岩石力学与压裂

1、1,1,2,3,本节主要内容,地应力测量概述,水压致裂法的测量原理与步骤,应力解除法（空心包体应变计）,的测量原理与步骤,2,?,?,?,4.2,地应力测量方法,4.2.1,地应力测量概述,a.,一点的三维应力状态,(,?,x,?,y,?,z,?,xy,?,yz,?,zx,),来表示,z,?,zx,?,z,?,zy,?,y,?,x,yz,?,?,xy,yx,?,xz,?,y,O,x,3,b.,方法分类,4,4.2.2,水压致裂法,水压致裂法的假设前提：,1,）有,2,个（,?,1,h,、,?,2,h,）,主应力为水平方向，,另,1,个,?,v,为竖直方,向,且,?,v,?,?,?,h,2,）线

2、性、均质、各向同性,3,）渗透符合达西定律,5,（,（,（,1,）水压致裂法步骤,（,1,）,钻孔（地质勘探）、,选段（完整）、,封隔（气或液）；,直径：,38,、,51,、,76,、,110,、,130,；,6,（,2,）加液压将孔壁,压裂与重开,P,b,Pb,P0-,孔隙水压力或,地下水压力,Pb-,初始压裂压力,Ps-,稳定开裂压力,Ps0-,关闭压力,Pb0-,重张压力,P,b0,P,Pb0,Ps,s,P,P,s,s0,Ps0,Ps,P,0,P,0,P0,图,压裂过程泵压变化及特征压力,7,（,2,）加液压将孔壁,压裂与重开,P,b,Pb,P0-,孔隙水压力或,地下水压力,Pb-,初始

3、压裂压力,Ps-,稳定开裂压力,Ps0-,关闭压力,Pb0-,重张压力,P,b0,P,Pb0,Ps,s,P,P,s,s0,Ps0,Ps,P,0,P,0,P0,图,压裂过程泵压变化及特征压力,8,?,各特征压力的物理意义,P,0,-,岩体内孔隙水压力或地下水压力,P,b,-,注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力,P,s,-,液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开,裂压力,Ps,0,-,关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩,渗透性大，该压力将逐渐衰减,P,b0,-,停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力,9,3,）卸压、提设备、测定开裂方位；,10,（,然后根据测得的压

4、裂过程中泵压表的读,数，计算地应力,2,）基本理论和计算公式,当孔壁出现,垂直裂缝,时，设孔,周边两个,水平地应,?,力分别为,1,h,和,?,2,h,，,孔壁还受,有水压,P,b,.,如图。,a,孔壁开裂力学模型,11,图,钻孔周围岩体内应力,(Kirsch.G-,基尔斯解,),12,在孔壁上,r=a,，,?,r,?,P,b,有：,?,?,?,(,?,1,h,?,?,2,h,),?,P,b,?,2,(,?,1,h,?,?,2,h,),cos,2,?,当,?,?,0,时有,最大拉应力,：,?,?,?,3,?,2,h,?,?,1,h,?,P,b,(4-1),?,按最大拉应力理论，有,?,?,?,

5、?,T,0,(4-2),将,(4-1),代入,(4-2),得,孔壁开裂应力条件,?,1,h,?,3,?,2,h,?,P,b,?,T,0,(4-3),式中：,T,0,-,岩体的抗强度,即,孔壁开裂在与,?,2,h,垂直,?,?,0,的面上,13,若岩体中有孔隙水压力,P,w,，（,4-3,）式变成：,?,1,h,?,3,?,2,h,?,P,b,?,T,0,?,P,w,(4-4),由图知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力,P,b0,，则上式变成：,?,1,h,?,3,?,2,h,?,P,b,0,?,P,w,(4-5),和,(4-6),两式对比得：,P,b,P,b0,=T,0,(4-6),?,在关闭压

6、力,P,s0,点上，孔壁已经开裂，则,T,0,=0,稳定开裂压力由,P,s,下降到,P,s0,。,此时，,p,s0,等于与裂缝垂直的应力，即：,?,2,h,?,P,s,0,(4-5),14,?,求得主应力及岩体抗拉强度,?,2,h,?,p,s,0,?,?,p,b,?,p,b,0,?,T,0,?,?,?,1,h,?,3,?,2,h,?,p,b,?,T,0,?,T,0,3,）根据水压致裂法试验结果计算地应力,（,1,）一般来讲,?,z,?,?,h,作为地主应力之一。我,们可以将,?,z,与,?,2,h,作比较，若,?,z,?,?,1,h,，则,可以肯定此时,?,2,h,为最小主应力；进一步将,与,

7、?,z,?,1,h,作比较，也就可以以此确定地应力的,三个主应力。,15,因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定,?,2,h,的方位或,?,1,h,的方向，所以三个地主应力的,方位也就可以相应确定,。,（,2,）如果,?,2,h,?,?,h,，并且孔壁开裂后孔内,岩体出现水平裂缝，则此时,?,z,?,?,h,为最小,地应力，,?,2,h,与,?,1,h,各为中间主应力及最大,地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。,4,）水压致裂法的特点,设备简单,操作方便,测值直观,受到重视和推广,?,缺陷：主应力方向不准,?,适应性强,16,4.2.3,应力解除法,1),基本原理：,当需要测定岩体中某点的

8、应力状态时，人为,的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，,岩体单元上所受的拉力将被,解除,。同时，该单,元体的几何尺寸也将产生,弹性恢复,。应用一定,的仪器，,测定弹性恢复,的应变值或变形值，并,且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性,体，于是就可以借助弹性理论的解答,计算,岩体,单元所受的,应力,状态。,流程,要点,切断联系,解除应力,应变恢复,测试应变,计算应力,17,2),应力解除法分类,按测试应变,或变形,测,1,个平面,3,个方向上,的应变,孔径变形测试,1,平面,3,方向,上的径位移,孔底应力解除法,孔壁应变测试,孔壁,应力解除法,3,平面,9,个方向应变,18,4.2.4,）空

9、心包体应变计测量地应力,探头结构,19,a.,空心包体应变计安装、采集数据示意,20,b.,主要特点：,1),测量有操作,简便,2),测量技术和计算理论比,较,成熟,3),精度相对,较高,的地应力,4),目前使用最为,广泛,是国际岩石力学学会推荐,使用的地应力测量方法,21,测量要求与步骤,1),测量要求,钻孔的深,度必须超,过开挖,影,响区，才,能测到岩,体内的原,始应力，,否则测出,的是二次,应力。,22,c.,套芯大孔,安装探头,套芯大孔,2),测量步骤：,(a),(1),在测试地点打大孔,套芯小孔,套芯大孔,(c),(a),套芯小孔,安装探头,套芯大孔,套孔取芯,(2),从大孔底打同心小孔,(a),(3),在小孔中央位置安装测量探头,套芯小孔,套芯小孔,套孔取芯,(b),(d),(4),用薄壁钻