水压致裂法的应用成果.docx

水压致裂法测量地应力

院系：地科院

姓名：陆凯

学号：201622000064

提交日期：2016年11月27日

摘要：水压致裂法在地质工程中广泛于测量地应力。传统的水压致裂法理论是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的,用于测量地质条件简单的情况下的二维地应力,但是传统水压致裂法的由于存在许多不足,因此再次出现了提出了三维地应力测量理论,采用最小主应力破坏准则进行水压致裂法三维地应力测量,对地质条件比较复杂的地区可以用该方法进行测量,但是还需要进一步的改进。传统的水压致裂法理论和三维地应力测量理论各有优缺点。
关键词：地应力测量传统水压致裂法三维地应力测量理论最小主应力
水压致裂法是测量地壳深层岩体地应力状态的一种有效方法,对地应力测量的测试原理基于三个基本假设:(1)地壳岩石是线性均匀、各向同性的弹性体;(2)岩石为多孔介质时,流体在孔隙内的流动符合达西定律;(3)主应力方向中有一个应力方向与钻孔的轴向平行。向封闭的钻孔内注入高压水,当压力达到最大值后,钻孔井壁会发生破裂导致井内压力下降,为维持裂隙保持张开状态,孔内压力最终会达到恒定值,不再注入后,孔内压力迅速下降,裂隙发生愈合,之后压力降低速度变慢,其临界值为瞬时关闭压力,完全卸压后再重新注液,得到裂隙的重张压力以及瞬时关闭压力,最后通过由仪器记录裂缝的方向。
一、传统的水压致裂法
传统的水压致裂法应力测量理论和方法是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的,它的前提是原地应力场中的两个主应力方向构成一个平面,而第三个主应力是与这两个主应力垂直的。利用一个铅直井孔进行水压致裂应力测量得到两个水平主应力的大小和方向,而垂向主应力的值是由岩石的密度按静岩压力计算得出。传统水压致裂法采用最大单轴张应力的破裂准则,没有考虑轴向应力和径向应力对孔壁四周围岩的约束效应。切向应力随液压不断增大,由压应力转变为张应力状态,再由张应力逐渐增大达到围岩抗拉强度T,井壁四周围岩沿剪切方向产生破裂。因此,钻孔压裂段井壁上只能产生平行于井孔轴向的纵向破裂缝。这时压裂段的液压就达到破裂压力。
传统水压致裂法地应力测量方法存在的不足是:只能确定钻孔横截面上的二维应力状态,地应力场的一个主应力方向与井孔轴向平行的情况很少。在利用水压致裂法进行三维地应力测量时,需要在三个不同方向的井孔中分别进行测量,在测量过程中破裂处的井壁围岩,是在张—张—压或张—压—压的三维应力状态下破裂的,并不符合最大单轴张应力破裂准则的应力条件。实际应用中存在的两大主要问题:(1)在复杂地质构造或在山区峡谷等复杂地貌条件下,钻孔方向一般并非主应力方向,如果不假定主应力方向那么测试结果对实际生产用处不大;(2)传统水压致裂法确定的钻孔横截面上最大和最小的应力值中,最大应力精度差,最小应力精度高,因此测试结果的整体精度达不到要求精度。一些学者就三维地应力测量解释进行了卓有成效的探讨,在不同方向的3个或3个以上钻孔内,采用完整岩石段的常规压裂实验,来测量三维地应力状态的三孔交汇水压致裂法来解决第一个问题。
二、三维地应力测量理论
该理论方法采用最小主应力破坏准则进行水压致裂法三维地应力测量,其理论模型可以客观地反映水压致裂过程中诱发破裂产生的力学机制。根据线弹性理论,当钻孔内承受液体压力时,孔壁上某一点(钻孔极系坐标系下极角为)的最小主应力可以表示为原地应力张量、内水压力和的函数。当原地应力张量和钻孔空间方位为定值时,则孔壁上的最小主应力表现为随极角变化的正弦曲线。在水压致裂应力测试过程中,随着向密闭的试验段持续泵进流体,最小主应力随内水压力的增加而不断减小,直至由压应力变为拉张应力。当钻孔孔壁某一方位角处的首先达到该处的岩石抗张强度时,则形成诱发破裂,此时的流体压力为(即破裂压力),记录了破裂方位。采用最小主应力破坏准则进行水压致裂三维地应力测量时,该方法在理论上是可行的,还可以避免由于采用最小切向应力准则可能带来的误差。由于传统水压致裂法测量关闭压力比较准确,且不对地应力方向和孔隙水压力作任何假设,通过该方法获得的测量结果是接近真实的,此外由于测量钻孔的方向和深度不受限制,适用于岩石比较破碎、完整性较差和原生裂隙比较发育的岩体。
三、试验原理及公式推导
水压致裂法是一种最直接的地应力测试方法，测量钻孔中的应力，是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在选定的测量深度封隔一段裸露的岩孔，然后通过泵入流体对这段钻孔增压，压力持续增高直至钻孔围岩产生破裂，继续加压使破裂扩展。压裂过程中记录压力、流量随时间的变化，根据压力时间曲线即可求出主应力的大小，水压致裂原理如图1所示。主应力方位可根据印模确定的破裂方位而定，也可以运用井下电视法确定。水压致裂法不需要套芯，也不需要精密复杂的井下仪器，它操作方便