CN114813365B - 一种断层位移及断层剪切强度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断层位移及断层剪切强度测量装置与方法，该装置包括：试验组件：包括设置在钻孔内的上部封隔器、下部封隔器以及位于上部封隔器与下部封隔器之间的中部水力压裂试验段；注水组件：包括为上部封隔器注水的上部注水管、为下部封隔器注水的下部注水管以及为中部水力压裂试验段注水的中部注水管；测量组件：用以在现场注入试验期间检测注入流量、封隔器压力以及中部水力压裂试验段的孔隙压力值，并且通过该测量装置测得的各项物理指标准确定义并计算断层的水力孔径、剪切位移、法向柔度、法向应力、剪切强度等参数。与现有技术相比，本发明具有测量高效快捷、各项目标参数计算精准等优点。

Description

一种断层位移及断层剪切强度测量装置与方法

技术领域

本发明涉及水压致裂地应力测量技术领域，尤其是涉及一种断层位移及断层剪切强度测量装置与方法。

背景技术

在目前的水压致裂地应力测量中，主要是通过向封隔器中注入高压水流使得封隔器膨胀变形，进而与钻孔壁完全接触，上、下两个封隔器可以在钻孔中间的试验段封隔出一个水力压裂试验段，通过将高压水流注入深部地层中进行测试，随之得到深部的地应力数值。目前，通过利用水力压裂技术获取深部地层中的地应力信息已经是一项比较成熟的技术，但是在地球探测与信息技术领域，获取地球深部的断层位移以及断层剪切强度仍然是一项值得研究的工作。由于深部断层的隐蔽性，以及埋藏深度大等特点，对深部断层位移与剪切强度的研究工作造成了很多困难。

水压致裂地应力测量中，先前的工作主要是依据经验进行估算与判定，缺乏精确计算推导的过程，对于获得的地应力值，很多时候需要进行修正，又缺乏必要的限定条件，而对于断层位移与断层剪切强度的测量，相关研究较少，尚需完善补充，另外，现有技术尚缺乏对水压致裂后相关参数的有效判定，致使断层位移与断层剪切强度的研究结果难以明确。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种断层位移及断层剪切强度测量装置与方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种断层位移及断层剪切强度测量装置，该装置包括：

试验组件：包括设置在钻孔内的上部封隔器、下部封隔器以及位于上部封隔器与下部封隔器之间的中部水力压裂试验段；

注水组件：包括为上部封隔器注水的上部注水管、为下部封隔器注水的下部注水管以及为中部水力压裂试验段注水的中部注水管；

测量组件：用以在现场注入试验期间检测注入流量、封隔器压力以及中部水力压裂试验段的孔隙压力值。

所述的上部封隔器和下部封隔器采用滑动式封隔器且结构相同，均包括设置在钻孔中的中空不锈钢杆以及围设在不锈钢杆外侧与井壁之间的封隔器管，所述的封隔器管与对应的注水管连通，其上端固定在不锈钢杆外侧，下端在注水过程中不锈钢杆外侧与井壁之间向下滑动延伸。

所述的中部注水管通过上部封隔器的不锈钢杆配合过滤器和耐压软管作为注入管线进入中部水力压裂试验段，以减少注入试验期间的压力损失。

应用该测量装置进行断层位移及断层剪切强度的测量方法具体为：

对目标断层进行恒定水头阶跃注入试验，先通过测量滑动封隔器的压力p_p和试验段的孔隙压力p计算注入试验期间钻孔中部水力压裂试验段的轴向位移Δl，再根据实测压力、轴向位移Δl和注入流量估算目标断层的水力孔径δ_h、沿断层的剪切位移Δu_s、法向柔度C_n、法向应力σ′_n和剪切强度K_s。

在现场注入试验中，所述的中部水力压裂试验段的轴向位移Δl的计算式为：

其中，a^*为顶端被向上拉的封隔器系数，b_u和b_l分别为上部封隔器和下部封隔器的系数，V_p为注入试验期间封隔器中水的体积，c_p为水的可压缩性，为顶端被向上拉的封隔器压力的变化。

判断顶端被向上拉的封隔器的标准具体为：

封隔器系数a和b的数值通过实验室实验获得，在实验室实验过程中，采用亚克力管或铝管模拟钻孔井壁，将封隔器管充气到与钻孔内径相同，持续充气直到封隔器压力与现场注入试验中使用的压力相同，此时，将封隔器顶端拉到顶部或底部，根据测得的顶端位移Δu_p、封隔器压力变化Δp_p和轴向力增量ΔF确定封隔器系数a和b，则有：

ΔF＝aV_Pc_pΔp_p

Δu_p＝bΔF

其中，V_P为封隔器的充气或充水体积，c_p为水的压缩性。

所述的目标断层的水力孔径δ_h的表达式为：

δ_m＝δ_h(δ_m＜δ_h)

其中，δ_m为力学孔径，JRC₀为实验室规模的裂缝粗糙度系数；

封隔器系统的轴向柔度C_a、断层的法向柔度C_n和法向应力σ′_n的表达式为：

C_n＝log₁₀e/(qσ′_n)

σ′_n＝σn-αp

其中，r_w为钻孔半径，C_n为断层法向柔度，e为自然对数，q为系数，σ′_n为有效法向应力，α为有效应力系数，p为孔隙压力。

所述的沿断层的剪切位移Δu_s的计算式为：

Δu_s＝(Δδmcosθ-Δl)/sinθ

其中，Δδ_m为断层的力学孔径增量，θ为断层的倾角。

所述的剪切强度K_s的表达式为：

K_s＝Δτ/Δu_s

Δτ＝Δp^*tanφ

φ＝JRC log₁₀(JCS/σ′_n)+φ_r

其中，Δτ为剪切应力增量，Δp^*为压力增量，φ为断层摩擦角，JRC和JCS分别是断层在原位尺度下的粗糙度系数和断层抗压强度，φ_r为残余摩擦角，L为裂缝长度，JRC₀和JCS₀分别为L＝0.1m时粗糙度系数值和断层抗压强度值。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

一、本发明通过测量滑动封隔器的压力和试验段的孔隙压力变化为准确计算流体注入期间钻孔中试验段的轴向位移提供了一种新方法，并且通过室内试验进行了验证校准，证明了本发明的正确性与可靠性。

二、本发明利用实测压力、计算所得轴向位移和注入流量准确便捷的等参数精准计算获取估算了断层的水力孔径、剪切位移、法向柔度、法向应力、剪切强度，对于深地断层的快速识别和准确认识提供了新方法。

三、本发明是在传统的跨式封隔器上进行简单修改后就可进行流体注入实验，从而获得断层位移、断层剪切强度等一系列目标参数，操作简单，效果显著。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测量断层位移及断层剪切强度的封隔器结构示意图。

图2为本发明实施例提供的测量断层位移及断层剪切强度的封隔器剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1和2所示，本发明提供一种测量断层位移及断层剪切强度的装置以及一种断层位移及断层剪切强度估算方法，即先通过测量滑动封隔器的压力p_p和试验段的孔隙压力p来监测注入期间钻孔中中部水力压裂试验段的轴向位移Δl，再利用实测压力、轴向位移和注入流量估算断层的水力孔径δ_h、剪切位移Δu_s、法向柔度C_n、法向应力σ′_n和剪切强度K_s。

本发明测量断层位移及断层剪切强度的装置包括注水组件、上部封隔器、中部水力压裂试验段及下部封隔器。

注水组件主要使用柱塞泵(加蓄能器箱)通过不锈钢杆注入管线进入中部水力压裂试验段，本发明的注水组件包括对应上部封隔器的上部注水管、对应中部水力压裂试验段的中部注水管以及对应下部封隔器的下部注水管。

上部封隔器为滑动式封隔器，包括设置在钻孔中的中空不锈钢杆以及围设在不锈钢杆外侧与井壁之间的封隔器管，上部注水管与上部封隔器的封隔器管连通注水，当上部封隔器的封隔器管进行注水时，封隔器管的下端随着封隔器管膨胀而向下滑动，而封隔器管的上端是固定在不锈钢杆外壁上的。

下部封隔器为滑动式封隔器，包括设置在钻孔中的中空不锈钢杆以及围设在不锈钢杆外侧与井壁之间的封隔器管，下部注水管与下部封隔器的封隔器管连通注水，当下部封隔器的封隔器管进行注水时，封隔器管的下端随着封隔器管膨胀而向下滑动，而封隔器管的上端是固定在不锈钢杆外壁上的。

中部水力压裂试验段与中部注水管相连接，在注水时可以测得中部水力压裂试验段的孔隙压力与注入流量。

基于上述装置，对目标断层进行恒定水头阶跃注入试验，具体包括以下步骤：

1)使用柱塞泵(加蓄能器箱)进行注射，中部水力压裂试验段(下称为“试验段”)压力以0.5MPa的步长增减，同时通过调节柱塞泵上的调节阀手动控制试验段压力，调整喷射流量；

在注水过程中，以恒定的压头持续注水，直到流速接近稳定，在降压步骤中，通过打开调节阀强制降低试验段压力。

2)不锈钢杆(外径41mm；内径34mm)使用过滤器(加上耐压软管)作为注入管线进入试验段，以减少注入期间的压力损失，并通过安装在柱塞泵外部的质量流量计以监测注入流量，试验段压力以及上部和下部封隔器中的水压(分别称为“上部封隔器压力”和“下部封隔器压力”)由连接在外部的压力传感器进行监测，记录间隔为1s；

3)关闭试验段，在自然条件下恢复试验段压力。

以下内容介绍水压致裂后相关参数计算方法

上部封隔器与下部封隔器各自的顶端位移(Δu_p，m，当顶端向上拉时为正)，压力的变化(Δp_p，Pa)和轴向力增量(ΔF，N，顶端向上拉时为正)建立关联如下：

ΔF＝aV_Pc_pΔp_p (1)

Δu_p＝bΔF (2)

其中，系数a和b可通过实验室试验测定(N/m³和m/N)，V_P为封隔器中注水的体积(m³)，c_p为水的压缩性(Pa^-1)；

在实验室试验确定系数a和b过程中，将封隔器充气到与钻孔内径相同(通过井径测井测量)且与井壁具有相同弹性的管道中，充气一直持续，直到封隔器压力与现场注入试验中使用的压力相近，在此阶段，封隔器的顶端被千斤顶拉到顶部或底部，然后，根据测得的顶端位移、封隔器压力变化和轴向力增量确定系数a和b。

根据公式(3)选择模拟井壁的管道，该公式源自各向同性介质的线弹性理论，则有：

其中，r_p为管道内径(m)，Δr_p为r_p(m)的变化量，Δp_p为封隔器压力的变化量(Pa)，E_p、v_p、t_p分别为管道的杨氏模量(Pa)、泊松比和厚度(m)。

假设钻孔壁的厚度为无限大，则得出以下结果：

Δr_W/r_W＝Δp_p(1+v)/E (4)

其中，F_W为钻孔半径，为0.052m；E，v分别是钻孔壁的杨氏模量和泊松比，根据先前实验室试验和现场旁压试验的结果，分别为1-5GPa和0.2。

实验室试验可分别采用普通亚克力管(E＝3.0GPa，v＝0.36，内径52.5mm，厚度10mm)和普通铝管(E＝68.6GPa，v＝0.34，内径52.0mm，厚度3mm)，这两类管道分别表示了井壁弹性刚度的可能上限和下限，井壁的有效系数a和b预计在这些模型管道的系数范围内。

当封隔器顶端被上拉时，对于亚克力管，aV_Pc_p和b的值分别为-0.232N Pa^-1和4.86×10^-8m N^-1，对于铝管，aV_Pc_p和b的值分别为-0.092N Pa^-1和4.09×10^-8m N^-1。当封隔器顶端被下拉时，对于亚克力管，aV_Pc_p和b的值分别为0.154N Pa^-1和1.84×10^-7m N^-1，对于铝管，aV_Pc_p和b的值分别为-0.054N Pa^-1和1.17×10^-7m N^-1。系数a可以在实验室试验期间通过封隔器中注水的体积VP(1.3×10^-3m^-3)和水的压缩性c_p(5×10^-10Pa^-1)来计算确定，当封隔器顶端被上拉时，对于亚克力管，a值为-3.56×10¹¹N m^-3；对于铝管a值为-1.41×10¹¹N m^-3，当封隔器顶端被下拉时，对于亚克力管，a值为2.36×10¹¹N m^-3；对于铝管a值为-0.83×10¹¹Nm^-3。

通过注入试验期间封隔器顶端位移、封隔器压力变化和轴向力增量之间关系的可能范围就可以确定系数a和b的取值范围。

注入试验期间进行试验段轴向位移的计算，注入期间试验段长度的变化(Δl，m)定义如下：

Δl＝Δu_pl-Δu_pu (5)

其中，Δu_pl和Δu_pu分别为上部和下部封隔器顶端的位移(m)，上部封隔器顶端的位移Δu_pl可根据封隔器压力的变化和系数a、b确定(即亚克力管的a、b值分别为-3.56×10¹¹N m^-3和4.86×10^-8m N^-1，铝管的a、b值分别为-1.41×10¹¹N m^-3和4.09×10^-8m N^-1)，但是，不能根据封隔器压力的变化来确定下部封隔器顶端的位移Δu_pu，这是因为在封隔器压力变化期间，经实验室试验测定对轴向力增量没有提供约束，由于在试验期间施加在上下两个封隔器的两个顶端的轴向力增量标量始终相同，因此使用系数a和b的组合(亚克力管a、b值分别为-3.56×10¹¹N m^-3和1.84×10^-7m N^-1，铝管a、b值分别为-1.41×10¹¹N m^-3和1.17×10^-7m N^-1)来计算。

则注入期间试验段长度的变化Δl可由下式计算：

其中，a^*为顶端被向上拉的封隔器系数(即亚克力管为-3.56×10¹¹N m^-3，铝管为-1.41×10¹¹N m^-3)，b_u和b_l分别为上部封隔器和下部封隔器的系数(m N^-1)，其中，亚克力管(b_u+b_l)为2.33×10^-7m N^-1，铝管(b_u+b_l)为1.58×10^-7m N^-1，V_p为注入试验期间封隔器中水的体积，c_p为水的可压缩性，为顶端被向上拉的封隔器压力的变化，通过表1判断哪个封隔器的顶端被向上拉的标准。

表1封隔器的顶端被上拉的判断标准

由于封隔器压力在试验段压力变化引起的封隔器管弹性膨胀/收缩过程中也会发生变化，因此有必要在注入断层(或完整岩石)的低压阶段，通过确定封隔器压力和试验段压力之间的线性关系来消除这种影响。但是不需要考虑不锈钢杆的应变，因为钢杆比封隔器更耐应变。

注入期间沿断层的剪切位移(Δu_s(m)，位移方向为正断层时为正号)由以下公式计算：

Δu_s＝(Δδ_mcosθ-Δl)/sinθ (7)

其中，Δδ_m为断层的力学孔径增量(m)，θ为断层的倾角，Δl为根据式(6)计算的试验段长度(m)的变化，该方程假设一个简单的几何结构，忽略测试期间钻孔的任何倾斜，此外，该公式给出了可能的剪切位移的最小估计，因为走滑分量不能用这种方法测量。

力学孔径δ_m与水力孔径δ_h可通过以下公式关联：

其中，JRC₀为实验室规模的裂缝粗糙度系数(JRC)，该方程中δ_m和δ_h的单位为微米，且该方程仅对δ_m≥δ_h有效，当由δ_h计算的δ_m值小于δ_h值时，则设定δ_m值与δ_h值相同。

水力孔径δ_h可根据公式(9)由断层的渗透率计算得出，通过拟合试井阶段测量的流量来确定每个注射步骤试验段的渗透率T。

其中，ρ_W为水的密度(kg/m³)，g为重力加速度(m/s²)，μ为水的动态粘度(Pa·s)。

断层的裂缝粗糙度系数JRC₀可根据断裂面剖面的最大高度(Rz，mm；等于剖面中最高峰和最低谷之间的垂直距离)，尽管目前已经有许多确定JRC₀的方法，但是使用R_Z的方法简单实用，并且对于数据点的采样间隔问题不太敏感，利用剖面扫描仪追踪平行于断层表面纹理的四个剖面，得到R_Z的取值范围在0.3-0.7mm。这些值可以使用公式(10)转换为取值范围在2-4的JRC₀，则有：

在本实例中，假设断层的JRC₀为3(JRC₀通常在0-20范围内，JRC₀越高表示裂缝表面越粗糙)；

对于测量装置进行评估轴向/法向柔度和法向应力，评估设备的柔度很重要，因为它可能会限制断层的法向位移，设备的轴向柔度可作为其柔度的一种度量，它应大于被测断层的正常柔度，封隔器系统的轴向柔度C_a(m/Pa)由式(11)给出：

其中，Δu_pu和Δu_pl分别为上部和下部封隔器顶端的位移(m)，r_W为钻孔半径(m)，ΔF为轴向力增量，b_u和b_l分别为公式(2)中上、下封隔器的系数(m/N)，对于亚克力管，(b_u+b_l)为1.58×10^-7m/N，铝管的(b_u+b_l)为2.33×10^-7m/N，r_W为0.052m，据此估算封隔器系统的轴向柔度在1.3×10^-9m/Pa和2.0×10^-9m/Pa。

断层法向柔度C_n(m/Pa)定义如下：

C_n＝dδ_m/dσ′_n (12)

其中，δ_m为断裂孔径(m)，σ′_n为有效法向应力(Pa)，σ′_n的计算式如下所示：

σ′_n＝σ_n-αp (13)

其中，σ_n为总正应力(Pa)，α为有效应力系数(或比奥系数)，p(Pa)为孔隙压力，在此假设有效应力系数α为1，与通常的断裂情况一样，这里可以将σ_n近似于试验段压力，低于该压力时，在高流速注入后的压力降低步骤中出现回流。

这种近似可以从注入期间试验段压力p和力学孔径δ_m之间的关系进一步优化，因为有效法向应力σ_n(Pa)和剪切断裂的力学孔径δ_m(m)可以表示为以下半对数关系：

log₁₀σ′_n∝qδ_m(σ′_n＞0) (14)

其中，q(Pa/m)为系数。

对σ_n进行参数分析，以最小化log₁₀σ′_n和δ_m之间的负相关系数，从而得出log₁₀σ′_n和δ_m之间的回归线，从而给出σ_n和q的最佳估计，利用这一结果，可以进一步发展方程式(12)，得出以下方程式：

C_n＝dδ_m/dσ′_n＝log₁₀e/(qσ′_n)＝0.4343/(qσ′_n) (15)

注意，该模型假设由于有效法向应力的变化而发生的裂缝发生法向位移，而不考虑剪切引起的膨胀。由于注入试验期间裂缝孔径的有效变化也可能包括剪切引起的膨胀，公式(15)得出的正常柔量可能高估了断层的正常柔量。然而，估计的σ_n是可靠的，因为根据式(14)，力学孔径逐渐增大的σ′_n对剪切引起的膨胀分量基本不敏感。

断层的剪切强度K_s计算定义如下：

K_s＝Δτ/Δu_s (16)

Δτ＝Δp*tanφ (17)

其中，Δτ、Δus、Δp*分别为剪切应力增量(Pa)、剪切位移增量(m)和压力增量(Pa)、φ为断层摩擦角，可通过公式(18)计算断层摩擦角φ，则有：

φ＝JRC log₁₀(JCS/σ′_n)+φ_r (18)

其中，JRC和JCS分别是断层在原位尺度下的粗糙度系数和断层抗压强度(Pa)，φ_r为残余摩擦角(°)，JRC和JCS可以使用以下方程与实验室尺度的值相关联，则有：

其中，L为裂缝长度(m)，JRC₀和JCS₀是L＝0.1m时的值。对于未风化裂缝，JCS₀和φ_r分别等于完整岩石的无侧限抗压强度(UCS)和基本摩擦角φ_b，而φ_b可以通过表面锯切样品的倾斜试验获得。

Claims (8)

1.一种断层位移及断层剪切强度测量装置，其特征在于，该装置包括：

试验组件：包括设置在钻孔内的上部封隔器、下部封隔器以及位于上部封隔器与下部封隔器之间的中部水力压裂试验段；

注水组件：包括为上部封隔器注水的上部注水管、为下部封隔器注水的下部注水管以及为中部水力压裂试验段注水的中部注水管；

测量组件：用以在现场注入试验期间检测注入流量、封隔器压力以及中部水力压裂试验段的孔隙压力值；

所述的上部封隔器和下部封隔器采用滑动式封隔器且结构相同，均包括设置在钻孔中的中空不锈钢杆以及围设在不锈钢杆外侧与井壁之间的封隔器管，所述的封隔器管与对应的注水管连通，其上端固定在不锈钢杆外侧，下端在注水过程中不锈钢杆外侧与井壁之间向下滑动延伸；

所述的中部注水管通过上部封隔器的不锈钢杆配合过滤器和耐压软管作为注入管线进入中部水力压裂试验段，以减少注入试验期间的压力损失。

2.根据权利要求1所述的一种断层位移及断层剪切强度测量装置，其特征在于，应用该测量装置进行断层位移及断层剪切强度的测量方法具体为：

对目标断层进行恒定水头阶跃注入试验，先通过测量滑动封隔器的压力p_p和试验段的孔隙压力p计算注入试验期间钻孔中部水力压裂试验段的轴向位移Δl，再根据实测压力、轴向位移Δl和注入流量估算目标断层的水力孔径δ_h、沿断层的剪切位移Δu_s、法向柔度C_n、法向应力σ′_n和剪切强度K_s。

3.根据权利要求2所述的一种断层位移及断层剪切强度测量装置，其特征在于，在现场注入试验中，所述的中部水力压裂试验段的轴向位移Δl的计算式为：

其中，a^*为顶端被向上拉的封隔器系数，b_u和b_l分别为上部封隔器和下部封隔器的系数，V_p为注入试验期间封隔器中水的体积，c_p为水的可压缩性，为顶端被向上拉的封隔器压力的变化。

4.根据权利要求3所述的一种断层位移及断层剪切强度测量装置，其特征在于，判断顶端被向上拉的封隔器的标准具体为：

5.根据权利要求4所述的一种断层位移及断层剪切强度测量装置，其特征在于，封隔器系数a和b的数值通过实验室实验获得，在实验室实验过程中，采用亚克力管或铝管模拟钻孔井壁，将封隔器管充气到与钻孔内径相同，持续充气直到封隔器压力与现场注入试验中使用的压力相同，此时，将封隔器顶端拉到顶部或底部，根据测得的顶端位移Δu_p、封隔器压力变化Δp_p和轴向力增量ΔF确定封隔器系数a和b，则有：

ΔF＝aV_Pc_pΔp_p

Δu_p＝bΔF

其中，V_P为封隔器的充气或充水体积，c_p为水的压缩性。

6.根据权利要求3所述的一种断层位移及断层剪切强度测量装置，其特征在于，所述的目标断层的水力孔径δ_h的表达式为：

δ_m＝δ_h(δ_m<δ_h)

其中，δ_m为力学孔径，JRC₀为实验室规模的裂缝粗糙度系数；

封隔器系统的轴向柔度C_a、断层的法向柔度C_n和法向应力σ′_n的表达式为：

C_n＝log₁₀e/(qσ′_n)

σ′_n＝σ_n-αp

其中，r_W为钻孔半径，C_n为断层法向柔度，e为自然对数，q为系数，σ′_n为有效法向应力，α为有效应力系数，p为孔隙压力，σ_n为总正应力。

7.根据权利要求6所述的一种断层位移及断层剪切强度测量装置，其特征在于，所述的沿断层的剪切位移Δu_s的计算式为：

Δu_s＝(Δδ_mcosθ-Δl)/sinθ

其中，Δδ_m为断层的力学孔径增量，θ为断层的倾角。

8.根据权利要求7所述的一种断层位移及断层剪切强度测量装置，其特征在于，所述的剪切强度K_s的表达式为：

K_s＝Δτ/Δu_s

Δτ＝Δp*tanφ

φ＝JRC log₁₀(JCS/σ′_n)+φ_r

其中，Δτ为剪切应力增量，Δp^*为压力增量，φ为断层摩擦角，JRC和JCS分别是断层在原位尺度下的粗糙度系数和断层抗压强度，φ_r为残余摩擦角，L为裂缝长度，JRC₀和JCS₀分别为L＝0.1m时粗糙度系数值和断层抗压强度值。