水压致裂法地应力测量技术及工程应用

1、    水压致裂法地应力测量技术及工程应用    摘要：水压致裂法是地应力测量中最常用、可靠的方法之一，论文详细阐述了水压致裂法的测试原理、设备简介以及在现场钻孔中的测试步骤，介绍了如何从压力-时间曲线读取压裂特征值。并结合测试实例，得出深部岩石三维地应力大小。关键词：水压致裂法；地应力测量；印模实验水压致裂法始于50年代石油开采用到的水力压裂技术，为提高采油量用水压在钻孔中人工制造裂隙。1987年国际岩石力学会议确定水压致裂法为测定岩石力学的推荐方法之一，是目前测量深部应力最可靠最直接的方法，该方法操作较简单，测值可靠，可进行多次或重复测量1。它是利用

2、膨胀封隔器在已知深度上封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对测段增压。利用记录到的破坏压力、瞬时关井压力和重张压力确定水平主应力值。由于此方法不需要套芯，克服了应力解除法应用上的缺点，可应用到深井测量，可以在煤矿井巷、水利隧洞、铁路隧道等领域推广使用。1设备简介中国地质科学院地质力学研究所研发的sy-kx-2011水压致裂测试系统可满足深度两千米以内的裸孔应力测试（图1）。此设备为单回路地应力测试系统2，单回路系统是指只用一个回次即可先后给封隔器和测试段加压，而双回路系统是通过两套独立的系统分别实现做封和实验段加压，双回路系统的优点是可以同时观察试验段和封隔器的压力变化，若封隔器压力不够漏水时，可以

3、及时加压。较双回路系统省时、准确，更适合孔径较小的钻孔，单回路仅通过一条高压管线（或钻杆）依次对封隔器和加压测试段施加液压，转换通过推拉活塞实现，可实现多次重复测量、任意段测量和小孔径测量等。主要组成部分如下：1）高压水泵：电动轴向柱塞泵，型號250cy14-1b，最大压力为100mpa，最大流量为75ml/r，最大转速为2500r/min，重量为75kg。2）高压油管：钢丝编织胶管结构，内径6±0.5mm，工作压力50mpa，试验压力51.5 mpa，用量约2捆100m段、20根1m段，配合三通管使用。3）压力传感器：设备配套传感器，配合数据采集卡、自动记录系统软件，用于记录压力随

4、时间的变化。4）封隔器和印模器：直径分别为76、91、110、130，根据钻孔孔径选择合适的型号。封隔器是一种利用水力扩张，悬挂式水压固定，液压做封、解封，有钢骨架橡胶扩张式（k344）和钢袋橡胶扩张式两种封隔器可供选择。5）液压定向器：加压时磁针工作，泄压是磁针固定。2 现场测量步骤1）测试段选取：根据地质编录、测井曲线中孔径的变化和岩芯照片，在裸孔选取岩性脆、岩层完整性好、测试安全性高的测试段（点），还需考工程技术要求。2）组装测试设备：根据钻孔孔径选择合适的封隔器型号。按以下顺序依次组装井下测试设备：底座、下封隔器、中间段、上封隔器、推拉活塞开关、钻杆变径链接口、钻杆（适量根）、油管接口

5、。依次组装地面记录和加压设备。油管连接至钻杆顶端，连接记录设备，调试记录软件。3）地面测漏实验：水压致裂法地应力测试，测试深度高、危险性较高、测试过程耗时，为测试安全，在设备入井之前要进行测漏实验，为防止封隔器被压爆，在封隔器外套各套上一节套管，加压不低于4mpa，重复加压、泄压整个过程，观察设备是否漏水、加压段是否能正常出水以及出水位置是否正确，若发现问题及时返修或重新组装。4）设备入井：设备入井一般用两种方式，即钻杆送入和钢丝绳送入，一般采用钻杆送入法，精确测量连接装置、封隔器以及印模器长度。精确测量并记录每根钻杆长度，每下5根钻杆时往钻杆注满水，最终将封隔器送至已设计最深的测试段。5）加

6、压座封：推拉开关处于拉开状态，开启高压水泵，向上下封隔器同时加压，压力表数值不得超过8mpa，使封隔器膨胀，座封在预设位置。上下封隔器密封使中间形成一个密封空间，此段即为压裂试验段。6）试验段压裂：封隔器座封后，钻工谨慎操作下钻约35cm，使封隔器上端连接的活塞关闭，向测试段加压注水，直至测试段岩体产生破裂，得到破裂压力pb，压力下降后持平，关闭油泵阀门，压力再次下降后，开泄压阀放水泄压，此过程中软件自动监测记录压力时间数据，此过程重复5次，测试结束后保存生成文件，以测试深度命名，待后续处理。7）印模实验：压裂实验结束之后，应立即拆卸连接设备的两个封隔器，将印模器、液压定向器连接钻杆上，进行印

7、模实验以确定最大主应力方向。使印模器增压至高于该段的关闭压力，保持压力，加压过程使印模器外的半硫化橡胶挤入岩石裂缝，使印模器上记录的裂隙明显，取出印模器照相保存用来描图以便观察。裂隙的走向、倾向及倾角由定向器磁针标定，裂隙的走向即为最大主应力的方向。3 压裂曲线及计算公式水压致裂地应力测试的关键是准确获得压力时间曲线，压裂特征值是由压力时间曲线特征点选取来确定的，所以准确判别压力时间曲线特征点具有重要意义。标准压力时间曲线如图2所示。临界破裂压力在水压致裂法地应力测量第一次压裂循环时使孔壁产生张破裂时的液体压力，由压力时间曲线图中第一个压力循环的最高点而定，它是由水压使钻孔产生破坏时的瞬间值，

8、在达到最高点后，压力曲线开始下降。瞬时关闭压力在压力记录曲线上的精确识别常采用单切线法3，即在压力记录曲线上，关闭水泵后压力下降曲线拐点所对应的压力就是瞬时关闭压力。为克服单切法手动取值的不可靠和随意性，可以利用单切线法计算机程序自动取值，该方法的思路为：从关泵的那一点开始，在选定的区间内对压力点进行动态的线性拟合。在满足一定拟合程度的条件下，找出参与拟合点数最多的直线，该直线即为要作的切线。该切线离开下降曲线的那一点对应的压力值即为关闭压力的值。与手动画切线人工判读法相比，单切线法计算机程序自动取值可以避免对时间尺度的依赖性，使得关闭压力的判读更加客观。裂隙重开压力是指水压形成的破裂面在后续

9、的重张破裂循环中，在逐渐增大的液压作用下，破裂重新张开时的压力。在压力时间记录曲线图上，沿增压曲线做一条切线，压力记录曲线偏离该切线的切点所对应的压力，就是裂缝张开而储容液态时的破裂重张压。初次水压破裂过程中，水压破裂还不完全，测试段岩层的抗拉强度还没有完全消失，裂隙重开压力比较大。经过后续裂隙重张循环，裂隙重开压力逐渐减小，趋近于一个定量。因此，可取第三次破裂重张循环的测量参数来确定最大水平主应力。水压致裂测量技术中，将最大、最小水下主应力分别写为和，即。依据测量压力曲线特征值，根据下列公式计算三位地应力大小值。最小主应力；最大主应力；铅直应力。式中为岩石密度，g为重力加速度，d为深度3。4

10、工程实例s0303孔是某地区水文勘探孔，根据测井曲线和岩芯照片选定测试段，以第2测试段为例，深度-585.00m，岩性为灰岩，进行了印模实验。测试所的压力-时间曲线如图3所示。破裂压力在循环过程的初次破裂峰值处取值， =17.46mpa。重开压力和关井压力在循环过程的第三次破裂取值，测试程序利用单切线法得出， =16.05 mpa， =14.52mpa。空隙水压力与深度有关=5.85 mpa。垂向应力与上覆土和岩石的加权密度有关，取2.7g/cm3。计算得出该测段主应力值：最大水平主应力=21.66 mpa，最小水平主应力= 14.52mpa，垂直主应力=17.55 mpa，岩石抗张强度=1.

11、41 mpa。根据水压致裂法原理，最小水平主应力方向上岩层先破裂，破裂沿最大水平主应力方向延伸，因此印模测量的破裂方位指示的是最大水平主应力的方向。图4为02测段的现场印模器展开示意图，破裂形态均为铅直破裂，根据定向器判断得出裂隙的走向ne63.3°，即为最大水平主应力的方向。5 结论论文詳细阐述了水压致裂地应力测量技术，该套设备可以在钻孔深部进行三维地应力测试。以s0303孔测试实例，介绍了地应力大小和方向的测试方法，得出最大主应力方向为ne63.3°，最大水平主应力=21.66 mpa，最小水平主应力=14.52mpa，垂直主应力=17.55 mpa，岩石抗张强度=1.41 mpa。为深部岩土环境中工程设计提供依据，该方法可以在煤矿井巷、水