水压致裂法测量地应力.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 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 1210 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 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Ps 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Ps 最后通过由仪器记录裂缝的方向 7 12 1 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 z和径向应力 s对孔壁四周围岩 的约束效应 切向应力 o随液压Pw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Pw就达到破裂压力Pb 11 20 传统水压致裂法地应力测量方法存在的不足是 只 能确定钻孔横截面上的二维应力状态 地应力场的一个 主应力方向与井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 张 压或张 压 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 2 孙海芳 等 超薄油藏水平井钻井技术 J 石油钻探技术 2002 8 3 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 6 唐志军 等 薄油层水平井钻井技术应用 J 岩土力学 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 68 西部探矿工程 2009年第1期 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 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 13215 18220 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 的最小主应力可以表示为原地应力 张量 内水压力和 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 变化的正弦曲线 在水压致裂应力测试过程中 随着 向密闭的试验段持续泵进流体 最小主应力 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 钻孔孔壁某一方位角 处的 首先达到该处的岩石抗 张强度时 则形成诱发破裂 此时的流体压力为Pb 即 破裂压力 记录了破裂方位 14 16 采用最小主应力 破坏准则进行水压致裂三维地应力测量时 该方法在理 论上是可行的 还可以避免由于采用最小切向应力准则 可能带来的误差 由于传统水压致裂法测量关闭压力 比较准确 且不对地应力方向和孔隙水压力作任何假 设 通过该方法获得的测量结果是接近真实的 此外由 于测量钻孔的方向和深度不受限制 适用于岩石比较破 碎 完整性较差和原生裂隙比较发育的岩体 2 1 孔壁压裂裂缝形态和方位 水压致裂压开的裂缝主要受地下压裂点应力状态 的支配 对于垂直钻孔 当主应力之一的方向平行于钻 孔轴向的假定成立且该主应力不是最小主应力时 钻井 井壁上的水压破裂裂缝为垂直裂缝 其延仲方向垂直于 最小水平主应力方向 而与最大水平主应力方向平行 采用传统的水压致裂法测量时 由井壁破裂方位 向 确 定最大水平主应力方向的途径 应用三孔交汇法进行 水压致裂三维地应力测量时 由每个钻孔测得的破裂裂 缝方向确定的测量结果综合计算得到三维主应力的方 向 2 2单孔或多孔原生裂隙段的重张试验测量法 采用钻孔原生裂隙段的重张试验测定岩体二维地 应力 测量钻孔数量以及钻孔的方向不受限制 水压致 裂法测量地应力 在原生裂隙段采用重张试验的钻孔测 量 根据裂隙重新张开时裂隙面法向应力与瞬时关闭压 力相平衡的原理 可获得裂隙以上法向应力值 这种方 法适用于单井和多井钻孔情况 而对钻孔的方向不做要 求 如果在同一个钻孔中 不同产状的6个原生裂隙段 的间隔过大 每个测试段的重张试验结果就会受到深度 变化的影响 产生测量误差 此时可以采用多孔原生裂 隙段重张试验或进行重张试验与完整岩体段常规的压 裂试验相结合的方法测定 2 3 单孔或多孔完整岩体段的常规压裂试验与原生裂 隙段的重张试验相结合测量法 采用钻孔完整岩体段的常规压裂试验与原生裂隙 段的重张试验相结合的测量方法测定二维地应力 不必 考虑钻孔的数目和方向 这种二维地应力测量方法也 适用于深钻孔 进行常规压裂试验的钻孔存在铅垂向 和非铅垂向两种情况 当进行常规压裂试验的钻孔为铅垂向时 钻孔为2 个或2个以上 为了便于处理 将钻孔坐标系和大地坐 标系重合 采用铅垂向钻孔常规压裂试验与任意向钻 孔重张试验相结合的测量方法时 水平面上二维应力状 态由完整岩体段常规压裂试验确定以后 只要不同产状 的原生裂隙段重张试验的数量为3个或3个以上 就可 完全确定二维地应力状态 当进行常规压裂试验的钻 孔为非铅垂向时 把钻孔完整岩体段常规压裂试验获得 的由钻孔坐标系表达的钻孔横截面上二维应力状态 转 换到大地坐标 对任意向钻孔常规压裂试验与重张试 验相结合的测量方法 由于完整岩体段常规压裂试验 有破裂缝记录 在单个钻孔中进行 可获得3个独立的 观测值方程 在不同方向的2个钻孔中进行 可获得5 个独立的观测值方程 21225 因此 不同产状的原生裂隙 段的重张试验只要相应进行3次以上和1次以上就可 确定二维地应力状态 3 水压致裂三维地应力测量的几个问题 3 1 水压破裂准则与破裂形态 单个垂直钻孔水压致裂法地应力测量的基本公式 是以井孔周围岩壁在液压作用下最小切向应力达到围 岩抗拉强度作为孔壁破裂的判据准则而建立的 由于 假定钻孔轴向就是地应力场中一个主应力方向 即假定 了井孔周围岩壁上不存在剪应力 此时封隔段依据弹 性力学理论被简化为一个双向应力作用下带圆孔的无 限大的平板问题 在钻孔垂直条件下假定垂直应力平 行于钻孔轴向进行水压致裂法的测量数据是有一定可 信度的 对于三维水压致裂地应力测量来说 3个孔之中除 垂直孔外 另外2个钻孔 水平或倾斜 的方位 向 与主 应力之一的方位 向 很难一致 即岩壁存在剪应力 那 么上述简化只适用于特殊情况 破裂受围岩内的应力 状态 在近水平 或倾斜 钻孔中测量时不能忽略剪应 78 2009年第1期 西部探矿工程 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 力 因此钻孔水平或倾斜下进行水压致裂测量套用传 统的水压致裂地应力测量公式来确定钻孔横截面上大 小主应力是不准确的 同时直接将破裂方向作为钻孔横 截面上最大主应力的方向也是不正确的 一些用最小 主应力准则的方法 基本上还没有脱离最大张应力破裂 准则的范畴 无论钻孔倾角大小与孔轴是否与主应力 方向平行 当孔壁无原生裂缝时 在水压作用下孔壁会 产生与孔轴平行的裂缝 在某些状态下也会有倾斜的水 压破裂缝 3 2 测量精度问题 传统水压致裂法测量中由于最小水平主应力Sh和 垂直应力Sv 其方程由于不涉及岩体物理性质 测量误 差相对较小 10 最大水平主应力Sh由包括重张 压力Pr 取值精度较低 抗张强度T T Pb Pr 在内 的更加复杂的关系求得 因此其精度稍低 其误差为 25 由破裂方向得到的水平应力方向误差在10 以 内 因此采用3孔交汇水压致裂应力测量法无法精确获 得三维应力资料 多数提出关于用三维水压致裂法确 定主应力方法本身缺乏严密的理论依据 那么用这些测 量数据推导计算得到的地应力大小和方向其精度就更 相对比校低 这些方法虽然有助于适当提高测量结果 的计算精度 但也有待足够的测量数据来验证 4 讨论 传统水压致裂法与三维地应力各有优点 相比较而言 传统水压致裂法发展得比较成熟 虽然适用条件要求比较 苛刻 但是精度比较高 三维地应力方法是最近发展起来的 适用条件比较广泛的一种新理论 虽然适用范围比较广 但 是缺乏严密的理论依据 测量精度比较差 水压致裂法从测量理论上来说是一种地应力近似 估算方法 其测量精度本身就受到限制 比较适用于其 他方法难于完成的深孔地应力测量 而用3孔交汇由水 压致裂法测量三维地应力就不一定是最佳选择 然而 3孔交汇水压致裂三维地应力测量法是对现场测试条 件要求较低的一种直接测量方法 因而具有一定的实用 价值 参考文献 1 张英华 倪文 尹根成 宋建国 穿层孔水压爆破法提高煤层 透气性的研究 J 煤炭学报 2004 29 3 2982302 2 陈治喜 陈勉 金衍 黄荣博 水压致裂法测定岩石的断裂韧 性 J 岩石力学与工程学报 1997 16 1 59264 3 薛云飞 赵玉武 张威 姜得英 室内水压致裂法测定岩石的 断裂韧性 J 大庆石油地质与开发 2003 22 5 37239 4 剑万禧 控制致裂岩体应力测试法的论证 J 煤炭学报 1995 20 3 2412245 5 陈清运 蔡嗣经 明世祥 赵飞 聚类分级和BP神经网络在 自然崩落法矿岩可崩性分级中的应用 J 化工矿产地质 2004 26 2 1122116 6 于波 蔡美峰 乔兰 灰色建模理论在峨口铁矿地应力分布 规律研究中的应用 J 岩石力学与工程学报 1996 15 2 1222127 7 蔡美峰 于波 乔兰 陈桂忠 峨口铁矿地应力测量原理和结 果分析 J 北京科技大学学报 1996 18 2 1012106 8 陈桂忠 蔡美峰 于波 张瑞明 对水压致裂地应力测量资料 的解释 J 中国矿业 1996 5 4 52255 9 欧阳健 王贵文 电测井地应力分析及评价 J 石油勘探与 开发 2001 28 3 92294 10 刘允芳 水压致裂法地应力测量的校核和修正 J 岩石力 学与工程学报 1998 17 3 2972304 11 刘允芳 刘鸣 水压致裂法地应力测量破裂准则的探讨 J 长江科学院院报 1995 12 9 36242 12 尤明庆 水压致裂法测量地应力方法的研究 J 岩土工程 学报 2005 27 3 3502353 13 刘允芳 刘元坤 水压致裂法三维地应力测量方法的研究 J 地壳形变与地震 1999 19 3 64271 14 陈群策 李方全 毛吉震 水压致裂法三维地应力测量的实 用性研究 J 地质力学学报 2001 7 1 69278 15 刘允芳 钟作 武汪洁 水压致裂法三维地应力测量成果计 算与分析的探讨 J 岩石力学与工程学报 2002 21 6 83328