水压致裂法地应力测量的几个问题研究

水压致裂法地应力测量的几个问题研究摘要：水压致裂法地应力测量技术以其测深大、一孔多用等特
点成为目前进行深部地应力测量的常用方法之一。

本文针对该方法实施及分析过程中对于钻孔岩壁上原生裂隙的鉴别和处理、岩壁裂缝处水压的计算和岩壁裂缝处水压与地应力的关系等问题进行了
探讨，提出了重张压力与瞬时关闭压力的关系式。

关键词：地应力测量；水压致裂法；原生裂隙；裂缝水压
abstract: the hydraulic fracturing method situ stress measurement technology with its sounding big a hole more than one of the characteristics to become commonly used method of deep situ stress measurement. in this paper, the method of implementation and analysis process for drilling rock wall natively on the identification and treatment of fractured rock wall cracks water pressure calculation and the rock wall cracks at the water pressure and the stress relationship issues raised heavy sheets of pressure and instantaneous off pressures relationship.
keywords: stress measurement; hydraulic fracturing method; existing fractures; crack water pressure
中途分类号:te35 文献标识码:a
0 引言
水压致裂法地应力测量技术由于测量深度大、可直接利用已有勘探孔进行作业以及不需要岩石力学参数等特点成为目前进行深部地应力测量的有效方法 [1]。

该方法在测量深度上可达地下数千米,是其它任何方法无法比拟的[2]。

在资料分析和理论计算过程中不需要岩石弹性常数参与计算, 可避免由于弹性常数取值不准确而引起的误差。

另外，由于岩壁受力范围较广(孔壁承压段可长达1～2m) , 从而避免了“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀的影响。

但是，由于学者们对钻孔岩壁上原生裂隙的鉴别、处理，岩壁裂缝处水压的计算和岩壁裂缝处水压与地应力的关系等问题，在认识上存在较大差异，而影响最终测量结果的准确性和可操作性。

1 钻孔岩壁上原生裂隙的鉴别和处理
水压致裂法地应力测量的前提之一是钻孔承压段岩壁上的破裂缝沿岩壁拉应力最大部位展开[2]。

如果压裂段的岩壁上存在原生裂隙或其它地质构造(包括软弱带), 就不符合上述基本假定。

在这种情况下，当压裂段承受足够高的液体压力时, 初始开裂很可能发生在这些部位,而不再产生新的破裂缝。

虽然也可根据重张压力和瞬时关闭压力计算地应力量值, 但是瞬时关闭压力不再是原地应力场中的最小水平主应力, 也就不能按常规计算最大水平主应力, 压裂缝方向也并非是最大水平主应力方向。

存在原生裂隙或其它地质构造的情况下，高压水无需进一步克
服岩石的抗拉强度来产生新的张裂缝隙，因而不会出现经典的水压致裂压力曲线中破裂压力pb与重张压力pr的明显区别（如图1），而是出现与经典压力曲线中第一次压裂后循环加压曲线形状类似、峰值相仿的情况（如图2）。

图1无原生裂隙水压致裂压力—时间曲线
图2有原生裂隙水压致裂压力—时间曲线
所以，压裂段是否存在原生裂隙或其它地质构造很容易从压裂循环曲线中直接判断出来。

另外，原生裂隙在印模器上的印模情况也与压裂缝隙不同，前者多成组倾斜分布，而后者多为一组径向相对的纵向裂隙，很容易辨认出来。

国内多数学者认为，针对这种情况, 该压裂段的实测资料应该在整个测量中剔除，不予考虑。

由于水压致裂试验操作较为复杂、试验费用昂贵，所以保证试验段岩体情况完整、均匀是试验成功的关键因素。

在实际测试中，应对工程场区的地质情况进行详尽的调查，了解节理裂隙或其它地质构造的发育情况，并对钻孔岩芯进行详细准确的编录，进而详尽描述钻孔地质情况，综合考虑测试需要和场区地质条件，确定适当的测试区段。

2 岩壁裂缝处水压的计算方法
水压致裂过程中直接得到的压力曲线只是地面泵站出口处压力，并不是岩壁裂缝处承载的水压，应依据管道参数、流量曲线和
测点深度确定测点水压力。

施测者在实际测量和数据整理过程中往往忽视了这一点。

文献[3]对水流在钻杆中的流动阻力进行了估计，提出了流动阻力损失为钻杆内水头的50％的假设，即将压力曲线上的压力数值增加水柱压力一半作为测点压力。

笔者认为该估计值偏大，分析如下：因为在进行压裂操作前，钻杆内通常已充满常压水，所以在压裂过程中，水流量并不会太大（一般为几升），试取压裂时水流量q为100ml/s，钻杆内径d为40mm，水的运动粘度η为1.3×10-6m2/s （10℃值），水的密度为1g/cm3，由雷诺数公式：
计算得到，雷诺数re＝2450，水流所处流区为紊流水力光滑区，并接近层流状态，每米管长沿程损失水头hf＝3.7×10-4m，即沿程水头损失为重力势能的0.037％。

由此可见，在上述典型情况下，沿程水头损失是很小的，这主要是因为水体流速较慢，流态接近层流的原因。

另外，还应考虑到钻杆接头和推拉转换开关等部位引起的局部水头损失。

试取钻杆与推拉开关的接头部分为例进行研究，将其简化为水流由直径40mm的钻杆进入直径5mm的推拉开关，经计算，局部水头损失hf＝0.658m。

因为引起局部水头损失的部位较多，且有些部位结构复杂，所以局部水头损失可能较大，但总量应处在几米的数量级，对于1000m深的测点，再加上沿程水头损失（约0.4m），总体水头损失也应处在上述数量级，其中局部水头损失起了主导作用，但由于其数值相对固定，而沿程水头损失又较小，所
以随着测点深度的加大，总体水头损失可望维持在上述数量级，这样就可以直接使用水柱的压强作为地面泵站出口处压力与岩壁裂缝处承载的水压的差值，所引起的误差一般不会超过5％，并且随着测点深度的加深，误差比率将减小。

3 岩壁裂缝处水压与地应力的关系
文献[4]基于断裂力学和流体力学的耦合求解，给出了水压致裂裂缝内压力分布的解析解答。

在求解过程中使用了如下假设：（1）压裂液流动为沿着裂缝长度方向的一维层流流动，即忽略裂缝内横向和铅垂方向上的流动以及裂缝入口和尖端处的复杂流动，这对水力裂缝这样的细长裂缝能较好的成立；
（2）视流体为不可压缩流体；
（3）对不能简单解析表达的积分适当简化近似处理。

最终得出孔壁处压力为
缝内压力分布为
分析式（2）和（3）可知，缝内压力分布存在着线性关系，并在孔壁处取得最大值，在接近尖端过程中逐渐减小，最终在尖端处压力为孔壁处压力的58％。

由于上述沿缝壁向深处有压力降，孔壁处压力只有始终维持在较高水平才能保证裂隙的不断向前开展，在开展过程中，由于裂缝水平深度a的不断增大，而kic一般较小，压力将趋于常量1.365σh。

例如，取岩石的断裂韧度kic＝
1.8mn/m3/2，σh＝15mpa，则随着a值的不断增大，pw将趋于1.365
σh，即20.475mpa，见图3。

图3孔壁处水压随裂缝开展的变化曲线
文献[5]提供了诸多学者进行的室内水压致裂试验结果。

试验的典型情况是取用直径30mm的岩芯试件，并在其中钻直径2.5mm的轴向孔，对试件加0～30mpa的围压，然后在小钻孔内用液压油加压，加载率为0.5mpa/s，产生对称的轴向断裂并贯穿整个试件。

破裂压力pc与围压pm之间的关系回归后得到类似于式（4）的结果，式中：pc——破裂压力（mpa）；
k——经验断裂系数；
pm——施加的围压力（mpa）；
pco——岩石的经验抗拉强度（mpa）；
试验的具体情况汇总于表1。

表1 室内水压致裂试验结果汇总
对上述试验结果按照试件个数进行加权平均，计算得到经验断裂系数k＝1.23±0.10。

上述试验是在等围压状态下进行的，即σh=σh=pm，所得经验断裂系数k与式（2）给出的理论值1.365能够较好的符合，差别小于10％。

在工程实测中，初始破裂后完全卸压再重新注液，当裂缝重新张开时得到重张压力pr，可以认为其与前述孔壁处的水压力pw相对应，而瞬时关闭压力ps则与最小水平主应力σh相对应。

国内35个实测水压致裂法地应力测量点pr/ps值汇总于表2。

表2 部分工程水压致裂法地应力测量结果的pr/ps值
由表2可知，工程实测所得pr/ps值（即pw/σh值）较为稳定，取值在1.15～1.6之间，加权平均值为1.338，与理论值1.365符合的很好，综合考虑表1室内试验结果，提出式（5）作为pr与ps 的简略关系式。

4 结论
（1）压裂段岩壁上原生裂隙的存在将使水压致裂法地应力测量的前提不能成立，应重视原生裂隙或其它软弱带的鉴别处理。

实测中应综合考虑场区地质条件和测试需要，确定适当的测试区段。

（2）水压致裂过程中，地面泵站出口处压力与岩壁裂缝处承载的水压不同，应依据管道参数、流量曲线和测点深度确定测点水压力。

一般可以直接使用钻杆内水柱的压强作为两者的差值，误差较小。

（3）当裂缝开展足够远后，孔壁处水压力趋于最小水平主应力σh的1.365倍，该结果与室内外试验均符合的很好，进而得出公式（5）作为重张压力pr与瞬时关闭压力ps的关系式。

参考文献：
[1]蔡美峰.地应力测量原理和技术[m].北京：科学出版社，2000.
[2]刘允芳，刘元坤.水压致裂法地应力测量若干问题的探讨[j].地震研究，1999，22(3):265－271.
[3]尤明龙.水压致裂法测量地应力方法的研究[j].岩土工程学报，2005，27（3）：34－37.
[4]阳友奎.岩盐水力压裂机理及其过程应用的研究 [m]. 重庆大学博士学位论文,1993.
[5] rummel f. 尹祥础,修济刚等译.断裂力学应用于水压致裂应力测量[a].北京:地震出版社,1992:231–253.。