[发明专利]室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法及装置

说明书

本发明公开了一种室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法及装置，其中室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法包括：首先对试样进行真三轴加载；然后钻造水压致裂钻孔；对试样进行注水压裂并监测压裂过程中压力变化及裂纹起裂、扩展情况；对试样重复压裂模拟水压致裂地应力测试。借此，本发明的室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法，可以实现真三轴加载条件下的钻孔钻造、水压致裂地应力测试全过程的实验模拟，且试样安装便捷，操作简单，可扩展性强，为水压致裂地应力测试的室内模拟提供可靠的模拟方法与装置。

技术领域

本发明是关于水压致裂地应力测试技术领域，特别是关于一种室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法及装置。主要应用与水压致裂地应力测量领域，其功能是基于水压致裂地应力测试的原理，通过先三维应力加载再钻造钻孔，然后开展室内水压致裂的思路方法，可以实现(1)水压致裂破裂过程模拟；(2)水压致裂地应力测试过程核心特征参数的模拟研究；(3)模拟野外水压致裂地应力测试过程，为野外测试数据校正及复核提供技术方法与装置。

背景技术

水压致裂测量地应力技术是目前最广泛且最有效的地应力测量技术之一(王成虎,2014)。自1964年，Fairhurst(1964)第一个正式提出利用水压致裂技术来测量原地应力，该方法迅速发展，逐步被应用到地应力测量工程实践领域(von Schonfeldt andFairhurst,1970；Haimson and Avasthi,1973；Raleigh et al.,1976；李宏等,2005)，并被全球各行各业的科学家所认同。虽然水压致裂原地应力测量方法有众多优点，但这种方法还是有一些无法避免的局限性，例如，测试段岩体的抗拉强度确定问题，破裂压力与诱发裂缝的起裂可能并不对应，还有水压致裂诱发裂缝与最小水平主应力并不垂直等。水压致裂裂缝实际形态很难直接观测，多数情况下依赖于简单模型或者各种假设来分析裂纹形态。数值模拟可以解释部分现象，但对于裂纹扩展机理的解释有限且可能有误。室内水压致裂实验是分析水压致裂应力测量中裂纹起裂与扩展机理的一种重要方法，但室内模拟实验研究尤其是真三轴水压致裂研究并不多。因而，为更好的解释水压致裂中裂纹起裂及扩展机理，确定破裂压力及其他特征参数与地应力间的关系，需要发展室内(微型)真三轴水压致裂地应力测试实验模拟技术及研制相关设备。

室内水压致裂的实现主要有两种方法，一种是采用带中心钻孔的圆柱试样，通过围压装置施加均匀围压及轴压，模拟假三轴应力环境，通过中心钻孔内加压实现围压下岩样水压致裂破坏模拟(Zoback et al.,1977；Brenne et al.,2013)。例如1977年Zoback等(1977)通过单轴和假三轴(水平方向应力相等)水压致裂试验研究了水压致裂地应力测量方法的两个影响因素。Daneshy(1978)采用单轴压缩装置实现带孔圆柱试样水压致裂模拟。Anderson(1981)开展了立方体试样的单轴荷载下的水压致裂实验。Haimson(1981)指出通常的水压致裂设备在小试样时比较难以控制裂纹的起裂与扩展，因而他采用大尺寸试样进行水压致裂试验，试图得到类似野外地应力测量结果。然而这些设备只能提供伪三轴应力状态，无法模拟实际三维原地应力状态下的水压致裂。