水力劈裂

水力劈裂是由於水壓力的抬高在岩體或土體中引起裂縫發生與擴展的一種物理現象。水力劈裂是高壓水流或其他液體將岩體內已有的裂紋、孔隙驅動擴張、擴展、相互貫通等物理現象的統稱。水力劈裂的裂縫一般是水平向的，它們通常發生在壩頂附近，且多在相對較小的水頭作用下產生。

基本介紹

• 中文名：水力劈裂
• 外文名：hydraulic fracturing
• 性質：物理現象
• 解釋：在岩體或土體中引起裂縫發生
• 引起原因：水壓力的抬高
• 提出者：Hubbert和Willis

介紹

水力劈裂是由於水壓力的抬高在岩體或土體中引起裂縫發生與擴展的一種物理現象。水力劈裂是高壓水流或其他液體將岩體內已有的裂紋、孔隙驅動擴張、擴展、相互貫通等物理現象的統稱。

水力劈裂法自1947年由Hubbert和Willis首次提出，其將這一概念套用於石油開採業，自此，水力劈裂的理論，技術及分析方法逐漸發展起來，並且擴展到岩土工程，環境工程，建築上程和水利工程等多個領域。水力劈裂是一項有半個世紀歷史的技術，主要被用在石油和天然氣的生產上。這項技術可以使石油或天然氣自由地從岩石或土壤的空隙中流出，再由生產井帶到地表。在開採油氣時，我們希望增大油氣的產量，即要使油氣儘量多的流到井中，其方法之一是把己經存在的裂隙想辦法連線起來，使得岩體中具有更大的裂隙成為油氣的通道。這個人造的裂隙從井壁處開始，然後向外延伸，可以到達幾百英尺遠。

水力劈裂技術由美國的石油公司於年第一次用在位於的天然氣井的開採上。Kelpper1號井，位於Grant縣，是一口低產量的井，雖然它已經被酸化處理過。該井被選作第一次用水力劈裂技術處理的井，水力劈裂技術處理的效果可以和酸化處理的效果相比。自從年第一次成功利用之後，水力劈裂技術己經變成了一種標準的對石油和天然氣開採井的處理方法。

定義

國內外對於水力劈裂給出了不同的定義，這裡給出國內和國外中有代表性意義的兩個定義，大家可以從不同的角度來理解和體會水力劈裂的內在含義。

（1）1982年，黃文熙給出水力劈裂的定義，認為水力劈裂是指由於水壓力的抬高在岩體或土體中引起裂縫發生於擴展的一種物理現象。指出：“心牆中任何一點處的孔隙水壓力如果是該點處的最小主應力的有效值降低至心牆抗拉強度，心牆就會沿著這個最小主應力而產生水力劈裂”。

（2）調查Tenton壩破壞原因的獨立小組給水力劈裂下了一個定義，水力劈裂是指在高水頭壓力作用下，土體或岩體中裂縫的產生，發展並且相互貫通最終形成裂隙的過程。

原理

水力劈裂是這樣一個過程把一定流速的流體在短時間內壓入井孔，該速度太高以至於對壓入地層來講不能以徑向流的方式接受。隨著地層對水流的阻力增加，井孔中的壓力相應增加，當增加到超過了地層的破裂壓力時，井孔處的地層開裂起劈。一旦地層破裂，新裂隙形成，壓入的流體開始流入新裂隙。在大多數地層中，形成單一的、豎向的裂隙。該裂隙從井孔處向外兩個方向延伸。這些裂隙的翅膀呈“分開，通常假定在任何點任何時間在形狀上在尺寸上是一致的。在含有天然裂隙的地層中，水力劈裂的過程中可能出現多裂隙，並延伸。

物理機制認識

階段分析

Chang通過人.量實驗分析，將水力劈裂全過程分為三的階段：圓孔擴張，劈裂產生和劈裂擴展。

（1）圓孔擴張階段：是指壓力達到峰值前有較多塑性帶形成的階段。

（2）劈裂產生階段：在此階段，人多數研究致力於對劈裂破壓力的預測，並通過劈裂壓力的影響因素分析對其破壞準則進行了一些推測。

（3）裂隙擴張階段：是指壓力從峰值降低後，裂隙的進一步發展階段。

破壞機理

土的破壞準則有很多，包括廣義屈雷斯卡準則，廣義米塞斯準則，莫爾一庫倫準則，拉德一鄧肯準則，廣義雙剪應力準則，形變能破壞準則和土體拉裂破壞準則等。雖然土體的破壞準則繁多，對於水力劈裂的機理，主要有兩種觀點：拉裂破壞和剪下破壞。

（1）拉裂破壞：拉裂破壞的假設是借用固體材料中水力劈裂的破壞機理，認為當最小有效應力成為負值並且超過土體的抗拉強度時，水力劈裂產生劈裂壓力。

（2）剪下破壞：剪下破壞又稱為莫爾一庫倫破壞準則，剪下破壞的假設是認為水力劈裂是由於土受剪下破壞所致。因此，一旦土體內任一點任意平而上的剪應力達到了土的抗剪強度，該點就發生破壞。

優缺點

優點

（1）在石油工程中，利用水力劈裂法來增加含油地層中裂縫的數量和增大裂縫的開度，用來加快石油開採的速度並且增大單井田的產油量。

（2）在環境治理中，在地而以下建立滲透性反應屏障PRB中用以淨化地下水。水力劈裂所產生的裂隙空間為水化學反應提供了場所也是污染物運移的通道。

（3）能源工程中，地熱資源開發，用水力劈裂法在地下注入高壓水製造裂隙將一各井連通。然後從一些井向地下注入冷水，在地下發生熱交換後，再從另外的井中將熱水抽出。

缺點

（1）水力劈裂可能是造成許多人壩滲水和失穩的原因，如美國愛達荷州的Teton人壩和挪威的Hyttejuvet大壩的坍塌。

（2）當壓力灌漿時，水力劈裂被認為是砂土地基開裂和造成漿液的原因。

防止措施

（1）控制土石壩設計條件 由於水力劈裂機理分析可知壩中存在低應力區可導致水力劈裂的產生。 因此，設計中應努力消除不均勻沉降的因素，以避免壩內產生低應力區。

（2）控制水庫運行條件 大量資料表明，在水庫初次蓄水至最高水位，且蓄水速率較快時最容易引起土石壩水力劈裂。這是由於蓄水初期，壩體還未來得及在自重下充分固結，土體內的有效應力還不足以阻止庫水壓力的劈裂作用。另外，蓄水速率較快時，壩體中某些原先就存在的裂縫來不及癒合就被庫水壓力劈開。相反，若蓄水速率較慢，庫水能充分滲入周圍的土體就不可能形成劈縫壓力。因此，在水庫初次蓄水時，應限制蓄水速率不要太快，同時要嚴密監視土石壩的表現。

（3）優選防滲體土料 防滲體土料應避免用分散性土或易沖蝕性土，以防止水力劈裂引起的初始滲漏導致垮壩失事。

（4）在防滲體下游側設定反濾層。當水力劈裂縫形成時，下游反濾層可使防滲體免遭滲透水繼續沖刷，保證大壩安全。總之，危害土石壩安全的最主要因素是滲流破壞。水力劈裂是導致土石壩因集中滲漏而失穩的可能原因之一。只要從土石壩設計條件和水庫運行條件兩方面加以控制採取必要措施，就可保證土石壩不因水力劈裂而造成破壞。