《原位地应力测量方法》

1原位地应力测量方法本文件规定了原位地应力测量方法：水压致裂法、套管井水压致裂法、空心包体应力解除法和流变应力恢复法的测量系统、测量步骤和技术要求。本文件适用于利用钻孔开展的岩体原位地应力测量。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T4208外壳防护等级（IP代码）GB/T9151钻探工程术语GB/T22513石油天然气钻采设备井口装置和采油树GB500212009岩土工程勘察规范GB/T50218工程岩体分级标准DB/T14原地应力测量水压致裂法和套芯解除法技术规范JGJ/T87建筑工程地质勘探与取样技术规程JJG860压力传感器（静态）JJG882压力变送器检定规程JJG1173电子式井下压力计检定规程NB/T10251页岩气井微注测试技术规范NB/T10358滤积式囊袋封孔器通用技术SY/T5587.5常规修井作业规程第5部分：井下作业井筒准备SY/T5734分采、分注井井下封隔器验封测试规程SY/T7462石油天然气钻采设备可溶桥塞TB10014铁路工程地质钻探规程3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1原位地应力in-situstress存在于地壳岩体中未受工程扰动的天然应力。3.2水压致裂法hydraulicfracturingmethod2向封隔段内注入高压流体使封隔段孔壁产生破裂的过程。3.3单回路水压致裂系统singlecircuithydraulicfracturingsystem流体压力通过单一管路（如钻杆）向封隔器注压座封后，经井下工具将水路转换为向封隔段注压进行压裂的测量系统。3.4双回路水压致裂系统doublecircuitshydraulicfracturingsystem流体压力通过两条管路（钻杆、高压胶管分别向封隔器注压座封以及向封隔段注压进行压裂的测量系统。3.5破裂压力breakdownpressure使封隔段孔壁岩体产生拉张破坏的流体压力。3.6重张压力re-openingpressure压裂后闭合的水压裂缝在重张循环中使孔壁裂缝口重新开始张开时的流体压力。3.7闭合压力closurepressure孔壁压裂并停止注入高压流体后，压裂流体通过自然滤失或返排，水压裂缝趋于闭合时的流体压力。3.8水压裂缝hydraulicfracture孔壁破裂后在与钻孔轴线平行的孔壁上产生呈对称分布的拉张裂缝。3.9印模器impressionpacker用于拓印水压致裂法产生水压裂缝痕迹并带有定向器的井下工具。3.10总系统刚度totalsystemstiffness描述测量系统和水压裂缝整体可压缩性的物理量，反映单位体积变化下系统压力的变化程度。3.11套管井水压致裂法hydraulicfracturingtestofcasedborehole在套管井射孔段以恒定的微小排量向地层中注入流体，使地层产生破裂后，进行多个回次的重张测试，通过分析压降曲线得到最小主应力的方法。3.12空心包体hollowinclusion3采用固化后与岩石力学参数相近的特制环氧树脂胶制成的空心圆筒（外径36mm，内径30mm），内置黏贴不少于6组独立方向应变片后，通过环氧树脂胶与孔壁岩石黏贴，测量岩石应力释放过程弹性变形的应变计。3.13应力解除法stressreliefmethod测量传感器与孔底的小孔孔壁完全耦合后，采用套钻的方法使测量传感器周围的原岩岩体完全解除，从而实现原位地应力测量的过程。3.14围压率定试验confiningpressuretest对内含测量传感器的套孔岩心施加围压，通过围压-测量值的变化曲线确定岩石弹性模量和泊松比的过程。3.15岩体流变rockmassrheology外部条件不变的情况下，岩体应变或应力随时间缓慢变化的蠕变和松弛现象。3.16流变应力恢复法rheologicalstressrecoverymethod利用六向压力传感器测量钻孔围岩流变过程中的应力恢复值，进而根据流变力学理论计算地应力的测试方法。下列符号适用于本文件。4.1几何参数H——测量段中心深度（m）。a——钻孔半径（m）。4.2力学参数Pb——破裂压力（MPa）。Pr——重张压力（MPa）。Ps——闭合压力（MPa）。T——原位抗拉强度（MPa）。Pθ——孔隙压力（MPa）。Sh——最小水平主应力（MPa）。SH——最大水平主应力（MPa）。Sv——垂向应力（MPa）。ST——总系统刚度。σ1——三维应力中的最大主应力（MPa）。σ2——三维应力中的中间主应力（MPa）。4σ3——三维应力中的最小主应力（MPa）。σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx——应力分量（MPa）。σri——传感器恢复正应力（MPa）。σo——原始正应力（MPa）。kr——传感器标定系数（MPa/nm）。ko——传感器的应力恢复系数。E——岩石弹性模量（MPa）。μ——岩石泊松比。ρ——岩体密度（kg/m3）。εk——第k应变片观测值。i——应变丛或传感单元序号。j——每一应变丛中应变片序号。k——观测值方程序号。n——每个方向的试件数量。q——应变丛个数。5.1原位地应力测量方法包括水压致裂法、套管井水压致裂法、空心包体应力解除法和流变应力恢复法，宜根据不同方法的适用条件、钻孔深度、完井方式和场地条件等进行选择。5.2原位地应力测量应遵守国家有关安全生产、环境保护及节能减排等方面的规定，遵循安全可靠、技术先进、经济合理、绿色环保的原则开展工作。5.3原位地应力测量前应综合分析区域地质构造、地层岩性、水文地质条件、岩体完整性、钻孔结构、测井资料、固井质量、钻孔施工过程中的事故与处理等情况。5.4原位地应力测量钻孔孔径、钻具规格应符合GB/T915、GB/T45966.1的有关规定和测量现场要5.5原位地应力测量应在现场进行，测量仪器、设备应按规定检定、校准或校验。5.6根据原位地应力测量目的和工程需求，选择具有代表性的钻孔和层位进行测量。5.7原位地应力测量除应满足本文件的要求外，还应符合国家现行有关标准的要求。6水压致裂法6.1一般规定6.1.1水压致裂法适用于近弹性、各向同性完整岩体中的裸孔段地应力测量。本文件规定的内容适用于使用钻杆或高压管路作为压裂流体通道的测量系统。6.1.2采用水压致裂法时应符合下列规定。a)测试段长度不小于测试段钻孔直径的6倍。b)水压致裂法一般给出与钻孔轴线垂直平面内的最大、最小主应力量值及方向。c)印模测试难以实施时，宜通过成像测井等方法获取水压裂缝方向。6.2测量系统6.2.1仪器设备应满足地应力测量要求，包括下列装置。5——钻机、钻具。——高压水泵。——数据采集记录仪。——高压管汇。——高压软管。——井下高压水路转换装置。——跨接式封隔器。——印模器或钻孔成像设备。——定向器。——压力表、压力变送器、电子式井下压力计。——流量传感器。——连接配件。——安装工具。6.2.2测量设备技术指标应满足下列要求。a)钻机、钻具等应与测试钻孔深度、井径及设备重量等相匹配。b)高压水泵额定工作压力和流量与测试孔深相匹配，高压水泵额定工作压力宜不小于25MPa，高压水泵的稳定流量宜为10L/min～15L/min，对于1000m以深钻孔或高地应力区，额定工作压力宜不低于35MPa，流量宜通过变频控制，范围介于10L/min～100L/min之间。高压管汇和高压软管耐压指标应不低于高压水泵的额定工作压力。c)井下高压水路转换装置应具有封隔器座封、压裂段加压和干孔泄水等功能，每个位置应设有一定容差，以保证地面对井下高压水路的可靠控制。封隔器可膨胀，长度宜大于1m，内部水路畅通，直径及耐温、耐压指标应与孔径、井温及地应力水平匹配。印模器可膨胀，长度宜不小于1m，最大耐压指标应大于重张压力，配套定向器精度应优于±3°。d)数据采集记录仪应具有数据自动采集、实时曲线显示、数据存储及查询等功能，可同步采集压力和流量，采集频率宜不低于20Hz。压力表可使用分级压力表，压力变送器和电子式井下压力计的分辨率应优于0.01MPa，最大量程不低于高压水泵额定工作压力。流量传感器的量程范围应与高压水泵流量相匹配，采集频率宜不低于20Hz。为提高原位地应力测量结果可靠度，孔深超过500m宜配备电子式井下压力计。6.2.3测量设备检查应符合下列规定。a)测试前应对地面管线、测试钻杆及连接件进行质量检查和密封检测，钻杆清洗合格后编号并记录长度，密封检测压力应不小于15MPa。b)测试前应确保井下高压水路转换装置工作状态正常，检查高压水路转换装置密封结构的试验压力宜为1.0倍设计压力，停泵观察10分钟后压降不超过0.1MPa为合格。c)封隔器耐压试验应在规格配套的厚壁套管中进行，试验压力宜为1.0倍设计压力，缓慢注压使封隔器膨胀并紧贴套管壁，停泵观察10分钟后压降不超过0.3MPa为合格。d)应确保压力变送器、流量传感器、定向器和电子式井下压力计与数据采集软件通讯正常。6.3测试步骤6.3.1测试步骤应按照测试前检查与校核、座封、压裂测试、重张测试、水压裂缝方位测试步骤进行。6.3.2测试前检查与校核应符合下列规定。a)测量系统连接检查应符合本文件第6.2.3条的规定。b)观测钻孔静水位，按GB50021-2001（2009）7.2.3条描述的方法测定。c)通过查看测试段岩心、成像测井和井径测量等资料，校核测试段深度和岩体完整程度。6d)根据钻孔深度、孔径、静水位等条件选择合适的水压致裂地应力测量设备。e)将水压致裂测量设备下入至预选的测试深度，测量并记录下放钻杆等高压管路的长度，确保高压管路安装可靠及密封。6.3.3座封应符合下列规定。a)对跨接式封隔器缓慢加压至座封压力，座封压力宜不小于5MPa。b)跨接式封隔器加压至座封压力后停泵，观察压力是否保持稳定，以保证封隔器的密封性。宜采用电子式井下压力计记录封隔器内的压力变化，以确保跨接式封隔器工作正常。6.3.4压裂测试应符合下列规定。a)采用双回路压裂系统时，将座封水路切换至压裂测试水路，此时高压水泵与测试段连通。采用单回路压裂系统时，通过地面对井下高压水路转换装置的控制，从座封水路切换至压裂测试水路，此时高压水泵与测试段连通。b)地面以恒定流量将压裂流体注入测试段，当压力-时间曲线出现明显下降时，判断已经产生水压裂缝或原生裂隙已开启后即可停泵，此后随着压裂流体向岩体滤失至水压裂缝闭合。c)当压力-时间曲线趋于稳定或实时分析确定水压裂缝闭合后，使测试段水路与大气连通，完成压裂测试回次。6.3.5重张测试应符合下列规定。a)压裂测试完成后，再次对测试段加压，当压力趋于稳定时停泵，此时水压裂缝重张完成，随着压力衰减至压力-时间曲线趋于稳定或实时分析确定水压裂缝闭合后，使测试段水路与大气连通，完成重张测试回次。b)每个水压裂缝重张测试回次包含注压、关泵和卸压三个步骤。c)重复上述水压裂缝重张测试回次不少于4次，为确保重张测试前测试段孔隙压力基本恢复至初始值，压裂测试后各重张测试回次与大气连通时间间隔宜不小于2分钟。d)测试完成后，采用双回路压裂系统时，打开跨接式封隔器水路开关，解除封隔器内压力。采用单回路压裂系统时，通过地面对井下高压水路转换装置控制，从压裂测试水路切换至座封水路，解除封隔器内压力。e)跨接式封隔器卸压回缩后，通过下放或提升钻杆至下一个测试段，重复6.3.3~6.3.5操作进行其它测量段测试。6.3.6水压裂缝方位测试应符合下列规定。a)采用印模器获取水压裂缝空间方位信息时，应将接有定向器的印模器下放至测试段深度，加压使印模器膨胀，压力应不小于重张压力，保持压力恒定并不少于30分钟，确保印模器胶筒表面的硫化橡胶挤入裂缝形成印痕。b)印模器胶筒卸压回缩后取出印模器，记录印模器胶筒表面的印痕形状，并标注基线位置、钻孔名称、测量深度、孔径等参数。c)获取定向器在印模期间的方位数据。d)每次印模完成后宜将印模器放置在规格匹配的厚壁套管中加压清理表面印痕。e)对于印模测试难以实施的钻孔，可通过压裂前后成像测井等方法获取水压裂缝方位。6.4数据采集6.4.1数据宜自动连续采集，内容应包括各测试段的深度和地面记录的压力-流量-时间数据，当配备井下电子压力计时，应记录各测试段的井下压力-时间数据，各测试段水压裂缝的印模形状素描、水压裂缝方位或成像测井确定的水压裂缝方位，测量中遇到的异常情况和事故等。数据采集记录内容及格式见附录A中表A.1，当采用印模器测量水压裂缝方位时应填写附录A中表A.2。6.4.2各测量段的压力、流量、时间数据应全程采集，采集频率应符合本文件6.2.2中d）项的规定。76.5地应力计算6.5.1数据记录应完整，结合现场测试记录，剔除异常（无效）数据。6.5.2数据处理包括特征压力参数确定、孔隙压力计算和主应力计算。6.5.3特征压力参数的确定应符合下列规定。a)特征压力参数包括破裂压力Pb、重张压力Pr和闭合压力Ps。b)破裂压力Pb宜取压裂过程中第一循环的峰值压力。c)重张压力Pr通常取升压阶段压力-时间曲线明显偏离线性关系处的压力值。为克服第一重张回次水压裂缝可能扩展，以及随裂缝开合次数增加造成重张压力变化带来的影响，根据经验通常从第三回次的升压记录曲线上选取。d)闭合压力Ps宜选用dt/dP法、dP/dt法和总系统刚度法等两种以上方法确定，宜采用总系统刚度法判断水压裂缝是否完全闭合，具体操作示例见附录C。e)孔隙压力P0可利用实测值，也可用静水位观测确定。6.5.4钻孔井斜角小于15°且水压裂缝近垂直时，主应力按照下列公式计算。6.5.5钻孔井斜角小于15°且水压裂缝近垂直时，最大水平主应力方向为水压裂缝走向。6.5.6由现场实测数据计算地应力方法详见附录B。7套管井水压致裂法7.1一般规定7.1.1套管井水压致裂法适用于固井后射孔段最小主应力测量。本文件规定的内容适用于使用油管或连续油管作为压裂流体通道的测量系统。7.1.2套管井水压致裂法地应力测量，测试段选择应符合下列规定。a)套管井地应力测试段（射孔段）长度不宜小于2m。b)测试段上下10m范围内固井质量良好及以上。7.2测量系统7.2.1仪器设备应满足地应力测量要求，包括下列装置。——修井机、油管。——高压水泵。——地面数据采集记录仪。——地面高压管汇。——高压软管。——封隔器、桥塞。——压力表、地面压力变送器、电子式井下压力计。——流量传感器。——连接配件。8——安装工具。7.2.2测量设备技术指标应满足下列要求。a)修井机及油管应与井深、套管规格相匹配。b)高压水泵额定工作压力和流量应与井深、测试段渗透率相匹配，额定工作压力宜不低于50MPa，低渗地层应采用小流量高压水泵，流量宜介于10L/min～100L/min之间，高渗地层宜采用大流量泵车组，流量以将测试段地层压裂为准。压力表、压力变送器和电子式井下压力计应符合本文件6.2.2条d）项的规定。流量传感器应符合本文件6.2.2条d）项的规定，为提高测量结果可靠性，套管井水压致裂法测量应配备电子式井下压力计。c)地面高压管汇和高压软管耐压指标应符合本文件6.2.2条b）项的规定。地面数据采集记录仪应符合本文件6.2.2条d）项的规定。套管内封隔测试段需避开接箍，一般采用套管封隔器和桥塞的组合测试工具，封隔器和桥塞与套管规格匹配，耐温指标与井温匹配，耐压指标与破裂压力匹配，封隔器和桥塞之间的距离宜不超过50m。7.3测量步骤7.3.1套管井水压致裂法地应力测量应按井口准备、通井洗井、射孔、下入桥塞、下入封隔器、连接地面管线、压裂测试、重张测试和解封等步骤进行。7.3.2井口准备应符合GB/T22513的规定，通井和洗井应符合SY/T5587.5的规定。7.3.3射孔应根据套管规格、测试深度选择合适射孔枪型和弹型，射孔密度宜为16孔/米，相位角90度螺旋射孔，同时对井筒校深并确定接箍位置。7.3.4下入桥塞。位置在测试段以下，应避开套管接箍，宜选可溶桥塞，下入桥塞、座封和解封应符合SY/T7462的规定。7.3.5下入封隔器（含电子井下压力计）。位置在测试段以上，应避开套管接箍，封隔器下入、座封和解封应符合SY/T5734的规定。7.3.6连接地面管线。根据地层破裂压力和井口装置承压能力确定试压压力。地面管线及阀门试压1h，前30min压降低于0.5MPa，后30min压降为0MPa为合格。7.3.7压裂测试应包括下列步骤。a)封隔器座封后，高压水泵通过管汇与测试段连通。b)地面以恒定流量将压裂流体注入测试段，当压力-时间曲线出现明显下降时，判断已经产生水压裂缝或原生裂隙已开启后即可停泵。c)随着流体向地层滤失，当压力-时间曲线趋于稳定或实时分析确定水压裂缝闭合后，使测试段水路与大气连通，完成压裂测试。7.3.8重张测试按本文件6.3.5执行。7.3.9水压裂缝重张测试完成后，取出封隔器和井下压力计，下入桥塞和封隔器，重复7.3.4~7.3.8操作进行下个层位地应力测试。7.4数据采集7.4.1数据宜自动连续采集，内容应包括各测试段的深度和地面记录的压力-流量-时间数据，井下电子压力计记录的各测试段压力-温度-时间数据，测量中遇到的异常情况和事故等。数据采集记录内容及格式见附录A中表A.3。7.4.2各测量段的压力、流量、时间数据应全程采集，采集频率应符合本文件7.2.2中c）项的规定。7.5地应力计算7.5.1数据记录应完整，结合现场测试记录，剔除异常（无效）数据。97.5.2闭合压力Ps可选用dt/dP、dP/dt、G函数柔度法和总系统刚度法中不少于2种方法进行分析，具体操作示例见附录C。7.5.3最小主应力σ3和垂直应力Sv按照下列公式计算：5）8空心包体应力解除法8.1一般规定8.1.1空心包体应力解除法适用于地下厂房、巷道、隧洞等完整岩体内的三维地应力测量。8.1.2采用空心包体应力解除法应符合下列规定。a)测试段深度应大于开挖断面直径（最大宽度或高度）的3倍以上。b)本文件以空心包体应力解除法为例，给出了测试的要求、过程和数据处理方法。c)多次测试时测点间距宜为0.5m～1.0m，然后在同一坐标系下取平均值。d)在一个测段宜进行2次以上应力解除测量。8.2测量系统8.2.1仪器设备应满足地应力测量要求，包括下列装置。——钻机、钻杆及配套钻具。——应变计。——定向器。——应变记录仪。——围压率定仪。——油泵。——压力表或压力变送器。8.2.2仪器设备技术指标应满足下列要求。a)钻机、钻杆及配套钻具与测量钻孔深度及孔径相匹配。套心解除小孔直径宜用36mm，套心钻头直径应为小孔直径的2.5倍以上，宜为130mm，钻头直径误差应不大于1.5mm。b)应变计应可测量不少于6个独立方向的应变，应有温度补偿功能。应变记录仪应不少于16个通道，采样频率宜大于1Hz，有数字显示和自动存储功能，读数稳定时连续三次读数相差不大于5个微应变。压力表或压力变送器量程宜大于25MPa，精度等级宜不低于0.25级。定向器与应变计刚性连接，标志线的定向精度应在±3°以内。c)油泵额定工作压力宜大于25MPa。围压率定仪通过油泵加压，压力腔内径略大于套心后岩心外径，额定工作压力宜不小于16MPa。8.3测量步骤8.3.1测量前应读取应变计各通道的电阻值和仪器初始值并检查绝缘状况。8.3.2定向器、压力表或压力变送器在使用前应校准并在有效期内。8.3.3钻孔施工应符合下列要求。a)使用套心钻头沿指定方向打取心钻孔到预定测试深度后，更换同直径磨孔钻头将孔底磨平，更换同直径锥形钻头钻进50mm~100mm，在孔底形成导向作用的喇叭口。b)更换小孔取心钻头钻进40cm~50cm，观察小孔岩心完整情况，如岩心破碎或出现明显扩孔，需重复上述打大孔、磨孔底、打锥孔和小孔，直至找到适合应变计安装的完整小孔。8.3.4应变计安装应符合下列要求。a)应变计安装前，需用丙酮或酒精清洗小孔并用高压气体烘干。b)将应变计固定在定向器上，用安装杆（或钻杆）将定向器连同应变计推送进入小孔，装有触头的传感器，触头应与孔壁紧密接触，采用粘结安装的应确保应变计与孔壁耦合良好，解除前粘结剂已完全凝固。8.3.5应力解除操作应符合下列规定。a)取心钻头和岩心管长度应大于1m，孔口应安装钻杆扶正装置。b)套心钻进前将测量电缆经钻具引出，与应变记录仪连接后，应向孔内冲水15min以上至仪器读数稳定后开始钻进。c)以不大于3cm/min速率匀速钻进至小孔孔底后，继续冲水5min~10min。d)现场每钻进3cm应记录时间和所有通道读数，同时用应变记录仪自动记录。e)取出含应变计的完整岩心。8.3.6现场围压率定应符合下列规定。a)应在现场将含有应变计的完整岩心放入围压率定仪进行率定。b)一般情况下最大率定围压宜在10MPa~20MPa之间。c)率定宜采用升压和降压两个循环，压力宜分为5~10级，宜按0至最大压力等分施加，记录各级压力下应力计各通道的读数。d)率定完成后，采用粘结剂安装的应变计宜沿横切面剖开，检查粘贴质量并拍照记录。8.4数据采集8.4.1数据采集宜采用自动连续方式，采集内容应包括测量钻孔所在厂房和洞室位置及断面尺寸，测试段深度、岩心长度、岩性及节理、裂隙发育情况，每次应力解除的深度，应变计标志线的方位角，测量中遇到的异常情况等。数据采集记录内容及格式见附录A中表A.4。8.4.2各测量段的应变、时间数据应全程采集，采集频率应符合本文件8.2.2中b）项的规定。8.5地应力计算8.5.1应严格审查现场记录的“应变-钻进进尺曲线”、“应变-压力标定曲线”和应变计黏贴质量，可剔除冗余的异常（无效）数据，确定可参与地应力计算的有效数据。8.5.2由现场实测数据计算地应力方法详见附录D。9流变应力恢复法9.1一般规定9.1.1流变应力恢复法适用于隧道、隧洞、巷道、硐室等地下工程具有流变力学性质的软弱岩体地应力测量。本文件规定的内容适用于采用六向压力传感器获取岩体流变恢复应力的测量系统。9.1.2采用流变应力恢复法时，应符合下列规定。a)测孔布置在通风良好、水电连接便捷、操作方便、不受工程施工活动影响的区域。b)测试段深度应大于开挖断面直径（最大宽度或高度）的3倍以上，且不小于20m。c)多次测试时，测试段间距宜0.5m~1.0m，测试结果取平均值。9.2测量系统9.2.1测量系统应满足地应力测量要求，包括下列仪器设备。——六向压力传感器。——推送杆件。——定向器。——固定部件。——注浆泵。——封孔器。——数据采集仪。——线缆。9.2.2仪器设备技术指标应满足下列要求。a)传感器应包含6个独立的压力传感单元，具有温度补偿功能。量程宜不小于30MPa，精度宜优于1%。具备良好防尘防水能力，等级宜优于IP67（来源：GB/T4208）。b)推送杆件宜选用轻质材料，连接方便、牢固，单根长度宜1m~2m。线缆应选用铠装，抗拉强度宜不小于1000N，抗侧压能力宜不小于10N/mm。c)固定部件应设有三向滑轮、限位器和测量绳。三向滑轮中心应与测孔中心线一致。限位卡摩擦力应超过传感器自重的3倍以上。测量绳应标有长度刻度值，抗拉强度宜不小于500N。定向器应设有三向滑轮和电子罗盘。三向滑轮中心应与测孔中心线一致。电子罗盘测试精度宜优于1度。d)封孔器宜选用囊袋式，与测孔孔径相匹配，长度0.5m~1m，设计工作压力不小于1MPa，且满足NB/T10358要求。注浆泵宜选用液压式或气动式，最大出浆压力应不小于1MPa，流量应不小于30L/min，水平输送距离应不小于30m。e)数据采集仪采样频率应不低于1Hz，工作环境温度-20℃~60℃,宜具有数据自动采集、储存、网络传输及查询功能。9.3测量步骤9.3.1测孔施工应符合下列规定。a)测孔孔径应大于传感器外径30mm~50mm，测孔方向垂直岩面，具体钻孔设备、工艺宜参照JGJ/T87、TB10014进行选择。b)测孔施工宜缓慢、均速、连续完成，应记录岩石破碎程度、岩性变化、钻孔事故等信息。施工至设计深度后应及时清孔，清孔方式宜选用气动泵。c)清孔完成后，应选用钻孔窥视仪等设备对孔内沉渣厚度进行检查，当沉渣厚度≥20mm时应进行二次清孔。仍不满足要求时，在测孔附近1m~2m范围重新打孔。9.3.2传感器安装与封装应符合下列规定。a)每个测试段安装1个传感器，传感器及其布置见附录E。b)传感器安装连接顺序依次为传感器、固定部件、定向器和推送杆件，传感器推送到预设孔深后退出定向器和推送杆件，传感器安装连接见附录E。c)传感器安装应由专人负责线缆与测量绳放线，传感器旋转角度应在±45°以内。d)遭遇传感器卡住情况，应先退出推送杆件和定向器，再利用测量绳将传感器与固定部件拉出孔外，并检查原因。e)传感器封装应按照线缆保护套管安装、封孔器安装、浆液搅拌、注浆泵压浆等步骤进行。f)封孔器排气管有浓浆连续流出后方可停止注浆，注浆过程应观察岩体是否有跑浆、漏浆情况。9.3.3测试系统调试与保护应符合下列规定。a)测试系统调试应检查采集仪的数据采集、储存及通信是否工作正常。b)测试系统保护应对数据采集仪采用金属保护箱防护，孔外线缆与保护箱应紧贴洞壁、固定牢靠，并在测孔孔口、保护箱等位置张贴警示标志。9.3.4数据采集应符合下列规定。a)数据采集内容应包括各传感器的采样时间和数据读数。记录内容及格式见附录A中表A.5。b)数据采集期内应每7d~10d绘制传感器测得正应力-时间变化曲线，计算该阶段各传感单元的平均应力变化率，当平均应力变化率均小于0.01MPa/d时即可停止数据采集。9.4数据采集9.4.1数据宜自动连续采集，采集内容应包括各传感器的采样时间和数据读数，传感器的安装孔深、旋转角度及初始读数，测量中遇到的异常情况等。数据采集记录内容及格式见附录A中表A.69.4.2各测量段的数据应全程采集，采集频率应符合本文件9.2.2中e）项的规定。9.5地应力计算9.5.1数据处理应根据数据采集记录表，绘制采集数据-时间变化曲线，对曲线中的异常点进行甄选、剔除，保证用于地应力计算的数据有效。9.5.2由现场实测数据计算地应力方法详见附录E。10.1前言宜包括下列内容。10.1.1任务来源。10.1.2测量目的。10.1.3工作内容。10.1.4技术要求。10.1.5完成工作量等。10.2区域地质背景宜包括下列内容。10.2.1测量钻孔的地理位置及行政区划。10.2.2测量钻孔附近的地形地貌、工程概况和参与人员等。10.2.3测量钻孔深度、水文地质、钻孔结构和岩性、岩体结构特征、岩心采取率等，宜附钻孔柱状图。10.2.4区域构造、地层、活动断裂、新构造活动、区域应力场和地震活动性等。10.3测量方法原理宜包括下列内容。10.3.1简述测量方法的原理、测试流程以及数据处理方法等。10.3.2测量使用的设备及其主要技术参数。10.4测量结果分析宜包括下列内容。10.4.1简述测量实施过程、数据处理过程并给出地应力计算结果。10.4.2水压致裂法测量结果分析应包括下列内容。a)用图给出各测试段压力（安装井下电子压力计的用井下压力）-流量-随时间变化曲线，描述特征压力参数：破裂压力Pb、闭合压力Ps和重张压力Pr的确定方法。b)用表格列出各测试段岩性、埋深H、孔隙压力P0、破裂压力Pb、闭合压力Ps、重张压力Pr、垂直应力Sv的数值，最大水平主应力SH、最小水平主应力Sh的大小，以及压裂测试段的岩体原位抗拉强度T和测试段最大水平主应力SH、最小水平主应力Sh的方向。c)给出测试段水压裂缝印模展开图并标注印模段深度、基线和破裂方位等参数。用成像测井获取水压裂缝方位时，应给出测试段孔壁图像并标注深度和水压裂缝方位等。10.4.3套管井水压致裂法测量结果分析应包括下列内容。a)用图给出各测试段井下压力-流量-随时间变化曲线，描述闭合压力Ps的确定方法。b)用表格列出各测试段埋深H、孔隙压力P0、闭合压力Ps、垂直应力Sv和最小主应力S3的量值。10.4.4空心包体应力解除法测量结果分析应包括下列内容。a)宜列表说明测量钻孔的方位角、倾角，测试段深度和岩性等。b)用图给出解除过程应变随解除深度曲线、围压率定曲线。c)用表给出各测试段原始测量数据，说明数据取舍和应变计黏贴情况。d)各测试段地应力计算结果，包括6个应力分量量值，3个主应力量值、方位角和倾角。10.4.5流变应力恢复法测量结果分析应包括下列内容。a)宜列表说明测量钻孔的方位角、倾角，传感器安装深度和岩性等。b)用图给出采集数据-时间变化曲线、测得正应力-时间变化曲线。c)用表给出各传感器测点的恢复正应力、原始正应力。d)各传感器测点地应力计算结果，包括6个应力分量量值，3个主应力量值、方位角和倾角。10.4.6给出主应力随深度变化规律，对数据进行回归分析并给出回归公式。10.4.7与研究区已有地应力数据对比，分析地应力分布特征、应力结构、主应力方向与区域应力场及地质构造的关系等。10.5结论宜包括下列内容。10.5.1简述完成的测量工作量、地应力量值范围及地应力优势方向等。10.5.2总结地应力分布规律、测量钻孔的应力状态及区域应力特征。附录A（规范性）原位地应力测量现场记录表A.1给出了水压致裂法原位地应力测量现场记录内容，地应力测量现场记录见表A.1。表A.1水压致裂法地应力测量现场记录表mmm123456789A.2给出了水压致裂法原位地应力测量现场印模记录内容，地应力测量现场印模记录见表A.2。表A.2水压致裂法地应力测量现场印模记录表（第1页/共2页）mm/m12345678表A.2水压致裂法地应力测量现场印模记录表（第2页/共2页）水压裂缝印模示意图m°123456789A.3给出了套管井水压致裂法原位地应力测量现场记录内容，地应力测量现场记录见表A.3。表A.3套管井水压致裂法地应力测量现场记录表），mm现场记录人现场审核人A.4给出了空心包体应力解除法原位地应力测量现场记录内容，地应力测量现场记录见表A.4。表A.4空心包体应力解除法地应力测量现场记录表序号°m12345678A.5给出了流变应力恢复法原位地应力测量现场数据采集记录内容，地应力测量现场数据采集记录见表A.5。表A.5流变应力恢复法地应力测量现场数据采集记录表T123456123456789现场记录人现场审A.6给出了流变应力恢复法地应力测量现场记录内容，地应力测量现场记录见表A.6。表A.6流变应力恢复法地应力测量现场记录表m°1234现场记录人现场审核人测（规范性）水压致裂法地应力计算方法B.1计算原理水压致裂法地应力测量以弹性力学为基础，基于以下三个假定：(1)岩石是线弹性且各向同性材料；(2)测试段附近岩体是完整的；(3)岩体中一个主应力的方向和钻孔孔轴平行。在上述假设前提下，水压致裂法的应力分析可以简化为无限大平板中圆孔受力的平面应变问题（图B.1）。a)无限大平板受到σ1和σ2作用b)圆孔壁上的应力集中图B.1无限大平板中圆孔受力分析图当主应力σ1和主应力σ2作用在一半径为a的圆孔的无限大平板上时，根据弹性力学理论，圆孔外任意一点M处的应力大小可按下列公式计算：式中：r——点M到圆孔中心点的距离（m）；θ——从σ1方向逆时针偏转至M的角度(°);σr——点M的径向应力（MPa）；σθ——切向应力（MPa）；τrθ——剪应力（MPa）。当r为a时，即M点位于圆孔壁上，式B.1、式B.2、式B.3简化为：B.4）B.5）B.6）式中：σr——点M的径向应力（MPa）；σθ——切向应力（MPa）；τrθ——剪应力（MPa）；σ1——最大主应力（MPa）；σ2——最小主应力（MPa）；θ——从σ1方向逆时针偏转至M的角度(°)。此时说明图（B.1b）所示的孔壁A、B两点及其对称处A9，B9两点的应力集中可按下列公式计式中：σA——A点的应力集中（MPa）；σA'——A点对称点A9点的应力集中（MPa）；σB——B点的应力集中（MPa）；σB'——B点对称点B9点的应力集中（MPa）。当孔内施加的流体压力大于孔壁上岩石所能承受的最大拉张强度时，在最小切向应力的位置上将产生拉张破裂，并且破裂将沿着平行于最大主应力的方向扩展。此时将导致孔壁产生破裂的流体压力称为破裂压力Pb，孔壁产生破裂的条件可按下式计算：B.9）式中：Pb——破裂压力（MPa）；T——岩体原位抗拉强度（MPa）；P0——孔隙压力（MPa）。B.2特征压力参数计算在垂直钻孔中测量地应力时，常将最大、最小水平主应力分别写为SH和Sh，当产生的水压裂缝是垂直裂隙时，可按式（B.10）计算压裂段岩石的破裂压力：B.10）孔壁破裂后，停止注入压裂流体并保持压裂系统密闭，在地应力场作用下，裂缝将迅速趋于闭合。通常把裂缝处于趋于闭合状态时的压力称为闭合压力PS，裂缝近垂直时，闭合压力等于垂直于裂缝面的最小水平主应力，即：当再次对封隔段增压，使水压裂缝重新张开时，即可得到重张压力Pr。此时的岩石己经破裂，岩石原位抗拉强度T为零，重张压力可按下式计算：B.12）式中：Pr——重张压力（MPa）。由式（B.12）和式（B.10）可得岩体的原位抗拉强度T：式中：T——岩体原位抗拉强度（MPa）；Pb——破裂压力（MPa）；Pr——重张压力（MPa）。根据式（B.11）、式（B.12）又可得到最大水平主应力SH：B.14）测试段上覆均一岩层的重力，即垂直应力可用岩体密度p计算：式中：ρ——岩体密度（kg/m3g——重力加速度（m/s2）；H——上覆岩层厚度（m）。若上覆岩层密度差异大，需要按照不同岩层厚度叠加计算：式中：pi——岩层i的平均密度（kg/m3g——当地重力加速度（m/s2Di——岩层i的厚度（m）；n——上覆岩层数目。（资料性）闭合压力确定方法示例闭合压力是水压致裂法获取的关键特征压力参数之一，准确、客观判读闭合压力对提高水压致裂地应力测量可靠性具有重要意义。孔壁出现水压裂缝之后停泵，随着压裂流体泄漏，水压裂缝趋于闭合，此时水压裂缝表面所受的法向应力与流体压力相平衡，当近垂直钻孔中产生对称的竖直缝时，闭合压力等于垂直于裂缝面的最小水平主应力。为了从停泵后的压降曲线得到可靠的闭合压力，国内外提出了多种分析方法，本文件根据现场实践经验，提出首先采用总系统刚度法分析水压裂缝是否完全闭合，识别出闭合压力的上限（尖端闭合压力）和下限（完全闭合压力确定水压裂缝完全闭合后，再采用dt/dP法、dP/dt或G函数柔度法等其它方法计算闭合压力，以确保闭合压力计算的可靠性。C.2dt/dP法绘制压降阶段的dt/dP数据与压力数据的散点分布图，将散点数据按照时间顺序分为三个阶段，并进行三阶段线性拟合，当总残差最小时，第一阶段和第二阶段的直线交点对应的压力值即为闭合压力。dt/dP法取值示意如图C.1所示。图C.1dt/dP法闭合压力取值典型示意图C.3dP/dt法绘制压降阶段的dP/dt数据与压力数据的散点分布图，将散点数据按照时间顺序分为二个阶段，并进行双线性拟合，当总残差最小时，直线交点对应的压力值即为闭合压力。dP/dt法取值示意如图C.2所示。图C.2dP/dt法闭合压力取值典型示意图C.4G函数柔度法计算G时间和其差分dG，进而得到压降阶段的压力导数dP/dG，绘制压力和压力导数随G时间的变化曲线。G函数柔度法在dP/dG曲线开始向上弯曲时拾取闭合压力，但有些情况下该曲线可能呈持续单调下降趋势，此时该方法无法取值。图C.3为G函数柔度法识别闭合压力的典型示意图。图C.3G函数柔度法闭合压力取值典型示意图G函数可由式C.1计算：式中：g函数定义为：C.3）式中：α——注入期间水压裂缝表面积随时间变化而单调增加的幂律指数，无因次，α=1表示流体泄漏量低的致密地层，裂缝表面积随时间线性变化，α=0.5表示流体泄漏量高的高渗地层，裂缝表面积随时间的平方根线性变化；∆tD——无因次时间，由注入时间tp与关泵后的漏失持续时间∆t导出，定义为：C.5总系统刚度法利用式C.5将压降期间的压力曲线转化为总系统刚度曲线。利用水压裂缝尖端闭合压力（闭合压力上限值）在刚度出现明显增加时选取，水压裂缝完全闭合压力（闭合压力下限值）在刚度开始趋于稳定时选取，具体数值可由切线法确定，如总系统刚度持续增大，未出现趋于稳定特征，表明水压裂缝未完全闭合，该曲线无法用于分析地应力。总系统刚度法（TSS）取值示意如图C.4所示。式中：st——总系统刚度，无因次；i——压力数据采集序号，无因次；P——裂缝内流体压力（MPa）；Pp——孔隙压力（MPa）。图C.4总系统刚度法闭合压力取值典型示意图（规范性）空心包体应力解除法地应力计算方法D.1应变从布置空心包体式应变计的应变丛（应变片）位置如图D.1所示。图D.1空心包体应变丛布置示意图D.2计算各应变片解除应变测定值εk=εnk_ε0k............................................................................(D.1)式中：εk——第k应变片观测值（解除应变值）；εnk——第k应变片最终稳定变形值；εθk——第k应变片初始变形值。D.3确定地应力分量钻孔孔壁应变测量法三维地应力测量的各应变片应变观测方程组为：Eεk=Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx....................................(D.2)式中：E——钻孔围岩弹性模量（MPa）；k——观测值方程序号，k＝v(i-1)+j；i——应变丛序号，i＝1~q；j——每一应变丛中应变片序号，j＝1~v；q——应变丛个数，一般q＝3；v——每一应变丛中应变片个数，一般v＝3或4；εk——第k应变片观测值（解除应变值）；σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx——应力分量（MPa）；Ak1~Ak6——应力系数，具体表达如下：Ak1=[k1+μ__2(1__μ2)k2cos2θi]sin2ψij__μAk2＝[k1+μ+2(1_μ2)k2cos2θi]sin2ψij_μAk3＝1_(1+μk4)sin2ψijAk4＝_4(1_μ2)k2sin2θisin2ψijAk6＝-2(1+μ)k3sinθisin2ψij式中：μ——钻孔围岩泊松比；θi——应变丛位置与钻孔坐标轴x的夹角(°);ψij——应变丛上应变片与应变计轴线的夹角(°);k1，k4——应变片是否直接粘贴在钻孔壁上的修正系数。空心包体式应变计的修正系数ki（i=1~4）由钻孔半径、应变计内半径、应变丛嵌固部位半径和围岩以及环氧树脂层的弹性模量和泊松比计算确定或查表插值得到，一般取0.8~1.3，当应变片直接黏贴在孔壁时，k1=k2=k3=k4=1。建立应变计观测方程组之后，采用最小二乘法原理，地应力分量的最佳值由下列方程组求解得到：式中：n——为观测值方程组个数。D.4计算主应力求得地应力场中6个应力分量以后，再根据下列公式求解三个主应力值：式中：D.8）D.9）式D.4~D.9中，J1、J2和J3为应力张量的第一、第二、和第三不变量，如下：