[发明专利]一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法

说明书

技术领域

本发明属于地质结构勘探测量技术领域，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。

背景技术

水压致裂(Hydraulic Fracturing，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]。