水压致裂法地应力测试

地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，是引起地下工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。对地下工程来讲，随着埋深的不断增加，地应力的作用表现得越来越明显。查清地下工程围岩地应力的大小和方向，进行合理的设计、开挖与支护，不仅可以显著提高工程稳定性，避免灾害发生，而且可节约大量支护和维修费用，显著提高地下工程的经济效益。

由于地下工程的复杂性和地下空间形状的多样性，利用解析法进行工程稳定性的分析和计算几乎是不可能的。随着高速计算机的应用和各种数值模拟方法的发展，使地下工程成为一门可以进行定量设计和分析的科学，但所有的计算及分析都须在掌握地应力分布状况的前提下进行。

产生地应力的原因十分复杂，也是至今尚不十分清楚的问题。40多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种内动力地质作用和外动力地质作用有关并受其影响。地应力场属于非稳定应力场，它在空间的分布极不均匀，且随着时间的推移不断变化。迄今为止，地应力场还很难用函数形式来表达，要了解一个地区的地应力状态，的方法就是首*行原位地应力测量。

近五十年来，地应力测量得到了大力发展，测量方法足有二十多种，测量仪器上百种。其中，应力解除法和水压致裂法是国际岩石力学学会于2003a新推荐的两种地应力测量方法。应力解除法的测试深度相对较浅，需要足够的地下空间容纳设备，但该法能够在钻孔中一次测得六个应力分量，属于三维应力测量方法，特别适合于在建地下工程。从理论上讲，水压致裂法没有测试深度限制，特别适合于在地下工程的初期勘探阶段应用，但其所测结果并非真正意义上的三维地应力值。

一、水压致裂法应力测试原理

水压致裂法在20世纪50年代被广泛应用于油田，通过在钻井中制造人工的裂隙来提 高石油的产量。后来从七十年代开始，被用于地应力测量。

从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场(σ₁，σ₂)的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为（参见图1）

σ_θ=σ₁+σ₂-2(σ₁-σ₂)cos2θ（1）

σ_r=0（2）

式中，σ_θ和σ_r分别为钻孔周边的切向应力和径向应力；θ为周边一点与轴的夹角。

图1 水压致裂法应力测量原理

由(1)式可知，当θ＝0º时，σ_θ取得极小值，此时

σ_θ=3σ₂-σ₁ (3)

如果采用图2所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过3σ₂-σ₁和岩石抗拉强度T之和后，在θ＝0º处，也即σ₁所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压（破裂压力）为P_b，则有

P_b=3σ₂-σ₁+T(4)

如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力（关闭压力）记为P_S，则由图1可见，P_S应和原岩应力σ₂相平衡，即

P_S =σ₂（5）

根据(5)和(6)式求σ₁和σ₂，需要知道封隔段岩石的抗拉强度，这往往是很困难的。为了克服这一困难，在水压致裂试验中增加一个环节，即在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为P_r ，则有

P_r =3σ₂-σ₁-P₀(7)

这样，由(5)和(7)式求σ₁和σ₂就无须知道岩石的抗拉强度。因此，由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而*由测量和记录的压力值来决定。

二、测试步骤

图2水压致裂应力测量系统示意图

1、选择试验段测试段选取的主要依据是：根据岩芯编录查对完整岩芯所处的深度位置以及工程设计所要求的位置，为使试验能顺利进行，还要考虑封隔器必须放置在孔壁光滑、孔径一致的位置。

数据采集仪

2、检验测量系统

在正式压裂前，要对测试所使用的封隔器及压裂系统进行检漏试验，一般试验压力不低于20MPa。为确保试验数据的可靠性，要求每个接头密封处不得有点滴泄漏。

电子定向仪

3、安装测量设备

用钻杆将一对可膨胀的橡胶封隔器，放置到所要测量的深度位置。

4、座封通过地面的加压系统，给两个封隔器同时增压，使其膨胀并与孔壁紧密接触，即可将压裂段予以隔离，形成一个密闭空间（即压裂试验段）。

5、压裂利用高压泵通过钻杆或高压管，向压裂试验段增压。在增压过程中，由于高压管路中装有压力传感器，记录仪表上的压力值将随高压液体的泵入而迅速增高，由于钻孔周边的应力集中，压裂段内的岩石在足够大的液压作用下，将会在最小切向应力的位置上产生破裂，也就是在垂直于最小水平主应力的方向开裂。这时所记录的临界压力值Pb，就是岩石的破裂压力，岩石一旦产生裂缝，压力将急剧下降。若继续保持排量加压，裂缝将保持张开并向纵深处延扩。

封隔器

6、关泵

岩石开裂后关闭高压泵，停止向测试段注压。在关泵的瞬间压力将急剧下降；之后，随着液体向地层的渗入，压力将缓慢下降。在岩体应力的作用下，裂缝趋于闭合。当裂缝处于临界闭合状态时记录到的压力即为关闭压力P_S。

高压泵

7、卸压

当压裂段内的压力趋于平稳或不再有明显下降时，即可解除本次封隔段内的压力，连通大气，已张开的裂缝闭合。

在测试过程中，每段通常都要进行3～5个回次，以便取得合理的应力参量以及准确判断岩石的破裂和裂缝的延伸状态。

水压致裂过程中所得到的典型压力-时间曲线如下图所示。

8、印模在封隔段压裂测量之后即可进行裂缝方位的测定，以便确定水平主压应力的方向。常用的方法是定向印模法，它可直接把孔壁上的裂缝痕迹印下来；它由电子定向仪和印模器组成。印模器从外观上看，与封隔器大致相同，所不同的是，它的表层覆盖着一层软橡胶。测定方位时，先将接有定向仪的印模器放到水压致裂应力测量段的深度，然后在地面通过增压系统将印模器膨胀。为了获得清晰的裂缝痕迹，需要施加足够的高压，促使孔壁已有裂缝重新张开以便橡胶挤入，并保持相应的时间，印模器表面就印制了与裂缝相对应的凸起印迹。

待保压时间结束后，卸掉印模器的压力并将其提出钻孔。根据定向仪数据和印模器的基线方位，即可算出所测破裂面的走向（也就是水平主压应力的方向）以及破裂面的倾向和倾角。同时用透明塑料薄膜将印模器围起，绘下印模器表面凸起的印痕和基线标志。

图 3 水压致裂应力测量典型压裂过程曲线

三、现场测试配合事项

现场水压致裂实验必须在钻井队的配合下进行，需要钻井队配合完成以下工作：

1、需要做水压致裂试验的钻孔，必须保留钻孔的全部岩芯，对较完整的岩芯，必须标出其在井下的确切位置（深度），以便为选择测点提供依据。钻孔应保持完整和尽可能的光滑，若钻孔有塌落和堵塞现象，需及时用钻机通孔。

2、在每一测孔钻完后即开始水压致裂试验，为了保证测试仪器的上下，当班全部钻孔人员必须根据测试人员的要求在岗操作。

3、为了保证地应力测量工作的连续性，缩短整个测量时间，同时又不耽误地质勘查钻孔的工作，对拟测地应力的钻孔的开钻时间需精心安排，以保证水压致裂测试前一孔做完后可接着做下一个孔，同时又不出现一孔钻完后等待较长时间才能做水压致裂实验的情况。

测试现场

原始测试曲线