CN105716780B - 一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法 - Google Patents
一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105716780B CN105716780B CN201511009810.4A CN201511009810A CN105716780B CN 105716780 B CN105716780 B CN 105716780B CN 201511009810 A CN201511009810 A CN 201511009810A CN 105716780 B CN105716780 B CN 105716780B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stress
- fissure
- initial fissure
- initial
- test
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 152
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 89
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 24
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 19
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 6
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000001595 flow curve Methods 0.000 claims description 2
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010438 granite Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000035800 maturation Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
- G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
- G01N3/12—Pressure testing
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
本发明公开了一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法。所述方法通过为原生裂隙面上广泛存在的剪应力建立力学方程，利用最小二乘法和计算机程序试错搜索原生裂隙面摩擦系数的办法反演得到原地应力张量。通过本发明所述方法，大幅度降低了原生裂隙水压致裂原地应力测量方法所需的原生裂隙数目，消除在使用原生裂隙水压致裂原地应力测量方法时对原地应力场设定的诸多假设条件，降低了原生裂隙水压致裂原地应力测量方法的应用难度，提升了该方法的准确性。
Description
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]。
为了解决经典水压致裂原地应力测量方法中的一些不足，并且受到水压致裂测试中闭合压力确定方法的启发，Cornet和Valette于1984年提出了HTPF法[11]，这样就可以通过测定裂隙面上法向应力来测定原地应力，力学原理如附图2所示，HTPF法的力学原理公式如公式(1)所示。
式中，n(j)为钻孔所揭露的第j条结构面的单位法向量，σ(X(j))为作用于第j条结构面上的局部应力张量。这里假设第j条结构面足够小，结构面分布范围内的岩体应力场均一，且岩体中心点坐标为X(j)(其三个分量坐标为xj、yj和zj)。那么问题就演化为利用多个所测得的σn (j)值求解X点处的应力张量的六个分量的问题。而σn (j)完全可以利用与水压致裂测试相似的原生裂隙注水重张测得，即裂隙面上的闭合压力Psj，如公式(2)所示。
测定原生裂隙面上的法向应力的最为理想的工程环境是地下空间内所揭露的各类裂隙面，因为在这种情况下，裂隙面近似处于同一个深度范围内，同时由于测点距离非常近，可以忽略原地应力张量的横向和随深度变化因素，可以利用最小二乘法对公式(1)进行线性求解。但是对于单一深孔，钻孔所揭露的满足测试要求的结构面并不处于同一深度，那么就需要考虑深度的因素，公式(1)可以转变为：
σ(z)＝σ(zc)+(z-zc)λ (3)
式中σ(zc)指深度zc处的应力张量(包括6个应力分量)，λ指描述垂直应力梯度的系数，由4个分量组成，其中一个主方向假设为垂直。在公式(2)中，通常不考虑应力张量的侧向变化。通常情况下，在一个单一钻孔内开展HTPF法测试时，一般没有条件和数据来限定应力张量的侧向变化。但是在地形起伏很大的地区，如果应力张量的侧向变化无法忽略时，就需要使用6个分量来限定λ，这时求解公式(2)就需要确定12个未知量。
在文献[12]中，Cornet指出了HTPF法三个大的局限性：(1)测试工作量繁重；(2)需要挑选到单一的满足测试条件的原生裂隙，要求岩体不能非常节理化；但是方位不同的多条原生裂隙在同一钻孔内非常难找到；(3)事先需要对测试区域的原地应力状态进行一些假设。2003年Ljunggren等在文献[20]中对HTPF法进行了准确客观的评述：取决于反演原地应力场过程中所采用的不同假设和限定条件，HTPF法可以用于确定2D和3D原地应力状态；对于确定2D原地应力状态，一次成功的测试至少需要10～12个原生裂隙的HTPF法测试结果；而对于确定3D原地应力状态，一次成功的测试至少需要18～20个原生裂隙的HTPF法测试结果[27]。在过去的HTPF法现场测试中，由于现场寻找不到足够的满足条件的原生节理数目，Cornet等为了解决现场的应力场确定问题，就不断地设定假设条件来实现对公式(3)的求解[11-13,15-17,19]，这实际上大大降低了HTPF法的可靠性，也让其推广应用更为困难。在这种背景下，我们应该寻找新的途径来降低对原生裂隙数目的依赖，只要将需要的原生裂隙数目降到合理的范围内，我们就可以将一些假设条件去掉，大幅提高HTPF法的适用性。
综上所述，原生裂隙水压致裂法在解决水压致裂法存在的问题方面，取得了较好的效果，但是，原生裂隙水压致裂法在应用过程也存在一些问题，包括：测试过程非常长；测试所需的合格原生裂隙数目量太大，以至于现场很多情况下不能满足要求；如何消除应力梯度对测试结果的影响；测试过程中如何保证所选定的结构面是闭合的平面等。这些问题，一方面增加了原生裂隙水压致裂法应用的难度，另一方面也制约了该方法的应用效果。
发明内容
为了解决原生裂隙水压致裂法在应用过程存在的问题，本发明提供一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法(简称为M-HTPF法)。本发明通过为原生裂隙面上广泛存在的剪应力建立力学方程，利用最小二乘法和计算机程序试错搜索原生裂隙面摩擦系数的办法反演原地应力张量，为单孔三维水压致裂原地应力测量提供了新的思路和途径。
为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：
1、M-HTPF法的理论基础
通过对附图2的分析可知，Cornet等所提出的HTPF法只考虑了结构面上的法向应力，因为水压致裂测试只能测定结构面上的法向应力，而原位岩体结构面上的剪切应力是无法测得的。然而我们可以在应力反演过程中利用法向应力与结构面上的剪切应力之间的相关性来推算出结构面上的剪切应力。根据摩尔库伦理论，结构面上的法向应力和剪切应力之间的关系可以简化表达为公式(4)。刘允芳在2006年曾提出裂隙重新张开时，裂隙面上剪应力应为“零”[27]，但如果仔细分析文献[27]关于裂隙面剪切应力为零的假设，就会发现这种工况只在水压致裂测试时满足，在天然原地应力状态下，只有少数原生裂隙满足这种工况。而Cornet对HTPF法的应用范围设定了严格的条件，第一不能发生测试流体泄露，第二原生裂隙面近似为平面，第三是原生裂隙面对原地应力场的影响足够小，原地应力场近似地可以看作均匀应力场，在这种测试要求下，所测试的原生裂隙面上必然会存在剪切应力。这里参考文献[22-24,27]建立反演应力场的力学方程，原生裂隙坐标系和大地坐标系的相对关系如附图3所示，因为在这些文献中，刘允芳等人对这些公式有详细的介绍，这里不再一一详述[22-24,27]，只给出关键的力学公式，如公式(5)～(8)所示。
τsj＝μj·σsj (4)
σyj＝Psj (5)
τxjyj＝μj·Psj (6)
[σxsin2(β0-βj)+σycos2(β0-βj)-τxysin2(β0-βj)]sin2αj
+σzcos2αj+[τyzcos(β0-βj)-τxzsin(β0-βj)]sin2αj＝Psj (7)
[-0.5(σx-σy)sin2(β0-βj)+τxycos2(β0-βj)]sin2αj+[τyzsin(β0-βj)
+τxzcos(β0-βj)]cosαj＝μj·Psj (8)
原地应力场主要受区域地壳强度的控制，而区域地壳强度受限于区域断层的强度，区域断层强度可以使用断层的摩擦强度或者摩擦系数来描述[28]。2010年，Zoback使用μ＝0.6很好地解决了油藏储层的区域应力场限定问题[28]。根据Byerlee定律，地壳岩石的内摩擦系数为0.6-0.85[29]，但是在低围压条件下，岩体裂隙面的摩擦系数主要取决于裂隙面的粗糙程度[30]，Barton所提出的公式和方法都是描述峰值剪切应力的，而在原地应力状态下，由于原生裂隙面之间不产生相对位移，那么Barton和Byerlee的研究成果实际限定了原生裂隙面上剪切应力的上限。Barton在2013年的最新研究成果显示，当应力达到一定程度的时候，摩尔圆外包络线近似水平，这时候μ≈0.5，即σ1/σ3≈3[31]。基于前人这些成熟的研究成果，笔者将原生裂隙面摩擦系数μj范围限定在0.2～0.85之间，以一定间隔进行最小二乘法拟合搜索，得到相应的三维原地应力值及倾向倾角。
通过以上方法可能得到许多组三维应力值，为了解决这个问题，笔者采用Mohr-Coulomb准则来判断所得应力值的可靠性。实际计算中，由于此类计算常常是超静定方程问题，笔者经过大量数据验证，提出利用以下公式来判定得到的方程是否满足Mohr-Coulomb准则，如果最大和最小主应力量值满足公式(9)，那么则认为反演得到的应力值是可以接受的。
根据笔者经验，最终符合此标准的数据具有多解的特征，但是每组数据之间相差不大。鉴于描述原地应力场的应力张量是未知数，所有测试方法只能无限逼近真实值，但是无法真正揭露真实值，在这种背景条件下，就需要采取其它方法来验证或者帮助限定真实值。
分析方程组(7)、(8)可知，每进行一段原生裂隙水压致裂测试，可获得两个观测值方程。只要在三个或三个以上不同产状的原生裂隙段上进行重张试验，即可确定三维地应力状态。但要想获得理想的数据，笔者建议利用四至五段原生裂隙数据进行计算较为妥当。与刘允芳2006年的研究成果相比，虽然每组原生裂隙所产生的方程少了，但所需原生裂隙数据组数是不变的，方法的适用范围更为广泛，也更加接近真实值。与Cornet的方法相比，则大大降低了所需的原生裂隙数目，进而可以将Cornet所设定的诸多假设根据实际情况逐一去除。
2、M-HTPF法的方法步骤
本发明所述的一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法(M-HTPF法)，其特征在于：通过为原生裂隙面上广泛存在的剪应力建立力学方程，利用最小二乘法和计算机程序试错搜索原生裂隙面摩擦系数的办法反演原地应力张量。
本发明所述的一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，包括以下步骤：
1)选择原生裂隙。
2)控制并记录测试流量。
3)挑选和解释测试数据。
4)反演原地应力张量。
其中步骤4)包括以下子过程：
A、通过计算机程序试错搜索的方法确定原生裂隙面摩擦系数μj；
B、计算原生裂隙面上的剪应力；
C、利用最小二乘法反演原地应力张量。
所述步骤1)中利用高精度钻孔井下电视对钻孔所揭露的裂隙面进行准确定位，同时结合钻孔岩芯编录的资料，对裂隙面的水力学特性进行评估，以便在测试时挑选到合格的原生裂隙面。避免将方位角相似的原生裂隙面放到同一组数据中进行应力值反演。对于所选取的原生裂隙面之间，走向差最好在8°以上，倾角差最好在4°以上。
理论上基于每个原生裂隙面的水压致裂测试结果可以建立两个力学方程，那么只需要3条原生裂隙就可以求解原地应力张量，但是为了保证计算机程序反演收敛，至少需要选择5条原生裂隙。
所述步骤2)在测试过程中使用低流量高压水泵，同时采用高压流体控制系统，记录注入原生裂隙面的流体累积流量和关泵以后从测试系统返回的流体累积流量，通过计算回流流量与注入流量的比值，判断测试过程中流体是否发生泄露。
所述步骤3)中，通过专用的数据处理交互式软件来实现数据的选择和解释功能，软件中包括了确定原生裂隙关闭压力的八种方法，即单切法、双切法、马斯卡特法、dt/dp法、渐变法、手动法、LgP-LgT法以及P-LgT法。
所述步骤4)中，将原生裂隙面摩擦系数μj范围限定在0.2～0.85之间，以一定间隔进行最小二乘法拟合搜索，得到相应的三维原地应力值及倾向倾角。
采用Mohr-Coulomb准则来判断所得应力值的可靠性。如果最大和最小主应力量值满足公式那么则认为反演得到的应力值是可以接受的。
本发明的优点和有益效果为：大大降低了原生裂隙水压致裂原地应力测量方法所需的原生裂隙数目，消除在使用原生裂隙水压致裂原地应力测量方法时对原地应力场所设定的诸多假设条件，降低了原生裂隙水压致裂原地应力测量方法的应用难度，提升了该方法的准确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所述一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法流程图。
图2为原生裂隙水压致裂法原理示意图。
图中，(a)是钻孔揭露出一个原生节理面时原位岩体的应力状态，(b)是原生裂隙结构面上的原地应力状态(为了表达方便，将σsj、τsj移到了钻孔中心线上，应该在孔壁后的岩体内，这里σsj、τsj分别为原生裂隙面上的正应力和剪切应力)。
图3为原生裂隙坐标系与大地坐标系的相对位置示意图。
图4为所述的原生裂隙及水压致裂诱发裂缝超声波钻孔电视扫描图像。
图中，(a)是原生裂隙钻孔电视扫描图像，(b)是经典水压致裂原地应力测试之前的孔壁图像，(c)是经典水压致裂原地应力测试之后的孔壁图像。
图5为所述的原生裂隙水压致裂原地应力测量实测P-t曲线。
图6为所述的数据分析模块显示界面。
具体实施方式
我们选择位于山东省昌乐县红河镇一个钻孔进行野外实验。该钻孔编号为HHZK1，钻孔孔深约为400m，钻孔直径为94mm，所揭露的岩性为花岗岩。测试设备与文献[33]中所记录的测试系统一致，但是对关键设备进行了升级革新，如采用了项目组研发的数据采集系统和数据处理系统，同时采用双回路测试和全新研制的高压流体控制系统，这些设备连接起来可以同时记录测试段压力、封隔器压力、加压流量和回水流量，测试效果良好。
具体步骤如下：
1)选择原生裂隙。首先利用ABI40超声波井下电视[31]对钻孔所揭露的裂隙面进行准确定位，裂隙面识别精度约为0.2mm；同时结合钻孔岩芯编录的资料，对裂隙面的水力学特性进行评估，以便挑选到合格的原生裂隙面。为了实现测试过程的深度控制精准，笔者在测试过程中使用了一套专用的水压致裂测试钻杆，保证测试深度准确，测试钻杆密封良好。为了保证测试结果的可靠性，在开展水压致裂原地应力测试之前进行一次超声波钻孔电视扫描，完成水压致裂原地应力测试之后再重复一次超声波钻孔电视扫描，观察测试前后原生裂隙形态的变化，以确保没有新的钻孔轴向诱发裂隙形成。如附图4所示，由图可以看出，采用的钻孔井下电视可以清晰地识别水压致裂测试前后孔壁岩体图像的变化，这样就为高质量测试数据的获取奠定了基础。钻孔电视确定的原生裂隙面方位角都经过校正，为真倾向和真倾角，如表1所示。
表1 参与计算的原生裂隙上的关闭应力及方位角数据
2)控制并记录测试流量。笔者在现场实验过程中所使用的流量泵是8L/min。为了更好地判断所测试的原生裂隙面是否发生流体泄露，采用了全新的高压流体控制系统(专利号：ZL201320624928.8)，这样可以同时记录注入原生裂隙面的流体累积流量和关泵以后从测试系统返回的流体累积流量，记录曲线如附图5所示，图中最下方为流量记录曲线，第一个小矩形为注入流体，第二个峰值三角形衰减曲线为回流曲线，通过计算回流流量与注入流量的比值就可以判断测试过程中流体是否发生泄露。
3)挑选和解释测试数据。通过专用于数据处理的交互式软件来实现测试数据的挑选和解释功能，软件界面图如附图6所示。软件中包括了确定原生裂隙关闭压力的八种方法，包括单切法、双切法、马斯卡特法、dt/dp法、渐变法、手动法、LgP-LgT法以及P-LgT法。软件也可以对流量曲线进行自动处理，判断其是否满足测试要求。
4)反演原地应力张量。
A、通过计算机程序试错搜索的方法确定原生裂隙面摩擦系数μj；
B、计算原生裂隙面上的剪应力；
C、利用最小二乘法反演原地应力张量。
反演得到表征地应力张量的六个主应力数据，如表2所示。
表2 利用M-HTPF法得到的原地应力张量数据
与经典水压致裂法测试结果的对比
由于原地应力状态是未知的，所以很难去讨论准确性和精度的问题，故对于原地应力场的研究者和测试者来说，只能考虑测试数据的可靠性和合理性。因此，只能使用其它的测试方法所获得的测试数据对新的M-HTPF法所获得数据进行检验。在该钻孔中，除了开展M-HTPF法测试外，还进行了经典水压致裂法测试，测试设备完全相同，测试流程和数据处理方法也近似，完全遵照文献[3]的规程，最大水平主应力方向利用超声波钻孔电视录井资料确定，如附图5所示。测试结果如表3所示。
表3 经典水压致裂压裂数据计算结果表
根据表2，M-HTPF法获得的最小主应力的倾角63.86°，中间主应力倾角-21.54°，最大主应力倾角14.18°，最小主应力近垂直，中间主应力和最大主应力近水平。与表3中224.0m、254.4、258.8m三个测段的最大最小水平主应力和垂直主应力相比，两种方法获得的数据反映的应力状态都是有利于逆断层活动的应力状态，即水平主应力作用为主。而M-HTPF法获得的中间主应力和最小主应力分别为6.61MPa和5.01MPa，与224.0m、254.4、258.8m三段的最小水平主应力和垂直主应力分别相差1.05～2.05MPa、1.04～1.98MPa，非常接近。对于最大主应力，则相差3.3～4.92MPa，刚好为与最小水平主应力与垂直主应力之差的约为3倍，似乎与经典水压致裂原地应力测量的最大水平主应力计算公式有关系[3]。分析两方法的理论可知，原生裂隙法参与的测量参数主要为闭合压力Ps，而经典水压致裂法参与的测量参数则为重张压力Pr和闭合压力Ps。由于重张压力Pr的准确性一直饱受争议[35,36]，因此可能是因为重张压力Pr的加入而导致两种方法所获得的最大主应力相差较大；与此同时，HTPF法和经典水压致裂法的岩石力学理论假设也是有差别的，HTPF法对岩体的不均匀性不做要求，即认为在节理化岩体中也可以开展测试，而节理化岩体中的原地应力量值会偏低，而经典水压致裂法则要求岩体是线弹性、完整且均一的，因此经典水压致裂法测得的是完整岩体中所赋存的原地应力量值，而这一量值明显偏高，故上述两种方法获得的地应力量值上的差异可能也反映了完整岩体和节理化岩体固有的差异。对于最大最小水平主应力方向，通过比较可知，基本相互吻合，因为表3中给出的最大水平主应力方向也较为离散，而利用M-HTPF法获得应力方向是在这一方向范围内的。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
参考文献：
[1]Amadei B.and Stephansson O.1997.Rock stress and itsmeasurement.London:Chapman and Hall.
[2]Zang A.,Stephasson O.2010.Stress Field of the Earth’sCrust.London:Springer.
[3]Haimson B C,Cornet F H.ISRM suggested methods for rock stressestimation—part 3:hydraulic fracturing(HF)and/or hydraulic testing of pre-existing fractures(HTPF)[J].International Journal of Rock Mechanics andMining Sciences,2003,40(7):1011-1020.
[4]Haimson,B.C.,Hydraulic fracturing in porous and non porous rockand its potential for determining in-situ stress at great depth,Tech.Rep.4-68,U.S.Corps of Eng.,Omaha,Neb.,1968.
[5]Hudson J A,Hardy M P,Fairhurst C.The failure of rock beams:PartII—Experimental studies[C]//International Journal of Rock Mechanics andMining Sciences&Geomechanics Abstracts.Pergamon,1973,10(1):69-82.
[6]Zoback M D,Pollard D D.Hydraulic fracture propagation and theinterpretation of pressure-time records for in-situ stress determinations[C]//19th US Symposium on Rock Mechanics(USRMS).American Rock MechanicsAssociation,1978.14-22.
[7]Daneshy A A.A study of inclined hydraulic fractures[J].Society ofPetroleum Engineers Journal,1973,13(02):61-68.
[8]Zoback M D,Rummel F,Jung R,et al.Laboratory hydraulic fracturingexperiments in intact and pre-fractured rock[C]//International Journal ofRock Mechanics and Mining Sciences&Geomechanics Abstracts.Pergamon,1977,14(2):49-58.
[9]Cornet F.H.Analysis of hydraulic fracture propagation:A fieldexperimentation.Proc.2nd Int.Sem.on results of EC Geothermal Energy Research,1980,PP.1032–1043,Reidel publ.
[10]Cornet,F.H.,Analysis of injection tests for in-situ stressdetermination,Proceedings of Workshop on Hydraulic Fracturing StressMeasurements,U.S.Geol.Surv.Open File Rep.,82-1075,414-443,1982.
[11]Cornet F H,Valette B.In situ stress determination from hydraulicinjection test data[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth(1978–2012),1984,89(B13):11527-11537.
[12]Cornet F H.Stress determination from hydraulic tests onpreexisting fractures-the HTPF method[C]//ISRM InternationalSymposium.International Society for Rock Mechanics,1986.
[13]Burlet D,Cornet F H,Feuga B.Evaluation of the HTPF method ofstress determination in two kinds of rock[C]//International Journal of RockMechanics and Mining Sciences&Geomechanics Abstracts.Pergamon,1989,26(6):673-679.
[14]Ljunggren C,Raillard G.Rock stress measurements by means ofhydraulic tests on pre-existing fractures attest site,Sweden[C]//International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences&GeomechanicsAbstracts.Pergamon,1987,24(6):339-345.
[15]Mosnier,J.,and F.H.Cornet,Apparatus to provide an image of thewall of a borehole during a hydraulic fracturing experiment,in FourthEuropean Geothermal Update-Proceedings of an International Seminar,Florence,pp.205-212,Kluwer Academic,Boston,Mass.,1989.
[16]Cornet F H,Burlet D.Stress field determinations in France byhydraulic tests in boreholes[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth(1978–2012),1992,97(B8):11829-11849.
[17]Cornet F H,Wileveau Y,Bert B,et al.Complete stress determinationwith the HTPF tool in a mountainous region[J].International Journal of RockMechanics and Mining Sciences,1997,34(3):57.e1-57.e15.
[18]Hayashi K,Sato A,Ito T.In situ stress measurements by hydraulicfracturing for a rock mass with many planes of weakness[J].InternationalJournal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1997,34(1):45-58.
[19]Cornet F H,Doan M L,Fontbonne F.Electrical imaging and hydraulictesting for a complete stress determination[J].International Journal of RockMechanics and Mining Sciences,2003,40(7):1225-1241.
[20]Ljunggren C,Chang Y,Janson T,et al.An overview of rock stressmeasurement methods[J].International Journal of Rock Mechanics and MiningSciences,2003,40(7):975-989.
[21]陈群策,安美建.水压致裂法三维地应力测量的理论探讨[J].地质力学学报,1998,01期:37～44.
[22]刘允芳.在单钻孔中水压致裂法的三维地应力测量[J].岩石力学与工程学报,1999,第2期(2):192～196.
[23]尹建民,刘元坤,罗超文,等.原生裂隙水压法三维地应力测量原理及应用[J].岩石力学与工程学报,2001,S1期:1706～1709.
[24]刘允芳,韩晓玉,刘元坤.深圳抽水蓄能电站水压致裂法三维地应力测量和分析[J].岩土力学，2007，27(Supp.):1205～1210,2007年地面和地下工程中岩石和岩土力学热点问题研讨会.
[25]刘亚群，李海波，景锋等.2007.考虑应力梯度的原生裂隙水压致裂法地应力测量的原理及工程应用[J].岩石力学与工程学报，26(6)：1145～1149
[26]景锋.2009.原生裂隙水压致裂法三维地应力测量研究[J].岩土工程学报，31(11)：1692～1696.
[27]刘允芳，刘元坤.2006.单钻孔中水压致裂法三维地应力测量的新进展[J].岩石力学与工程学报，25(2)：3816–3822.
[28]Zoback,M.D.Reservoir Geomechanics,Cambridge University Press,NewYork,2010.
[29]Byerlee J.Friction of rocks[J].Pure and applied geophysics,1978,116(4-5):615-626.
[30]Barton N,Choubey V.The shear strength of rock joints in theoryand practice[J].Rock mechanics,1977,10(1-2):1-54.
[31]Barton N.Shear strength criteria for rock,rock joints,rockfilland rock masses:Problems and some solutions[J].Journal of Rock Mechanics andGeotechnical Engineering,2013,5(4):249-261.
[32]王成虎,郭启良,陈群策,毛吉震,侯砚和.2007.新一代超声波钻孔电视及其在工程勘察中的应用研究[J].地质与勘探,43(1):98-101.
[33]王成虎，宋成科，邢博瑞.2012.水压致裂应力测量系统柔性分析及其对深孔测量的影响[J].现代地质，26(4)：808—816.
[34]王成虎；宋成科，郭启良等.2014.利用原地应力实测资料分析芦山地震震前浅部地壳应力积累[J].地球物理学报，57(1):102114,doi:10.6038/cjg 20140110.(WangC H,Song C K,Guo Q L,et al.,2014.Stress buildup in the shallow crust beforethe Lushan Earthquake based on the in-situ stress measurements,ChineseJ.Geophy.57(1):102-114,doi:10.6038/cjg 20140110.)
[35]Ito T,Hayashi K.Analysis of crack reopening behavior forhydrofrac stress measurement[J].International journal of rock mechanics andmining sciences&geomechanics abstracts.Pergamon,1993,30(7):1235-1240.
[36]Ito T,Evans K,Kawai K,et al.Hydraulic fracture reopening pressureand the estimation of maximum horizontal stress[J].International Journal ofRock Mechanics and Mining Sciences,1999,36(6):811-826.
Claims (3)
1.一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，其特征在于：通过为原生裂隙面上广泛存在的剪应力建立力学方程，利用最小二乘法和计算机程序试错搜索原生裂隙面摩擦系数的办法反演得到原地应力张量；
所述方法包括以下步骤：
1)选择原生裂隙：至少需要选择5条原生裂隙；利用高精度钻孔井下电视对钻孔所揭露的裂隙面进行准确定位，裂隙面识别精度为0.2mm；同时结合钻孔岩芯编录的资料，对裂隙面的水力学特性进行评估，在测试时挑选到合格的原生裂隙面；避免将方位角相似的原生裂隙面放到同一组数据中进行应力值反演；对于所选取的原生裂隙面之间，走向差在8°以上，倾角差在4°以上；采用的钻孔井下电视可以清晰地识别水压致裂测试前后孔壁岩体图像的变化，这样就为高质量测试数据的获取奠定了基础；钻孔电视确定的原生裂隙面方位角都经过校正，为真倾向和真倾角；
2)控制并记录测试流量：在测试过程中使用8L/min流量泵，同时采用高压流体控制系统，同时记录注入原生裂隙面的流体累积流量和关泵以后从测试系统返回的流体累积流量，通过计算回流流量与注入流量的比值，判断测试过程中流体是否发生泄露；
3)挑选和解释测试数据：通过专用于数据处理的交互式软件来实现测试数据的挑选和解释功能，软件中包括了确定原生裂隙关闭压力的八种方法，包括单切法、双切法、马斯卡特法、dt/dp法、渐变法、手动法、LgP-LgT法以及P-LgT法；软件也可以对流量曲线进行自动处理，判断其是否满足测试要求；
4)反演原地应力张量，包括如下子过程：
A、通过计算机程序试错搜索的方法确定原生裂隙面摩擦系数μj；
B、计算原生裂隙面上的剪应力；
C、利用最小二乘法反演原地应力张量。
2.如权利要求1所述的一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，其特征在于：所述步骤A)中，将原生裂隙面摩擦系数μj范围限定在0.2～0.85之间，以一定间隔进行最小二乘法拟合搜索，得到相应的三维原地应力值及倾向倾角。
3.如权利要求1或2所述的一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法，其特征在于：所述步骤4)采用Mohr-Coulomb准则来判断所得应力值的可靠性，如果最大和最小主应力量值满足公式则认为反演得到的应力值是可以接受的。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201511009810.4A CN105716780B (zh) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | 一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201511009810.4A CN105716780B (zh) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | 一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105716780A CN105716780A (zh) | 2016-06-29 |
| CN105716780B true CN105716780B (zh) | 2017-09-29 |
Family
ID=56147559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201511009810.4A Active CN105716780B (zh) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | 一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105716780B (zh) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109029796B (zh) * | 2018-09-13 | 2023-11-03 | 北京科技大学 | 一种水压致裂地应力测试装置保护器 |
| CN109827694B (zh) * | 2019-03-22 | 2021-03-16 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法 |
| CN112461668B (zh) * | 2020-11-06 | 2022-04-29 | 武汉大学 | 研究水力压裂诱发断层活化的试验方法 |
| CN113280951B (zh) * | 2021-07-22 | 2021-10-08 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 一种建立峡谷区斜坡地应力场分布的方法 |
| CN113533067B (zh) * | 2021-07-27 | 2023-08-18 | 江河安澜工程咨询有限公司 | 一种基于水压致裂法确定渗透性岩体最大水平主应力的方法 |
| CN113932957B (zh) * | 2021-10-11 | 2022-04-29 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 智慧应力砖传感器及结构应力监测方法和系统 |
| CN115169163B (zh) * | 2022-09-06 | 2022-12-16 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法 |
| CN115657130B (zh) * | 2022-10-27 | 2024-08-13 | 应急管理部国家自然灾害防治研究院 | 一种基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法 |
| CN117350192A (zh) * | 2023-10-09 | 2024-01-05 | 应急管理部国家自然灾害防治研究院 | 一种原生裂隙水压致裂全应力张量反演方法及系统 |
| CN118194771B (zh) * | 2024-05-15 | 2024-09-20 | 中国地质科学院地质力学研究所 | 基于水压致裂的裂缝闭合压力确定方法及装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4635719A (en) * | 1986-01-24 | 1987-01-13 | Zoback Mark D | Method for hydraulic fracture propagation in hydrocarbon-bearing formations |
| CN1916359B (zh) * | 2005-11-28 | 2010-11-24 | 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 | 一种实现重复压裂造新缝的方法 |
| US9618652B2 (en) * | 2011-11-04 | 2017-04-11 | Schlumberger Technology Corporation | Method of calibrating fracture geometry to microseismic events |
| CN104775810B (zh) * | 2015-03-03 | 2016-05-18 | 西南石油大学 | 一种页岩气储层可压性评价方法 |
-
2015
- 2015-12-30 CN CN201511009810.4A patent/CN105716780B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105716780A (zh) | 2016-06-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105716780B (zh) | 一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法 | |
| Stoeckhert et al. | Fracture propagation in sandstone and slate–Laboratory experiments, acoustic emissions and fracture mechanics | |
| US20200201658A1 (en) | Modeling of fluid introduction and/or fluid extraction elements in simulation of coreflood experiment | |
| CN103256046B (zh) | 非常规油气藏水平井全缝长压裂参数模拟的方法及装置 | |
| Aadnoy | Modeling of the stability of highly inclined boreholes in anisotropic rock formations | |
| Taleghani | Analysis of hydraulic fracture propagation in fractured reservoirs: an improved model for the interaction between induced and natural fractures | |
| Sun et al. | Effects of anisotropic permeability of fractured rock masses on underground oil storage caverns | |
| CN103258091B (zh) | 非常规油气藏水平井段三维岩体力学模型建立的方法及装置 | |
| US8490693B2 (en) | Determining fracture orientation using wellbore acoustic radial profiles | |
| Wanyan et al. | Key technologies for salt-cavern underground gas storage construction and evaluation and their application | |
| Coli et al. | Evaluation of rock-mass permeability tensor and prediction of tunnel inflows by means of geostructural surveys and finite element seepage analysis | |
| Kutasov | Empirical correlation determines downhole mud density | |
| Cao et al. | Calculation method and distribution characteristics of fracture hydraulic aperture from field experiments in fractured granite area | |
| Qian et al. | Advances in Laboratory‐Scale Hydraulic Fracturing Experiments | |
| LI et al. | Research on random propagation method of hydraulic fracture based on zero-thickness cohesive element | |
| Yang et al. | Influence of reservoirs/interlayers thickness on hydraulic fracture propagation laws in low-permeability layered rocks | |
| Pan et al. | Effect of the intermediate principal stress on hydraulic fracturing in granite: an experimental study | |
| Liang et al. | Exploration and development in the Zhaotong national shale gas demonstration area: Progress and prospects | |
| Xu et al. | Measurement and inversion of the stress distribution in a coal and rock mass with a fault | |
| Wang et al. | Pore Space Deformation and Its Implications for Two‐Phase Flow Through Porous Media: A Micro‐Scale Experimental Investigation | |
| Peddibhotla et al. | Rapid simulation of multiphase flow through fine-scale geostatistical realizations using a new, 3-D, streamline model: a field example | |
| Ahmed et al. | A comprehensive geomechanical study to understand drilling challenges in the Manifa field offshore, Saudi Arabia | |
| Wang et al. | Performance evaluation of commingled production in a multilayer oil reservoir based on microscopic pore-throat structures | |
| Ma et al. | A new approach to identifying preferential seepage channels for underground water-sealed oil storage cavern during construction | |
| Kong et al. | Experimental study on hydraulic fracture propagation behavior of horizontal well on multilayered rock |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 100085, Anning Road, Beijing, Haidian District, No. 1 Patentee after: National natural disaster prevention and Control Research Institute Ministry of emergency management Address before: 100085 Beijing city Haidian District, Xisanqi Ning Zhuang Road No. 1 box 2855 Patentee before: THE INSTITUTE OF CRUSTAL DYNAMICS, CHINA EARTHQUAKE ADMINISTRATION |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240202 Address after: 100082 Deshengmenwai Xisanqi, Haidian District, Beijing Patentee after: Beijing Zhenke Jingwei Disaster Prevention Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 100085, Anning Road, Beijing, Haidian District, No. 1 Patentee before: National natural disaster prevention and Control Research Institute Ministry of emergency management Country or region before: China |
|
| TR01 | Transfer of patent right |