巖石力學(xué)與壓裂

1、12本節(jié)主要內(nèi)容 1 地應(yīng)力測量概述地應(yīng)力測量概述 2 2 水壓致裂法的測量原理與步驟水壓致裂法的測量原理與步驟 3 3 應(yīng)力解除法（空心包體應(yīng)變計）應(yīng)力解除法（空心包體應(yīng)變計） 的測量的測量原理與步驟原理與步驟34.2 地應(yīng)力測量方法4.2.1地應(yīng)力測量概述 O x z z x y y zx zy xz xy yx yz a.一點的三維應(yīng)力狀態(tài)( ) 來表示zxyzxyzyx,4b. b. 方法分類方法分類54.2.2 4.2.2 水壓致裂法水壓致裂法水壓致裂法的假設(shè)前提：水壓致裂法的假設(shè)前提：（1 1）有）有2 2個（個（ 、 ） 主應(yīng)力為水平方向，主應(yīng)力為水平方向， 另另1 1個個 為豎

2、直方為豎直方 向向, ,且且（2 2）線性、均質(zhì)、各向同性）線性、均質(zhì)、各向同性（3 3）滲透符合達西定律）滲透符合達西定律 h1h2vhv61 1）水壓致裂法步驟）水壓致裂法步驟（1 1）鉆孔（地質(zhì)勘探）、鉆孔（地質(zhì)勘探）、 選段（完整）、選段（完整）、 封隔（氣或液）；封隔（氣或液）； 直徑：直徑：3838、5151、 76 76、110110、 130 130；7P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖 壓裂過程泵壓變化及特征壓力PbPsPsPs0Pb0P0（2）加液壓將孔壁壓裂與重開P0-孔隙水壓力或地下水壓力Pb-初始壓裂壓力Ps-穩(wěn)定開裂壓力Ps0-關(guān)閉壓力Pb0-重張壓力8P0PbPs

3、Ps0P0Pb0Ps圖 壓裂過程泵壓變化及特征壓力PbPsPsPs0Pb0P0（2）加液壓將孔壁壓裂與重開P0-孔隙水壓力或地下水壓力Pb-初始壓裂壓力Ps-穩(wěn)定開裂壓力Ps0-關(guān)閉壓力Pb0-重張壓力9 各特征壓力的物理意義各特征壓力的物理意義P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力Ps-液體進入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開 裂壓力Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。如圍巖 滲透性大，該壓力將逐漸衰減Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開啟壓力10（3）卸壓、提設(shè)備、測定開裂方位； 然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表的讀 數(shù)，

4、計算地應(yīng)力 112 2）基本理論和計算公式）基本理論和計算公式當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時，設(shè)孔周邊兩個水平地應(yīng)力分別為 和 ，孔壁還受有水壓Pb.如圖。h1h2圖 孔壁開裂力學(xué)模型a12鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)力鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)力 (Kirsch.G-基爾斯解)13在孔壁上 r=a，有：2cos)(2)(2121hhbhhPbrP當(dāng) 時有最大拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力：bhhP1230按最大拉應(yīng)力理論，有(4-1)0T(4-2)將(4-1)代入(4-2)得孔壁開裂應(yīng)力條件孔壁開裂應(yīng)力條件0213TPbhh(4-3)即孔壁開裂在與孔壁開裂在與 垂直垂直, 的面的面上上0h2式中：T0-巖體的抗強度14若巖體中有孔隙水壓

5、力Pw，（4-3）式變成：wbhhPTP0213(4-4)由圖知水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pb0，則上式變成：wbhhPP 0213(4-5)(4-5)和(4-6)兩式對比得： Pb Pb0=T0(4-6)在關(guān)閉壓力Ps0點上，孔壁已經(jīng)開裂，則T0=0,穩(wěn)定開裂壓力由Ps下降到Ps0。此時，ps0等于與裂縫垂直的應(yīng)力，即：02shP15 求得主應(yīng)力及巖體抗拉強度求得主應(yīng)力及巖體抗拉強度3）根據(jù)水壓致裂法試驗結(jié)果計算地應(yīng)力（1）一般來講 作為地主應(yīng)力之一。我們可以將 與 作比較，若 ，則可以肯定此時 為最小主應(yīng)力；進一步將 與 作比較，也就可以以此確定地應(yīng)力的三個主應(yīng)力。02100023T

6、pTpppbhhbbshhzzhz1h2zh10Th216 因為開裂點方位或開裂裂縫方向可以確定 的方位或 的方向，所以三個地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。（2 2）如果）如果 ，并且孔壁開裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時 為最小地應(yīng)力， 與 各為中間主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開裂方向即為最大地應(yīng)力方向。h2h1hh2h2h1hz4）水壓致裂法的特點）水壓致裂法的特點n 設(shè)備簡單設(shè)備簡單 操作方便操作方便 測值直觀測值直觀 適應(yīng)性強適應(yīng)性強 受到重視和推廣受到重視和推廣n 缺陷：主應(yīng)力方向不準缺陷：主應(yīng)力方向不準174.2.3 4.2.3 應(yīng)力解除法應(yīng)力解除法 1) 1) 基本原理：基本原理：

7、 當(dāng)需要測定巖體中某點的應(yīng)力狀態(tài)時，人為的將該處巖體單元和周圍的巖體分離，此時，巖體單元上所受的拉力將被解除解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測定彈性恢復(fù)測定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認為巖體時連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計算計算巖體單元所受的應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)測試應(yīng)變計算應(yīng)力流程流程要點要點182) 2) 應(yīng)力解除法分類應(yīng)力解除法分類 按測試應(yīng)變或變形孔徑變形測試孔壁應(yīng)變測試孔底應(yīng)力解除法孔壁 應(yīng)力解除法測1個平面3個方向上的應(yīng)變1平面3方向上的徑位移3平面9個方向應(yīng)變194.2.4）空心包體應(yīng)變計測

8、量地應(yīng)力a.探頭結(jié)構(gòu)探頭結(jié)構(gòu)20空心包體應(yīng)變計安裝、采集數(shù)據(jù)示意空心包體應(yīng)變計安裝、采集數(shù)據(jù)示意21b. 主要特點：主要特點：1)測量有操作簡便2)測量技術(shù)和計算理論比 較成熟3)精度相對較高的地應(yīng)力4)目前使用最為廣泛是國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦使用的地應(yīng)力測量方法 22鉆孔的深鉆孔的深度必須超度必須超過開挖過開挖 影影響區(qū)，才響區(qū)，才能測到巖能測到巖體內(nèi)的原體內(nèi)的原始應(yīng)力，始應(yīng)力，否則測出否則測出的是二次的是二次應(yīng)力。應(yīng)力。c.測量要求與步驟測量要求與步驟1)測量要求測量要求23(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安裝探頭(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安裝探頭(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安裝探頭(c)(d)(b)(a)套孔取芯套芯小孔套芯大孔安裝探頭(1)在測試地點打大孔 (2)從大孔底打同心小孔(3)在小孔中央位置安裝測