水压致裂法地应力测试仪

水压致裂法地应力测试仪

由于水压致裂法能在深钻孔中测量岩石应力并且具有花费较少的优点，因而得到了广泛的应用。测量原理表明，水压致裂应力测量过程中的一些特征压力点，如破裂压力Pb、重张压力Pr、关闭压力Ps等与岩石应力有关。由于对于诱发破裂的产生、闭合及重张的机制还不十分了解，因此有几种准则的公式用于岩石应力的计算。对于破裂性态的研究已作了很多理论和实验工作。虽然实验室实验有它的优点，但也有其局限性，如尺寸效应。大尺度水压致裂过程中破裂性状的研究是非常重要的。本着这一观点，原地水压致裂试验选择在具有很少自然节理的均匀岩体位置段进行。

实验过程

1．仪器及设备

采用了双回路水压致裂应力测量系统进行原地应力测量。其主要仪器设备包括：

●高压泵，其最大压力为35Mpa。

●储能器。

●流量计。

●两个压力传感器，一个在地面，一个在井下。

●两个压力表。

●高压管及高压软管。

●跨接式封隔器。

●自动资料记录系统，用于记录及监测压力及流量的同步变化。

●带定向器的印模封隔器。

2．测量过程

（1）根据地质编录及地质柱状图、岩芯及井径测井资料选取钻孔测试段。

（2）将封隔器安置在预期的试验段。

（3）对试验段进行测漏试验。

（4）破裂试验。对于快速和慢速压裂试验来说，就是将水以快速或慢速泵入测试段，以使测试段增压，直到压力达到Pb时产生“破坏”。当测试段井壁水压张破裂产生时停泵并打开阀门迅速将水返出。对于套管试验来说，则是将一个单一的封隔器设置在测试段，然后使封隔器膨胀向孔壁加压。加压到超过“破坏”压力，以便在孔壁产生破裂。“破坏”压力可由邻近测试段的快速或慢速压裂试验得到。

（5）破裂重张及关闭压力。再次将水泵入测试段，使之增压到使诱发张破裂重新张开。使破裂重新张开的压力叫重张压力Pr。当压力趋于稳定时停泵。我们可以从压力随时间的变化曲线上得到关闭压力Ps。重张和关闭试验通常要重复3-5个回次，以确保得到好的资料。为了精确地确定关闭压力，有时我们还要作慢速排水试验或并下关闭试验。慢速排水试验是在停泵时立即将测试段的水慢慢地排出，同时记录返回流量与压力随时间的变化。井下关闭试验是，当停泵时，井下开关立即关闭，以观测井下压力随时间的变化情况。

（6）流量-压力试验（P-Q试验）。在破坏回次以后的回次中，当以稳定的流量泵人封隔段（试验段）时，试验段的压力也趋于稳定。进行压力随流量变化的实验也是为了确定关闭压力Ps。

水压致裂地应力测试设备技术升级改造

主要完成单位

长江水利委员会长江科学院

主要完成者

尹健民、艾凯、刘元坤、景锋、邬爱清、罗超文、肖本职

成果摘要

该项目重点对传统水压致裂法地应力测试设备的硬件系统进行了升级改造，使加压系统和数据传感元件等整套设备的性能与精度达到地应力测试、高压压水和水压劈裂试验的国际技术规范的要求；引入数字化光学钻孔摄像系统，实现了钻孔摄像并智能判读钻孔裂隙产状，解决了测试深度区间的精确定位和破裂缝验证的难题；实现了测试压力与流量数据的数字化采集，达到实时监控测试过程的目标，形成易于处理的数据文件与测试曲线。该成果（设备）主要技术参数：

1 数字化光学钻孔摄像系统主要技术指标：

彩色模式：32位彩色；分辨率：0.1ｍｍ；精度：0.6ｍｍ；最大深度：500ｍ；观测速度：0~2cm

／s。

2 传统水压致裂法硬件系统与数据采集系统技术指标：

最大压力：40Mpa；最大流量：10L／min、120L／min；测试深度：1000ｍ。经升级改造后的水压致裂法地应力测试设备，可以准确测量复杂地形地貌区的深孔地应力场，解决地下洞室和边坡支护工程的安全稳定性问题，为水利水电、铁路、交通、西部开发等工程设计施工和地质灾害治理提供必备的科学依据，最大限度地避免岩石工程的失误以及地质灾害造成的人民生命财产的重大损失，并指导工程设计及其优化以节省工程投资，具有直接经济效益与显著社会效益。自2002年以来，升级后的测试系统已经在四川金康水电站、深圳抽水蓄能电站、云南乌东德水电站等水电工程和宁波~福州铁路、武汉~广州高速铁路、沪蓉高速公路等10余个重点交通工程，以及英国石油公司珠海地下储气库、北香港岛排污工程和马来西亚BAKUN水电站等国际工程的地应力专项研究中成功竞标，项目成果达到国际先进水平。