一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统及方法，串联在中心钢管的隔水地层设备组和承压水地层设备组；钻孔穿过隔水地层延伸到承压水地层的待测地应力位置；在中心钢管上并且位于隔水地层的位置，安装隔水地层设备组；在中心钢管上并且位于承压水地层的位置，安装承压水地层设备组。优点：(1)本发明专利技术使用的隔水地层设备组可在隔水地层之下形成封闭空间，能够避免承压水地层孔壁超静孔隙水压力发生耗散现象，使得准确测量承压水地层中的孔隙水压力成为现实；(2)隔水地层设备组在隔水地层之下形成封闭空间后，能够避免承压水地层孔壁持续高压突水，使得测试位置的承压水地层始终处于原始天然地应力环境中，保证测量准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统及方法
本专利技术属于地应力测量
，具体涉及一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统及方法。
技术介绍
水压致裂法是目前测量地壳深部地应力唯一可行的方法。因此其在地震地壳应力测量、大型隧道工程地应力测量中有非常重要的应用。目前，水压致裂法主要用于测量非承压水地层的地应力，其测量方式为：首先钻一个钻孔到达需要进行地应力测量的部位；读取此时测量部位的天然水头压力；然后，在钻孔内需要测量地应力部位的上部和下部各安装上封隔器和下封隔器，上封隔器和下封隔器膨胀后，与钻孔内壁紧密接触，从而在上封隔器和下封隔器之间形成封隔空间；然后，向封隔空间中泵入高压水，使被封隔空间内水压力不断增大，记录并分析在封隔空间中安装的压力传感器采集到的压力随时间的变化曲线，可得到破裂压力P′b、重张压力P′r和瞬时闭合压力P′s；然后，破裂压力P′b、重张压力P′r和瞬时闭合压力P′s分别减去岩石中的孔隙水压力P0，可得到有效破裂压力Pb、有效重张压力Pr和有效瞬时闭合压力PS；最后，根据有效破裂压力Pb、有效重张压力Pr和有效瞬时闭合压力PS，按弹性力学理论即可计算出地应力值。岩石中的孔隙水压力P0分为两种基本类型：静孔隙水压力Pw和超静孔隙水压力P′0，其中，静孔隙水压力Pw等于钻孔中的静水压力Pρgh；在非承压水地层中，由于岩石中的孔隙水与大气是连通的，不存在超静孔隙水压力P′0，因此，其孔隙水压力P0只包含有静孔隙水压力Pw；在承压水地层中，承压水在上覆各地层的压力作用下，产生超静孔隙水压力P′0，所以，承压水地层中的孔隙水压力P0由静孔隙水压力Pw与超静孔隙水压力P′0共同组成。所以，在现有技术中，在非承压水地层中，直接将钻孔中的静水压力Pρgh当作岩石中的孔隙水压力P0代入地应力求解计算过程是简洁且合适的；从而，非承压水地层中的孔隙水压力P0就非常容易计算了，即P0＝Pρgh＝ρgh，其中，ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水头高度。然而随着钻孔深度和测量深度的不断加深，钻孔深部的承压水地层大量出现并成为普遍现象，传统的水压致裂法在地应力测量过程中不能将超静孔隙水压力P′0代入计算，完全忽略了超静孔隙水压力P′0的作用；超静孔隙水压力P′0的存在给传统水压致裂法提出了严峻挑战，主要表现在以下两个方面：(1)承压水地层的特征是地层中孔隙水与大气不连通，其孔隙水压力P0由静孔隙水压力Pw与超静孔隙水压力P′0共同组成，其中，超静孔隙水压力P′0是孔隙水压力P0中大于静孔隙水压力Pw的部分；超静孔隙水压力P′0是由覆盖在承压水地层之上的隔水地层等各地层的总压力引起的，由于上覆地层的厚度没有限制，因此，超静孔隙水压力P′0的大小甚至可以大于钻孔内部的静水压力Pρgh；所以，如果按照现有水压致裂的计算方法，在承压水地层中，采用钻孔内的静水压力Pρgh代替岩石中的孔隙水压力P0进行地应力量值计算，不考虑超静孔隙水压力P′0的作用，就会给计算结果带来很大的误差，这个误差在计算最大主应力量值的计算过程中，根据水压致裂最大主应力计算公式：SH＝3Ps-Pr，其误差甚至还要被放大至超静孔隙水压力P′0的两倍；所以，这样的误差过程不管是对于地壳地应力测量还是地热新能源地应力测量，都是不能接受的；(2)如果按照传统水压致裂法，即：钻出到达承压水地层的钻孔，并在承压水地层中安装上封隔器和下封隔器，此时，由于上封隔器上方的钻孔与外部大气连通，而承压水地层中存在超静孔隙水压力P′0，因此，承压水地层中的孔隙水会不断突入到上封隔器上方的钻孔内部，形成孔壁持续高压突水现象；高压突水会使得钻孔附近岩石中的超静孔隙水压力P′0产生耗散，使得岩石颗粒骨架上的有效应力增加，从而导致孔壁岩石中的原始地应力分布状态被破坏，即测量对象被破坏，使得测量失效；因此，在承压水地层中，采用传统水压致裂技术进行地应力测量会存在测量对象被扰动破坏的潜在问题，如果此时在上封隔器和下封隔器之间的封隔空间中布置压力传感器，并向封隔空间中注入高压水进行水压致裂时，此时压力传感器采集到的压力随时间的变化曲线，为已经被破坏的承压水地层的压力随时间的变化曲线，而非原来没有被破坏的承压水地层的压力随时间的变化曲线，所以，无法通过分析已经被破坏的承压水地层的压力随时间的变化曲线而得到准确的地应力值。另一方面，由于封隔器上方的钻孔孔壁发生持续高压突水现象，如果采用传统水压致裂法进行测量时，在测量过程中，易发生孔壁崩塌事故，从而使测量无法顺利开展。而传统的水压致裂法用于非承压水地层中进行地应力测量时，由于非承压水地层中的孔隙水与大气是连通的，其孔隙水压力P0等于钻孔中的静水压力Pρgh，因此不存在压力差，所以，不会发生上述的孔壁高压突水、孔壁崩塌事故的现象，可实现测量过程的顺利进行。由此可见，传统水压致裂法并不适用于在承压水地层中进行地应力测量，从而实现适用于承压水地层的地应力测量，是目前迫切需要解决的事情。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统及方法，可有效解决上述问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，包括中心钢管(12)，以及串联在所述中心钢管(12)的隔水地层设备组和承压水地层设备组；其中，钻孔(25)穿过隔水地层而延伸到承压水地层的待测地应力位置；所述中心钢管(12)布置于所述钻孔(25)内；在所述中心钢管(12)上并且位于所述隔水地层的位置，安装所述隔水地层设备组；在所述中心钢管(12)上并且位于所述承压水地层的位置，安装所述承压水地层设备组；所述中心钢管(12)的管内布置电缆(10)；所述隔水地层设备组包括第一电磁阀门(1)、第一高压水管(2)和第一封隔器(3)；所述第一封隔器(3)套于所述中心钢管(12)的外面；所述第一封隔器(3)位于所述隔水地层；所述中心钢管(12)的第1注水孔(12.1)与所述第一高压水管(2)的一端连通，所述第一高压水管(2)的另一端与所述第一封隔器(3)连通；在所述第1注水孔(12.1)位置安装用于控制所述第1注水孔(12.1)打开和关闭的所述第一电磁阀门(1)；所述第一电磁阀门(1)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述承压水地层设备组包括第二电磁阀门(4)、第二高压水管(5)、第二封隔器(6)、第三电磁阀门(7)、第三高压水管(8)、第三封隔器(9)、第四电磁阀门(13)和压力传感器(18)；所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)上下相对套于所述中心钢管(12)的外面；并且，所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)均位于所述承压水地层；所述中心钢管(12)的第2注水孔(12.2)与所述第二高压水管(5)的一端连通，所述第二高压水管(5)的另一端与所述第二封隔器(6)连通；在所述第2注水孔(12.2)位置安装用于控制所述第2注水孔(12.2)打开和关闭的所述第二电磁阀门(4)；所述第二电磁阀门(4)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述中心钢管(12)的第3注水孔(12.3)与所述第三高压水管(8)的一端连通，所述第三高压水管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，包括中心钢管(12)，以及串联在所述中心钢管(12)的隔水地层设备组和承压水地层设备组；其中，钻孔(25)穿过隔水地层而延伸到承压水地层的待测地应力位置；所述中心钢管(12)布置于所述钻孔(25)内；在所述中心钢管(12)上并且位于所述隔水地层的位置，安装所述隔水地层设备组；在所述中心钢管(12)上并且位于所述承压水地层的位置，安装所述承压水地层设备组；所述中心钢管(12)的管内布置电缆(10)；所述隔水地层设备组包括第一电磁阀门(1)、第一高压水管(2)和第一封隔器(3)；所述第一封隔器(3)套于所述中心钢管(12)的外面；所述第一封隔器(3)位于所述隔水地层；所述中心钢管(12)的第1注水孔(12.1)与所述第一高压水管(2)的一端连通，所述第一高压水管(2)的另一端与所述第一封隔器(3)连通；在所述第1注水孔(12.1)位置安装用于控制所述第1注水孔(12.1)打开和关闭的所述第一电磁阀门(1)；所述第一电磁阀门(1)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述承压水地层设备组包括第二电磁阀门(4)、第二高压水管(5)、第二封隔器(6)、第三电磁阀门(7)、第三高压水管(8)、第三封隔器(9)、第四电磁阀门(13)和压力传感器(18)；所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)上下相对套于所述中心钢管(12)的外面；并且，所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)均位于所述承压水地层；所述中心钢管(12)的第2注水孔(12.2)与所述第二高压水管(5)的一端连通，所述第二高压水管(5)的另一端与所述第二封隔器(6)连通；在所述第2注水孔(12.2)位置安装用于控制所述第2注水孔(12.2)打开和关闭的所述第二电磁阀门(4)；所述第二电磁阀门(4)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述中心钢管(12)的第3注水孔(12.3)与所述第三高压水管(8)的一端连通，所述第三高压水管(8)的另一端与所述第三封隔器(9)连通；在所述第3注水孔(12.3)位置安装用于控制所述第3注水孔(12.3)打开和关闭的所述第三电磁阀门(7)；所述第三电磁阀门(7)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述中心钢管(12)开设位于所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)之间的第4注水孔(12.4)；在所述第4注水孔(12.4)位置安装用于控制所述第4注水孔(12.4)开和关闭的所述第四电磁阀门(13)；所述第四电磁阀门(13)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述压力传感器(18)布置于所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)之间的空间；所述压力传感器(18)的输出端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；在地面布置数据采集系统(19)、高压水泵(20)、高压水管(17)、电磁阀门开关(21)、高压阀门(22)和高压回水管(23)；所述数据采集系统(19)和所述电磁阀门开关(21)均与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述高压水泵(20)通过所述高压水管(17)与所述中心钢管(12)的进水口连接；所述高压回水管(23)与所述中心钢管(12)的回水口连接，在所述高压回水管(23)上安装所述高压阀门(22)。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，包括中心钢管(12)，以及串联在所述中心钢管(12)的隔水地层设备组和承压水地层设备组；其中，钻孔(25)穿过隔水地层而延伸到承压水地层的待测地应力位置；所述中心钢管(12)布置于所述钻孔(25)内；在所述中心钢管(12)上并且位于所述隔水地层的位置，安装所述隔水地层设备组；在所述中心钢管(12)上并且位于所述承压水地层的位置，安装所述承压水地层设备组；所述中心钢管(12)的管内布置电缆(10)；所述隔水地层设备组包括第一电磁阀门(1)、第一高压水管(2)和第一封隔器(3)；所述第一封隔器(3)套于所述中心钢管(12)的外面；所述第一封隔器(3)位于所述隔水地层；所述中心钢管(12)的第1注水孔(12.1)与所述第一高压水管(2)的一端连通，所述第一高压水管(2)的另一端与所述第一封隔器(3)连通；在所述第1注水孔(12.1)位置安装用于控制所述第1注水孔(12.1)打开和关闭的所述第一电磁阀门(1)；所述第一电磁阀门(1)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述承压水地层设备组包括第二电磁阀门(4)、第二高压水管(5)、第二封隔器(6)、第三电磁阀门(7)、第三高压水管(8)、第三封隔器(9)、第四电磁阀门(13)和压力传感器(18)；所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)上下相对套于所述中心钢管(12)的外面；并且，所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)均位于所述承压水地层；所述中心钢管(12)的第2注水孔(12.2)与所述第二高压水管(5)的一端连通，所述第二高压水管(5)的另一端与所述第二封隔器(6)连通；在所述第2注水孔(12.2)位置安装用于控制所述第2注水孔(12.2)打开和关闭的所述第二电磁阀门(4)；所述第二电磁阀门(4)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述中心钢管(12)的第3注水孔(12.3)与所述第三高压水管(8)的一端连通，所述第三高压水管(8)的另一端与所述第三封隔器(9)连通；在所述第3注水孔(12.3)位置安装用于控制所述第3注水孔(12.3)打开和关闭的所述第三电磁阀门(7)；所述第三电磁阀门(7)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述中心钢管(12)开设位于所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)之间的第4注水孔(12.4)；在所述第4注水孔(12.4)位置安装用于控制所述第4注水孔(12.4)开和关闭的所述第四电磁阀门(13)；所述第四电磁阀门(13)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述压力传感器(18)布置于所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)之间的空间；所述压力传感器(18)的输出端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；在地面布置数据采集系统(19)、高压水泵(20)、高压水管(17)、电磁阀门开关(21)、高压阀门(22)和高压回水管(23)；所述数据采集系统(19)和所述电磁阀门开关(21)均与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述高压水泵(20)通过所述高压水管(17)与所述中心钢管(12)的进水口连接；所述高压回水管(23)与所述中心钢管(12)的回水口连接，在所述高压回水管(23)上安装所述高压阀门(22)。2.根据权利要求1所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述中心钢管(12)的顶端通过中心钢管与上部钻杆的转接头(11)，与上部钻杆(14)连接。3.根据权利要求1所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，在地面架设钻孔支架(16)；钢绞线(15)连接在所述钻孔支架(16)和所述上部钻杆(14)之间。4.根据权利要求1所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述电缆(10)的外层包裹有厚橡胶皮。5.根据权利要求1所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，在所述中心钢管(12)的对应位置开设细孔；所述细线缆密封穿过所述细孔，进而与所述电缆(10)连接。6.根据权利要求1所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述细线缆与所述细孔相交位置采用石蜡密封。7.一种权利要求1-6任一项所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在需要测量地应力的位置钻出一个钻孔(25)，并迅速将所述适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统布置完成；步骤2，在系...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡秀宏，
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