水压致裂法是一种绝对地应力测量方法。水压致裂法在20世纪50年代被广泛应用于油田，通过在钻井中制造人工的裂隙来提高石油的产量。M.K.哈伯特和D.G.威利斯在实践中发现了水压致裂裂隙和原岩应力之间的关系。这一发现又被C.费尔赫斯特和B.C.海姆森用于地应力测量。

从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场（σ₁、σ₂）的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为：

…(1)

…(2)

式中σ_θ和σr分别为钻孔周边的切向应力和径向应力；θ为周边一点与σ₁轴的夹角。由式（1）可知，当θ＝0°时，σ_θ取得极小值，此时：

…(3)

如果采用图1所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注人高压水，当水压超过切向应力极小值和岩石抗拉强度T之和后，在θ＝0°处，也即σ₁所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为P_i，则有：

…(4)

式（4）中T为抗拉强度。如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为P_s，P_s应和原岩应力σ₂相平衡，即：

…(5)

由式（4）和（5），只要测出岩石抗拉强度T，即可由P_i和P_s求出σ₁和σ₂。在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为P₀，则式（4）变为

…(6)

根据式（5）和式（6）求σ₁和σ₂，需要知道封隔段岩石的抗拉强度，但抗拉强度往往难以获得。为了克服这一困难，在水压致裂试验中增加一个环节，即在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为P_r，则有

…(7)

这样，由式（5）和式（7）求σ₁和σ₂就无须知道岩石的抗拉强度。因此，由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定。

图1  水压致裂应力测量原理

水压致裂法的测量步骤为：①打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用气体。②向两个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力P_i；然后继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高压水系统，保持水压恒定；此时的应力称为关闭压力，记为P_s；最后卸压，使裂隙闭合。给封隔器加压和给封闭段注射高压水可共用一个液压回路。一般情况下，利用钻杆作为液压通道。先给封隔器加压，然后关闭封隔器进口，经过转换开关；将管路接通至给钻孔密封段加压。也可采用双回路，即给封隔器加压和水压致裂的回路是相互独立的，水压致裂的液压通道是钻杆，而封隔器加压通道为高压软管。在整个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图，使用适当的方法从压力-时间曲线图可以确定P_i、P_s值；从流量-时间曲线图可以判断裂隙扩展的深度。③重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力P_r和随后的恒定关闭压力P_s。这种卸压-重新加压的过程重复2～3次，以提高测试数据的准确性。P_r和P_s同样由压力-时间曲线和流量-时间曲线确定。④将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。⑤测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小。测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。前3种方法代价昂贵，操作复杂，使用印模器则比较简便，实用。印模器的结构和形状与封隔器相似，在其外面包裹一层可塑性橡皮或类似材料，将印模器连同加压管路一起送入井下的水压致裂部位，然后将印模加压膨胀，以便使钻孔上的所有节理裂隙均印在印模器上。此印痕可保持足够时间，以便提至井上后记录下来。印模器装有定向系统，以确定裂隙的方位。在一般情况下，水压致裂裂隙为一组径向相对的纵向裂隙，很容易辨认出来。

图2  水压致裂应力测量系统示意图

图3  水压致裂法试验压力-时间、流量-时间曲线图