一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法技术

本发明专利技术公开了一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法。所述方法通过为原生裂隙面上广泛存在的剪应力建立力学方程，利用最小二乘法和计算机程序试错搜索原生裂隙面摩擦系数的办法反演得到原地应力张量。通过本发明专利技术所述方法，大幅度降低了原生裂隙水压致裂原地应力测量方法所需的原生裂隙数目，消除在使用原生裂隙水压致裂原地应力测量方法时对原地应力场设定的诸多假设条件，降低了原生裂隙水压致裂原地应力测量方法的应用难度，提升了该方法的准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地质结构勘探测量
，具体涉及一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法。
技术介绍
水压致裂(HydraulicFracturing，可简写为HF)原地应力测量方法是目前重要的地应力测量技术之一[1-2]。该方法是1987年和2003年国际岩石力学学会测试方法委员会颁布的确定岩石应力建议方法中所推荐的方法之一[3]。虽然水压致裂原地应力测量方法有众多优点[1-2]，但是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[4-5]；破裂压力可能与诱发裂缝的起裂并不对应[6]；水压致裂诱发裂缝与最小水平主应力并不垂直，而这可由钻孔方位或者岩体的不均匀性和各向异性所导致[7-8]。为了解决水压致裂原地应力测量方法存在的上述问题，Cornet和Valette在1984年提出了利用原生裂隙的注水测试来确定原地应力的方法[9-11]。在第一届国际岩石应力研讨会上，Cornet正式将他所提出的这种方法命名为HTPF法(国内翻译为原生裂隙水压致裂法)[12]。随后，多位科学家开展了HTPF法现场推广应用以及与经典水压致裂原地应力测量方法的对比研究，但是应用效果各有不同[13-14]。后来，Mosnier和Cornet联合研发了能同时进行井壁电阻率图像录井和水压致裂测试的专用设备，大大提高了HTPF法测试的可靠性[15]。1992年，Cornet和Burlet对HTPF法在法国8个不同测试地点的应用效果进行了全面总结，给出了推广应用HTPF法时所应该注意的要点和建议，以及应该采取的应对措施，为其它科学家开展类似测试提供了很好的参考实例，但是在理论方面并没有任何变化[16]。随后，Cornet等在1997年为了解决一个山区中深埋隧道节理化岩体和斜孔中应力测量的问题，在HTPF法基础上，重新优化了应力场反演的算法，提出联合使用遗传算法和蒙特卡洛方法来反演应力场，利用不同深度上的原生裂隙HTPF法测试的结果反演得到了钻孔900m深度处的应力状态，并与钻孔崩落得到的应力场方向进行了对比，实践证明应用效果较好[17]。与此同时，Hayashi等1997年在地下矿山中利用两个水平孔中所揭露的原生裂隙，结合水压致裂诱发裂缝反演确定了原地应力状态，所依据的原理及采用的测试设备和流程与HTPF法类似，但是算法是针对这个特定的工程而设定的，所以与HTPF法略有不同[18]。2003年，Cornet等人研发了全新的HTPF法测试设备，这种设备可以实时记录水压致裂测地应力测试过程中的井壁电阻率图像，为评价测试过程中的裂缝水力学响应提供了可能；同时他们还提出了联合使用HF法和HTPF法测试结果来确定区域应力场的方法[19]。同年，Haimson和Cornet联合撰文将HF法和HTPF法纳入国际岩石力学学会所推荐的主要岩石应力测试方法[3]，这标志着HTPF法已作为一种成熟的方法被国际同行所认可。在国内，一般称HTPF法为单孔三维水压致裂法(也称之为原生裂隙水压致裂法)，陈群策、安美建和刘允芳等人推导了利用原生节理面进行原地应力测量的力学公式，文献[22]中提出利用最小二乘法来进行应力状态反演，并在国内的几个水利工程中进行了成功应用[21-22]。2001年尹健民等提出联合使用原生裂隙和经典水压致裂原地应力测量方法来确定原地应力场的方法，并在宣恩洞坪水利水电枢纽工程中进行了应用[23]，并且与三孔交汇的三维水压致裂原地应力测量法进行了对比分析。2006年刘允芳等人在深圳抽水蓄能电站开展了类似水压致裂法三维地应力测量和分析工作[24]。这一阶段国内学者的工作主要停留在原生裂隙水压致裂法的推广应用上，对方法本身和测试过程中应注意的主要技术细节介绍并不多。2007年至2009年，刘亚群和景锋等人针对应力梯度对测量结果的影响进行了系统研究，提出使用原生裂隙水压致裂法时，当原生裂隙间垂直距离超过50m时，需要考虑应力梯度的影响[25-26]。为了解决经典水压致裂原地应力测量方法中的一些不足，并且受到水压致裂测试中闭合压力确定方法的启发，Cornet和Valette于1984年提出了HTPF法[11]，这样就可以通过测定裂隙面上法向应力来测定原地应力，力学原理如附图2所示，HTPF法的力学原理公式如公式(1)所示。σ(X(j))n(j)·n(j)=σn(j)---(1)]]>式中，n(j)为钻孔所揭露的第j条结构面的单位法向量，σ(X(j))为作用于第j条结构面上的局部应力张量。这里假设第j条结构面足够小，结构面分布范围内的岩体应力场均一，且岩体中心点坐标为X(j)(其三个分量坐标为xj、yj和zj)。那么问题就演化为利用多个所测得的σn(j)值求解X点处的应力张量的六个分量的问题。而σn(j)完全可以利用与水压致裂测试相似的原生裂隙注水重张测得，即裂隙面上的闭合压力Psj，如公式(2)所示。σn(j)=Psj---(2)]]>测定原生裂隙面上的法向应力的最为理想的工程环境是地下空间内所揭露的各类裂隙面，因为在这种情况下，裂隙面近似处于同一个深度范围内，同时由于测点距离非常近，可以忽略原地应力张量的横向和随深度变化因素，可以利用最小二乘法对公式(1)进行线性求解。但是对于单一深孔，钻孔所揭露的满足测试要求的结构面并不处于同一深度，那么就需要考虑深度的因素，公式(1)可以转变为：σ(z)＝σ(zc)+(z-zc)λ(3)式中σ(zc)指深度zc处的应力张量(包括6个应力分量)，λ指描述垂直应力梯度的系数，由4个分量组成，其中一个主方向假设为垂直。在公式(2)中，通常不考虑应力张量的侧向变化。通常情况下，在一个单一钻孔内开展HTPF法测试时，一般没有条件和数据来限定应力张量的侧向变化。但是在地形起伏很大的地区，如果应力张量的侧向变化无法忽略时，就需要使用6个分量来限定λ，这时求解公式(2)就需要确定12个未知量。在文献[12]中，Cornet指出了HTPF法三个大的局限性：(1)测试工作量繁重；(2)需要挑选到单一的满足测试条件的原生裂隙，要求岩体不能非常节理化；但是方位不同的多条原生裂隙在同一钻孔内非常难找到；(3)事先需要对测试区域的原地应力状态进行一些假设。2003年Ljunggren等在文献[20]中对HTPF法进行了准确客观的评述：取决于反演原地应力场过程中所采用的不同假设和限定条件，HTPF法可以用于确定2D和3D原地应力状态；对于确定2D原地应力状态，一次成功的测试至少需要10～12个原生裂隙的HTPF法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，其特征在于：通过为原生裂隙面上广泛存在的剪应力建立力学方程，利用最小二乘法和计算机程序试错搜索原生裂隙面摩擦系数的办法反演得到原地应力张量。

【技术特征摘要】
1.一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，其特征在于：通过为原生裂隙面
上广泛存在的剪应力建立力学方程，利用最小二乘法和计算机程序试错搜索原生裂隙面摩
擦系数的办法反演得到原地应力张量。
2.如权利要求1所述的一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，其特征在于，
所述方法包括以下步骤：
1）选择原生裂隙；
2）控制并记录测试流量；
3）挑选和解释测试数据；
4）反演原地应力张量。
3.如权利要求1或2所述的一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，其特征在
于：所述步骤1）中利用高精度钻孔井下电视对钻孔所揭露的裂隙面进行准确定位，同时结
合钻孔岩芯编录的资料，对裂隙面的水力学特性进行评估，以便在测试时挑选到合格的原
生裂隙面；避免将方位角相似的原生裂隙面放到同一组数据中进行应力值反演；对于所选
取的原生裂隙面之间，走向差最好在8o以上，倾角差最好在4o以上。
4.如权利要求1或2所述的一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，其特征在
于：所述步骤1）中至少需要选择5条原生裂隙。
5.如权利要求1或2所述的一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，其特征在
于：所述步骤2）在测试过程中使用低流量高压水泵，同时采用高压流体控制系统，记录注入
原生裂隙面的流体累积流量和关泵以后...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成虎，
申请(专利权)人：中国地震局地壳应力研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11