[科普中国]-水力劈裂

简介

水力劈裂是由于水压力的抬高在岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。水力劈裂是高压水流或其他液体将岩体内已有的裂纹、孔隙驱动扩张、扩展、相互贯通等物理现象的统称。

水力劈裂法自1947年由Hubbert和Willis首次提出，其将这一概念应用于石油开采业，自此，水力劈裂的理论，技术及分析方法逐渐发展起来，并且扩展到岩土工程，环境工程，建筑上程和水利工程等多个领域。水力劈裂是一项有半个世纪历史的技术，主要被用在石油和天然气的生产上。这项技术可以使石油或天然气自由地从岩石或土壤的空隙中流出，再由生产井带到地表。在开采油气时，我们希望增大油气的产量，即要使油气尽量多的流到井中，其方法之一是把己经存在的裂隙想办法连接起来，使得岩体中具有更大的裂隙成为油气的通道。这个人造的裂隙从井壁处开始，然后向外延伸，可以到达几百英尺远。

水力劈裂技术由美国的石油公司于年第一次用在位于的天然气井的开采上。Kelpper1号井，位于Grant县，是一口低产量的井，虽然它已经被酸化处理过。该井被选作第一次用水力劈裂技术处理的井，水力劈裂技术处理的效果可以和酸化处理的效果相比。自从年第一次成功利用之后，水力劈裂技术己经变成了一种标准的对石油和天然气开采井的处理方法。

定义国内外对于水力劈裂给出了不同的定义，这里给出国内和国外中有代表性意义的两个定义，大家可以从不同的角度来理解和体会水力劈裂的内在含义。

（1）1982年，黄文熙给出水力劈裂的定义，认为水力劈裂是指由于水压力的抬高在岩体或土体中引起裂缝发生于扩展的一种物理现象。指出：“心墙中任何一点处的孔隙水压力如果是该点处的最小主应力的有效值降低至心墙抗拉强度，心墙就会沿着这个最小主应力而产生水力劈裂”。

（2）调查Tenton坝破坏原因的独立小组给水力劈裂下了一个定义，水力劈裂是指在高水头压力作用下，土体或岩体中裂缝的产生，发展并且相互贯通最终形成裂隙的过程。

原理水力劈裂是这样一个过程把一定流速的流体在短时间内压入井孔，该速度太高以至于对压入地层来讲不能以径向流的方式接受。随着地层对水流的阻力增加，井孔中的压力相应增加，当增加到超过了地层的破裂压力时，井孔处的地层开裂起劈。一旦地层破裂，新裂隙形成，压入的流体开始流入新裂隙。在大多数地层中，形成单一的、竖向的裂隙。该裂隙从井孔处向外两个方向延伸。这些裂隙的翅膀呈“分开，通常假定在任何点任何时间在形状上在尺寸上是一致的。在含有天然裂隙的地层中，水力劈裂的过程中可能出现多裂隙，并延伸1。

对水力劈裂过程的基本物理机制的认识水力劈裂的阶段分析Chang通过人.量实验分析，将水力劈裂全过程分为三的阶段：圆孔扩张，劈裂产生和劈裂扩展。

（1）圆孔扩张阶段：是指压力达到峰值前有较多塑性带形成的阶段。

（2）劈裂产生阶段：在此阶段，人多数研究致力于对劈裂破压力的预测，并通过劈裂压力的影响因素分析对其破坏准则进行了一些推测。

（3）裂隙扩张阶段：是指压力从峰值降低后，裂隙的进一步发展阶段。

水力劈裂的破坏机理土的破坏准则有很多，包括广义屈雷斯卡准则，广义米塞斯准则，莫尔一库伦准则，拉德一邓肯准则，广义双剪应力准则，形变能破坏准则和土体拉裂破坏准则等。虽然土体的破坏准则繁多，对于水力劈裂的机理，主要有两种观点：拉裂破坏和剪切破坏。

（1）拉裂破坏：拉裂破坏的假设是借用固体材料中水力劈裂的破坏机理，认为当最小有效应力成为负值并且超过土体的抗拉强度时，水力劈裂产生劈裂压力。

（2）剪切破坏：剪切破坏又称为莫尔一库伦破坏准则，剪切破坏的假设是认为水力劈裂是由于土受剪切破坏所致。因此，一旦土体内任一点任意平而上的剪应力达到了土的抗剪强度，该点就发生破坏。

水力劈裂的优缺点及特点优点（1）在石油工程中，利用水力劈裂法来增加含油地层中裂缝的数量和增大裂缝的开度，用来加快石油开采的速度并且增大单井田的产油量。

（2）在环境治理中，在地而以下建立渗透性反应屏障PRB中用以净化地下水。水力劈裂所产生的裂隙空间为水化学反应提供了场所也是污染物运移的通道。

（3）能源工程中，地热资源开发，用水力劈裂法在地下注入高压水制造裂隙将一各井连通。然后从一些井向地下注入冷水，在地下发生热交换后，再从另外的井中将热水抽出。

缺点（1）水力劈裂可能是造成许多人坝渗水和失稳的原因，如美国爱达荷州的Teton人坝和挪威的Hyttejuvet大坝的坍塌。

（2）当压力灌浆时，水力劈裂被认为是砂土地基开裂和造成浆液的原因。

防止措施（1）控制土石坝设计条件 由于水力劈裂机理分析可知坝中存在低应力区可导致水力劈裂的产生。 因此，设计中应努力消除不均匀沉降的因素，以避免坝内产生低应力区。

（2）控制水库运行条件 大量资料表明，在水库初次蓄水至最高水位，且蓄水速率较快时最容易引起土石坝水力劈裂。这是由于蓄水初期，坝体还未来得及在自重下充分固结，土体内的有效应力还不足以阻止库水压力的劈裂作用。另外，蓄水速率较快时，坝体中某些原先就存在的裂缝来不及愈合就被库水压力劈开。相反，若蓄水速率较慢，库水能充分渗入周围的土体就不可能形成劈缝压力。因此，在水库初次蓄水时，应限制蓄水速率不要太快，同时要严密监视土石坝的表现。

（3）优选防渗体土料 防渗体土料应避免用分散性土或易冲蚀性土，以防止水力劈裂引起的初始渗漏导致垮坝失事。

（4）在防渗体下游侧设置反滤层。当水力劈裂缝形成时，下游反滤层可使防渗体免遭渗透水继续冲刷，保证大坝安全。总之，危害土石坝安全的最主要因素是渗流破坏。水力劈裂是导致土石坝因集中渗漏而失稳的可能原因之一。只要从土石坝设计条件和水库运行条件两方面加以控制采取必要措施，就可保证土石坝不因水力劈裂而造成破坏。