化再被转换为电压变化并被记录下来。由于电阻应变计对温度极为敏感，其电阻会随温度变化而偏移，从而在电桥中产生相应的输出电压，导致计算出虚假的附加应变值。例如，一个常规的120 Ω电阻应变计，温度系数为100 ppm（百万分之一）·℃-1，温度变化为1 ℃时，可引起高达50 με的附加应变。为了消除温度变化引起的附加应变，必须采取相应的温度补偿措施。然而，传统的温度补偿方法不适用于胶结式应变计，因为当温度变化时，补偿应变计与工作应变计感测到的应变值并不一致。另一个尚未受到足够重视的问题是温度变化对传统有线应力计导线的影响。计算表明，在温度变化为1 ℃时，每个应变计的两根导线可额外引入数十个虚拟微应变。

另一方面，对于深部高温岩体（例如，由于地热梯度，在几千米的深度，岩石温度通常可达70 ℃甚至更高），在必要的钻孔和OC过程中，循环注入的低温钻井液（通常为室温水）会不可避免地冷却钻孔周围的岩体，而温度下降会产生应力变化。例如，给定热膨胀系数α = 9 × 106 K-1、弹性模量E = 45.5 GPa和泊松比ν = 0.26，当温度变化ΔT = 10 ℃时，产生的应力变化Δσ = αEΔT/(1-ν) = 5.53 MPa。由此可见，热致应力变化不容忽视。然而在实践中，温度变化对钻孔周围变形和应力重新分布的影响尚未受到广泛关注，并且缺乏包含该影响的有效分析方法。因此，目前不得不采用传统的OC分析方法，但这限制了对计算结果的接受度。

2.3 岩石变形参数的确定

在使用测量的变形或应变计算应力张量时，需要知道岩石的变形参数，即弹性模量和泊松比。特别是，弹性模量对应力计算精度有重要影响。无论现场测试仪器是否存在误差，弹性模量测定中产生的任何不准确都会增加测得应力值的误差。如果弹性模量误差过大，应力计算结果可能完全失效。然而，传统的计算理论通常假设岩石是线弹性的，且其变形参数为常数，忽略了应力水平对弹性模量的影响。事实上，大多数岩石——特别是深部岩体——并非线弹性，其弹性模量会随应力水平变化，呈现出普遍的正相关性[11]。因此，使用高应力水平下的弹性模量去计算低应力，或使用低应力水平下的弹性模量计算高应力，都会导致计算结果出现较大的误差。此外，建议通过围压率定试验确定变形参数；这是最科学、经济的测试方法，因为岩石的变形参数必须能够真实反映应变计所在位置的岩体特性，以确保应力计算结果的准确性。然而，目前市场上大多数围压率定设备只能提供较低的围压（通常小于60 MPa），难以模拟深部岩体的高应力状态。这就可能导致获得的变形参数与实际应力水平不一致。

2.4 钻孔影响

迄今为止，OC应力测量中尚未考虑钻孔的影响。在深部岩体中钻孔时，深部岩体所处的高应力环境要求钻机设备具有强大的动力才能成功钻孔。这会不可避免地导致钻头和钻杆在钻进过程中产生强烈的机械振动和高载荷冲击，从而在钻孔壁周围数厘米甚至数十厘米范围内的岩体中诱发大量人工微裂隙。在实际测量中观察到，越靠近钻孔壁，微裂隙越多。这些微裂隙会显著降低岩石的变形和强度参数，导致岩石各向异性增强。结果就是，钻孔壁的力学性质呈非均匀分布，可能导致应力测量结果严重失真。因此，钻孔的影响显然不容忽视。

2.5 时效效应

深部岩体常处于高温高压环境中，因此表现出强烈的时效效应和显著的蠕变行为。深部岩体的蠕变行为可能导致应力与应变之间的关系偏离弹性定律，即应力与应变之间不存在一一对应的关系。换句话说，在这种情况下，一个应变值可能对应多个应力值；同样，一个应力值也可能对应多个应变值。深部岩体的钻孔和应力解除过程通常需要数小时甚至更长时间，具体取决于岩石条件和钻机性能。在某些情况下，由于深部岩体的时效效应，钻孔壁周围的岩石在几分钟后就可能产生显著的蠕变应变（10-4~10-1）。如果所有蠕变应变都被误归为弹性应变，那么由此产生的应力计算误差可能达到数兆帕甚至数十兆帕，从而使应力测量结果失去意义。

2.6 地下水

地下水是岩石存在的主要环境之一。水对岩石性质的影响与岩石结构密切相关，主要体现在两方面：一是物理和化学效应，如改变岩石的成分和结构；二是力学效应，如静水压力和渗流（水动力压力）。大量实验研究表明，水的存在会显著削弱岩石的力学性质。尤其是，深部岩体中的高水压会改变岩石的力学行为以及岩石所处的应力环境。在使用OC技术时，深部岩体中必要的钻孔操作不仅会导致岩石应力的释放（卸载），还会导致岩石中孔隙水的流失，从而引起局部高水压分布的变化，并引发岩石力学参数（如强度和弹性模量）、孔隙应力、渗流场和应力场的变化，进而影响应力测量结果。特别是，岩层中孔隙压力的变化会导致地应力——尤其是两个水平主应力——发生显著改变[12‒13]。不过，地下水对应力与孔隙压力变化的影响目前尚未得到充分研究。

2.7 软岩应力测量

目前，OC技术主要用于测量硬岩或中硬岩的应力，但在软岩中的测量效果并不理想。在软岩中使用该技术时，会出现两个主要问题[14]：一是与应力重新分布有关；二是与应力释放引起的应力集中有关。软岩——特别是深部软岩——具有显著的蠕变特性，这在煤层、盐岩等软岩中尤为突出。现有OC测量理论中的岩石本构方程并不适用于软岩，也无法表征其蠕变行为。在原本处于平衡状态的蠕变软岩中钻孔会产生应力梯度，而该梯度可能受到钻孔过程中发生的非弹性应变的影响。应力梯度将逐步导致钻孔周围应力随时间重新分布，直到达到新的平衡状态。由于OC应力测量是在钻孔中进行的，因此必然会受到这种应力重新分布的影响。此外，导向孔周围的应力与导向孔周围刀具通道限制的边界条件共同作用产生应力前锋，应力前锋的移动会引起钻孔的径向位移（即收敛）[14]。应力前锋对导向孔的加载是在超过先前的应力下完成的，即在某些软岩条件下甚至超过屈服点，从而导致显著的非弹性应变，这些应变在OC完成后也无法恢复。应力前锋效应会导致计算出的应力被显著低估，因为恢复的位移是通过最终钻孔直径减去初始直径来计算的。因此，传统的OC技术若不修改技术手段或计算模型，就不能直接用于软岩的应力测量。

3 潜在解决方案

为了解决上述挑战，必须在理论创新、技术变革和操作层面采取新的措施，以提高OC技术在深部测量中的精度。针对前文提到的各类影响因素，提出了以下对策：

（1）岩石各向异性。在各向异性岩石中，OC测量结果很大程度上取决于岩石的各向异性特征、各向异性程度以及各向异性平面与实施OC的钻孔方向的关系。因此，首要前提是充分认识岩石的各向异性特征及其对OC应力测量的影响。在进行OC应力测量之前，应开展详细的岩石力学试验，以获取测量区域岩石力学性质的基本信息，这有助于识别岩石的各向异性性质。各向异性岩石的一个突出的实际问题是，目前尚无针对取样、制备和测试的具体标准或推荐方法。因此，亟须制定新的标准和程序，以用于各向异性岩石的实验室及现场勘探和测试。对于具有简单各向异性性质（如横观各向异性和正交各向异性）的岩石，可以采用各向异性的理论解析解或数值模拟方法来计算和分析测量结果。然而，对于大多数岩石而言，各向异性与不连续性和非均质性的耦合极其复杂，难以用简单模型表征。在这种情况下，基于现有的OC应力计算理论，一种可行的解决方案是在现场应力解除后，利用室内围压率定试验结果来确定并修正各向异性的影响。更具体地说，首先，取实验中相似方向的应变测值的平均值，得到三个平均应变：周向平均应变、轴向平均应变和±45°角方向的平均应变。然后，将这些方向的单个应变除以相应的平均值，计算出各应变计的各向异性修正系数。再将OC测得的应变除以其相应的各向异性修正系数，即可得到校正后的应力解除应变。最后，考虑岩石各向异性，利用校正后的应变能够更准确地计算应力。基于这一思路，我们的研究团队已编制了相应的岩石各向异性修正计算程序。此外，为了减少岩石各向异性的影响，必须根据岩石的具体性质选择合适的测量仪器和设备。实验室模拟表明，使用CSIRO空心包体应变计和USBM应力计进行的OC应力测量结果相似；当两者结合使用时，其测得应力的平均值更接近实际应力。此外，已开发出一种新型胶结剂，可以注入应变计周围岩体中的孔隙、裂隙和缺陷中，以整合岩体。这不仅便于获得完整的空心岩芯，还能削弱岩石的各向异性。通过增加测量点的数量和密度，也可以减少岩石各向异性对OC测量结果的影响。然而，上述策略仍属初步探索阶段。未来，应力测量应结合岩石力学性质的各向异性，并在测量过程中同步在现场测量岩石必要的各向异性力学参数。此外，还需要建立适用于深部岩体非线性或弹塑性性质的OC应力分析与计算模型，这是解决岩石各向异性问题的根本策略。

（2）岩石温度。为了消除温度变化对应变计记录的影响，在常规应变计的设计和结构上进行了一系列改进，以实现温度补偿。具体而言，采用高精度温度自补偿应变计来降低应变计的温度敏感性，并在应变花附近放置热敏电阻，以测量应力解除过程中测量点的温度变化。每次套孔试验后，将仍嵌在岩石环中的套孔单元置于可调节且温湿度稳定的恒温箱中进行温度率定，以确定每个应变计的诱导应变与温度变化之间的关系。根据率定结果和应力解除过程中记录的温度变化，可以获得应力解除引起的真实应变，并将其作为计算应力的可靠数据。此外，为了解决温度变化对导线的影响，一种成功的做法是将相同长度和类型的导线连接到惠斯通电桥中应变计的相邻桥臂上，以抵消温度变化引起的电阻变化。当使用集成测量和采集系统于一体的新型无线数字应变计时，还必须同时消除温度变化对测量电路和采集电路的影响。对于温度对采集电路的影响，需要对传统采集电路进行重大改进，使高灵敏度热敏电阻能够直接接入，并确保热敏电阻通道指示与实际温度之间保持良好的一致性和稳定性，从而最大限度地减少因采集系统加热和电流波动引起的采集误差。为此目的设计的双温度补偿电路如图4所示。此外，为了评估热致应力变化，有必要研究热效应对钻孔周围——尤其是钻孔壁处——应变变化的影响[15]。研究重点应放在建立应力解除前后钻孔壁及岩芯上应力与测量应变之间的数学关系，同时还要考虑温度和孔隙压力。为此，需要获得钻孔及岩芯在整个OC过程中的力学响应，特别是应变的解析解。这将为应力计算提供一个能够耦合岩石变形、温度变化和孔隙压力变化的高效且准确的新模型。

（3）岩石变形参数的确定。非线性弹性岩石的变形参数与应力水平相关，因此在计算应力时，应采用与实际应力水平相对应的变形参数。在围压率定试验中，可通过加压获得岩芯的应力-应变曲线，以确定测量点处岩石的变形参数。也就是说，计算岩石变形参数所涉及的应变值可以由围压率定试验得到。岩石弹性模量根据弹性厚壁圆筒公式计算，泊松比则为同一应力段内平均轴向应变与平均周向或径向应变的比值。需要注意的是，非线性弹性岩石的加载和卸载路径不同。由于应力解除属于卸载过程，因此用于计算应力的弹性模量必须通过卸载路径确定。此外，应力计算需要弹性模量，而确定弹性模量又需要了解应力水平。因此，考虑应力计算与弹性常数之间的耦合关系，我们开发了一种双迭代算法，以确保计算过程的正确性。此外，我们团队已成功开发出一种高压围压率定试验系统，该系统可以模拟深部高应力水平，并实现高围压加载（围压可达160 MPa）和长期加载（70 MPa围压可稳定加载两个月以上）。这为确定深部应力测量点岩芯的变形参数提供了先进可靠的设备。

（4）钻孔影响。为了减少或避免钻孔过程中对围岩的扰动，除了使用考虑岩石各向异性的应力计算理论外，还需要确保钻机性能稳定，并由经验丰富的工人熟练操作。此外，可尝试化学灌浆和预加载等措施，以部分恢复钻孔周围岩石的力学性质。考虑现场钻孔情况，研究人员正在努力改进应变计功能；计划在应变计中增加超声检测组件，使测量系统能够同时检测和评估钻孔周围岩石的损伤。另一种有前景的方向是放弃传统的机械钻孔方法，采用对围岩扰动更小的新型钻孔技术，如等离子体、粒子射流、电子束、激光和超声钻孔。

（5）时效效应。在深部岩体中进行OC应力测量时，应在新开挖的可及空间内、岩体完整（或尽可能完整）的区域进行应力解除操作，以最大限度地减少岩石时效效应对应力测量结果的影响，并避免围岩因长时间暴露而发生显著蠕变变形。钻孔速度对应力测量有直接影响，深部岩体的蠕变特性可能导致钻孔过程中应力重新分布，从而影响测量结果。因此，需要严格控制钻孔速度，以减少对围岩的扰动，从而降低蠕变效应对应力测量结果的影响。如果条件允许，在测量过程中应尽可能提高钻孔和应力解除速度，并缩短整个测量时间。考虑深部岩体的时效效应，应在应力解除后的稳定阶段进行测量。这要求测量人员具有丰富的经验和专业知识，能够准确判断围岩应力何时已完全解除并达到稳定状态。在应力测量过程中，加强现场监测和数据记录至关重要，有助于及时发现和处理潜在的异常情况。对测量数据进行有效处理和分析也同样至关重要，可消除岩石蠕变可能引起的异常数据，确保数据的准确性和可靠性。此外，考虑深部岩体在应力测量过程中的时效效应，有必要研究岩石蠕变参数的时间特性，并建立一个基于损伤力学、考虑时间尺度效应的非线性蠕变模型来求解应力。该模型一旦建立，可用于验证和修正测量结果，更准确地反映深部岩体的真实应力状态。数值模拟和理论分析也有助于深入理解深部岩体时效效应和蠕变特性对应力测量结果的影响机制。这将有助于制定更有效的测量策略，优化OC应力测量的实施过程，并进一步提高测量结果的准确性和可靠性。需要注意的是，时效变形非常复杂，可能因岩石类型和环境条件而异，需要进一步研究。

（6）地下水。除了构建考虑岩石孔隙压力的应力计算模型外，如前所述，在测量深部岩体应力时，岩芯的含水率理论上应保持不变。如果条件允许，建议进行现场原位围压率定试验，以准确确定现场岩体的变形参数。在进行室内围压率定试验时，需要确保岩芯在钻孔、运输和储存过程中，其现场环境参数（包括含水量和湿度）保持不变。Xie等[16]提出了一种保留深部岩体原位地质条件的取芯和测试系统；该系统有望满足上述要求，旨在通过钻孔获得不同深度的真实岩芯。基于相变和聚合物交联固化原理，可利用不同的特殊液体在岩芯上固化一层具有阻隔性能的聚合物薄膜，以在岩芯提取过程中通过固体聚合物密封膜实现自触发保水，从而保持岩芯的含水率。初步测试表明，使用聚合物薄膜在此方面表现良好。尽管如此，仍需要注意钻孔过程中水分流失的控制难度，尤其是深部高压环境下的地下水管理的复杂性，值得更多关注。

（7）软岩应力测量。为了扩大OC技术在深部软岩应力测量中的适用性，有必要充分了解软岩应力测量点处的岩石行为，因为应力路径、本构关系和相关参数对应力测量的解释有显著影响。此外，在检测到应力梯度的区域可能存在应力重新分布，在解释应力测量结果时必须考虑到这一点。另外，由于软岩倾向于表现出非弹性或时效行为，因此需要缩短测量周期，包括岩石变形参数的确定。这不仅有助于提高操作效率，还能最大限度地减少软岩时效行为（包括含水率变化等因素）对应力测量的影响。此外，由于当前OC方法中使用的测量系统刚度不适用于不同软岩的测量，需要通过合理重新设计测量系统的结构和材料参数来解决这种刚度匹配问题，从而显著提高软岩应力测量的灵敏度和可靠性。目前正在努力开发一种使用柔性材料的可变刚度应变计，以适应不同的软岩条件，相关测试正在进行中。预计这一发展将填补全球软岩原位应力测量领域的空白。

在深部岩体应力测量实践中，影响测量结果的可能并非单一因素，而是多种影响因素的组合，这无疑增加了应力测量的难度和潜在测量误差。在这种情况下，有必要将上述每个影响因素的解决方案整合到OC应力测量的全过程中，形成一个完整的应力测量技术流程。在这一过程中，应实时监测各种影响因素的变化，并进行动态调整，以确保测量结果的准确性。需要注意的是，这是一个综合解决方案，在实施过程中必须根据现场条件和实际情况进行适当调整。测量完成后，可以使用世界应力图质量分级系统（国际公认的应力数据质量分级系统，范围从A到E [17]）检验所测地应力的可靠性。在深部岩体工程中，围岩或硐室的应力诱导破坏位置和特征也可以作为验证地应力测量结果的实际依据。

综上所述，鉴于当前OC技术在深部岩体应力精确测量中面临的严峻挑战，包括岩石各向异性、岩石温度变化、岩石变形参数的确定、钻孔影响、岩石时效效应、地下水以及软岩应力测量，本文提出了针对性的解决方案，旨在突破以往研究应对这些挑战的局限。这些解决方案包括岩石各向异性修正方法、温度补偿方法、新的应力计算模型、高压围压率定试验系统、新的钻孔技术、缩短测量时间的方法、考虑时间尺度效应的非线性蠕变模型、岩芯含水率保持方法以及与软岩刚度匹配的新型OC测量系统。这些方案具有前瞻性和可预测性，为该领域的未来研究提供了值得关注的方向，具有大幅提高OC应力测量准确性和可靠性的潜力。在实施这些措施时，需要考虑实际情况的复杂性，并根据具体情况制定适当的测量策略和方法。上述解决方案中融入的新视角有望极大地促进OC应力测量理论和技术的进步，并推动高精度地应力测量仪器和设备的创新发展。然而，实现这一目标仍需要OC测量理论和技术领域研究人员的共同努力。

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