岩石力学基本教程教学PPT第6章地应力概要.ppt

间接测量法 不直接测量应力量，而是借助某些传感器元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变、弹性波传播速度变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值的方法。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。 其中，套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的，且发展较为成熟的一种间接测量地应力的方法。 6.4 地应力测量方法 6.4.2 水压致裂法 1．测量原理 水压致裂法在20世纪50年代被广泛应用于油田生产，通过在钻井中制造人工的裂隙来提高石油的产量。哈伯特（M. K. Hubbert）和威利斯（D. G. Wiliis）在实践中发现了水压致裂裂隙和原岩应力之间的关系。这一发现又被费尔赫斯特（C. Fairhurst）和海姆森（B. C. Haimson）用于地应力测量。 从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场（ ， ）的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为 * * 教材配套课件 6.4 地应力测量方法 * 拉梅解答 6.4 地应力测量方法 * 6.4 地应力测量方法 * 基尔斯解答 式中， ， 为钻孔周边的切向应力和径向应力； 为周边一点与 轴的夹角。 由式（4-10）可知，当 时， 取得极小值，即 如果采用图6.12所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来 ，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过 和岩石抗拉强度T之和后，在 处，也 即所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为 ，则有 如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为 ，则由图6.12可见， 应和原岩应力 相平衡，即 （6.10） （6.11） （6.12） （6.13） （6.14） * 由（4-13）和（4-14）式，只要测出岩石抗拉强度T，即可由 和 ，求出 和 ，这样和的大小和方向就全部确定了。 在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为 ，则（4-13）式变为 根据式（6.14）和式（6.15）求和，需要知道封隔段岩石的抗拉强度，这往往是很困难的。为了克服这一困难，在水压致裂试验中增加一个环节，即在初始裂隙产生后将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为 ，则有 这样，由式（6.14）和（6.16）求 和 就无须知道岩石的抗拉强度。因此，由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定。 （6.15） （6.16） * * 教材配套课件 图6.12 水压致裂应力测量原理 2．水压致裂法的特点 （1）设备简单。只需用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备。 （2）操作方便。只通过液压泵向钻孔内注液压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。 （3）测值直观。它可根据压裂时泵压〔初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力）计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度。 （4）测值代表性大。所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代表性。 （5）适应性强。这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动。 因此，这一方法越来越受到重视和推广。但它存在一个较大的缺陷，就是主应力方向测定得不准。 * * 教材配套课件 1）打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用气体。 3．测量步骤 2）向隔离段注射高压水，加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力Pi ；然后继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时应力为关闭压力，记为Ps ；最后卸压，使裂隙闭合。在整个加压过程中，记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图，确定Pi ， Ps值。 3）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力Pr和随后的恒定关闭压力Ps。这种卸压-重新加压的过程重复2—3次，以提高测试数据的准确性。Pr和Ps同样由压力-时间曲线和流量-