一种准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法

摘要

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是涉及一种准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法。该方法包括：向钻杆的密闭内腔压入流体，进行能量存储；打开钻杆下端的阀门，钻杆内腔中的流体在压力的作用下，释放能量，将流体注入测试段。本发明提供的准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法，通过向钻杆的内腔中压入流体，使得钻杆的内腔作为一个高压液体泵，将钻杆内腔中的流体，注入测试段，直至闭合裂缝重新张开；这样的方式，使得测试时，测试系统柔度达到最低，尤其适用于深孔水压致裂地应力测量，降低传统取值方法中柔度对裂隙重张压力取值的干扰，进而实现准确测量重张压力的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是涉及一种准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法。

背景技术

水压致裂地应力测量方法是目前被公认为直接进行深孔地应力测量的最为有效的技术方法。由于操作简单、无需岩石力学参数即可直接测得应力值，尤其是可直接测定最小主应力，测量深度在理论上不受限制等优点，水压致裂地应力测量方法已在水电、矿山、隧道、核废料处置和石油战略储备库选址等工程领域以及大陆动力学研究、区域地壳稳定性评价、地震成因机制研究等领域得到了广泛应用，产生了重要的社会影响和巨大的经济效益。

水压致裂试验的典型装置是用两个可膨胀封隔器在钻孔内密封隔离出一段试验区(一般称之为测试段)，并在地表使用高压水泵将液体注入其中，随着液体的持续泵进，钻孔孔壁对应最大水平主应力方向的位置的环向应力状态逐渐由压应力状态变为拉张应力状态，当其张应力量值超过岩石的抗张强度时，孔壁开始出现破裂，此时对应的液体压力称之为破裂压力，记为P_b。如果再次对测试段加压，使破裂重新张开，这时可得到破裂重新张开的压力P_r。此时，如果停泵且水压回路保持密闭状态，那么便记录到瞬时关闭压力P_s。

关于关闭压力的计算和判读，业界普遍认为最小水平主应力的计算和确定是可靠的；与之相比，最大水平主应力的计算和确定则存在较大的争议，其争议的焦点来自于公式(1)中的P_r，即水压致裂诱发破裂的重张压力。对于此问题，众多学者开展了深入的讨论和研究，关于水压致裂地应力测量中重张压力P_r的有关认识可概括如下：

1)重张压力的取值受整个测试系统柔度的影响。在此，测试系统的柔度定义为系统受单位压力变化而引起的体积变化；

2)测试系统的柔度主要受整个测试系统的水体体积的影响。对于钻杆式水压致裂地应力测量系统而言，测试深度越大，系统柔度越大，以目前国内最常用的50mm钻杆为例，当测试深度为840m时，系统柔度将达到4.52×10^-4m³/MPa；

3)相关研究结果表明：当测试系统柔度不大于或小于5×10^-7m³/MPa量级水平时，计算和确定的重张压力的误差可以控制在10％以内。而要满足这样的柔度要求，测量钻孔深度一般仅限于几百米的浅孔。一旦测量深度接近或超过千米，因测试系统柔度过大造成的重张压力的判读误差可超过100％；

4)钻杆式水压致裂测量方法由于其自身固有的技术特点，严重限制了其深孔地应力测量的精度。但较大的测量深度必然带来显著的系统柔度，进而导致诱发裂隙重张压力产生较大误差，最终使得最大水平主应力的计算结果严重失真(参见公式(1))。基于此，在水压致裂地应力测量技术领域，人们已达成基本的共识：采用钻杆式水压致裂方法，当测量深度接近或超过千米深度时，只有最小水平主应力的测值是可靠的，而最大水平主应力的值会严重失真。

由此可见，对于现有的水压致裂地应力测量方法，只有从测试工艺方法或关键设备入手进行重要改进，才可能使得该项测量技术更好地适应于深孔地应力测量，为相关领域提供可靠的地应力数据。为此，相关领域的学者和技术人员开展了大量的探索和实践。目前在已公开发表的文献资料中具代表性的方法如下：

1)采用配有井下流量计的试验系统。该系统的技术特点是将压力传感器和流量计集成为井下测量组件。地表水泵和井下测量组件通过两个柔性液压管连接，而这两个柔性液压管通常用来做缆线水压致裂系统。注水后两个管路各自用来对封隔器和试验区加压。由于该系统舍弃了利用钻杆作为导水通道，整个测试系统的柔度会明显降低，从这个角度来看，对于提高地应力的测量精度会起到明显的作用。

但是，此系统存在两个最为明显的技术缺陷：其一，该系统舍弃钻杆采用缆线，变刚性连接为柔性连接的方式升降井下测量设备和仪器，显著加大了测量过程中设备在井下遇阻以及被卡的风险。在深部地应力测量中，应慎用缆线式测量系统，这也是目前我国地应力测量中钻杆式测量系统被广泛采用而钢缆式测量系统鲜有采用的原因；其二，在该测量系统中，井下测量组件除了压力传感器和流量传感器以外，还应该包括一个电磁开关，以起到与钻杆式井下推拉开关对封隔器座封、解封的作用。在超过千米深度的测量深孔中，通过导线供电的方式对井下设备进行动作控制，明显加大了井下设备的集成难度以及可靠性和实用性。以上这两项技术缺陷是钢缆式地应力测量系统存在的共性，严重限制了该类测量系统在深孔地应力测量中的推广和应用。

2)鉴于以上测量系统存在的问题，有学者提出另外一种水压致裂地应力测量方法和工艺流程，称为子钻孔水压致裂法，简称BABHY。该方法主要分3个步骤：首先在大孔中钻一个子孔，取芯并观察其完整性，然后清理子孔；接着在子孔中开展水压致裂测量，所有的测试设备，包括压力传感器和高压水泵都放置在井下，这样就把测试系统的柔度降低到最低，同时也把测试系统所需的最小泵进流量降低到了最低，由此可以极大地提高测量精度；水压致裂结束后，提升测试系统，完成印模定向工作以获得水压致裂的破裂方位，即最大水平主应力的方位。

然而，BABHY方法设计过于理想化，其操作步骤比传统的水压致裂试验更复杂。BABHY方法中，单次地应力测量分为多个步骤；此外，测试之前需要检测子孔岩芯，确定不受天然裂隙影响的测试区，这个过程中一旦没有合适的测量段，还需要再次扩孔并加深钻进寻找下一个测试段，而每一次地应力测量之前，能不能找到适合测试的小孔，都是未知的，这大大增加了实验结果的不确定性以及时间成本、费用成本。该技术方法还有一个很大的缺点，即BABHY法一次试验只能完成一个测试段的应力状态，这对于深孔地应力测量是非常低效的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明提供的准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法，该方法包括：

向钻杆的内腔中压入流体，进行能量存储；打开钻杆下端的阀门，钻杆的内腔中的流体在压力的作用下，释放能量，将流体注入测试段。

进一步的，钻杆的内腔向测试段注入流体时，流量恒定。

进一步的，钻杆的内腔向测试段注入流体时的流量，大于测定深度测段的孔壁岩体的渗透流量。

进一步的，向钻杆的内腔中压入流体时，要保持钻杆下端的阀门关闭；向钻杆的内腔中压入流体，达到预定的压力值后，封闭地面连接阀门，之后再打开钻杆下端的阀门，向测试段注入流体。

进一步的，向测试段注入流体时，井上显示的压力会逐渐降低，当其降至或低于此前回次进行传统水压致裂重张压力地面压力表显示值时，即可停止向测试段继续注入流体。

进一步的，停止向测试段继续注入流体设定时间后，开启钻杆的地面连接阀门，给整个测试段系统卸压。

进一步的，设定时间为1-2分钟。

进一步的，向钻杆的内腔压入流体，再将流体注入测试段的过程，进行3次或3次以上重复操作。

进一步的，在向钻杆的内腔压入流体之前，先进行至少一个回次的传统水压致裂重张压力测量，用于对程序和设备进行测试，以总体了解裂隙的重张压力范围。

进一步的，向所述钻杆的内腔内压入流体时，产生的压力达到或大于传统方法测量重张压力的1.5倍。

本发明提供的准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法，通过向钻杆的内腔中存入流体，将钻杆下钻到测试段，释放钻杆的内腔中的流体，使得钻杆的内腔作为一个高压液体泵，向测试段注入流体，提供裂缝重张的压力，直至裂缝重新张开；这样的方式，使得测试时，测试柔度达到最低，尤其适用于深孔水压致裂地应力测量，降低了传统取值方法中柔度对裂隙重张压力取值的干扰，进而达到了高精度测量重张压力的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的时地面压力记录和井下压力记录。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图1所示，本发明提供了一种准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法，该方法包括：

向钻杆的内腔中压入流体，进行能量存储；打开钻杆下端的阀门，钻杆的内腔中的流体在压力的作用下，释放能量，将流体注入测试段。

本发明是基于钻杆式传统水压致裂测量方法而提出的新的地应力测试流程和工艺，主要针对深孔(孔深一般大于800米)水压致裂地应力测量系统柔度过大而导致的无法准确测定破裂重张压力的技术问题而提出的解决方案；另外，本发明涉及到的水压致裂测量程序、设备、数据处理方法，除了特殊说明以外，其他部分和传统的测量程序、设备和数据处理方法与现有技术相同。

首先向钻杆的内腔中压入流体，即持续的向钻杆的内腔中压入流体，当钻杆的内腔中充满流体后，继续向钻杆的内腔中压入，使得钻杆的内腔中的流体产生压力，形成高压流体；之后，封闭钻杆内腔的上端，避免流体从上端流出，打开钻杆下端的阀门，使得钻杆内腔中的流体从钻杆的内腔中流出，由于流体具有较高的压力，进而会形成喷射流，进入到测试段，流体持续流入测试段，直至测试段的裂缝重新张开。

这样的方式，使得钻杆的内腔在井下时，相当于是一个新的动力源，而不需要利用设置于地面的高压泵通过钻杆向测试段输入流体，避免了高压泵向测试段输入流体时，由于测试系统柔度(主要来自于钻杆内腔中流体的可压缩性)过大而带来的影响，保证了测试结果的准确性，提高了测量的精度。

在本实施例中，为了能够便于对测试段的裂缝重张时的压力进行记录和测量，在钻杆的内腔向测试段注入流体时，使其输出的流量恒定，进而便于准确地确定重张压力。

具体的，在本实施例中，在钻杆的内腔的输出端设置有流量控制阀，通过流量控制阀来实现对流量大小的控制，以保证流体在输出时的流量是相同的。

更具体的，在本实施例中，钻杆的内腔向测试段注入流体时的流量，小于向钻杆的内腔中压入流体时的流量。

也就是说，钻杆的内腔向测试段注入流体时，需要缓慢而稳定地注入，以保证能够及时记录测试段裂缝重张时的压力值；而向钻杆的内腔中注入流体时，不需要考虑精确记录和测量，其只要能够快速实现钻杆的内腔中输入高压，保证钻杆的内腔中的流体能够使得测试段的裂缝重张即可。

在本实施例中，钻杆的内腔向测试段注入流体时的流量，大于测定深度测段的孔壁岩体的渗透流量。

这样的设置，使得钻杆内腔向测试段注入流体时，流体能够在测试段的孔内形成压力，进而保证孔壁裂隙重张。

在本实施例，向钻杆的内腔中压入流体后，封闭钻杆的地面连接阀门，之后再打开钻杆下端的阀门，向测试段注入流体。也就是说，先通过高压泵向钻杆的内腔中压入流体，当达到预定的压力值后，将内腔的上端封闭，避免流体从上端流出，之后再打开钻杆下端的阀门，钻杆的内腔与测试段连通，进而可以向测试段注入流体，以保证流体能够及时的、有效的输入到测试段内，最终保证测量的最终结果的准确性和精度。

具体的，在本实施例中，预定的压力值一般为传统水压致裂重张回次得到的重张压力值的1.5倍左右。

进一步的，向测试段注入流体时，井上显示的压力会逐渐降低，当其降至或低于此前回次进行传统水压致裂重张压力地面压力表显示值时，即可停止向测试段继续注入流体。

具体的，井上本次显示的压力值，当其逐渐降低的数值降至或低于之前测试的裂缝重新张开时井上显示的压力值时，测试段的裂缝为重张状态，此时，关闭钻杆的内腔输出端的流量控制阀，以避免流体的持续注入而导致的裂缝变化，保证了对重张裂缝的测量准确性，进而保证了对最终的重张压力计算的准确性和精度。

进一步的，停止向测试段继续注入流体设定时间后，开启地面连接阀门，给整个测试段系统卸压。

具体的，在本实施例中，稳定钻杆的内腔中的压力的设定时间为1-2分钟。

需要指出的是，在本实施例中设定时间为1-2分钟，但其不仅仅局限于1-2分钟，具体可以根据钻杆的内腔的容量、形状、体积等参数进行确定，其可以是更多的时间，如3分钟、5分钟，其也可以是更短的时间，如30秒等，也就是说，只要能够将钻杆的内腔中的压力进行稳定后，即可打开钻杆的内腔的充入口，将流体从充入口排出，以给钻杆的内腔进行卸压。

为了保证测试的准确性，在本实施例中，向钻杆的内腔压入流体，再将流体注入测试段的整个测试过程，进行3次或3次以上重复操作。

另外，为了进一步保证测试的准确性，在本实施例中，在向钻杆的内腔压入流体之前，先利用传统方法进行至少一个回次的测量，用于对程序和设备进行测试，并对重张压力的量值范围有一个初步的界定。

在本发明中，流体具体为水。

需要指出的是，在本实施例中，流体为水，但其不仅局限于水，其还可以是如油等液体，还可以是如泥浆等流体，也就是说，其只要是能够向钻杆的内腔中注入，并形成高压，之后利用高压能够从钻杆的内腔中喷出，对测试段形成张力即可。

综上，本发明对测定深水孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法步骤具体如下：

每个测段由5个回次构成，第1回次和第2回次的测试程序、设备、数据处理和传统水压致裂方法完全相同；从第3回次开始至第5回次，采用本发明提出的方法进行裂缝的重张试验测试。

重张试验测试过程如下：

1、结束第2回次测量过程后，采用本发明方法中的井下多功能转换开关，施行井下关闭(downhole shut-in)(对应图2中A时间点)，将钻杆与跨接式封隔器以及测试段隔离开，此时，钻杆连同地面高压管汇以及高压水泵形成一个独立的密闭系统。随后，通过高压水泵向钻杆内注水加压，直至压力达到或超过第1回次峰值压力，或至少达到传统方法测量重张压力的1.5倍，之后关闭高压泵并保持井下关闭状态。此项操作的目的是利用水的压缩特性，将钻杆中的高压水体作为储能动力源。

2、通过地面钻机的升降操作，解除井下关闭(对应图2中B时间点)，使储存高压水体的钻杆系统通过恒定小流量控制器与测试段连通，此时，储存高压水体的钻杆系统连同流量控制器的作用基本等同于一个紧邻井下测试段上部放置的小流量高压水泵，再向测试段以基本恒定的流量注入流体，直至裂缝重新张开(对应图2中C时间点)，实施第2次井下关闭，1-2分钟后，再次解除井下关闭并打开地面高压管汇阀门，使整个测试系统联通大气卸压(对应图2中D时间点)。至此，第3回次实验结束。此处，实施第二次井下关闭的目的是，使测试段裂隙在不受外界压力源干扰的情况下自然闭合，此时得到的闭合压力值也最为可靠。

3、按照第3回次的操作程序，重复执行第4、5两个回次的水压致裂破裂的重张实验。

4、破裂压力的取值方法和以前相同，取第一回次的峰值压力作为破裂压力。重张压力的以第3、4、5回次的取值为准，关闭压力取值综合计算2-5回次的取值。

本发明提供的准确测定深孔水压致裂诱发破裂重张压力的方法，通过向钻杆的内腔中存入流体，将钻杆下钻到测试段，释放钻杆的内腔中的流体，使得钻杆的内腔作为一个高压液体泵，向测试段注入流体，提供裂缝重张的压力，直至裂缝重新张开；这样的方式，使得测试时，测试柔度达到最低，尤其适用于深孔水压致裂地应力测量，降低了传统取值方法中柔度对裂隙重张压力取值的干扰，进而达到了高精度测量重张压力的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。