[发明专利]一种准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法

说明书

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是涉及一种准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法。该方法包括：向钻杆的密闭内腔压入流体，进行能量存储；打开钻杆下端的阀门，钻杆内腔中的流体在压力的作用下，释放能量，将流体注入测试段。本发明提供的准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法，通过向钻杆的内腔中压入流体，使得钻杆的内腔作为一个高压液体泵，将钻杆内腔中的流体，注入测试段，直至闭合裂缝重新张开；这样的方式，使得测试时，测试系统柔度达到最低，尤其适用于深孔水压致裂地应力测量，降低传统取值方法中柔度对裂隙重张压力取值的干扰，进而实现准确测量重张压力的目的。

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是涉及一种准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法。

背景技术

水压致裂地应力测量方法是目前被公认为直接进行深孔地应力测量的最为有效的技术方法。由于操作简单、无需岩石力学参数即可直接测得应力值，尤其是可直接测定最小主应力，测量深度在理论上不受限制等优点，水压致裂地应力测量方法已在水电、矿山、隧道、核废料处置和石油战略储备库选址等工程领域以及大陆动力学研究、区域地壳稳定性评价、地震成因机制研究等领域得到了广泛应用，产生了重要的社会影响和巨大的经济效益。

水压致裂试验的典型装置是用两个可膨胀封隔器在钻孔内密封隔离出一段试验区(一般称之为测试段)，并在地表使用高压水泵将液体注入其中，随着液体的持续泵进，钻孔孔壁对应最大水平主应力方向的位置的环向应力状态逐渐由压应力状态变为拉张应力状态，当其张应力量值超过岩石的抗张强度时，孔壁开始出现破裂，此时对应的液体压力称之为破裂压力，记为P_b。如果再次对测试段加压，使破裂重新张开，这时可得到破裂重新张开的压力P_r。此时，如果停泵且水压回路保持密闭状态，那么便记录到瞬时关闭压力P_s。

关于关闭压力的计算和判读，业界普遍认为最小水平主应力的计算和确定是可靠的；与之相比，最大水平主应力的计算和确定则存在较大的争议，其争议的焦点来自于水压致裂诱发破裂的重张压力。对于此问题，众多学者开展了深入的讨论和研究，关于水压致裂地应力测量中重张压力P_r的有关认识可概括如下：

1)重张压力的取值受整个测试系统柔度的影响。在此，测试系统的柔度定义为系统受单位压力变化而引起的体积变化；

2)测试系统的柔度主要受整个测试系统的水体体积的影响。对于钻杆式水压致裂地应力测量系统而言，测试深度越大，系统柔度越大，以目前国内最常用的50mm钻杆为例，当测试深度为840m时，系统柔度将达到4.52×10^-4m³/MPa；

3)相关研究结果表明：当测试系统柔度不大于或小于5×10^-7m³/MPa量级水平时，计算和确定的重张压力的误差可以控制在10％以内。而要满足这样的柔度要求，测量钻孔深度一般仅限于几百米的浅孔。一旦测量深度接近或超过千米，因测试系统柔度过大造成的重张压力的判读误差可超过100％；

4)钻杆式水压致裂测量方法由于其自身固有的技术特点，严重限制了其深孔地应力测量的精度。但较大的测量深度必然带来显著的系统柔度，进而导致诱发裂隙重张压力产生较大误差，最终使得最大水平主应力的计算结果严重失真。基于此，在水压致裂地应力测量技术领域，人们已达成基本的共识：采用钻杆式水压致裂方法，当测量深度接近或超过千米深度时，只有最小水平主应力的测值是可靠的，而最大水平主应力的值会严重失真。

由此可见，对于现有的水压致裂地应力测量方法，只有从测试工艺方法或关键设备入手进行重要改进，才可能使得该项测量技术更好地适应于深孔地应力测量，为相关领域提供可靠的地应力数据。为此，相关领域的学者和技术人员开展了大量的探索和实践。目前在已公开发表的文献资料中具代表性的方法如下：