中華人民共和國地震行業(yè)標準水壓致裂法和套芯解除法A2 1 5水壓致裂法 66套芯解除法 附錄A(標準的附錄)套芯解除法地應力計算建議方法 ,,甲乙行標原地應力測量…技術規(guī)范IⅢ本標準根據(jù)我國原地應力實測技術現(xiàn)狀、參考國際巖石力學學會(ISBM)試驗方法委員會確定巖石應力的建議方法、巖土工程試驗監(jiān)測手冊以及國內(nèi)外原地應力實測經(jīng)驗和成果制定。本標準包括水壓致裂法和套芯解除法兩種測量方法。本標準由中國地震局提出。本標準由全國地震標準化技術委員會歸口。本標準起草單位：中國地震局地殼應力研究所。本標準主要起草人：王建軍、李方全、陳群策、蘇愷之、楊樹22.3封隔段testinterval一對跨接式封隔器密封形成的測量孔段。2.4座封packersetting向一對跨接式封隔器注液加壓(簡稱注壓),使之膨脹，緊貼孔壁形成封隔段的過程。向封隔段內(nèi)注壓致使封隔段孔壁產(chǎn)生破裂的過程。2.6初始破裂壓力initialbreakdownpressure使封隔段孔壁產(chǎn)生張性破裂的液壓或泵壓，即臨界破壞壓力(見圖1)。2.7瞬時關閉壓力instantaneousshut-inpressure在孔壁破裂后停止注壓并保持壓裂回路密閉的情況下裂縫停止延伸趨于閉合時，封隔段內(nèi)保持裂縫張開時的平衡壓力(見圖1)。2.8破裂重張壓力fracturereo再次對封隔段注壓使破裂重新張開的壓力(見圖1)。2.9孔隙水壓力porewaterpressure存在于巖體孔隙中水的壓力。圖1水壓致裂壓力時間記錄曲線32.10巖體抗張強度tensionstrengthofrock封隔段圍巖抵抗拉張破壞的強度。2.11單回路壓裂系統(tǒng)singlecircuithydraulicfracturingsystem由一個高壓泵通過單一的管線(鉆桿)向封隔器注壓座封后，經(jīng)井下轉(zhuǎn)換開關轉(zhuǎn)換為向封隔段注壓壓裂的測量系統(tǒng)。由高壓泵通過兩條管線(鉆桿和高壓膠管),分別向封隔器注壓座封及向封隔段注壓壓裂的測量系統(tǒng)。2.13印模impressing將帶有定向裝置的印模器置入已壓裂的孔段，注壓膨脹印模器使水壓致裂產(chǎn)生的破裂在印模器上留下印痕的過程。2.14套芯解除overcoring將測量傳感器安裝在鉆孔孔底的測量小鉆孔中并觀測讀數(shù)，然后在測量小鉆孔外同心套鉆鉆取巖心，使巖心與圍巖脫離的過程。2.15元件定向componentorienting確定應力測量時傳感器上各元件在鉆孔中的方位和傾角。2.16鉆孔孔徑變形法boreholedeformationmethod通過套鉆鉆進測量套芯解除前后小鉆孔孔徑變形，確定地應力的一種方法。2.17孔壁應變法boreholewallstrainmethod借助粘貼在鉆孔孔壁上的電阻應變片，根據(jù)套鉆鉆進測量套芯解除前后小鉆孔孔壁表面應變變化，由彈性理論計算巖體中某點的地應力狀態(tài)的方法。本標準采用下列符號。 4P-—破裂重張壓力；σ1,σ2,σ3一三個主應力值；0s,o,—垂直鉆孔軸線平面內(nèi)的最大、最小主應力；ox,σ,,o2,Ty,Tn,T—應力張量的六個獨立分量；E-—巖石彈性模量；μ—巖石泊松比；K,——孔徑變形計標定系數(shù)；Bn——最終穩(wěn)定應變值；δo、δ45°、δ90——鉆孔變形計0°、45°、90°三個方向的變形值；s—壓磁應力計內(nèi)不同方向元件的記錄應力值；η—壓磁應力計測量方向元件的標定曲線的斜率；△V—解除前后壓磁應力儀讀數(shù)的變化值；5Em——解除后第k電阻片應變儀讀數(shù)；€o——解除前第k電阻片應變儀讀數(shù)。4.1原地應力測量的測點應按下列原則選擇： —測點的位置應避開應力擾動區(qū)。4.2原地應力測量的測段應按下列原則選擇： 峒內(nèi)鉆孔第一測段深度應超過巖峒斷面直徑(或最大寬度或高度)的2~3倍； 測段應選在巖石完整且無孔壁崩落孔段，應避開原生裂隙密布的孔段；——測段設置應兼顧研究需要和工程布置設計。一—地表鉆孔表土段和易塌孔的基巖風化段應下套管；一—鉆孔傾斜度每百米應不超過1°,孔徑變化應不超過設計孔全鉆孔取巖心并進行準確編錄，編錄內(nèi)容應包括鉆進回次、一—應詳細記錄鉆進過程中遇到的縮徑、塌孔、涌水量突變及 測定終孔深度。現(xiàn)場測量工作應由地應力測量高級專業(yè)技術人員負責，確定專 6人記錄測量數(shù)據(jù)，儀器設備操作人員應經(jīng)專業(yè)技術培訓和安全培訓。5水壓致裂法5.1水壓致裂法現(xiàn)場測量技術要求1)封隔器的長度宜為1m。兩個跨接式封隔器相連構(gòu)成的封隔段長度應不小于測量鉆孔孔徑的5倍；2)壓力泵的額定工作壓力宜不小于25MPa。對于深部(深度大于500m)或高應力地區(qū)，其額定工作壓力應大于35MPa。高壓泵在額定工作壓力下應保持不小于4L/min的穩(wěn)定流量；3)壓力傳感器的精度應優(yōu)于0.5%,量程范圍宜為(0~60)MPa;4)流量傳感器的量程應不小于20L/min,記錄精度優(yōu)于0.55)印模器的膠筒長度應不小于1m。采用磁羅盤定向器，記錄精度應優(yōu)于3°;6)數(shù)據(jù)記錄應采用X-Y記錄儀，宜配備數(shù)字式數(shù)據(jù)采集器。5.1.2測量設備的檢查與標定5.1.2.1連接件、鉆桿檢查與試壓及測量設備滲漏檢查在壓裂試驗之前，應對測量所用的壓力泵、壓力和流量傳感器、鉆桿及連接件進行滲漏試驗。試驗壓力應大于12MPa。合格的鉆桿應進行編號并記下長度。1)壓力傳感器使用前應采用計量檢定合格的標準壓力表校準，在預定達到的壓力范圍內(nèi)完成升壓及降壓兩個循環(huán)的標定；2)流量傳感器使用前應采用計量檢定合格的標準流量計校準，在預定流量范圍進行兩個回次的標定；3)數(shù)據(jù)采集及記錄系統(tǒng)使用前應連接壓力及流量傳感器，進行7兩次數(shù)據(jù)采集及記錄系統(tǒng)的檢查。1)鉆孔孔徑和測量深度適宜時，應優(yōu)先選用雙回路壓裂系統(tǒng)；2)應依據(jù)4.2和工程實際需求，結(jié)合鉆孔檢查結(jié)果和巖心觀察(或鉆孔井下電視測量)確定各測段深度。每個鉆孔宜不少于5個測段，或每100m不少于2個測段，在重要的深度范圍宜適當加密測段。在進行測量操作之前，應檢查測量設備、電路的連接是否正確，核對下人測量鉆孔的鉆桿編號。用一對封隔器(孔底可采用單封隔器)座封形成封隔段。座封壓力視巖體條件和地應力大小而定，初始座封壓力宜不小于6MPa。壓裂過程中應跟蹤監(jiān)測座封壓力，測量精度宜優(yōu)1)注壓：在整個測量系統(tǒng)安裝及檢查完畢后開始注壓，在注壓過程中宜保持不小于4L/min的恒定流量；2)關泵：水壓致裂過程中，依據(jù)現(xiàn)場記錄的壓力-時間曲線判斷孔壁破裂產(chǎn)生或破裂重張后即可關泵，觀測關閉壓力；3)卸壓：在每個壓裂回次完成后應完全卸壓，使壓力管路與大氣連通。1)重張時刻的判斷：壓力-時間曲線上，壓力上升速率減慢，壓力開始降低、裂縫重張時即可關泵；2)每個重張循環(huán)含注壓、關泵和卸壓三個步驟，每個循環(huán)時間宜不少于2min; 83)每個測段重張循環(huán)應不少于3次，兩個循環(huán)之間的時間間隔宜不少于1min;4)鉆孔深度超過500m時，每個循環(huán)時間、循環(huán)間隔時間、卸壓時間應延長1min。采用印模器或鉆孔電視測量破裂裂縫方位和傾角。印模器應準確安放到先前壓裂位置，使印模器膨脹的壓力應接近破裂壓力，印模器應緊貼井壁30min以上。取出印模器后應立即描下其印出的破裂印模，在印模展開圖上標注基線位置。使用鉆孔電視時，在壓裂測量前、后皆應進行觀測，拍攝測段孔壁照片。5.1.5現(xiàn)場測量記錄應包括以下內(nèi)容：——測量地點、鉆孔坐標或經(jīng)緯度、編號、方位、傾角及終孔——印模形態(tài)素描、破裂傾角及方位定向記錄；——測量中遇到的異常情況和事故。5.2水壓致裂法測量數(shù)據(jù)處理5.2.1.1關閉壓力P?的確定可根據(jù)測量曲線形態(tài)選用拐點法、單切線法、雙切線法、流量壓力法以及壓力時間的平方根法(P-t12)、低流量泵進法等。對同一鈷孔宜采用同一種確定關閉壓力P?的方法。5.2.1.2重張壓力P?的確定壓力時間曲線上明顯偏離線性關系處的壓力值可定為重張壓力P?,宜以第三次重張循環(huán)的重張壓力值為準。第一回次的峰值壓力確定為初始破裂壓力P?95.2.1.4孔隙水壓力P。的確定宜以測段處的鉆孔靜水位壓力代表其孔隙水壓力。5.2.2主應力計算垂直主應力平行于鉆孔軸時，主應力可按下式計算：注：公式(2)用于初始壓裂循環(huán)；公式(3)用于重張壓裂循環(huán)。5.3水壓致裂法原地應力測量報告內(nèi)容5.3.1任務來源，工作內(nèi)容和技術要求，測量結(jié)果的用途及測量完成情況。5.3.3測量地點描述。應詳細描述測量地點的地理位置，測點附近的地形及主要地質(zhì)構(gòu)造，測點周圍坑道、峒室布置及斷面尺寸，測點鉆孔布置及附近工程施工背景。應附圖件說明。5.3.4鉆孔孔徑測量和鉆孔檢查結(jié)果。應提供全部已取得的相關資料，包括記錄下來的不連續(xù)面的特性和鉆孔孔壁條件。5.3.5測段巖石的地質(zhì)描述。應包括巖性，膠結(jié)情況，巖心采取率。5.3.6各測段深度和封隔段長度。5.3.7測量步驟及所用設備描述，宜配以圖表和照片說明。1)用圖給出各測段流量、壓力隨時間的變化，用文字準確描述2)用表格列出各測段H、P?、P、Ps、P.的數(shù)值，最大和最小水平主應力αg、σ的大小和方向，以及由公式(4)計算得到的垂直裂方位、破裂傾角等參數(shù)。用鉆孔電視進行裂段照片及孔壁崩落段照片，照片中應標注4)應分別描述各測段測量完成情況，測量5.3.9對全部測量結(jié)果歸納總結(jié)，一個垂直鉆孔內(nèi)完成3個以上測段的測量時應給出三個主應力大小隨深度變化圖示。測量區(qū)域有25.3.10應將本次測量結(jié)果與本次測量區(qū)域內(nèi)其他途徑獲取的地應—應變計應設有溫度補償應變片；——應力(或應變)儀應采用數(shù)字式應力(變)儀；圍壓標定機額定工作壓力宜不小于60MPa;—手動油壓泵額定工作壓力宜不小于80MPa; 壓力表量程宜為(0~60)MPa,靈敏度0.2MPa;格，視套芯鉆孔的直徑大小確定(套芯鈷孔直徑應為小鉆孔直徑的 讀取傳感器各元件的電阻和儀器初始讀數(shù)及檢查絕緣狀—壓力表在使用前應采用計量檢定合格的標準壓力表校準；——定向器在使用前應采用計量檢定合格的羅盤標定定向器的測量誤差。6.1.3測量步驟及技術要求6.1.3.1測量小鉆孔造孔在測點的預定方向上打直徑為φ(75~130)mm的鉆孔到預定測段的深度后應磨平孔底，孔底應無殘留巖心；再用錐形尖鉆頭鉆一漏斗狀起導正作用深50mm的喇叭口；取小鉆頭鉆出測量小鉆孔，深度為(350~500)mm,鉆孔應為正圓形，孔壁光滑、孔位不偏斜。6.1.3.2地應力測量傳感器的安裝要求地應力測量傳感器應準確進人測量小鉆孔至預定深度并位于小鉆孔的中心。裝有觸頭的傳感器，觸頭應與孔壁緊密接觸。采用粘結(jié)劑安裝的傳感器應與孔壁膠結(jié)緊密。6.1.4套芯解除操作及要求1)鉆進準備：宜使用金剛石鉆頭，巖心管長度應大于1m,孔口應安裝鉆桿導向裝置；2)測量電纜連接：套芯鉆進前將測量電纜穿過鉆具引出鉆機，與跟蹤監(jiān)測的儀器相連；不進行跟蹤監(jiān)測的，在提出信號電纜前應3)儀器準備：在套芯鉆進前儀器應預熱15min以上至儀器讀數(shù)穩(wěn)定；4)沖水：套芯鉆進前應向鉆孔內(nèi)沖水至儀器讀數(shù)穩(wěn)定后開始鉆5)鉆進：以勻速鉆進(400~500)mm后，采出包含傳感器的完整巖心；6)數(shù)據(jù)記錄：每鉆進(10~20)mm記錄一次傳感器各元件的儀器讀數(shù)，宜采用自動記錄。應在現(xiàn)場將含有傳感器的完整巖心放人圍壓標定機中進行標定。標定最大壓力宜不低于6MPa,可視巖性及巖心情況增大標定壓力。標定宜采用升壓和降壓兩個循環(huán)，除記錄壓力為0時傳感器各元件的讀數(shù)外，壓力每變化1MPa記錄一次各元件的儀器讀數(shù)。——測量地點、鉆孔坐標或經(jīng)緯度、編號、方向、傾角及每次套芯解除深度； 6.1.7用于地應力計算的有效實測數(shù)據(jù)個數(shù)應滿足以下要求：—用于計算二維地應力的有效實測數(shù)據(jù)應不少于5個；——用于計算三維地應力的有效實測數(shù)據(jù)應不少于9個。6.2套芯解除法測量數(shù)據(jù)處理6.2.1有效數(shù)據(jù)篩選負責現(xiàn)場測量的高級技術人員應嚴格審查根據(jù)現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)繪制的儀器讀數(shù)——鉆進進尺曲線即應力解除曲線及儀器讀數(shù)—壓力標定曲線，剔除曲線異常的數(shù)據(jù)和受裂隙及其他因素干擾的不可靠數(shù)據(jù)(即無效數(shù)據(jù)),確定參與地應力計算的有效數(shù)據(jù)。6.2.2地應力計算由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)計算地應力的建議方法見附錄A。6.3套芯解除法原地應力測量報告內(nèi)容——任務來源、測點地理位置、測點附近地形和地質(zhì)構(gòu)造、工程施工背景、測點所在巷道或峒室的尺寸；—測量方法； 則量中遇到的問題、完成套芯解除次數(shù)和測量測量數(shù)據(jù)參與計算的取舍及說明，各個測點(段)原始測量數(shù)據(jù)的描述和數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。6.3.3測量結(jié)果的描述1)各個測點、孔、段的位置，鉆孔方位和傾角，巖性及解除次數(shù)，宜列表說明；2)各次解除數(shù)據(jù)列表，圖示解除及標定曲線；3)各個測段的應力計算結(jié)果，應給出6個應力分量大小及三個主應力的大小、方向和傾角。1)測量區(qū)域有2個以上測點時應給出主應力大小量級和方向范圍及規(guī)律性分析；2)應將本次測量結(jié)果與本次測量區(qū)域內(nèi)由其他途徑獲取的地應力資料進行比較，分析存在的差異和原因。(標準的附錄)套芯解除法地應力計算建議方法A1鉆孔孔徑變形計法(徑向變形元件相互交角為45°)如果進行多組測量，可進行組合計算，求出α,、o,?的平均值。用三孔交匯法測量三維地應力的觀測方程組為i——交匯測量鉆孔序號；j—變形計內(nèi)觸頭序號；Az?~A?為應力系數(shù)，具體表達如下：A?=1-(1+μ)cos2acos2(β?-b)+2(1-μ2)cos29J[1-(1+sin2a;)cos2(β?-b:)]+2(1-μ2)sin29sinasin2(βo-b)A?=1-(1+μ)cos2a,sin2sin2a;)sin2(βo-b)]-2(1-μ2)sin29sA=(1+μ)[1-2(1-μ)cos29jcos2a-μA?=-(1+μ)[cos2a?+2(1-μ)(1+sin2a)coS29jIsin2(βo-b)-4(1-μ2)sin29sinacos2(β?-b;)4(1-μ2)sin2θjcosacos2(βo-b)A?=-(1+pμ)[1-2(1-μ)coS29;]sin24(1-μ2)sin29cosasin2(β?-b;)βo—大地坐標系軸X的方位角。A2三分量壓磁應力計法(三組壓磁元件相互交角為60°)式中：α—s與σ1的夾角。當判別式大于0時，α則為s?與σ2A2.3計算三維地應力(用三孔交匯法進行測量時):式中：f?=1+2cos20;f?=-μ;A3八分量壓磁應力計法(元件相互交角為45°,斜向元件與應力計軸線夾角45°)如果得到一組徑向和斜向的測量數(shù)據(jù)(“記錄應力值”),利用最小二乘法可建立求解應力分量的正態(tài)方程組：式中：A=[a;]——方程組