CN109827694B - 一种超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法，极大程度地降低了地应力测量对加压***的要求。所述方法包括以下步骤：钻设崩落观察孔，放置所述落观察钻孔直至崩落观察孔孔壁出现连续的片帮崩落现象，获取平均片帮崩落方位；钻设水压致裂测试孔，在每一个测试段进行测试前，沿着崩落观察孔所测的平均片帮崩落方位的垂线位置切割若干对预设裂纹；对测试段注水加压进行水压致裂测试，获取测试段的预设裂纹的重张压力，所述重张压力作为该测试段的水平最小主应力的量值；对扩展的裂纹进行定位，取测试段的扩展裂纹的平均值方位，作为水平最大主应力方位，水平最小主应力方位与水平最大主应力方位垂直。

Description

一种超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法

技术领域

本发明涉及一种地应力测量方法，尤其涉及一种超深埋条件下的地应力测量方法，特别适用于地应力的水平大主应力超过60MPa乃至达到100MPa的工程区域。

背景技术

超深埋条件下的地应力测量一直以来都面临着挑战，其根本原因在于现有的两种地应力测试方法都存在适应性问题，并且在地应力超过60MPa的情况下，通过无法正常工作。因为传统的水压致裂地应力测量方法，在超过60MPa的高围压条件下，加压设备往往需要达到120MPa才可以胀开孔璧出现裂纹，并且整个试验过程需要持续60～90分钟，对于加压设备的要求很高，国内水压致裂领域设置没有如此强有力成套设备。另一种常用的地应力测试方法是应力解除方法，但在极高地应力条件下，套钻过程中极易出现岩芯饼化现象，导致测试失败。

发明内容

本发明是为了克服现有的地应力检测方法难以对超深埋条件下超过60MPa的高围压的区域进行地应力检测的不足，提供极大程度地降低了地应力测量对加压***的要求，使得常规设备也可以适应于超过60MPa工程区域的超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在待测量地应力区域，垂直向下钻设崩落观察孔，放置所述落观察钻孔直至崩落观察孔孔壁出现连续的片帮崩落现象，测量片帮崩落位置，获取平均片帮崩落方位；

步骤2，在待测量地应力区域，垂直向下钻设水压致裂测试孔，并在所述水压致裂测试孔设置若干测试段进行水压致裂测试，在每一个测试段进行测试前，沿着崩落观察孔所测的平均片帮崩落方位的垂线位置切割若干对预设裂纹；

步骤3，对测试段注水加压进行水压致裂测试，获取测试段的预设裂纹的重张压力，所述重张压力作为该测试段的水平最小主应力的量值；

步骤4，取各测试段的水平最小主应力的平均值作为待测区域该深度的最小水平主应力测量量值；对扩展的裂纹进行定位，取测试段的扩展裂纹的平均值方位，作为水平最大主应力方位，水平最小主应力方位与水平最大主应力方位垂直。

作为优选，所述步骤1中的崩落观察孔的深度大于或等于20m，直径50mm～76mm；所述测量的片帮崩落位置为测量崩落观察孔中12m～18m的片帮崩落位置。

作为优选，所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1a，在待测量地应力区域，垂直向下钻设崩落观察孔，所述崩落观察孔的深度大于或等于20m，直径50mm～76mm；

步骤1b，放置所述该崩落观察孔，同时监测崩落观察孔10～20m的片帮崩落情况，直至崩落观察孔孔壁出现连续的片帮崩落现象，所述放置时间为1～3周的时间；

步骤1c，测量穿过崩落观察孔圆心成对出现的片帮的连线的方位，计算崩落观察孔12～18m深度段中所述片帮连线的平均方位作为平均片帮崩落方位。

作为优选，所述步骤2中的预设裂纹数量设置为3对，其中每一对预设裂纹相对平均片帮崩落方位对称设置，其中位于中间的一对第一预设裂纹的方位和平均片帮崩落方位垂直，另外两对第二预设裂纹和第三预设裂纹分别与所述第一预设裂纹的夹角为10～15°。

作为优选，所述预设裂纹的深度为3cm，预设裂纹的厚度小于等于3mm。

作为优选，所述步骤2中的测试段数量至少设置为10个，相邻测试段间隔大于或等于3m，单个测试段长度为1.2～1.5m；所述测试段两端设置封隔器，测试段在封隔器之间的部分为压水段，所述压水段长度50～80cm。

作为优选，所述步骤3进一步包括以下步骤：

步骤3a，对测试段的压水段进行注水加压，在30分钟内分3～6级加压至预设裂纹发生扩展，并维持该压力不小于2分钟，让裂纹充分扩展；

步骤3b，对测试段的压水段进行再次注水加压，在20分钟内分4～5级加压至发生扩张的裂纹重新张开，测量该重张压力，所述重张压力作为该测试段的水平最小主应力的量值。

本发明的地应力测量方法在现有的水压致裂测试方法进行了改进，在进行水压致裂测试前对水压致裂测试孔的测试段的孔壁切割预设裂纹，这样可以有效降低对于加压设备的性能要求。预设裂纹的位置确定是基于崩落观察孔的片帮崩落情况确定。平均片帮崩落方位是测量崩落观察孔中成对的出现的片帮穿过孔圆心连线的平均方向。由于片帮是崩落观察孔孔壁收到地应力挤压作用下在孔壁形成的，而且片帮通常是穿过孔圆心成对出现。平均片帮崩落方位就可以认为是该区域的地应力最小方向，而水压致裂测试方法中的裂纹的扩展方向是沿着地应力最大方向，因此预设裂纹设置在垂直平均片帮崩落方向上并且设置有3对，预设裂纹可以预先破坏水压致裂测试孔的孔壁强度，从而有效降低对于加压设备的性能要求，使得常规设备也可以适应于超深埋条件下超过60MPa工程区域的地应力测量。

附图说明

图1为本发明中崩落观察孔的片帮崩落情况的示例图。

图2为本发明中水压致裂测试孔的剖视结构示例图。

图3为本发明中水压致裂测试孔的测试段的结构示例图。

图4为本发明中水压致裂测试过程中压水段内压力-时间曲线。

图5为本发明中裂纹扩展情况的示例图。

图中：1崩落观察孔、101片帮、102平均片帮崩落方位、201封隔器、202压水段、3水压致裂测试孔、301第一预设裂纹、302第二预设裂纹、303第三预设裂纹。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

本发明的一种超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法，所述方法包括以下步骤。

步骤1，在待测量地应力区域，垂直向下钻设崩落观察孔1，放置所述落观察钻孔直至崩落观察孔孔壁出现连续的片帮101崩落现象，测量片帮崩落位置，获取平均片帮崩落方位102。

所述步骤1在具体实施过程中具体包括一下三个步骤：

步骤1a，在待测量地应力区域，垂直向下钻设崩落观察孔，所述崩落观察孔的深度大于或等于20m，直径50mm～76mm。

步骤1b，放置所述该崩落观察孔，同时监测崩落观察孔10～20m的片帮崩落情况，直至崩落观察孔孔壁出现连续的片帮崩落现象，所述放置时间为1～3周的时间。

步骤1c，测量穿过崩落观察孔圆心成对出现的片帮的连线的方位，计算崩落观察孔12～18m深度段中所述片帮连线的平均方位作为平均片帮崩落方位。

图1为本发明中崩落观察孔的片帮崩落情况的示例图。平均片帮崩落方位是测量崩落观察孔中成对的出现的片帮穿过孔圆心连线的平均方向。

步骤2，在待测量地应力区域，垂直向下钻设水压致裂测试孔3，并在所述水压致裂测试孔设置若干测试段进行水压致裂测试，在每一个测试段进行测试前，沿着崩落观察孔所测的平均片帮崩落方位的垂线位置切割若干对预设裂纹。

在本实施例中，如图2所示，所述步骤2中的预设裂纹数量设置为3对，其中每一对预设裂纹相对平均片帮崩落方位对称设置，其中位于中间的一对第一预设裂纹301的方位和平均片帮崩落方位垂直，另外两对第二预设裂纹302和第三预设裂纹303分别与所述第一预设裂纹的夹角为10～15°。所述预设裂纹的深度为3cm，预设裂纹的厚度小于等于3mm。

如图3所示，测试段数量至少设置为10个，相邻测试段间隔大于或等于3m，单个测试段长度为1.2～1.5m；所述测试段两端设置封隔器201，测试段在封隔器之间的部分为压水段202，所述压水段长度50～80cm。

步骤3，对测试段注水加压进行水压致裂测试，获取测试段的预设裂纹的重张压力，所述重张压力作为该测试段的水平最小主应力的量值。

所述步骤3在具体实施过程中具体包括一下两个步骤：

步骤3a，对测试段的压水段进行注水加压，在30分钟内分3～6级加压至预设裂纹发生扩展，并维持该压力不小于2分钟，让裂纹充分扩展。

步骤3b，对测试段的压水段进行再次注水加压，在20分钟内分4～5级加压至发生扩张的裂纹重新张开，测量该重张压力，所述重张压力作为该测试段的水平最小主应力的量值。

图4是步骤3a和步骤3b中压水段内压力-时间曲线图。所述重张压力是步骤3b裂纹重新张开导致压水段内压力曲线下降拐点处的压力值。

步骤4，取各测试段的水平最小主应力的平均值作为待测区域该深度的最小水平主应力测量量值；对扩展的裂纹进行定位，取测试段的扩展裂纹的平均值方位，作为水平最大主应力方位，水平最小主应力方位与水平最大主应力方位垂直。

图5为本发明中裂纹扩展情况的一个示例图，在本示例中第三预设裂纹303扩张，测量各测试段中扩展裂纹的方位的平均值作为水平最大主应力方位。水平最小主应力方位与水平最大主应力方位垂直。

本发明的地应力测量方法在现有的水压致裂测试方法进行了改进，在进行水压致裂测试前对水压致裂测试孔的测试段的孔壁切割预设裂纹，这样可以有效降低对于加压设备的性能要求。预设裂纹的位置确定是基于崩落观察孔的片帮崩落情况确定。平均片帮崩落方位是测量崩落观察孔中成对的出现的片帮穿过孔圆心连线的平均方向。由于片帮是崩落观察孔孔壁收到地应力挤压作用下在孔壁形成的，而且片帮通常是穿过孔圆心成对出现。平均片帮崩落方位就可以认为是该区域的地应力最小方向，而水压致裂测试方法中的裂纹的扩展方向是沿着地应力最大方向，因此预设裂纹设置在垂直平均片帮崩落方向上并且设置有3对，预设裂纹可以预先破坏水压致裂测试孔的孔壁强度，从而有效降低对于加压设备的性能要求，使得常规设备也可以适应于超深埋条件下超过60MPa工程区域的地应力测量。

Claims (7)

1.一种超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在待测量地应力区域，垂直向下钻设崩落观察孔，放置所述落观察钻孔直至崩落观察孔孔壁出现连续的片帮崩落现象，测量片帮崩落位置，获取平均片帮崩落方位；

步骤2，在待测量地应力区域，垂直向下钻设水压致裂测试孔，并在所述水压致裂测试孔设置若干测试段进行水压致裂测试，在每一个测试段进行测试前，沿着崩落观察孔所测的平均片帮崩落方位的垂线位置切割若干对预设裂纹；

步骤3，对测试段注水加压进行水压致裂测试，获取测试段的预设裂纹的重张压力，所述重张压力作为该测试段的水平最小主应力的量值；

步骤4，取各测试段的水平最小主应力的平均值作为待测区域该深度的最小水平主应力测量量值；对扩展的裂纹进行定位，取测试段的扩展裂纹的平均值方位，作为水平最大主应力方位，水平最小主应力方位与水平最大主应力方位垂直。

2.根据权利权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤1中的崩落观察孔的深度大于或等于20m，直径50mm～76mm；所述测量的片帮崩落位置为测量崩落观察孔中12m～18m的片帮崩落位置。

3.根据权利权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1a，在待测量地应力区域，垂直向下钻设崩落观察孔，所述崩落观察孔的深度大于或等于20m，直径50mm～76mm；

步骤1b，放置所述该崩落观察孔，同时监测崩落观察孔10～20m的片帮崩落情况，直至崩落观察孔孔壁出现连续的片帮崩落现象，所述放置时间为1～3周的时间；

步骤1c，测量穿过崩落观察孔圆心成对出现的片帮的连线的方位，计算崩落观察孔12～18m深度段中所述片帮连线的平均方位作为平均片帮崩落方位。

4.根据权利权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤2中的预设裂纹数量设置为3对，其中每一对预设裂纹相对平均片帮崩落方位对称设置，其中位于中间的一对第一预设裂纹的方位和平均片帮崩落方位垂直，另外两对第二预设裂纹和第三预设裂纹分别与所述第一预设裂纹的夹角为10～15°。

5.根据权利权利要求4所述的方法，其特征是，所述预设裂纹的深度为3cm，预设裂纹的厚度小于等于3mm。

6.根据权利权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤2中的测试段数量至少设置为10个，相邻测试段间隔大于或等于3m，单个测试段长度为1.2～1.5m；所述测试段两端设置封隔器，测试段在封隔器之间的部分为压水段，所述压水段长度50～80cm。

7.根据权利权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤3进一步包括以下步骤：

步骤3a，对测试段的压水段进行注水加压，在30分钟内分3～6级加压至预设裂纹发生扩展，并维持该压力不小于2分钟，让裂纹充分扩展；

步骤3b，对测试段的压水段进行再次注水加压，在20分钟内分4～5级加压至发生扩张的裂纹重新张开，测量该重张压力，所述重张压力作为该测试段的水平最小主应力的量值。

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