CN209413901U

CN209413901U - 一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统

Info

Publication number: CN209413901U
Application number: CN201822213021.8U
Authority: CN
Inventors: 胡秀宏
Original assignee: Institute of Crustal Dynamics of China Earthquake Administration
Current assignee: Institute of Crustal Dynamics of China Earthquake Administration
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2019-09-20
Anticipated expiration: 2028-12-26

Abstract

本实用新型提供一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，串联在中心钢管的隔水地层设备组和承压水地层设备组；钻孔穿过隔水地层延伸到承压水地层的待测地应力位置；在中心钢管上并且位于隔水地层的位置，安装隔水地层设备组；在中心钢管上并且位于承压水地层的位置，安装承压水地层设备组。优点：(1)本实用新型使用的隔水地层设备组可在隔水地层之下形成封闭空间，能够避免承压水地层孔壁超静孔隙水压力发生耗散现象，使得准确测量承压水地层中的孔隙水压力成为现实；(2)隔水地层设备组在隔水地层之下形成封闭空间后，能够避免承压水地层孔壁持续高压突水，使得测试位置的承压水地层始终处于原始天然地应力环境中，保证测量准确性。

Description

一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统

技术领域

本实用新型属于地应力测量技术领域，具体涉及一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统。

背景技术

水压致裂法是目前测量地壳深部地应力唯一可行的方法。因此其在地震地壳应力测量、大型隧道工程地应力测量中有非常重要的应用。

目前，水压致裂法主要用于测量非承压水地层的地应力，其测量方式为：首先钻一个钻孔到达需要进行地应力测量的部位；读取此时测量部位的天然水头压力；然后，在钻孔内需要测量地应力部位的上部和下部各安装上封隔器和下封隔器，上封隔器和下封隔器膨胀后，与钻孔内壁紧密接触，从而在上封隔器和下封隔器之间形成封隔空间；然后，向封隔空间中泵入高压水，使被封隔空间内水压力不断增大，记录并分析在封隔空间中安装的压力传感器采集到的压力随时间的变化曲线，可得到破裂压力P_b'、重张压力P_r'和瞬时闭合压力P_s'；然后，破裂压力P_b'、重张压力P_r'和瞬时闭合压力P_s'分别减去岩石中的孔隙水压力P₀，可得到有效破裂压力P_b、有效重张压力P_r和有效瞬时闭合压力P_S；最后，根据有效破裂压力P_b、有效重张压力P_r和有效瞬时闭合压力P_S，按弹性力学理论即可计算出地应力值。

岩石中的孔隙水压力P₀分为两种基本类型：静孔隙水压力P_w和超静孔隙水压力P₀′，其中，静孔隙水压力P_w等于钻孔中的静水压力P_ρgh；在非承压水地层中，由于岩石中的孔隙水与大气是连通的，不存在超静孔隙水压力P₀′，因此，其孔隙水压力P₀只包含有静孔隙水压力P_w；在承压水地层中，承压水在上覆各地层的压力作用下，产生超静孔隙水压力P₀′，所以，承压水地层中的孔隙水压力P₀由静孔隙水压力P_w与超静孔隙水压力P₀′共同组成。

所以，在现有技术中，在非承压水地层中，直接将钻孔中的静水压力P_ρgh当作岩石中的孔隙水压力P₀代入地应力求解计算过程是简洁且合适的；从而，非承压水地层中的孔隙水压力P₀就非常容易计算了，即P₀＝P_ρgh＝ρgh，其中，ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水头高度。

然而随着钻孔深度和测量深度的不断加深，钻孔深部的承压水地层大量出现并成为普遍现象，传统的水压致裂法在地应力测量过程中不能将超静孔隙水压力P′₀代入计算，完全忽略了超静孔隙水压力P′₀的作用；超静孔隙水压力P′₀的存在给传统水压致裂法提出了严峻挑战，主要表现在以下两个方面：

(1)承压水地层的特征是地层中孔隙水与大气不连通，其孔隙水压力P₀由静孔隙水压力P_w与超静孔隙水压力P′₀共同组成，其中，超静孔隙水压力P′₀是孔隙水压力P₀中大于静孔隙水压力P_w的部分；超静孔隙水压力P′₀是由覆盖在承压水地层之上的隔水地层等各地层的总压力引起的，由于上覆地层的厚度没有限制，因此，超静孔隙水压力P′₀的大小甚至可以大于钻孔内部的静水压力P_ρgh；所以，如果按照现有水压致裂的计算方法，在承压水地层中，采用钻孔内的静水压力P_ρgh代替岩石中的孔隙水压力P₀进行地应力量值计算，不考虑超静孔隙水压力P′₀的作用，就会给计算结果带来很大的误差，这个误差在计算最大主应力量值的计算过程中，根据水压致裂最大主应力计算公式：S_H＝3P_s-P_r，其误差甚至还要被放大至超静孔隙水压力P′₀的两倍；所以，这样的误差过程不管是对于地壳地应力测量还是地热新能源地应力测量，都是不能接受的；

(2)如果按照传统水压致裂法，即：钻出到达承压水地层的钻孔，并在承压水地层中安装上封隔器和下封隔器，此时，由于上封隔器上方的钻孔与外部大气连通，而承压水地层中存在超静孔隙水压力P′₀，因此，承压水地层中的孔隙水会不断突入到上封隔器上方的钻孔内部，形成孔壁持续高压突水现象；高压突水会使得钻孔附近岩石中的超静孔隙水压力P′₀产生耗散，使得岩石颗粒骨架上的有效应力增加，从而导致孔壁岩石中的原始地应力分布状态被破坏，即测量对象被破坏，使得测量失效；因此，在承压水地层中，采用传统水压致裂技术进行地应力测量会存在测量对象被扰动破坏的潜在问题，如果此时在上封隔器和下封隔器之间的封隔空间中布置压力传感器，并向封隔空间中注入高压水进行水压致裂时，此时压力传感器采集到的压力随时间的变化曲线，为已经被破坏的承压水地层的压力随时间的变化曲线，而非原来没有被破坏的承压水地层的压力随时间的变化曲线，所以，无法通过分析已经被破坏的承压水地层的压力随时间的变化曲线而得到准确的地应力值。另一方面，由于封隔器上方的钻孔孔壁发生持续高压突水现象，如果采用传统水压致裂法进行测量时，在测量过程中，易发生孔壁崩塌事故，从而使测量无法顺利开展。

而传统的水压致裂法用于非承压水地层中进行地应力测量时，由于非承压水地层中的孔隙水与大气是连通的，其孔隙水压力P₀等于钻孔中的静水压力P_ρgh，因此不存在压力差，所以，不会发生上述的孔壁高压突水、孔壁崩塌事故的现象，可实现测量过程的顺利进行。

由此可见，传统水压致裂法并不适用于在承压水地层中进行地应力测量，从而实现适用于承压水地层的地应力测量，是目前迫切需要解决的事情。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，包括中心钢管(12)，以及串联在所述中心钢管(12)的隔水地层设备组和承压水地层设备组；

其中，钻孔(25)穿过隔水地层而延伸到承压水地层的待测地应力位置；所述中心钢管(12)布置于所述钻孔(25)内；在所述中心钢管(12)上并且位于所述隔水地层的位置，安装所述隔水地层设备组；在所述中心钢管(12)上并且位于所述承压水地层的位置，安装所述承压水地层设备组；

所述中心钢管(12)的管内布置电缆(10)；

所述隔水地层设备组包括第一电磁阀门(1)、第一高压水管(2)和第一封隔器(3)；所述第一封隔器(3)套于所述中心钢管(12)的外面；所述第一封隔器(3)位于所述隔水地层；所述中心钢管(12)的第1注水孔(12.1)与所述第一高压水管(2)的一端连通，所述第一高压水管(2)的另一端与所述第一封隔器(3)连通；在所述第1注水孔(12.1)位置安装用于控制所述第1注水孔(12.1)打开和关闭的所述第一电磁阀门(1)；所述第一电磁阀门(1)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；

所述承压水地层设备组包括第二电磁阀门(4)、第二高压水管(5)、第二封隔器(6)、第三电磁阀门(7)、第三高压水管(8)、第三封隔器(9)、第四电磁阀门(13)和压力传感器(18)；

所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)上下相对套于所述中心钢管(12)的外面；并且，所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)均位于所述承压水地层；所述中心钢管(12)的第2注水孔(12.2)与所述第二高压水管(5)的一端连通，所述第二高压水管(5)的另一端与所述第二封隔器(6)连通；在所述第2注水孔(12.2)位置安装用于控制所述第2注水孔(12.2)打开和关闭的所述第二电磁阀门(4)；所述第二电磁阀门(4)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；

所述中心钢管(12)的第3注水孔(12.3)与所述第三高压水管(8)的一端连通，所述第三高压水管(8)的另一端与所述第三封隔器(9)连通；在所述第3注水孔(12.3)位置安装用于控制所述第3注水孔(12.3)打开和关闭的所述第三电磁阀门(7)；所述第三电磁阀门(7)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；

所述中心钢管(12)开设位于所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)之间的第4注水孔(12.4)；在所述第4注水孔(12.4)位置安装用于控制所述第4注水孔(12.4)开和关闭的所述第四电磁阀门(13)；所述第四电磁阀门(13)的开关控制端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；

所述压力传感器(18)布置于所述第二封隔器(6)和所述第三封隔器(9)之间的空间；所述压力传感器(18)的输出端通过细线缆与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；

在地面布置数据采集系统(19)、高压水泵(20)、高压水管(17)、电磁阀门开关(21)、高压阀门(22)和高压回水管(23)；

所述数据采集系统(19)和所述电磁阀门开关(21)均与所述中心钢管(12)的电缆(10)电性连接；所述高压水泵(20)通过所述高压水管(17)与所述中心钢管(12)的进水口连接；所述高压回水管(23)与所述中心钢管(12)的回水口连接，在所述高压回水管(23)上安装所述高压阀门(22)。

优选的，所述中心钢管(12)的顶端通过中心钢管与上部钻杆的转接头(11)，与上部钻杆(14)连接。

优选的，在地面架设钻孔支架(16)；钢绞线(15)连接在所述钻孔支架(16)和所述上部钻杆(14)之间。

优选的，所述电缆(10)的外层包裹有厚橡胶皮。

优选的，在所述中心钢管(12)的对应位置开设细孔；所述细线缆密封穿过所述细孔，进而与所述电缆(10)连接。

优选的，所述细线缆与所述细孔相交位置采用石蜡密封。

本实用新型提供的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统具有以下优点：

(1)本实用新型使用的隔水地层设备组可在隔水地层之下形成封闭的压力环境，能够避免承压水地层孔壁超静孔隙水压力发生耗散现象，使得准确测量承压水地层中的孔隙水压力成为现实；适用于在承压水地层甚至多层承压水地层中进行水压致裂地应力测量；

(2)隔水地层设备组在隔水地层之下形成封闭的压力环境之后，能够避免承压水地层孔壁持续高压突水，使得测试位置的承压水地层始终处于原始天然地应力环境中，从而使得水压致裂地应力测量的测量结果更加准确。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统的地下设备结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统的地面设备组示意图；

其中，1-第一电磁阀门；2-第一高压水管；3-第一封隔器；4-第二电磁阀门；5-第二高压水管；6-第二封隔器；7-第三电磁阀门；8-第三高压水管；9-第三封隔器；10-电缆；11-中心钢管与上部钻杆的转接头；12-中心钢管；13-第四电磁阀门；14-上部钻杆；15-钢绞线；16-钻孔支架；17-高压水管；18-压力传感器；19-数据采集系统；20-高压水泵；21-电磁阀门开关；22-高压阀门；23-高压回水管；24-地面；25-钻孔。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对传统水压致裂方法具有不能准确测量承压水地层超静孔隙水压力，容易发生承压水地层孔壁高压突水，甚至孔壁崩塌事故的缺陷，本实用新型提供一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，可有效解决上述问题。

实施例一：

参考图1和图2，一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，包括中心钢管12，以及串联在中心钢管12的隔水地层设备组和承压水地层设备组；

其中，钻孔25穿过隔水地层而延伸到承压水地层的待测地应力位置；中心钢管12布置于钻孔25内；在中心钢管12上并且位于隔水地层的位置，安装隔水地层设备组；在中心钢管12上并且位于承压水地层的位置，安装承压水地层设备组；

中心钢管12的管内布置电缆10；电缆10的外层包裹有厚橡胶皮。

隔水地层设备组包括第一电磁阀门1、第一高压水管2和第一封隔器3；第一封隔器3套于中心钢管12的外面；第一封隔器3位于隔水地层；中心钢管12的第1注水孔12.1与第一高压水管2的一端连通，第一高压水管2的另一端与第一封隔器3连通；在第1注水孔12.1位置安装用于控制第1注水孔12.1打开和关闭的第一电磁阀门1；第一电磁阀门1的开关控制端通过细线缆与中心钢管12的电缆10电性连接；在具体实现上，在中心钢管12的对应位置开设细孔；细线缆密封穿过细孔，进而与电缆10连接。细线缆与细孔相交位置采用石蜡密封。

承压水地层设备组包括第二电磁阀门4、第二高压水管5、第二封隔器6、第三电磁阀门7、第三高压水管8、第三封隔器9、第四电磁阀门13和压力传感器18；

第二封隔器6和第三封隔器9上下相对套于中心钢管12的外面；并且，第二封隔器6和第三封隔器9均位于承压水地层；中心钢管12的第2注水孔12.2与第二高压水管5的一端连通，第二高压水管5的另一端与第二封隔器6连通；在第2注水孔12.2位置安装用于控制第2注水孔12.2打开和关闭的第二电磁阀门4；第二电磁阀门4的开关控制端通过细线缆与中心钢管12的电缆10电性连接；

中心钢管12的第3注水孔12.3与第三高压水管8的一端连通，第三高压水管8的另一端与第三封隔器9连通；在第3注水孔12.3位置安装用于控制第3注水孔12.3打开和关闭的第三电磁阀门7；第三电磁阀门7的开关控制端通过细线缆与中心钢管12的电缆10电性连接；

中心钢管12开设位于第二封隔器6和第三封隔器9之间的第4注水孔12.4；在第4注水孔12.4位置安装用于控制第4注水孔12.4开和关闭的第四电磁阀门13；第四电磁阀门13的开关控制端通过细线缆与中心钢管12的电缆10电性连接；

压力传感器18布置于第二封隔器6和第三封隔器9之间的空间；压力传感器18的输出端通过细线缆与中心钢管12的电缆10电性连接；

在地面布置数据采集系统19、高压水泵20、高压水管17、电磁阀门开关21、高压阀门22和高压回水管23；

数据采集系统19和电磁阀门开关21均与中心钢管12的电缆10电性连接；高压水泵20通过高压水管17与中心钢管12的进水口连接；高压回水管23与中心钢管12的回水口连接，在高压回水管23上安装高压阀门22。

中心钢管12的顶端通过中心钢管与上部钻杆的转接头11，与上部钻杆14连接。在地面架设钻孔支架16；钢绞线15连接在钻孔支架16和上部钻杆14之间。

下面对上述结构涉及到主要部件详细介绍：

(1)封隔器

本实用新型中，共采用三个封隔器，分别为第一封隔器3、第二封隔器6、第三封隔器9。这三个封隔器除布置位置不同外，结构完全相同，均为轴对称中空结构，由能承受高水压的橡胶制成，具有一定的硬度，其截面形状为圆形形状，其内部贯穿中心钢管12。第一封隔器3、第二封隔器6、第三封隔器9是市场上的成熟商品，作为一种优选，其款式可选用石油领域常用的裸眼封隔器。封隔器的长度，在实际使用中需要根据地层岩石破碎情况确定。作为一种优选方式，地层岩石RQD值在大于90％时，封隔器长度确定为1m，对于岩石RQD值大于60％小于90％时，封隔器长度确定为1.5m，对于岩石RQD值小于60％时，封隔器长度确定为2m。

(2)中心钢管12

中心钢管12采用长度1m外径30mm内径20mm的螺纹钢管首尾相接组成。中心钢管12连接三个封隔器及上部钻杆14。中心钢管内部设置用于进行压力传感器数据采集及电磁阀门控制的电缆10。在地应力测量过程中，中心钢管内部将注入高压水。

第一封隔器3与上部钻杆14之间，在中心钢管管壁上设置直径10mm和直径2mm的圆孔各一个。10mm圆孔作为第1注水孔12.1，第1注水孔12.1位置安装第一电磁阀门1。直径2mm圆孔内设置细电缆，连接电缆10与第一电磁阀门1的开关，细电缆外部裹橡胶层进行防水，细电缆与中心钢管12之间的空隙由石蜡密封，高压下不漏水。

地应力测量过程中，高压水通过直径10mm圆孔进入第一高压水管2，其后进入第一封隔器3，实现对第一封隔器3注水的作用。直径2mm圆孔中的细电缆控制第一电磁阀门1，第一电磁阀门1控制第一封隔器3与中心钢管12之间的连通或闭合。

第一封隔器3与第二封隔器6之间，中心钢管管壁上同样设置直径10mm和直径2mm的圆孔各一个,用以控制第二电磁阀门4，第二电磁阀门4控制第二封隔器6与中心钢管12之间的连通或闭合。

第二封隔器6与第三封隔器9之间，中心钢管管壁上连接有第三电磁阀门7、第四电磁阀门13和压力传感器18,第三电磁阀门7、第四电磁阀门13的连接方式与第一电磁阀门1、第二电磁阀门4相同。

压力传感器18的连接方式是在中心钢管12上设置直径2mm的圆孔，圆孔内设置数据传输线，压力传感器18采集的数据通过数据采集线传统到电缆10，电缆10将压力数据实时传回至地面的数据采集系统19。数据传输线外部裹橡胶层进行防水，数据传输线与中心钢管12之间的空隙由石蜡密封，高压下不漏水。地面依据压力传感器18实时传回的压力数据对地面的高压水泵20的压力进行实时控制，对第一电磁阀门1、第二电磁阀门4、第三电磁阀门7以及第四电磁阀门13进行控制。

第一封隔器3与上部钻杆14之间的中心钢管长度为2m；第一封隔器3与第二封隔器6之间中心钢管长度根据实际测量需要确定，其长度等于第一封隔器3与第二封隔器6之间的距离，作为一种优选，其长度应大于10m，确保第二封隔器6深入至承压水地层内部，其长度应小于100m，以防止中心钢管12弯曲断裂；第二封隔器6与第三封隔器9之间中心钢管长度依据承压水地层岩石破碎程度确定，作为一种优选，岩石RQD值在大于90％时，其长度确定为0.8m，岩石RQD值大于60％小于90％时，其长度确定为0.6m，岩石RQD值小于60％时，其长度确定为0.4m。

(3)电磁阀门

第一电磁阀门1控制第一封隔器3与中心钢管12之间的连通或闭合；第二电磁阀门4控制第二封隔器6与中心钢管12之间的连通或闭合；第三电磁阀门7控制第三封隔器9与中心钢管12之间的连通或闭合。

第四电磁阀门13控制中心钢管12与压裂段承压水地层之间的连通或闭合，地应力测量过程中，中心钢管12内的高压水通过第四电磁阀门13进入到压裂段内将钻孔孔壁岩石压裂或重张压裂，压力传感器18同步采集压力数据。

本实用新型还提供一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，在需要测量地应力的位置钻出一个钻孔25，并迅速将适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统布置完成；

布置方式为：使用地面的钻孔支架16、钢绞线15、缆机，将第二封隔器6、第三封隔器9放置到承压水地层需要进行地应力测量的位置，将第一封隔器3放置到隔水地层中，各封隔器之间采用中心钢管12连接；

步骤2，在系统布置结束后，一方面，启动压力传感器18，压力传感器18实时采集布置位置的压力值，并传输给数据采集系统19；

另一方面，迅速打开第一电磁阀门1，并闭第二电磁阀门4、第三电磁阀门7和第四电磁阀门13；然后，启动高压水泵20，高压水泵20通过高压水管17向中心钢管12中注入高压水，高压水经过第一电磁阀门1和第一高压水管2后，注入到第一封隔器3中，使第一封隔器3不断膨胀并达到所需的膨胀压力为止，此时第一封隔器3将第一封隔器3之下的钻孔空间封隔为封闭空间；然后关闭第一电磁阀门1和高压水泵20；

其中，在第一封隔器3封隔完毕之前，第一封隔器3之下的钻孔空间与地面大气是连通的，因此，承压水地层的水压力大于所述钻孔的内部孔压，所以在步骤1的钻进过程中钻孔内部会被注入一定的承压水，此时，所述第一封隔器3之下的钻孔空间内的水压力为静水压力P_ρgh；在所述第一封隔器3封隔完毕后，由于承压水地层中有超静孔隙水压力P′₀的存在，承压水地层中的承压水将在压力差的作用下，逐渐注入到所述封闭空间内部，所述封闭空间内部的水压力将逐渐增高，直到所述封闭空间内部的水压力与承压水地层中的孔隙水压力P₀持平后，压力差消失，承压水地层中的承压水不再向所述封闭空间内部注入水，注入过程结束，封闭空间内部的水压力逐渐变稳定；

由于本实用新型中，对承压水地层中的水进行封闭，因此，当封闭空间中的水压逐渐变稳定时，此时，承压水地层和封闭空间中的水达到平衡，封闭空间中的水压即等于此时承压水地层中的孔隙水压力P₀，即静孔隙水压力P_w与超静孔隙水压力P′₀之和；并且，在封闭空间封隔形成后，承压水地层中只有少量的水注入到封闭空间中，基本没有影响到承压水地层的原始水体状态，超静孔隙水压力P′₀基本保持原始状态，基本无耗散，所以，在本实用新型情况下采集到的孔隙水压力P₀，与承压水地层中的原实际孔隙水压力非常接近，因此，在封闭空间封隔形成后，数据采集系统19对压力传感器18采集的压力-时间曲线进行分析，压力逐渐稳定时的压力数据即为孔隙水压力P₀；采集到的孔隙水压力P₀与承压水地层中的真实孔隙水压力非常接近，可看作是未经耗散的准确可靠的承压水地层中的孔隙水压力，从而实现了测量承压水地层中的孔隙水压力的准确性，进而保证了承压水地层中进行水压致裂地应力测量的准确性。

步骤3，打开高压阀门22，中心钢管12中的水通过高压回水管23泄压；泄压结束后关闭高压阀门22；

步骤4，维持第一电磁阀门1为关闭状态；采用承压水地层设备组对钻孔孔壁进行压裂测试，通过数据采集系统19测量得到破裂压力P′_b、重张压力P′_r和瞬时闭合压力P′_s；

步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1，打开第二电磁阀门4和第三电磁阀门7，启动高压水泵20，高压水泵20通过高压水管17向中心钢管12中注入高压水，一方面，高压水经过第二电磁阀门4和第二高压水管5后，注入到第二封隔器6中，使第二封隔器6不断膨胀并达到所需的膨胀压力为止，然后关闭所述第二电磁阀门4，此时第二封隔器6与钻孔孔壁紧密接触；另一方面，高压水经过第三电磁阀门7和第三高压水管8后，注入到第三封隔器9，使第三封隔器9不断膨胀并达到所需的膨胀压力为止，然后关闭所述第三电磁阀门7，此时第三封隔器9与钻孔孔壁紧密接触；

此时第二封隔器6和第三封隔器9之间形成压裂封隔空间，称为压裂段；

步骤4.2，打开高压阀门22，中心钢管12中的水通过高压回水管23泄压；泄压结束后关闭高压阀门22；

步骤4.3，打开第四电磁阀门13，启动高压水泵20，高压水泵20通过高压水管17向中心钢管12中注入高压水，中心钢管12中的高压水经过第四电磁阀门13进入钻孔压裂段，高压水接触孔壁岩石，逐渐加大高压水泵20功率，提高第四电磁阀门13的水压，至孔壁岩石发生破裂时，此时采集到的压力值即为破裂压力P′_b；然后关闭高压水泵20，直到压裂段内部的水压力逐渐降低并恢复至承压水地层孔隙水压力P₀，此时孔壁岩石破裂裂缝基本闭合，即可进行再次压裂；

步骤4.4，重新启动高压水泵20，再次向中心钢管12中注入高压水，中心钢管12中的高压水经过第四电磁阀门13再次进入钻孔压裂段，逐渐加大高压水泵20功率，提高第四电磁阀门13的水压，至孔壁岩石再次发生破裂时，此时采集到的压力值即为重张破裂压力P′_r；然后关闭高压水泵20，孔壁岩石发生破裂后，破裂裂缝会瞬时临界闭合，此过程中采集到的压力值即为瞬时闭合压力P′_s。

步骤4.5，打开高压阀门22，上部钻杆14和中心钢管12中的高压水卸压；

步骤4.6，打开第一电磁阀门1、第二电磁阀门4、第三电磁阀门7，第一封隔器3、第二封隔器6、第三封隔器9中的高压水卸压；

步骤4.7，使用地面的钻孔支架16、钢绞线15、缆机，将第一封隔器3、第二封隔器6、第三封隔器9、中心钢管12回收至地面，回收全部设备；

步骤5，根据公式P_b＝P′_b-P₀,P_r＝P′_r-P₀,P_s＝P′_s-P₀，其中，P₀是孔隙水压力，计算得到有效破裂压力P_b、有效重张压力P_r和有效瞬时闭合压力P_s；

步骤6，根据水平最大主应力计算式为：S_H＝3P_s-P_r；水平最小主应力计算式为：S_h＝P_s，得到承压水地层的地应力量值，即：承压水地层的地应力量值包括：水平最大主应力和水平最小主应力。

也就是说，通过本实施例提供的隔水地层设备组与承压水地层设备组组成的串联结构，只需要根据测量地层的特征，用隔水地层设备组将承压水地层中的承压水封闭在承压水地层中，阻止其与地面大气的连通，从而准确测量承压水地层中的孔隙水压力，再采用承压水设备组对钻孔孔壁进行压裂测试，即可准确测得承压水地层的地应力量值，即水平最大主应力S_H和水平最小主应力S_h，具有测量过程彻底摆脱超静孔隙水压力误差和超静孔隙水压力耗散的优点，测量精度高，解决了传统技术无法在承压水地层中准确测量地应力量值的难题。

实施例二：

本实施例是指：在具有多层隔水地层和承压水地层的钻孔中，设置同样多层的隔水地层设备组与承压水地层设备组组成多层串联结构。

例如，在地面，按由上向下顺序，依次具有第一隔水地层、第一承压水地层、第二隔水地层，第二承压水地层。则通过一根中心钢管，在第一隔水地层布置第一隔水地层设备组，在第一承压水地层布置第一承压水地层设备组，在第二隔水地层布置第二隔水地层设备组，在第二承压水地层布置第二承压水地层设备组。第一隔水地层设备组和第一承压水地层设备组形成第一承压水地层的地应力测量单元；第二隔水地层设备组和第二承压水地层设备组形成第二承压水地层的地应力测量单元。

实际应用中，根据测试精度需求，灵活设置隔水地层设备组中封隔器的长度，只要保证封隔器不在高压条件下破裂即可。当然，封隔器的长度越大，则承压水地层中的承压水被封闭的越彻底，但封隔器长度越大，则越容易发生高压破裂。

则：采用与实施例一相同的测量过程进行测试，然后，采用以下方法分析数据采集系统19采集到的压力数据：

在压力时间曲线上，随着时间的推移压力逐渐升高，升高过程逐渐趋缓，当压力时间曲线水平延伸，压力不再升高时，记录下此时的压力，该压力与静孔隙水压力P_w的差值，就是所测地层的超静孔隙水压力P′₀。

也就是说，通过本实施例提供的一种多层串联结构，可最终测量得到地下多层承压水地层中，每个承压水地层的超静孔隙水压力P′₀。各层超静孔隙水压力P′₀的精确测量，对地热新能源开发、地应力测量都有重要的意义。

实施例三：

实际应用中，承压水地层中的承压水被封闭以后，承压水经中心钢管12、上部钻杆14流出地表。

则：单位时间内经中心钢管12、上部钻杆14流出地表的水流量，就是所测承压水地层的整体渗流量。

也就是说，通过本实施例提供的一种多层串联结构，可最终测量得到地下多层承压水地层中，每个承压水地层的整体渗流量。对地热新能源开发、石油开采都有重要的意义。

本实用新型提供的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统及方法具有以下优点：

(1)本实用新型使用的隔水地层设备组可在隔水地层之下形成封闭的压力环境，能够避免承压水地层孔壁超静孔隙水压力发生耗散现象，使得准确测量承压水地层中的孔隙水压力成为现实，适用于在承压水地层甚至多层承压水地层中开展水压致裂地应力测量工作；

(2)隔水地层设备组在隔水地层之下形成封闭的压力环境之后，能够避免承压水地层孔壁持续高压突水，使得测试位置的承压水地层始终处于原始天然地应力环境中，从而避免了测量对象被扰动破坏，保证水压致裂地应力测量的测量结果准确性；

(3)隔水地层设备组在隔水地层之下形成封闭的压力环境之后，能够避免承压水地层孔壁持续高压突水，甚至孔壁崩塌事故的发生，保证测量的准确性和可行性。

(4)本实用新型解决了承压水地层地应力测量技术难题，与传统水压致裂地应力测量技术相比，非常适用于深钻或超深钻孔地应力量值测量。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，包括中心钢管(12)，以及串联在所述中心钢管(12)的隔水地层设备组和承压水地层设备组；

所述中心钢管(12)的管内布置电缆(10)；

2.根据权利要求1所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述中心钢管(12)的顶端通过中心钢管与上部钻杆的转接头(11)，与上部钻杆(14)连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，在地面架设钻孔支架(16)；钢绞线(15)连接在所述钻孔支架(16)和所述上部钻杆(14)之间。

4.根据权利要求1所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述电缆(10)的外层包裹有厚橡胶皮。

5.根据权利要求1所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，在所述中心钢管(12)的对应位置开设细孔；所述细线缆密封穿过所述细孔，进而与所述电缆(10)连接。

6.根据权利要求5所述的一种适用于承压水地层的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述细线缆与所述细孔相交位置采用石蜡密封。