应力测量中的水压致裂法又称微型水压致裂法, 微型是相对于油田压裂而言。在水压致裂技术提出之前, 科学家们主要使用应力解除法来测定原地应力, 包括平面应力解除法、钻孔套芯应力解除法、扁千斤顶法 (平面应变恢复法) 等。Hubbert和Willis于1957年提出井孔液体压裂所产生的裂缝与岩体中所赋存的应力状态密切相关, 并指出岩体压力并非处于静水压力状态。Scheidgger (1962) 是__位利用油井孔底压力曲线分析地壳应力的科学家。Fairhurst (1964) 是__位提出利用水压致裂技术来测量原地应力的科学家, 并指出了水压致裂技术的诸多优点。Haimson和Fairhurst (1967) 指出井壁上产生的裂缝与以下三个因素有关, (1) 地壳应力, (2) 水压致裂的液体压力与孔隙水压力之间的差应力; (3) 岩体渗透的径向流量, 这些理论分析奠定了经典水压致裂测试技术的理论基础。Haimson (1968) 在其博士论文中对水压致裂原地应力测试技术从实验和理论两个方面进行了全面分析和完善。以上这些重要工作为将水压致裂原地应力测试技术应用于工程实践奠定了理论和实验基础。真正意义的应力测量工程实践是由Von Schonfeldt和Fairhurst (1970) 领导的研究组在明尼苏达州的一个地下花岗岩岩体中展开的;随后, 在Rangely油田也开展了类似的应力测量和研究工作 (Haimson, 1973;Raleigh et al., 1976) 。从此, 水压致裂应力测量正式进入工程实践领域。于1981年, 加利福尼亚Monterey市召开了____次水压致裂应力测量研讨会, 水压致裂原地应力测试技术和方法逐渐被__各行各业的科学家所认同。1987年和2003年, 国际岩石力学学会都把水压致裂原地应力测量方法作为一种主要的应力测试或者估算方法来推荐, 也奠定了水压致裂原地应力测量技术作为应力测试方法的重要地位。水压致裂的基本原理是利用一对封隔器在钻孔中隔离出一段试验段, 然后用高压流体将试验段岩体压裂, 产生竖直缝, 同时记录压力-时间曲线, 通过曲线来判断液体压力和原地应力的平衡点, 进而得到原地应力状态。

1980年10月, 由李方全教授领导的研究组在河北易县首次成功地进行了水压致裂法地应力测量 (李方全等, 1986) , 随后中国地震局地壳应力研究所研制成功轻便型水压致裂测量设备 (谢富仁等, 2003) 。水压致裂测试技术开展在中国的各行各业得到广泛的应用推广。Kuriyagawa和Kobayashi (1989) 提出利用三个近似正交的钻孔开展水压致裂测试工作, 可以计算测试区域的全应力张量;随后刘允芳 (1991) 将该方法介绍到中国, 郭启良等 (2004) 则将该项测试技术推广到了地下工程领域。

水压致裂法测地应力的优点非常明显, 对测试设备和测试环境的要求相对较低, 测试过程简便迅速, 数据处理分析也简便易行。但是水压致裂法也存在很多的问题, 首先是最大水平主应力S_H的计算受到较多因素的影响, 如Ito (1999) 等曾指出测试系统柔性对P_r的选取影响明显, 进而会影响S_H的计算;其次是在深孔测量时, 一般系统柔性较大, 而且岩体的渗透性也会对测试过程产生较大影响, 同时深孔测量对水压致裂测试的井下设备提出了更高的要求。针对水压致裂测试系统的种种问题, Ito (2010) 提出了BABHY测试系统, 但是如何推广这种测试系统, 仍然是工程师和科学家们所需面临的问题。

三 (多) 孔交汇三维水压致裂法在实际测量中仍然有很大的限制。 (1) 在节理化程度较高的岩体中, 此方法很难准确得到钻孔中的次主应力σ'_A和σ'_B; (2) 多孔交汇三维水压致裂法在高差应力的岩体中具有很好的适用性, 然而在地应力状态相对均一的地区, 岩壁破裂方向具有一定的随机性, 很难得到沿最大次主应力方向延伸的裂缝; (3) 由于非垂直孔钻孔方向很难与某一主应力的方向平行, 测量过程岩壁上将存在剪切应力, 因此在非垂直孔套用经典水压致裂测量公式所确定次主应力σ'_A和σ'_B需要修正, 且直接将破裂方向认为是最大次主应力也是不稳妥的。

如前面所述, 传统水压致裂测试中由于压裂液渗透的问题会对原地应力测量中的破裂压力发生影响。为了解决这一问题, Stephasson (1983b, c) 提出了套筒压裂法, 套筒压裂使用旁压仪的高容量薄膜对围压施加压力, 当施加的压力超过岩石的抗拉强度, 孔壁围岩上就会产生竖直裂缝, 并且沿着垂直于最小水平主应力的方向传播。由于没有液体渗透进入孔壁围岩岩体, 故可以直接通过破裂压力和重张压力获得原地最大最小水平主应力。Stephasson所提出的理论和设想实际是Hustrulid和Hustrulid (1975) 所提出的柔性CSM旁压仪器的一个拓展。随后不久Ljunggren和Stephasson (1986) 研发了刚性旁压系统。在套筒压裂测试中, 水平应力量值通过记录的压力—容积曲线确定, 应力方向通过缠绕在套筒表面的黑色乙烯基电绝缘带表面的裂缝印痕确定。套筒压裂提出后, 随后还出现了一些其它类似的套筒压裂技术, 例如Serata和Kikuchi (1986) 和Serata等 (1992) 提出的双裂缝套筒压裂技术;以及Amadei等 (1994) 研发的ROCTEST系统;Li等 (2005) 所研发的千斤顶压裂系统。所有的这些套筒压裂技术都具备一个公认的优点, 就是压裂过程中没有液体进入岩体, 只要准确确定了破裂压力和重张压力, 就可以得到岩体的抗拉强度, 故得到的应力量值相对更为准确, 同时由于压裂是通过压力膜或者其它压力顶加压, 所以形成的裂纹一般为竖直裂缝, 而且形状和长度可控。套筒压裂法的缺点也较为明显, 非常难确定加压过程中的破裂压力和重张压力, 而一些能准确确定破裂压力和重张压力的设备又非常复杂, 在井下应用困难, 这些缺点大大制约了套筒压裂技术的推广使用。

原生裂隙水压致裂法是利用一对封隔器在钻孔中隔离出一条闭合原生裂隙, 利用高压流体将闭合原生裂隙张开, 通过压力-时间曲线可以得到作用在裂隙面上的法向应力, 完成在至少6个走向和倾角完全不同的闭合原生裂隙上的测试, 就可以求解测试点的全应力张量值。Cornet (1984, 1986) 首次提出了利用钻孔所揭露的原生裂隙开展水压致裂测量来计算全应力张量的HTPF法。刘允芳 (1999) 则率先在国内将相似方法应用于工程实践。在国内原生裂隙水压致裂法测试方面, 李方全 (1986) , 刘允芳 (2000) , 陈群策 (1998) 等学者都进行了实践, 并取得了一些研究成果。Cornet (1997) , 刘亚群 (2007) , 景锋 (2009) 等提出使用HTPF法时, 当原生裂隙间垂直距离超过50m时, 需要考虑应力梯度对其的影响。

原生裂隙水压致裂法 (HTPF) 优点很明显, 测试过程只需要测试作用在闭合裂隙面上的法向应力和裂隙面方位角, 不需要测试其它岩石力学参数, 方法原理假设很少, 测试过程和测试参数可靠。同时HTPF法中, 仅有精度较高的关闭压力P_s参与计算, 测量精度提高。HTPF法在实际计算中, 由于测量过程中存在误差, 仅以6段原生裂隙进行计算, 有可能造成计算机计算无法收敛, 所得到的各应力量值与实际值之间存在很大差距。在此, Cornet建议最少选用7段原生裂隙数据进行计算, 选用8~9段各参数不同的原生裂隙数据计算, 得到的结果可靠性较高。然而HTPF法测量过程较经典水压致裂法复杂许多, 测量过程中需要对每条裂隙进行精确定位, 且对原生裂隙的赋存状态要求很高。在同一个钻孔内寻找不同产状的原生裂隙难度非常高, 根据王成虎等 (2006) 的钻孔电视测试结果可知, 同一钻孔所揭露的原生裂隙产状均趋于优势方位。原生裂隙附近可能存在其他裂隙, 对原生裂隙的封隔加压很难保证将该裂隙独立分隔开来;同时保证测量过程中没有液体渗入裂隙内亦很困难。

刘允芳 (2006) 进一步改良了原生裂隙水压致裂法, 在原有基础上, 提出裂隙重新张开时, 裂隙面上剪应力应为0, 那么每进行一段原生裂隙水压致裂测试, 可获得3个观测值方程。只要在两个或两个以上不同产状的原生裂隙段上进行重张试验, 即可确定三维地应力状态。仅以2段原生裂隙数据进行计算很难得到理想的数据, 在此笔者建议利用4~5段原生裂隙数据进行计算较为妥当。

通过近些年的理论发展, HTPF法对裂隙赋存条件的依赖程度大大降低, 由最开始需要至少6条原生裂隙到现在只需要2条原生裂隙就可以计算出三维应力状态。但是HTPF法在不断改良的过程中, 也加入了一些新的假设, 其测量精度还有待实践的进一步考验。

套芯应力解除法的基本原理和__节提到的基于岩芯的方法有些类似, 通过监测岩芯从母岩解除下来过程中的应变和变形, 进而反演原地应力场。钻孔套芯应力解除法是基于平面应变解除法发展起来的, 1958年Hast__次公布了他于1952~1953年期间在瑞典拉依斯瓦尔 (Laiswall) 铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区利用压磁电感法地应力测量仪所得的钻孔应力测量结果, 引起了人们的震惊。从Hast 1958年公布其研究成果后, 世界各国都大力研制和发展钻孔应力测量技术。根据测量元件安装和测量的物理量不同, 套芯应力解除测量法又可分为钻孔孔壁应变测量法、钻孔孔底应变测量法和钻孔孔径变形测量法三种 (蔡美峰, 2001;刘允芳, 2000) , 分别通过监测解除过程中孔壁应变、孔底应变和孔径变形来计算原地应力场。钻孔孔壁应变测量仪器包括瑞典国家电力局研制的Borre三轴孔壁应变计、澳大利亚联邦科学和工业研究组织 (CSIRO) HI空心包体应变计 (Sj¨oberg and Klasson, 2003) , 国内有长江科学院研制的新型空心包体式钻孔三向应变计和地质力学研究所研究的KX2000型空心包体式钻孔三向应变计 (蔡美峰, 2001) ;近年来葛修润和侯明勋 (2011) 提出了钻孔局部壁面应力解除法和井下机器人并在部分重大工程中实现了应用;钻孔孔底应变测量仪器包括南非Leeman研制的“CSIR门塞式”孔底应变计和日本Sugawara等研制的16个应变片半球形孔底应变计———CCBO孔底应变计, 这种测量仪器在国内目前很少使用 (Sugawara et al., 1999) ;钻孔孔径变形测量法仪器包括美国Obert研制的USBM钻孔孔径变形计 (Sj¨oberg et al., 2003) 、南非科学与工业研究委员会 (CSIR) 还研制出了Mark1和Mark2两种型号的孔径变形计, 以及Hast研制的压磁孔径应变仪, 国内有地质力学研究所和地壳应力研究所联合研制的YG-73型压磁地应力计, 以及分别研制的YG-2000型压磁地应力计、YG-81型压磁地应力计和YG-95型压磁地应力计 (王连捷等, 1991;李立球等, 1994;丁旭初等, 1994;李文等, 1994;王建军等, 1994;李立球等, 1996;王建军, 1999) 。这些测量仪器各有优势, 也各有缺陷。一般来说, 孔径变形仪只能测量平面应力状态;而孔底应变仪和孔壁应变仪则能单孔测试全应力张量, 使用相对较为方便;孔底应变仪测量操作相对孔壁应变仪困难些, 因此到目前为止, 空心包体式孔壁应变仪使用相对更为广泛。套芯解除法最大的缺陷是测试过程相对其它方法较为复杂, 测试成功受到的影响因素较多, 故对现场测试的要求较多。同时需要注意的是套芯应力解除所反应的是应变计周边的岩石应力状态, 故其测试数据所代表的岩石体量较小。Chandler (1993) 建议采用多次测量, 同心钻进套芯, 并增大套芯直径来降低实测应力值对岩石中微小结构物 (矿物含量, 晶粒尺寸、微裂隙) 的敏感性。目前国内利用套芯解除测试法开展的最大深度为308米 (刘允芳, 2000) , 而国外利用Borre应变仪测试的最大深度达千米 (Zang and Stephasson, 2010) 。

每个钻孔都相当于在地壳岩体上开展的一次岩石力学实验, 因此钻孔孔壁对造孔取芯的响应深刻反映了原位的应力状态和岩体属性特征。由于地壳岩体中的应力状态不是均一的, 当钻孔成形后, 在钻孔孔壁形成应力集中, 在最小主应力方向上为压应力集中最强的点, 而在最大主应力方向上易形成张应力集中点。当压应力集中强度超过孔壁岩石强度, 孔壁开始发生破坏, 当孔壁周边的二次应力状态再次达到平衡后, 钻孔孔壁的破坏停止, 这就形成了新的钻孔形态, 这种现象称之为钻孔崩落 (Zoback, 2007;Zang and Stephasson, 2010) 。一般钻孔崩落的长轴方向为最小水平主应力方向, 地应力量值可以通过钻孔崩落破坏区角度范围结合孔壁围岩强度属性的研究参数进行估算。Leeman (1964) 曾利用钻孔崩落方法来确定应力状态。Bell和Gough (1979) 指出由于钻孔孔壁存在放大的应力差, 因而产生剪切破裂, 进而导致钻孔截面沿特定方向延伸。Plumb和Hickman (1985) 强调应区分实际钻孔崩落现象和其他形式的井孔截面扩大现象, 如钻井液冲刷扩孔和键槽位扩张等。目前已经被广泛认同的是井孔孔壁存在的过量应力是钻孔崩落的主要原因, Zoback等 (1985) 认为崩落区是由于剪切破坏 (II型裂缝) 而形成, 但是Zheng等 (1989) 认为崩落区是由于张性破坏 (I型裂缝) 而形成。Rutqvist等 (1990) 使用一种破坏模式来模拟钻孔崩落启动和向岩体内部扩展的过程, 崩落扩展方向与S_h方向平行。Haimson和Lee (1995) 在实验室内利用Lac du Bonnet花岗岩在与现场状况相似的应力加载路径条件下在实验岩样上钻孔来模拟钻孔崩落现象, 他们发现张性破裂是钻孔崩落起始的基本机理, 随后伴有逐步的岩石薄片脱落, 最终在钻孔崩落区周边形成V形截面。钻孔崩落分析已经成为大陆钻探计划中的一项常规工作, 例如在美国Cajon Pass深钻计划、德国KTB科学深钻计划都有钻孔崩落分析的研究工作 (Baumg¨artner et al., 1993) 。现在, 钻孔崩落分析通常结合同一钻探场地的水压致裂应力测试结果一同分析解释 (Galera, 2006) 。钻孔崩落分析作为综合应力估算策略中的其中一部分工作来开展。

井孔内的钻孔崩落现象可以通过光学 (照相机) , 机械式测井仪 (井径仪) , 超声波测井仪 (钻孔电视) 或者电阻测井仪 (地层微扫描器, 简称FMS) 观测。超声波钻孔电视 (BHTV) 能够提供井孔壁连续且定向的超声波图像 (Zemanek et al., 1970) 。当测井工具沿钻孔逐步上移时, BHTV能按照螺旋线的方式以细窄的脉冲式超声波射束扫描钻孔壁。高级设备如FMS (斯伦贝谢) 能够产出高精度的钻孔壁电阻率图像, 这种测井图像可以用于确定水压致裂裂缝、钻井诱发张裂缝和钻孔崩落方位。钻孔崩落可以帮助准确确定区域应力场方向, 但是对于应力量值, 需要针对钻孔围岩的强度、围岩的破裂条件进行相关测定和假设, 进而限定应力量值的范围。钻孔崩落的应用依赖于该现象是否出现, 一般在深度超过1000m的钻孔中, 可以考虑采用该种方法, 浅孔 (<1000m) 中该现象一般不会出现。

如前面所述, 如果钻孔孔壁形成张应力集中或者钻井液压力过大, 就会在钻孔孔壁上产生张裂缝。孔壁诱发裂缝走向一般与最大水平主应力方向一致, 孔壁诱发张裂缝的基本原理与前面提到的水压致裂法类似。一般情况下, 钻孔孔壁出现诱发张裂缝意味着 (1) S_h是最小主应力; (2) 水平主应力S_Hmax与S_hmin之间的差值很大 (Zoback, 2007) 。有时候钻孔孔壁张裂缝也与高泥浆密度和钻孔孔壁冷却有关。地应力量值估算则需要结合钻井液参数、孔壁围岩强度属性的参数进行估算。孔壁诱发裂缝现象一般可在高应力区和深孔中观察到, 孔壁诱发张裂缝一般均限制在距离井壁很近的范围内, 穿透深度一般为几毫米或者几厘米 (Brudy和Zoback, 1999) , 可以利用前面所述图像测井技术 (BHTV、FMS) 以及一些其它精度较高的地球物理测井技术进行观测。井孔孔壁张裂缝的优缺点与钻孔崩落类似, 属于一种现象分析的方法。

当钻孔孔壁的应力集中不足以导致岩壁破坏时, 钻孔孔壁会产生一定程度的变形, 钻孔变形是一种非常常见的现象, 特别是超过特定深度后 (>100m) 。由于各种测试条件、要求和精度的问题, 很多情况下, 我们无法测试这一变形值。如果钻孔孔壁光滑规则, 通过高精度的仪器还是能观测到钻孔变形程度, 钻孔的长轴方向为最小水平主应力方向, 短轴方向为最大水平主应力方向。而Zoback (2007) 曾指出任何一个钻孔都可以看作我们在地壳岩体中开展的一次岩石力学实验, 那么观察钻孔成型后钻孔围岩的响应特征将是这一实验的必要措施, 故这种方法也是未来岩石应力测试的一个发展方向。Halliburton公司曾开发了THE (Total Halliburton Extensometer) 设备来观测钻孔压裂期间钻孔变形情况, 进而得到钻孔压裂期间的裂缝方位和孔壁位移情况, 该设备包括一个或者两个封隔器和两套六臂线性测径仪 (Mc Mechan et al., 1992;Kuhlman et al., 1993) 。Obara等提出了 (2004, 2010) CBDM (Cross-sectional Borehole Deformation Method) 法来测定应力, 并指出这种方法不仅可以测量初始原地应力也可以测量原地应力的绝对变化。Obara等 (2004, 2010) 研发出高精度的光学井下测试仪器来测定钻孔横截面变形, 并用其估算原地应力值方向和量值。钻孔变形法目前仍在研发中, 未来的推广应用情况仍然有待检验。目前能想到的该方法的问题包括: (1) 钻孔孔壁岩石的蠕变变形; (2) 在测试过程中消除由于钻探原因所造成的钻孔扩径现象; (3) 如何将实验室岩石力学实验数据与钻孔孔壁的岩体数据建立联系?

钻孔渗漏实验测试地应力原理与微型水压致裂测试法原理相同, 但是该方法主要在油田上使用较为广泛, 通过渗漏实验的压力—时间曲线估算最小水平主应力 (Zoback, 2007) 。