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