水壓致裂法的應(yīng)用成果

1、水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力院系：地科院姓名：陸凱學(xué)號(hào)：201622000064 提交日期：2016年11月27日摘要：水壓致裂法在地質(zhì)工程中廣泛于測(cè)量地應(yīng)力。傳統(tǒng)的水壓致裂法理論是建立在彈性力學(xué)平面應(yīng)變理論的基礎(chǔ)之上的,用于測(cè)量地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的情況下的二維地應(yīng)力,但是傳統(tǒng)水壓致裂法的由于存在許多不足,因此再次出現(xiàn)了提出了三維地應(yīng)力測(cè)量理論,采用最小主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則進(jìn)行水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)量,對(duì)地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地區(qū)可以用該方法進(jìn)行測(cè)量,但是還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。傳統(tǒng)的水壓致裂法理論和三維地應(yīng)力測(cè)量理論各有優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：地應(yīng)力測(cè)量 傳統(tǒng)水壓致裂法 三維地應(yīng)力測(cè)量理論 最小主應(yīng)力水壓致裂法是測(cè)量地殼深層巖

2、體地應(yīng)力狀態(tài)的一種有效方法,對(duì)地應(yīng)力測(cè)量的測(cè)試原理基于三個(gè)基本假設(shè):(1)地殼巖石是線性均勻、各向同性的彈性體;(2)巖石為多孔介質(zhì)時(shí),流體在孔隙內(nèi)的流動(dòng)符合達(dá)西定律;(3)主應(yīng)力方向中有一個(gè)應(yīng)力方向與鉆孔的軸向平行。向封閉的鉆孔內(nèi)注入高壓水,當(dāng)壓力達(dá)到最大值后,鉆孔井壁會(huì)發(fā)生破裂導(dǎo)致井內(nèi)壓力下降,為維持裂隙保持張開(kāi)狀態(tài),孔內(nèi)壓力最終會(huì)達(dá)到恒定值,不再注入后,孔內(nèi)壓力迅速下降,裂隙發(fā)生愈合,之后壓力降低速度變慢,其臨界值為瞬時(shí)關(guān)閉壓力,完全卸壓后再重新注液,得到裂隙的重張壓力以及瞬時(shí)關(guān)閉壓力,最后通過(guò)由儀器記錄裂縫的方向。一、傳統(tǒng)的水壓致裂法傳統(tǒng)的水壓致裂法應(yīng)力測(cè)量理論和方法是建立在彈性力學(xué)平

3、面應(yīng)變理論的基礎(chǔ)之上的,它的前提是原地應(yīng)力場(chǎng)中的兩個(gè)主應(yīng)力方向構(gòu)成一個(gè)平面,而第三個(gè)主應(yīng)力是與這兩個(gè)主應(yīng)力垂直的。利用一個(gè)鉛直井孔進(jìn)行水壓致裂應(yīng)力測(cè)量得到兩個(gè)水平主應(yīng)力的大小和方向,而垂向主應(yīng)力的值是由巖石的密度按靜巖壓力計(jì)算得出。傳統(tǒng)水壓致裂法采用最大單軸張應(yīng)力的破裂準(zhǔn)則,沒(méi)有考慮軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力對(duì)孔壁四周圍巖的約束效應(yīng)。切向應(yīng)力隨液壓不斷增大,由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力狀態(tài),再由張應(yīng)力逐漸增大達(dá)到圍巖抗拉強(qiáng)度T,井壁四周圍巖沿剪切方向產(chǎn)生破裂。因此,鉆孔壓裂段井壁上只能產(chǎn)生平行于井孔軸向的縱向破裂縫。這時(shí)壓裂段的液壓就達(dá)到破裂壓力。傳統(tǒng)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量方法存在的不足是:只能確定鉆孔橫截面上

4、的二維應(yīng)力狀態(tài),地應(yīng)力場(chǎng)的一個(gè)主應(yīng)力方向與井孔軸向平行的情況很少。在利用水壓致裂法進(jìn)行三維地應(yīng)力測(cè)量時(shí),需要在三個(gè)不同方向的井孔中分別進(jìn)行測(cè)量,在測(cè)量過(guò)程中破裂處的井壁圍巖,是在張張壓或張壓壓的三維應(yīng)力狀態(tài)下破裂的,并不符合最大單軸張應(yīng)力破裂準(zhǔn)則的應(yīng)力條件。實(shí)際應(yīng)用中存在的兩大主要問(wèn)題:(1)在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造或在山區(qū)峽谷等復(fù)雜地貌條件下,鉆孔方向一般并非主應(yīng)力方向,如果不假定主應(yīng)力方向那么測(cè)試結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)用處不大;(2)傳統(tǒng)水壓致裂法確定的鉆孔橫截面上最大和最小的應(yīng)力值中,最大應(yīng)力精度差,最小應(yīng)力精度高,因此測(cè)試結(jié)果的整體精度達(dá)不到要求精度。一些學(xué)者就三維地應(yīng)力測(cè)量解釋進(jìn)行了卓有成效的探討,在

5、不同方向的3個(gè)或3個(gè)以上鉆孔內(nèi),采用完整巖石段的常規(guī)壓裂實(shí)驗(yàn),來(lái)測(cè)量三維地應(yīng)力狀態(tài)的三孔交匯水壓致裂法來(lái)解決第一個(gè)問(wèn)題。二、三維地應(yīng)力測(cè)量理論該理論方法采用最小主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則進(jìn)行水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)量,其理論模型可以客觀地反映水壓致裂過(guò)程中誘發(fā)破裂產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)制。根據(jù)線彈性理論,當(dāng)鉆孔內(nèi)承受液體壓力時(shí),孔壁上某一點(diǎn)(鉆孔極系坐標(biāo)系下極角為)的最小主應(yīng)力可以表示為原地應(yīng)力張量、內(nèi)水壓力和的函數(shù)。當(dāng)原地應(yīng)力張量和鉆孔空間方位為定值時(shí),則孔壁上的最小主應(yīng)力表現(xiàn)為隨極角變化的正弦曲線。在水壓致裂應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中,隨著向密閉的試驗(yàn)段持續(xù)泵進(jìn)流體,最小主應(yīng)力隨內(nèi)水壓力的增加而不斷減小,直至由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓘?/p>

6、應(yīng)力。當(dāng)鉆孔孔壁某一方位角處的首先達(dá)到該處的巖石抗張強(qiáng)度時(shí),則形成誘發(fā)破裂,此時(shí)的流體壓力為(即破裂壓力),記錄了破裂方位。采用最小主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則進(jìn)行水壓致裂三維地應(yīng)力測(cè)量時(shí),該方法在理論上是可行的,還可以避免由于采用最小切向應(yīng)力準(zhǔn)則可能帶來(lái)的誤差。由于傳統(tǒng)水壓致裂法測(cè)量關(guān)閉壓力比較準(zhǔn)確,且不對(duì)地應(yīng)力方向和孔隙水壓力作任何假設(shè),通過(guò)該方法獲得的測(cè)量結(jié)果是接近真實(shí)的,此外由于測(cè)量鉆孔的方向和深度不受限制,適用于巖石比較破碎、完整性較差和原生裂隙比較發(fā)育的巖體。三、試驗(yàn)原理及公式推導(dǎo) 水壓致裂法是一種最直接的地應(yīng)力測(cè)試方法，測(cè)量鉆孔中的應(yīng)力，是利用一對(duì)可膨脹的橡膠封隔器，在選定的測(cè)量深度封隔一段裸

7、露的巖孔，然后通過(guò)泵入流體對(duì)這段鉆孔增壓，壓力持續(xù)增高直至鉆孔圍巖產(chǎn)生破裂，繼續(xù)加壓使破裂擴(kuò)展。壓裂過(guò)程中記錄壓力、流量隨時(shí)間的變化，根據(jù)壓力時(shí)間曲線即可求出主應(yīng)力的大小，水壓致裂原理如圖1所示。主應(yīng)力方位可根據(jù)印模確定的破裂方位而定，也可以運(yùn)用井下電視法確定。水壓致裂法不需要套芯，也不需要精密復(fù)雜的井下儀器，它操作方便，無(wú)需知道巖石的彈性參量。水壓致裂法能夠?qū)崿F(xiàn)巖體應(yīng)力的直接測(cè)試，而且測(cè)試深度是其它測(cè)試手段所不能及的。早期的水壓致裂二維地應(yīng)力測(cè)量假定巖石是均質(zhì)、各向同性、無(wú)滲透性的彈性體，并且?guī)r石中有一主應(yīng)力方向與鉆孔孔軸平行。目前水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)量方法、在單鉆孔中水壓致裂法的三維地應(yīng)

8、力測(cè)量方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并取得了良好的應(yīng)用效果。水壓致裂試驗(yàn)設(shè)備：1.封堵器、兩個(gè)膨脹橡膠塞、轉(zhuǎn)換閥、高壓水管，封堵器的直徑76mm、95mm等規(guī)格，橡膠塞之間的封堵段長(zhǎng)度為0.51.0m； 2.印模栓塞，用于確定裂隙方向；3. 壓力泵及壓力控制系統(tǒng)(控制閥、壓力表、流量計(jì))。具體如圖2所示。圖1水壓致裂方法原理圖（a）橫截面；（b）鳥瞰圖 圖2 水壓致裂試驗(yàn)設(shè)備圖水壓致裂試驗(yàn)步驟：1.某個(gè)主應(yīng)力分量方向已知，鉆與該主應(yīng)力方向平行的鉆孔；2. 選擇巖芯完整無(wú)宏觀節(jié)理的孔段作為試驗(yàn)的封堵段，然后將封堵塞送入孔中，通入壓力水使封堵器橡膠栓膨脹；3. 經(jīng)高壓水管向封堵段注入壓力水，直至使巖體發(fā)生破裂為止

9、；此時(shí)的注水壓力稱為臨界破壞壓力Pb，巖體破裂時(shí)在壓力表上表現(xiàn)為壓力急劇下降；4.關(guān)閉液壓泵，停止增壓，壓力迅速下降，裂隙停止擴(kuò)展，并趨于閉合，當(dāng)壓力降到使裂隙處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)，鉆孔壓力保持某一穩(wěn)定狀態(tài)。此壓力稱為關(guān)閉壓力Ps；5. 放水卸壓，裂隙完全閉合，泵壓為零，然后再對(duì)封堵段加壓使裂隙重新張開(kāi)，使裂縫重新張開(kāi)所需壓力記為Pr；6.重復(fù)2至5步完成23壓裂循環(huán)，以便取得合理的壓裂參數(shù)及正確地判斷巖石破裂及裂隙延伸過(guò)程；7. 解除封孔，用印模栓塞記錄破裂裂隙的方向。水壓致裂試驗(yàn)計(jì)算原理，根據(jù)彈性力學(xué)中圓孔的孔口應(yīng)力集中理論，假設(shè)受力的彈性體具有小孔，則孔邊的應(yīng)力將遠(yuǎn)大于無(wú)孔時(shí)的應(yīng)力，也遠(yuǎn)大

10、于據(jù)孔稍遠(yuǎn)處的應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱為孔邊應(yīng)力集中。孔邊的應(yīng)力集中是局部現(xiàn)象。在幾倍孔徑以外，應(yīng)力幾乎不受孔的影響，應(yīng)力的分布情況以及數(shù)值的大小都幾乎與無(wú)孔時(shí)相同。一般說(shuō)來(lái)，集中的程度越高，集中的現(xiàn)象越是局部性的，也就是，應(yīng)力隨著據(jù)孔的距離增大而越快的趨近于無(wú)孔時(shí)的應(yīng)力。應(yīng)力集中的程度，首先是與孔的形狀有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，圓孔孔邊的集中程度最低。因?yàn)橹挥袌A孔孔邊的應(yīng)力可以用較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行分析，所以以圓孔為例。設(shè)有矩形薄板，在離開(kāi)邊界較遠(yuǎn)處有半徑為的小圓孔，在左右兩邊受均布拉力，其大小為q，如圖3所示。坐標(biāo)原點(diǎn)取在圓孔的中心，坐標(biāo)軸平行于邊界。所得理論結(jié)果如圖4所示。圖3 圓孔應(yīng)力集中計(jì)算簡(jiǎn)圖圖4

11、井周應(yīng)力分布簡(jiǎn)圖就直邊的邊界條件而論，宜用直角坐標(biāo)；就圓孔的邊界條件而論，宜用極坐標(biāo)。為此已遠(yuǎn)大于的某一長(zhǎng)度b為半徑，已坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心，做一個(gè)大圓，如圖中虛線所示。由應(yīng)力集中的局部性可見(jiàn)，在大圓周處，例如在A點(diǎn)，應(yīng)力狀態(tài)與無(wú)孔時(shí)相同，也就是公式。 （1）帶入極坐標(biāo)變換式（2，得到該處的極坐標(biāo)應(yīng)力（3）。（2）（3）分解為兩部分，其中第一部分如公式4所示，第二部分如公式5所示。 （4） （5）為了求出第一部分所引起的應(yīng)力，只須應(yīng)用梅拉解答（6）。 （6）令其中的 ，這樣就得到 （7）既然b遠(yuǎn)大于，近似的取/b=0，得到 （8）用半逆法求解第二部分所引起的應(yīng)力如公式9，由邊界條件和關(guān)系（10），可

12、假設(shè) （9） （10）帶入相容方程（9）得（10）： （9） （10）刪去，求解得（11）：從而應(yīng)力函數(shù)（12）， （11） （12）帶入極坐標(biāo)中的應(yīng)力函數(shù)（13），求得應(yīng)力分量（14），（11-39）（14）將3帶入14式，并應(yīng)用邊界條件15，得到方程16 （15） （16）求解出A、B、C、D，命/b=0，得將解帶入（14）并與（6）式相疊加可得齊爾西解答（17）， （17）如果矩形薄板在左右受有均布?jí)毫Γ⒃谏舷聝蛇吺苡芯級(jí)毫?，如下圖所示。可以用單向拉伸得出應(yīng)力分量，首先命單向解答的 等于，然后命等于，而將用 代替，最后將兩個(gè)結(jié)果相疊加；亦可應(yīng)用圖示疊加原理如圖5所示，這樣就可得到：圖

13、5 井壁巖石應(yīng)力狀態(tài)圖 （18）鉆孔周邊的應(yīng)力，即當(dāng) 時(shí)，令 ，得 ，沿著軸，環(huán)向正應(yīng)力是 ，沿著軸，環(huán)向正應(yīng)力是 。AB圖6井周應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖當(dāng)加的液壓大于孔壁上巖石所能承受的應(yīng)力時(shí)，將在最小切向應(yīng)力時(shí)，將在最小切向的位置上，即A點(diǎn)（圖6）處產(chǎn)生張破裂，并且破裂將沿著垂直于最小主應(yīng)力的方向擴(kuò)展。此時(shí)孔壁產(chǎn)生破裂的外加液壓 稱為臨界破裂壓力，且有公式19， （19）式中： 巖體抗拉強(qiáng)度，巖層孔隙水壓力。孔壁破裂后，保持裂隙張開(kāi)的平衡壓力 應(yīng)等于垂直作用于裂隙上的原巖最小應(yīng)力即， 。若巖石已破壞，相當(dāng)于，使裂隙重新張開(kāi)的壓力， ，可得主應(yīng)力 ?？蓽y(cè)深部巖體抗拉強(qiáng)度 ，封堵段的原巖應(yīng)力的垂直分量 ，

14、 ，求得原巖應(yīng)力的三個(gè)分量。印模器可確定主應(yīng)力方向。 （20）其中，地層破裂壓力（）：地層破裂產(chǎn)生流體漏失時(shí)的井底壓力；裂縫延伸壓力（）：使一個(gè)已存在的裂縫延伸擴(kuò)展時(shí)的井底壓力；裂縫閉合壓力（）：使一個(gè)存在的裂縫保持張開(kāi)時(shí)的最小井底壓力，它等于作用在巖體上垂直裂縫面的法向應(yīng)力，即最小水平主地應(yīng)力。具體表示如圖7所示各時(shí)間段孔壁應(yīng)力狀態(tài)和圖11.30典型的水壓致裂試驗(yàn)曲線。圖7 壓裂過(guò)程孔壁狀態(tài)和壓力時(shí)間曲線圖8 典型的水壓致裂試驗(yàn)曲線水壓致裂特點(diǎn)和應(yīng)用：水壓致裂法是測(cè)量巖體深部應(yīng)力方法，測(cè)值代表性大，測(cè)深已達(dá)5000m以上，只需用普通鉆探方法打鉆孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過(guò)壓裂裝置壓裂巖

15、體，不需要取巖芯和精密儀器，測(cè)試方法簡(jiǎn)單，只通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測(cè)壓裂過(guò)程中泵壓、液量即可。適應(yīng)性強(qiáng)，不孔壁受力范圍廣，避免了地質(zhì)條件不均勻的影響，測(cè)值直觀。它可根據(jù)壓裂時(shí)泵壓（初始開(kāi)裂泵壓、穩(wěn)定開(kāi)裂泵壓、關(guān)閉壓力、開(kāi)啟壓力）計(jì)算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測(cè)試。可測(cè)深部巖體抗拉強(qiáng)度，所測(cè)得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強(qiáng)度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。不需要電磁測(cè)量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水條件下作試驗(yàn)，不怕電磁干擾，不怕震動(dòng)。對(duì)于某些工程，如露天邊坡工程，由于沒(méi)有現(xiàn)成的地下井巷、隧道、峒室等可用來(lái)接近應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)，或者在地下工程的前期階段，需要估計(jì)該工程區(qū)域的地

16、應(yīng)力場(chǎng)，也只有使用水壓致裂法才是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。缺點(diǎn)：一方面，它從原理上講，水壓致裂法只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大和最小主應(yīng)力，屬于二維應(yīng)力測(cè)量方法，主應(yīng)力方向不能準(zhǔn)確確定，若要確定測(cè)點(diǎn)的三維巖體應(yīng)力狀態(tài)，必須打互不平行的交匯于一點(diǎn)的的三個(gè)或三個(gè)以上的鉆孔。這是非常困難的；另一方面：它的理論基礎(chǔ)是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設(shè)，因而，只適合于完整的脆性巖石中，在節(jié)理、裂隙發(fā)育的巖體中不宜使用。參考文獻(xiàn)1張英華,倪文,尹根成,宋建國(guó).穿層孔水壓爆破法提高煤層透氣性的研J.煤炭學(xué)報(bào),2004,29(3):298-302.2陳治喜,陳勉,金衍,黃榮博.水壓致裂法測(cè)定巖石的斷裂韌性J.巖石力學(xué)與

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