水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試

地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，是引起地下工程變形和破壞的根本作用力，是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)巖石工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提條件。對(duì)地下工程來(lái)講，隨著埋深的不斷增加，地應(yīng)力的作用表現(xiàn)得越來(lái)越明顯。查清地下工程圍巖地應(yīng)力的大小和方向，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)、開(kāi)挖與支護(hù)，不僅可以顯著提高工程穩(wěn)定性，避免災(zāi)害發(fā)生，而且可節(jié)約大量支護(hù)和維修費(fèi)用，顯著提高地下工程的經(jīng)濟(jì)效益。

由于地下工程的復(fù)雜性和地下空間形狀的多樣性，利用解析法進(jìn)行工程穩(wěn)定性的分析和計(jì)算幾乎是不可能的。隨著高速計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和各種數(shù)值模擬方法的發(fā)展，使地下工程成為一門(mén)可以進(jìn)行定量設(shè)計(jì)和分析的科學(xué)，但所有的計(jì)算及分析都須在掌握地應(yīng)力分布狀況的前提下進(jìn)行。

產(chǎn)生地應(yīng)力的原因十分復(fù)雜，也是至今尚不十分清楚的問(wèn)題。40多年來(lái)的實(shí)測(cè)和理論分析表明，地應(yīng)力的形成主要與地球的各種內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用和外動(dòng)力地質(zhì)作用有關(guān)并受其影響。地應(yīng)力場(chǎng)屬于非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，它在空間的分布極不均勻，且隨著時(shí)間的推移不斷變化。迄今為止，地應(yīng)力場(chǎng)還很難用函數(shù)形式來(lái)表達(dá)，要了解一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，的方法就是首*行原位地應(yīng)力測(cè)量。

近五十年來(lái)，地應(yīng)力測(cè)量得到了大力發(fā)展，測(cè)量方法足有二十多種，測(cè)量?jī)x器上百種。其中，應(yīng)力解除法和水壓致裂法是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)于2003a新推薦的兩種地應(yīng)力測(cè)量方法。應(yīng)力解除法的測(cè)試深度相對(duì)較淺，需要足夠的地下空間容納設(shè)備，但該法能夠在鉆孔中一次測(cè)得六個(gè)應(yīng)力分量，屬于三維應(yīng)力測(cè)量方法，特別適合于在建地下工程。從理論上講，水壓致裂法沒(méi)有測(cè)試深度限制，特別適合于在地下工程的初期勘探階段應(yīng)用，但其所測(cè)結(jié)果并非真正意義上的三維地應(yīng)力值。

一、水壓致裂法應(yīng)力測(cè)試原理

水壓致裂法在20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于油田，通過(guò)在鉆井中制造人工的裂隙來(lái)提 高石油的產(chǎn)量。后來(lái)從七十年代開(kāi)始，被用于地應(yīng)力測(cè)量。

從彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)一個(gè)位于無(wú)限體中的鉆孔受到無(wú)窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場(chǎng)(σ₁，σ₂)的作用時(shí)，離開(kāi)鉆孔端部一定距離的部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。在這些部位，鉆孔周邊的應(yīng)力為（參見(jiàn)圖1）

σ_θ=σ₁+σ₂-2(σ₁-σ₂)cos2θ（1）

σ_r=0（2）

式中，σ_θ和σ_r分別為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；θ為周邊一點(diǎn)與軸的夾角。

圖1 水壓致裂法應(yīng)力測(cè)量原理

由(1)式可知，當(dāng)θ＝0o時(shí)，σ_θ取得極小值，此時(shí)

σ_θ=3σ₂-σ₁ (3)

如果采用圖2所示的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來(lái)，并向該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過(guò)3σ₂-σ₁和巖石抗拉強(qiáng)度T之和后，在θ＝0o處，也即σ₁所在方位將發(fā)生孔壁開(kāi)裂。設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開(kāi)裂時(shí)的水壓（破裂壓力）為P_b，則有

P_b=3σ₂-σ₁+T(4)

如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑時(shí)，此處已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力（關(guān)閉壓力）記為P_S，則由圖1可見(jiàn)，P_S應(yīng)和原巖應(yīng)力σ₂相平衡，即

P_S =σ₂（5）

根據(jù)(5)和(6)式求σ₁和σ₂，需要知道封隔段巖石的抗拉強(qiáng)度，這往往是很困難的。為了克服這一困難，在水壓致裂試驗(yàn)中增加一個(gè)環(huán)節(jié)，即在初始裂隙產(chǎn)生后，將水壓卸除，使裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開(kāi)，記裂隙重開(kāi)時(shí)的壓力為P_r ，則有

P_r =3σ₂-σ₁-P₀(7)

這樣，由(5)和(7)式求σ₁和σ₂就無(wú)須知道巖石的抗拉強(qiáng)度。因此，由水壓致裂法測(cè)量原巖應(yīng)力將不涉及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，而*由測(cè)量和記錄的壓力值來(lái)決定。

二、測(cè)試步驟

圖2水壓致裂應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)示意圖

1、選擇試驗(yàn)段測(cè)試段選取的主要依據(jù)是：根據(jù)巖芯編錄查對(duì)完整巖芯所處的深度位置以及工程設(shè)計(jì)所要求的位置，為使試驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行，還要考慮封隔器必須放置在孔壁光滑、孔徑一致的位置。

數(shù)據(jù)采集儀

2、檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

在正式壓裂前，要對(duì)測(cè)試所使用的封隔器及壓裂系統(tǒng)進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，一般試驗(yàn)壓力不低于20MPa。為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，要求每個(gè)接頭密封處不得有點(diǎn)滴泄漏。

電子定向儀

3、安裝測(cè)量設(shè)備

用鉆桿將一對(duì)可膨脹的橡膠封隔器，放置到所要測(cè)量的深度位置。

4、座封通過(guò)地面的加壓系統(tǒng)，給兩個(gè)封隔器同時(shí)增壓，使其膨脹并與孔壁緊密接觸，即可將壓裂段予以隔離，形成一個(gè)密閉空間（即壓裂試驗(yàn)段）。

5、壓裂利用高壓泵通過(guò)鉆桿或高壓管，向壓裂試驗(yàn)段增壓。在增壓過(guò)程中，由于高壓管路中裝有壓力傳感器，記錄儀表上的壓力值將隨高壓液體的泵入而迅速增高，由于鉆孔周邊的應(yīng)力集中，壓裂段內(nèi)的巖石在足夠大的液壓作用下，將會(huì)在最小切向應(yīng)力的位置上產(chǎn)生破裂，也就是在垂直于最小水平主應(yīng)力的方向開(kāi)裂。這時(shí)所記錄的臨界壓力值Pb，就是巖石的破裂壓力，巖石一旦產(chǎn)生裂縫，壓力將急劇下降。若繼續(xù)保持排量加壓，裂縫將保持張開(kāi)并向縱深處延擴(kuò)。

封隔器

6、關(guān)泵

巖石開(kāi)裂后關(guān)閉高壓泵，停止向測(cè)試段注壓。在關(guān)泵的瞬間壓力將急劇下降；之后，隨著液體向地層的滲入，壓力將緩慢下降。在巖體應(yīng)力的作用下，裂縫趨于閉合。當(dāng)裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)記錄到的壓力即為關(guān)閉壓力P_S。

高壓泵

7、卸壓

當(dāng)壓裂段內(nèi)的壓力趨于平穩(wěn)或不再有明顯下降時(shí)，即可解除本次封隔段內(nèi)的壓力，連通大氣，已張開(kāi)的裂縫閉合。

在測(cè)試過(guò)程中，每段通常都要進(jìn)行3～5個(gè)回次，以便取得合理的應(yīng)力參量以及準(zhǔn)確判斷巖石的破裂和裂縫的延伸狀態(tài)。

水壓致裂過(guò)程中所得到的典型壓力-時(shí)間曲線如下圖所示。

8、印模在封隔段壓裂測(cè)量之后即可進(jìn)行裂縫方位的測(cè)定，以便確定水平主壓應(yīng)力的方向。常用的方法是定向印模法，它可直接把孔壁上的裂縫痕跡印下來(lái)；它由電子定向儀和印模器組成。印模器從外觀上看，與封隔器大致相同，所不同的是，它的表層覆蓋著一層軟橡膠。測(cè)定方位時(shí)，先將接有定向儀的印模器放到水壓致裂應(yīng)力測(cè)量段的深度，然后在地面通過(guò)增壓系統(tǒng)將印模器膨脹。為了獲得清晰的裂縫痕跡，需要施加足夠的高壓，促使孔壁已有裂縫重新張開(kāi)以便橡膠擠入，并保持相應(yīng)的時(shí)間，印模器表面就印制了與裂縫相對(duì)應(yīng)的凸起印跡。

待保壓時(shí)間結(jié)束后，卸掉印模器的壓力并將其提出鉆孔。根據(jù)定向儀數(shù)據(jù)和印模器的基線方位，即可算出所測(cè)破裂面的走向（也就是水平主壓應(yīng)力的方向）以及破裂面的傾向和傾角。同時(shí)用透明塑料薄膜將印模器圍起，繪下印模器表面凸起的印痕和基線標(biāo)志。

圖 3 水壓致裂應(yīng)力測(cè)量典型壓裂過(guò)程曲線

三、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試配合事項(xiàng)

現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂實(shí)驗(yàn)必須在鉆井隊(duì)的配合下進(jìn)行，需要鉆井隊(duì)配合完成以下工作：

1、需要做水壓致裂試驗(yàn)的鉆孔，必須保留鉆孔的全部巖芯，對(duì)較完整的巖芯，必須標(biāo)出其在井下的確切位置（深度），以便為選擇測(cè)點(diǎn)提供依據(jù)。鉆孔應(yīng)保持完整和盡可能的光滑，若鉆孔有塌落和堵塞現(xiàn)象，需及時(shí)用鉆機(jī)通孔。

2、在每一測(cè)孔鉆完后即開(kāi)始水壓致裂試驗(yàn)，為了保證測(cè)試儀器的上下，當(dāng)班全部鉆孔人員必須根據(jù)測(cè)試人員的要求在崗操作。

3、為了保證地應(yīng)力測(cè)量工作的連續(xù)性，縮短整個(gè)測(cè)量時(shí)間，同時(shí)又不耽誤地質(zhì)勘查鉆孔的工作，對(duì)擬測(cè)地應(yīng)力的鉆孔的開(kāi)鉆時(shí)間需精心安排，以保證水壓致裂測(cè)試前一孔做完后可接著做下一個(gè)孔，同時(shí)又不出現(xiàn)一孔鉆完后等待較長(zhǎng)時(shí)間才能做水壓致裂實(shí)驗(yàn)的情況。

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

原始測(cè)試曲線