水壓致裂法地應力測試

地應力是存在于地層中的未受工程擾動的天然應力，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屬性，進行圍巖穩定性分析，實現巖石工程開挖設計和決策科學化的必要前提條件。對地下工程來講，隨著埋深的不斷增加，地應力的作用表現得越來越明顯。查清地下工程圍巖地應力的大小和方向，進行合理的設計、開挖與支護，不僅可以顯著提高工程穩定性，避免災害發生，而且可節約大量支護和維修費用，顯著提高地下工程的經濟效益。

由于地下工程的復雜性和地下空間形狀的多樣性，利用解析法進行工程穩定性的分析和計算幾乎是不可能的。隨著高速計算機的應用和各種數值模擬方法的發展，使地下工程成為一門可以進行定量設計和分析的科學，但所有的計算及分析都須在掌握地應力分布狀況的前提下進行。

產生地應力的原因十分復雜，也是至今尚不十分清楚的問題。40多年來的實測和理論分析表明，地應力的形成主要與地球的各種內動力地質作用和外動力地質作用有關并受其影響。地應力場屬于非穩定應力場，它在空間的分布極不均勻，且隨著時間的推移不斷變化。迄今為止，地應力場還很難用函數形式來表達，要了解一個地區的地應力狀態，的方法就是首*行原位地應力測量。

近五十年來，地應力測量得到了大力發展，測量方法足有二十多種，測量儀器上百種。其中，應力解除法和水壓致裂法是國際巖石力學學會于2003a新推薦的兩種地應力測量方法。應力解除法的測試深度相對較淺，需要足夠的地下空間容納設備，但該法能夠在鉆孔中一次測得六個應力分量，屬于三維應力測量方法，特別適合于在建地下工程。從理論上講，水壓致裂法沒有測試深度限制，特別適合于在地下工程的初期勘探階段應用，但其所測結果并非真正意義上的三維地應力值。

一、水壓致裂法應力測試原理

水壓致裂法在20世紀50年代被廣泛應用于油田，通過在鉆井中制造人工的裂隙來提 高石油的產量。后來從七十年代開始，被用于地應力測量。

從彈性力學理論可知，當一個位于無限體中的鉆孔受到無窮遠處二維應力場(σ₁，σ₂)的作用時，離開鉆孔端部一定距離的部位處于平面應變狀態。在這些部位，鉆孔周邊的應力為（參見圖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力和徑向應力；θ為周邊一點與軸的夾角。

圖1 水壓致裂法應力測量原理

由(1)式可知，當θ＝0o時，σ_θ取得極小值，此時

σ_θ=3σ₂-σ₁ (3)

如果采用圖2所示的水壓致裂系統將鉆孔某段封隔起來，并向該段鉆孔注入高壓水，當水壓超過3σ₂-σ₁和巖石抗拉強度T之和后，在θ＝0o處，也即σ₁所在方位將發生孔壁開裂。設鉆孔壁發生初始開裂時的水壓（破裂壓力）為P_b，則有

P_b=3σ₂-σ₁+T(4)

如果繼續向封隔段注入高壓水，使裂隙進一步擴展，當裂隙深度達到3倍鉆孔直徑時，此處已接近原巖應力狀態，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力（關閉壓力）記為P_S，則由圖1可見，P_S應和原巖應力σ₂相平衡，即

P_S =σ₂（5）

根據(5)和(6)式求σ₁和σ₂，需要知道封隔段巖石的抗拉強度，這往往是很困難的。為了克服這一困難，在水壓致裂試驗中增加一個環節，即在初始裂隙產生后，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，記裂隙重開時的壓力為P_r ，則有

P_r =3σ₂-σ₁-P₀(7)

這樣，由(5)和(7)式求σ₁和σ₂就無須知道巖石的抗拉強度。因此，由水壓致裂法測量原巖應力將不涉及巖石的物理力學性質，而*由測量和記錄的壓力值來決定。

二、測試步驟

圖2水壓致裂應力測量系統示意圖

1、選擇試驗段測試段選取的主要依據是：根據巖芯編錄查對完整巖芯所處的深度位置以及工程設計所要求的位置，為使試驗能順利進行，還要考慮封隔器必須放置在孔壁光滑、孔徑一致的位置。

數據采集儀

2、檢驗測量系統

在正式壓裂前，要對測試所使用的封隔器及壓裂系統進行檢漏試驗，一般試驗壓力不低于20MPa。為確保試驗數據的可靠性，要求每個接頭密封處不得有點滴泄漏。

電子定向儀

3、安裝測量設備

用鉆桿將一對可膨脹的橡膠封隔器，放置到所要測量的深度位置。

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

5、壓裂利用高壓泵通過鉆桿或高壓管，向壓裂試驗段增壓。在增壓過程中，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，由于鉆孔周邊的應力集中，壓裂段內的巖石在足夠大的液壓作用下，將會在最小切向應力的位置上產生破裂，也就是在垂直于最小水平主應力的方向開裂。這時所記錄的臨界壓力值Pb，就是巖石的破裂壓力，巖石一旦產生裂縫，壓力將急劇下降。若繼續保持排量加壓，裂縫將保持張開并向縱深處延擴。

封隔器

6、關泵

巖石開裂后關閉高壓泵，停止向測試段注壓。在關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。在巖體應力的作用下，裂縫趨于閉合。當裂縫處于臨界閉合狀態時記錄到的壓力即為關閉壓力P_S。

高壓泵

7、卸壓

當壓裂段內的壓力趨于平穩或不再有明顯下降時，即可解除本次封隔段內的壓力，連通大氣，已張開的裂縫閉合。

在測試過程中，每段通常都要進行3～5個回次，以便取得合理的應力參量以及準確判斷巖石的破裂和裂縫的延伸狀態。

水壓致裂過程中所得到的典型壓力-時間曲線如下圖所示。

8、印模在封隔段壓裂測量之后即可進行裂縫方位的測定，以便確定水平主壓應力的方向。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；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。測定方位時，先將接有定向儀的印模器放到水壓致裂應力測量段的深度，然后在地面通過增壓系統將印模器膨脹。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以便橡膠擠入，并保持相應的時間，印模器表面就印制了與裂縫相對應的凸起印跡。

待保壓時間結束后，卸掉印模器的壓力并將其提出鉆孔。根據定向儀數據和印模器的基線方位，即可算出所測破裂面的走向（也就是水平主壓應力的方向）以及破裂面的傾向和傾角。同時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志。

圖 3 水壓致裂應力測量典型壓裂過程曲線

三、現場測試配合事項

現場水壓致裂實驗必須在鉆井隊的配合下進行，需要鉆井隊配合完成以下工作：

1、需要做水壓致裂試驗的鉆孔，必須保留鉆孔的全部巖芯，對較完整的巖芯，必須標出其在井下的確切位置（深度），以便為選擇測點提供依據。鉆孔應保持完整和盡可能的光滑，若鉆孔有塌落和堵塞現象，需及時用鉆機通孔。

2、在每一測孔鉆完后即開始水壓致裂試驗，為了保證測試儀器的上下，當班全部鉆孔人員必須根據測試人員的要求在崗操作。

3、為了保證地應力測量工作的連續性，縮短整個測量時間，同時又不耽誤地質勘查鉆孔的工作，對擬測地應力的鉆孔的開鉆時間需精心安排，以保證水壓致裂測試前一孔做完后可接著做下一個孔，同時又不出現一孔鉆完后等待較長時間才能做水壓致裂實驗的情況。

測試現場

原始測試曲線