一種修正的原生裂隙水壓致裂原地應力測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于地質結構勘探測量技術領域，具體設及一種修正的原生裂隙水壓致裂 原地應力測量方法。
【背景技術】
[0002] 水壓致裂化y化aulic Fracturing,可簡寫為HF)原地應力測量方法是目前重要的 地應力測量技術之一 該方法是1987年和2003年國際巖石力學學會測試方法委員會頒 布的確定巖石應力建議方法中所推薦的方法之一 W。雖然水壓致裂原地應力測量方法有眾 多優點但是運種方法還是有一些無法避免的局限性。例如:測試段巖體的抗拉強度確 定問題破裂壓力可能與誘發裂縫的起裂并不對應W ;水壓致裂誘發裂縫與最小水平主 應力并不垂直，而運可由鉆孔方位或者巖體的不均勻性和各向異性所導致
[0003] 為了解決水壓致裂原地應力測量方法存在的上述問題，Cornet和Valette在1984 年提出了利用原生裂隙的注水測試來確定原地應力的方法在第一屆國際巖石應力研 討會上，Cornet正式將他所提出的運種方法命名為HTPF法（國內翻譯為原生裂隙水壓致裂 法）隨后，多位科學家開展了HTPF法現場推廣應用W及與經典水壓致裂原地應力測量 方法的對比研究，但是應用效果各有不同W-W。后來，Mosnier和Cornet聯合研發了能同時 進行井壁電阻率圖像錄井和水壓致裂測試的專用設備，大大提高了HTPF法測試的可靠 性 [15]。1992年，Cornet和Bur let對HTPF法在法國8個不同測試地點的應用效果進行了全面 總結，給出了推廣應用HTPF法時所應該注意的要點和建議，W及應該采取的應對措施，為其 它科學家開展類似測試提供了很好的參考實例，但是在理論方面并沒有任何變化W3。隨 后，Cornet等在1997年為了解決一個山區中深埋隧道節理化巖體和斜孔中應力測量的問 題，在HTPF法基礎上，重新優化了應力場反演的算法，提出聯合使用遺傳算法和蒙特卡洛方 法來反演應力場，利用不同深度上的原生裂隙HTPF法測試的結果反演得到了鉆孔900m深度 處的應力狀態，并與鉆孔崩落得到的應力場方向進行了對比，實踐證明應用效果較好 與此同時，化yasM等1997年在地下礦山中利用兩個水平孔中所掲露的原生裂隙，結合水壓 致裂誘發裂縫反演確定了原地應力狀態，所依據的原理及采用的測試設備和流程與HTPF法 類似，但是算法是針對運個特定的工程而設定的，所W與HTPF法略有不同 [^。2003年， Cornet等人研發了全新的HTPF法測試設備，運種設備可W實時記錄水壓致裂測地應力測試 過程中的井壁電阻率圖像，為評價測試過程中的裂縫水力學響應提供了可能；同時他們還 提出了聯合使用HF法和HTPF法測試結果來確定區域應力場的方法UW。同年，Haimson和 Cornet聯合撰文將HF法和HTPF法納入國際巖石力學學會所推薦的主要巖石應力測試方 法W，運標志著HTPF法已作為一種成熟的方法被國際同行所認可。
[0004] 在國內，一般稱HTPF法為單孔S維水壓致裂法(也稱之為原生裂隙水壓致裂法）， 陳群策、安美建和劉允芳等人推導了利用原生節理面進行原地應力測量的力學公式，文 獻中提出利用最小二乘法來進行應力狀態反演，并在國內的幾個水利工程中進行了成 功應用 [2^23。2001年尹健民等提出聯合使用原生裂隙和經典水壓致裂原地應力測量方法 來確定原地應力場的方法，并在宣恩桐坪水利水電樞紐工程中進行了應用^23^，并且與=孔 交匯的=維水壓致裂原地應力測量法進行了對比分析。2006年劉允芳等人在深圳抽水蓄能 電站開展了類似水壓致裂法S維地應力測量和分析工作運一階段國內學者的工作主 要停留在原生裂隙水壓致裂法的推廣應用上，對方法本身和測試過程中應注意的主要技術 細節介紹并不多。
[0005] 2007年至2009年，劉亞群和景鋒等人針對應力梯度對測量結果的影響進行了系統 研究，提出使用原生裂隙水壓致裂法時，當原生裂隙間垂直距離超過50m時，需要考慮應力 梯度的影響。
[0006] 為了解決經典水壓致裂原地應力測量方法中的一些不足，并且受到水壓致裂測試 中閉合壓力確定方法的啟發，Cornet和Valette于1984年提出了HTPF法，運樣就可W通 過測定裂隙面上法向應力來測定原地應力，力學原理如附圖2所示，HTPF法的力學原理公式 如公式(1)所示。
[0007]
…
[000引式中，nW為鉆孔所掲露的第j條結構面的單位法向量，O(XW)為作用于第j條結構 面上的局部應力張量。運里假設第j條結構面足夠小，結構面分布范圍內的巖體應力場均 一，且巖體中屯、點坐標為XW(其=個分量坐標為xj、y神Pzj)。那么問題就演化為利用多個所 測得的值求解X點處的應力張量的六個分量的問題。而OnW完全可W利用與水壓致裂測 試相似的原生裂隙注水重張測得，即裂隙面上的閉合壓力Psj，如公式(2)所示。
[0009]
:貓
[0010] 測定原生裂隙面上的法向應力的最為理想的工程環境是地下空間內所掲露的各 類裂隙面，因為在運種情況下，裂隙面近似處于同一個深度范圍內，同時由于測點距離非常 近，可W忽略原地應力張量的橫向和隨深度變化因素，可W利用最小二乘法對公式（1)進行 線性求解。但是對于單一深孔，鉆孔所掲露的滿足測試要求的結構面并不處于同一深度，那 么就需惡老點媒麼的巧素古。）可W轉變為：
[0011]
(3)
[0012] 式中0(z。)指深度Z。處的應力張量(包括6個應力分量），A指描述垂直應力梯度的系 數，由4個分量組成，其中一個主方向假設為垂直。在公式(2)中，通常不考慮應力張量的側 向變化。通常情況下，在一個單一鉆孔內開展HTPF法測試時，一般沒有條件和數據來限定應 力張量的側向變化。但是在地形起伏很大的地區，如果應力張量的側向變化無法忽略時，就 需要使用6個分量來限定A，運時求解公式(2)就需要確定12個未知量。
[OOU]在文獻[u]中，Cornet指出了HTPFfeS個大的局限性：（1)測試工作量繁重；（2)需 要挑選到單一的滿足測試條件的原生裂隙，要求巖體不能非常節理化;但是方位不同的多 條原生裂隙在同一鉆孔內非常難找到；（3)事先需要對測試區域的原地應力狀態進行一些 假設。2003年Ljunggren等在文獻 [2^中對HTPF法進行了準確客觀的評述:取決于反演原地 應力場過程中所采用的不同假設和限定條件，HTPF法可W用于確定2D和3D原地應力狀態； 對于確定2D原地應力狀態，一次成功的測試至少需要10~12個原生裂隙的HTPF法測試結 果；而對于確定3D原地應力狀態，一次成功的測試至少需要18~20個原生裂隙的HTPF法測 試結果W3。在過去的HTPF法現場測試中，由于現場尋找不到足夠的滿足條件的原生節理數 目，Cornet等為了解決現場的應力場確定問題，就不斷地設定假設條件來實現對公式(3)的 求解[iw3'i^7'W，運實際上大大降低了HTPF法的可靠性，也讓其推廣應用更為困難。在運 種背景下，我們應該尋找新的途徑來降低對原生裂隙數目的依賴，只要將需要的原生裂隙 數目降到合理的范圍內，我們就可W將一些假設條件去掉，大幅提高HTPF法的適用性。
[0014] 綜上所述，原生裂隙水壓致裂法在解決水壓致裂法存在的問題方面，取得了較好 的效果，但是，原生裂隙水壓致裂法在應用過程也存在一些問題，包括:測試過程非常長； 測試所需的合格原生裂隙數目量太大，W至于現場很多情況下不能滿足要求;如何消除應 力梯度對測試結果的影響；測試過程中如何保證所選定的結構面是閉合的平面等。運些問 題，一方面增加了原生裂隙水壓致裂法應用的難度，另一方面也制約了該方法的應用效果。
【發明內容】
[0015] 為了解決原生裂隙水壓致裂法在應用過程存在的問題，本發明提供一種修正的原 生裂隙水壓致裂原地應力測量方法(簡稱為M-HTPF法）。本發明通過為原生裂隙面上廣泛存 在的剪應力建立力學方程，利用最小二乘法和計算機程序試錯捜索原生裂隙面摩擦系數的 辦法反演原地應力張量，為單孔=維水壓致裂原地應力測量提供了新的思路和途徑。
[0016] 為實現上述目標，本發明采用W下技術方案：
[0017] 1、M-HTPF法的理論基礎
[0018] 通過對附圖2的分析可知，Cornet等所提出的HTPF法只考慮了結構面上的法向應 力，因為水壓致裂測試只能測定結構面上的法向應力，而原位巖體結構面上的剪切應力是 無法測得的。然而我們可W在應力反演過程中利用法向應力與結構面上的剪切應力之間的 相關性來推算出結構面上的剪切應力。根據摩爾庫倫理論，結構面上的法向應力和剪切應 力之間的關系可W簡化表達為公式(4)。劉允芳在2006年曾提出裂隙重新張開時，裂隙面上 剪應力應為"零但如果仔細分析文獻關于裂隙面剪切應力為零的假設，就會發現運 種工況只在水壓致裂測試時滿足，在天然原地應力狀態下，只有少數原生裂隙滿足運種工 況。而Cornet對HTPF法的應用范圍設定了嚴格的條件，第一不能發生測試流體泄露，第二原 生裂隙面近似為平面，第=是原生裂隙面對原地應力場的影響足夠小，原地應力場近似地 可W看作均勻應力場，在運種測試要求下，所測試的原生裂隙面上必然會存在剪切應力。運 里參考文獻建立反演應力場的力學方程，原生裂隙坐標系和大地坐標系的相對關 系如附圖3所示，因為在運些文獻中，劉允芳等人對運些公式有詳細的介紹，運里不再一一 詳述 [22^24'W，只給出關鍵的力學公式，如公式巧)~(8)所示。
[0019] Tsj = Uj ? Osj (4)
[0020] Oyj = Psj (5)
[0021] Txjyj = Jij ? Psj (6)
[0022] [0xsin2(00-0j)+0yC0s2 化 0-0j)-Txysin2 (00-0j) ]sin2aj+〇zC〇s2aj+[ TyzCOS(Po-Pj)- Txzsin 化 0-0j)]sin2aj = Psj (7)
[002；3] [-0 .5(0x-0y)sin2(00-0j)WxyC0s2(00-0j) ]sin2aj+[Ty