水压致裂法测量地应力

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1、万方数据86西部探矿工程2009年第1期水压致裂法测量地应力马凤良1，何绍勇2，尹向阳3(1．中国石油勘探研究院西北分院，甘肃兰州730020；2．辽河油田勘探开发研究院盆地所，辽宁盘锦124010；3．中油管道天然气压缩技术有限公司，山东德州253020)摘要：水压致裂法在地质工程中应用广泛，传统的水压致裂法理论是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的[1．10]，但只能测量地质条件简单的情况下的二维地应力，一些学者为解决传统水压致裂法的不足，提出了三维地应力测量理论，采用最小主应力破坏准则进行水压致裂法三维地应

2、力测量，对地质条件比较复杂的地区可以用该方法进行测量，但是还需要进一步的改进。传统的水压致裂法理论和三维地应力测量理论各有优缺点。关键词：传统水压致裂法；三维地应力测量；最大主应力；最小主应力中图分类号：TE357．1文献标识码：B文章编号：1004—5716(2009)01一0086—03水压致裂法是测量地壳深层岩体地应力状态的一种有效方法，对地应力测量的测试原理基于三个基本假设：(1)地壳岩石是线性均匀、各向同性的弹性体；(2)岩石为多孔介质时，流体在孔隙内的流动符合达西定律；(3)主应力方向中有一个应力方向与

3、钻孔的轴向平行[8,11]。向封闭的钻孔内注入高压水，当压力达到最大值Pb后，钻孔井壁会发生破裂导致井内压力下降，为维持裂隙保持张开状态，孔内压力最终会达到恒定值，不再注入后，孔内压力迅速下降，裂隙发生愈合，之后压力降低速度变慢，其临界值为瞬时关闭压力P。，完全卸压后再重新注液，得到裂隙的重张压力Pr以及瞬时关闭压力P。，最后通过由仪器记录裂缝的方向[7’12

4、。l传统的水压致裂法传统的水压致裂法应力测量理论和方法是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的，它的前提是原地应力场中的两个主应力方向构成一个平面，而第三个

5、主应力是与这两个主应力垂直的。利用一个铅直井孔进行水压致裂应力测量得到两个水平主应力的大小和方向，而垂向主应力的值是由岩石的密度按静岩压力计算得出。传统水压致裂法采用最大单轴张应力的破裂准则，没有考虑轴向应力&和径向应力艿3对孔壁四周围岩的约束效应。切向应力甑随液压P，不断增大，由压应力转变为张应力状态，再由张应力逐渐增大达到围岩抗拉强度T，井壁四周围岩沿剪切方向产生破裂。因此，钻孔压裂段井壁上只能产生平行于井孔轴向的纵向破裂缝。这时压裂段的液压R就达到破裂压力Pbcll,20]。传统水压致裂法地应力测量方法存在的

6、不足是：只能确定钻孔横截面上的二维应力状态，地应力场的一个主应力方向与并孔轴向平行的情况很少。在利用水压致裂法进行三维地应力测量时，需要在三个不同方向的井孔中分别进行测量，在测量过程中破裂处的井壁围岩，是在张一张一压或张—压一压的三维应力状态下破裂的，并不符合最大单轴张应力破裂准则的应力条件。实际应用中存在的两大主要问题：(1)在复杂地质构造或在山区峡谷等复杂地貌条件下，钻孔方向一般并非主应力方向，如果不假定主应力方向那么测试结果对实际生产用处不大；(2)传统水压致裂法确定的钻孔横截面上最大和最小的应力值中，最大应

7、力精度差，最小应力参考文献：·／-1]左悦．难动用薄层稠油油藏水平井开发实践[J]．特种油气藏，2005，12．E2]孙海芳，等．超薄油藏水平井钻井技术Uj]．石油钻探技术，2002，8．t3]梁志丰，等．哈得油田薄油层水平井优化钻井技术[J]．石油天然气学报(江汉石油学院学报)，2005，8．[4]赵景山．胜利油田薄油层水平井钻井技术[J]．石油钻探技术，2003，10．[5]都振川．胜利油田薄油层水平井钻井技术综述／-j]．石油钻采工艺，2003，6．E6]唐志军，等．薄油层水平井钻井技术应用EJ]．岩土力学，

8、2003，10．[7]王爱国，等．深部薄油层、双阶梯水平井钻井技术[J]．石油钻采工艺，2003，6．万方数据2009年第1期西部探矿工程87精度高，因此测试结果的整体精度达不到要求精度。一些学者就三维地应力测量解释进行了卓有成效的探讨[i3-1s,18-20]，在不同方向的3个或3个以上钻孔内，采用完整岩石段的常规压裂实验，来测量三维地应力状态的三孔交汇水压致裂法来解决第一个问题。2三维地应力测量理论该理论方法采用最小主应力破坏准则进行水压致裂法三维地应力测量，其理论模型可以客观地反映水压致裂过程中诱发破裂产生的

9、力学机制。根据线弹性理论，当钻孔内承受液体压力时，孔壁上某一点(钻孔极系坐标系下极角为日)的最小主应力可以表示为原地应力张量、内水压力和8的函数。当原地应力张量和钻孔空间方位为定值时，则孔壁上的最小主应力表现为随极角0变化的正弦曲线。在水压致裂应力测试过程中，随毫向密闭的试验段持续泵进流体，最小主应力艿随内水压力的增加而不断减小，直至由压应力变为拉张应力。当