地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 853-865
引用本文
陈群策, 孙东生, 崔建军, 秦向辉, 张重远, 孟文, 李阿伟, 杨跃辉. 雪峰山深孔水压致裂地应力测量及其意义[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 853-865.
CHEN Qunce, SUN Dongsheng, CUI Jianjun, QIN Xianghui, ZHANG Chongyuan, MENG Wen, LI Awei, YANG Yuehui. HYDRAULIC FRACTURING STRESS MEASUREMENTS IN XUEFENGSHAN DEEP BOREHOLE AND ITS SIGNIFICANCE[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 853-865.
雪峰山深孔水压致裂地应力测量及其意义
陈群策1,2 , 孙东生1,2 , 崔建军1,2 , 秦向辉1,2 , 张重远1,2 , 孟文1,2 , 李阿伟1,2 , 杨跃辉3     
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室, 北京 100081;
3. 中国地质大学工程技术学院, 北京 100083
摘要:利用最新研制的深孔水压致裂地应力测量设备在雪峰山2000 m科钻先导孔内开展了原地应力测量,在孔深170~2021 m范围内获得了16个测段的有效地应力测量数据,是国内首次利用水压致裂法获得的孔深超过2000 m深度的原地应力测量成果。测量结果表明,地应力随孔深增加而逐渐加大,对实测数据进行线性回归,得到最大和最小水平主应力随深度变化的关系分别为:SH=0.03328H+5.25408,Sh=0.0203H+4.5662,在孔深2021 m深度,其实测值分别为66.31 MPa和43.33 MPa。基于实测数据,结合钻孔成像测试和井温测试结果,对测点应力状态进行了综合分析。在170~800 m深度范围,三向主应力关系为SH > Sh > Sv,有利于逆断层活动;孔深1000~2021 m表现为SH > Sv > Sh,表明该区域深部应力结构属于走滑型。最大水平主应力方向为北西-北西西方向。基于实测地应力数据及莫尔-库伦破裂准则,对测区附近断层活动性进行了分析讨论,认为该区域断层处于稳定状态。
关键词深孔    水压致裂地应力测量    断层活动性    雪峰山    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.070     文章编号:1006-6616(2019)05-0853-13
HYDRAULIC FRACTURING STRESS MEASUREMENTS IN XUEFENGSHAN DEEP BOREHOLE AND ITS SIGNIFICANCE
CHEN Qunce1,2 , SUN Dongsheng1,2 , CUI Jianjun1,2 , QIN Xianghui1,2 , ZHANG Chongyuan1,2 , MENG Wen1,2 , LI Awei1,2 , YANG Yuehui3     
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China;
3. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: By use of the recently developed hydraulic fracturing in situ stress measurement system, valid data of 16 depth intervals at the borehole depth range of 170~2021 m in the Xuefengshan deep borehole were obtained, which are the first reported results obtained at the borehole depth deeper than 2000 m in China. The test results showed that the magnitude of the in situ stress increased with the depth of the borehole. By linear regression, the relationship of the maximum and minimum horizontal principal stresses with the depth of the test borehole respectively are SH=0.03328H+5.25408, and Sh=0.0203H+4.5662, and at the borehole depth of 2021 m, the magnitude of which are 66.31 MPa and 43.33 MPa respectively. Based on the hydraulic fracturing test data, combined with the BHTV and borehole temperature logging test results, the analysis on the stress state of the study area were carried out. In the range of 170~800 m borehole depth, the relationship of the three principal stresses are SH > Sh > Sv, which are favourable for reverse faulting; In the range of 1000~2021 m borehole depth, the relationship changes to SH > Sv > Sh, which implied that the deep stress regime of this area are strike-slip faulting. The direction of the maximum horizontal principal stress is in NW~NWW direction. According to Mohr-Coulomb criterion, the activity of the faults of the study area were discussed and the conclusion were obtained that the faults of this area are in stable state.
Key words: deep borehole    hydraulic fracturing in situ stress measurements    fault activity    Xuefengshan    
0 引言

地应力状态是地下工程建设、资源勘探开发、核废料等处置场址安全评价等相关研究领域的重要参考依据;同时,地壳表层及内部构造活动及由此导致的地质灾害均与地应力状态密切相关。因此,获取关键构造区及工程区地应力状态对于活动断裂稳定性评价、地震地质研究、工程地质问题分析等均具有重要意义。

中国地质科学院地质力学研究所于2019年3月在雪峰山2000 m科钻先导孔中成功开展了深孔水压致裂原地应力测量,在孔深170~2021 m深度范围获得了16个测段的有效测试数据。目前,雪峰山造山带区域内尚未有原地应力测量工作开展,本研究工作不仅填补了该区原地应力测量研究空白,同时测量深度是国内原地应力测量的重大突破,对于中国深部地应力测量技术的发展具有重要的意义。相关研究成果对于测区附近及周缘地区地球动力学基础研究以及深部资源勘探开发和地下重大工程建设具有重要的借鉴和指导作用。

文章首先概述了水压致裂地应力测量技术的发展现状,结合此次测量采用的仪器设备重点介绍了深孔水压致裂测量技术的最新发展;在对雪峰山深孔附近的区域地质情况以及测试钻孔条件简要介绍的基础上,对地应力现场测试过程和数据分析方法进行了论述,给出了16个测段的最大和最小水平主应力的量值及其随深度的变化特征。文章最后,以本次地应力实测结果为主要依据,按照莫尔库伦破裂准则并结合拜尔利定律,对测点附近断裂活动性进行了简要的分析和讨论。

1 深孔水压致裂地应力测量技术发展现状 1.1 国内外发展现状

水压致裂原地应力测量技术,由于其操作简便、可连续测量、无需岩石力学参数参与数据计算、测量深度大、测量结果稳定可靠等优点,在世界范围被广泛应用于地球动力学基础研究和工程勘测技术领域,取得了重要的科研成果和显著的社会和经济效益。其中,适应于深孔测量是水压致裂地应力测量方法最显著的技术优势。

目前,国际上公开报道的原地应力测量深度是在KTB超深孔中利用水压致裂地应力测量技术获得的9066 m[1]。除此以外,在深孔地应力测量领域,Haimson和Zoback等针对地壳深部应力状态以及油田注水诱发地震等相关研究,开展了多个深孔的水压致裂地应力测量,具有一定的开创性和引领性,其中具代表性的工作包括:美国科罗拉多兰吉利油田1900 m测量[2]、美国密西根盆地5105 m超深孔测量[3]、圣安德列斯断裂附近Cajon Pass科学深钻3.5 km测量[4]和KTB超深钻孔6 km测量[5]等等。在此需要特别指出的是,上述测量成果中有相当一部分采用的测试技术在严格意义上并不属于水压致裂地应力测量技术,而是石油工业领域常用的微压裂技术或X-LOT(扩展的泄漏试验)测试技术,一般只能得到最小主应力的估算值。比如:前述KTB超深钻孔先导孔9066 m、KTB超深钻孔6 km、Cajon Pass科学深钻3486 m深度的测量工作均是采用X-LOT(扩展的泄漏试验)实验方法进行,不能称之为严格的地应力测量方法。在位于密西根盆地超深孔获得的5段测量数据中,浅部3个测段(1230 m、2805 m、3660 m)均位于套管井段。最深5105 m测段属于裸孔段,并采用了跨接式封隔器,就此而言,该段测量属于传统意义上的水压致裂原地应力测量。但令人遗憾的是,该段测量仅仅获得了一个回次的数据记录,随后封隔器损坏致使本次测量未能获得完整的测量数据[3]。由此可见,尽管从理论上说水压致裂不存在测量深度的限制,但由于钻孔条件、测试技术等诸多因素的限制和影响,深度超过2000 m的地应力测量在技术上充满了挑战,获得有效测量数据的测量成果在世界范围也是屈指可数。

中国水压致裂地应力测量开始于二十世纪八十年代初,与美国、德国和日本等几个发达国家的技术水平相比还存在一定的差距。到目前为止,在国内开展1500 m以深水压致裂地应力测量的工作鲜有公开报道,这主要归因于两点:其一,中国水压致裂地应力测量起步时间较晚,相关技术储备还明显不够,在一些关键技术方面存在短板;其二,此前对于深孔地应力测量的需求较少,千米左右孔深的地应力测量能力已基本满足当时绝大部分研究和工程建设的需求。然而,随着科学技术的发展以及国家对深部资源需求的增加,亟需建立与之相适应的地球深部探测技术体系,在此背景下,深孔水压致裂地应力测量系统关键设备的研发便成为地应力测量技术领域一个关键的科学技术问题。

1.2 新型深孔水压致裂地应力测量系统

通过对关键部件的技术攻关,研发了适应于孔深3000 m以深,且快捷、高效、稳定可靠的新型深孔水压致裂测量系统(图 1)。相较于原有的测量系统,新的测量系统具有以下重要的技术特色和优势。

图 1 新型水压致裂地应力测量系统井下设备 Fig. 1 Downhole instruments of the recently developed hydraulic fracturing stress measurement system

(1) 封隔器耐高温120 ℃以上,抗高压80 MPa以上,抗差应力50 MPa以上。

(2) 封隔器结构采用国际上先进的爬杆式结构,以此提升封隔器的膨胀比,新系统封隔器的膨胀比达到120%,此外,跨接式封隔器的结构进行了明显的改进,两个封隔器之间水路连接采用刚性连接。测试段、上封隔器下端、下封隔器下端分别安装高精度压力传感器及自动数据采集和存储单元,显著提升测量结果的可靠性。

(3) 多功能推拉开关具有自动解封功能,在钻孔水位不大于400 m情况下,封隔器处于自动解封状态,无需顾虑因水位差导致封隔器膨胀无法解封的问题,水位大于400 m的特殊情况,可以采用传统方式通过转换水路的方法使封隔器解封。

(4) 多功能推拉开关对水路转换方式和水路结构进行了重要改进,使得压裂液过流能力得到大幅度提升。试验和计算表明,在泵进流量为100 L/min的情况下,摩阻基本为零,由此可显著降低摩阻造成的计算误差,提高了系统的测试精度和可靠性;更为重要的是,由于井下关键部件的过水能力得到了显著提升,使得该系统对于具有较高泥浆密度的钻孔的适应性得到了明显的提升,可最大限度避免由于泥浆阻塞管路系统而导致测量失败的问题。

(5) “无缝”式高压水路转换结构设计,保证测量过程中从“封隔器坐封位置”向“测试段压裂位置”进行水路转换时封隔器压力保持不变,以此实现单回路水压致裂测量系统压裂过程中的精准操作,显著提升深孔水压致裂应力测量的成功率和稳定性。

(6) 在多功能推拉阀中设置“坐封位置自动回复弹簧腔”,避免由于钻孔中泥浆密度较大或由于高压涌水等因素导致无法正常联通封隔器坐封水路的问题,提高测量成功率。

(7) 多功能井下推拉阀设置“紧急解封”功能,当出现意外情况导致封隔器无法卸压解封时,启用此功能强制封隔器解封,结束整个测量过程,将井下设备安全提出钻孔。

除以上改进以外,还对井下测试系统的高压密封性能、抗拉强度、安装和操作的便捷性等方面进行了优化设计,使新的测量系统较以前得到了全面的提升。目前,该测量系统已经在专用实验钻孔中得到了多次性能测试,新型测量系统及各关键部件和装置主要性能的可靠性以及深部测量能力得到了实际验证。

本项测量研究即采用该新型深孔水压致裂地应力测量系统开展。为了保证测量结果的可靠性及准确性,本次深孔地应力测量增加了井下压力传感器记录单元,并在地面高压管汇中配置了高精度流量传感器,以获得泵进流量和反排流量的监测数据。对本次测量系统主要仪器设备的性能和指标描述如下:

高压水泵:产地意大利,最大工作压力50 MPa,流量20 L/min;

地面数据采集记录系统:地质力学研究所研制,连接方式为USB2.0连接,4路模拟量输入,采集频率为20次/秒,16位分辨率;

地面压力传感器:型号DG1210,精度等级为0.1级,测量范围为0~50 MPa,温度漂移≤±0.05%FS/℃,温度补偿范围0~70 ℃;

流量计:产地日本,型号FD-Q10C,量程0~30 L/min,分辨率0.1 L/min;

井下存储压力传感器:产地加拿大,型号PPS55,测量范围为0~15000 psi,压力精度为±0.1%FS,分辨率为0.005%FS,最高工作温度180 ℃。

2 雪峰山深孔水压致裂地应力测量 2.1 区域地质背景及钻孔概况

雪峰山位于钦-杭结合带中部,是这条构造带走向由东—西向渐变为北北东—南南西向的关键部位,构造位置十分重要。雪峰山广泛出露华南前寒武纪基底和显生宙地层,是理解华南钦-杭带构造演化的一个重要的窗口[6-7](图 2)。雪峰山造山带及其邻区各构造单元主体构造样式为逆冲断层及其相关褶皱组合,表现为自南东向北西, 从晚侏罗世—早白垩世的递进逆冲作用[8]。雪峰山地区广泛分布着晚元古代至早三叠世的沉积盖层,经历了强烈的早中生代的挤压褶皱作用,并在中三叠世产生了区域性的不整合面。与此类似,在早古生代末期,雪峰山地区也存在早古生代的一期构造事件,但是此次事件在雪峰山构造影响较弱[9]

图 2 雪峰山深孔周边区域地质构造简图[12] Fig. 2 Simplified tectonic map around the Xuefengshan deep borehole[12]

雪峰山深孔位于湖南省怀化市麻阳苗族自治县境内,构造位置位于沅麻盆地向斜,是由中国地质科学院地质力学研究所在湖南省实施的一口地质调查井。其科学目标是为在雪峰山开展深孔钻探实验,为雪峰山科学钻探提供基础数据;提取0~2000 m深度的地层岩心,建立地层柱状剖面,为扬子克拉通南缘地壳演化和成矿作用背景研究提供基础地质资料;同时,提取古生界地层中烃源岩岩心,开展非常规油气资源评价。

雪峰山深孔孔口坐标为北纬27.775°,东经109.802°,终孔深度为2403.91 m。从开孔到终孔揭露的地层依次为第四系、白垩系、寒武系、震旦系、南华系。其中,孔深0~4.8 m为第四系地层,主要为表层覆土;孔深4.8~255 m为白垩系地层,上部主要为紫红色、浅紫红色中—厚层状粉砂质泥岩夹薄—中厚层状泥质粉砂岩,底部为紫红色砾岩;孔深255~1225 m为寒武系地层,自上到下主要为浅灰色—黑灰色薄—中层状灰岩夹泥质条带灰岩、泥质灰岩与粉砂质页岩、砂质页岩与硅质页岩;孔深1225~1759 m为震旦系地层,其上部主要为硅质岩,其下部主要为泥质灰岩和白云岩为主;孔深1759~2403 m为南华系地层,以浅变质含砾砂岩和板岩为主。

该孔为四开钻井结构。其第四开井段自孔深90.65 m用Φ98 mm钻头钻至2403.91 m。所有地应力测量在此井段内开展。钻孔静水位为零。

2.2 地应力测量概况及测量结果 2.2.1 地应力测量概况

按照水压致裂技术规程[10-11],首先对测量钻杆进行了高压密封检测,之后连接钻杆和井下测量设备,按照预选的测段深度,由浅到深开展测量。在孔深170~2050 m深度范围,共进行了20余个测段的测试,测试过程中有个别测段表现为明显的原生裂缝重张,或者前后几个回次重复性较差,重张压力或关闭压力忽高忽低,再有就是极个别测段未能产生岩石破裂。为避免对该孔测量结果的影响,这些测段数据不参与该孔地应力结果的计算分析。剔除上述测段数据后,本此测量共获得了16个测段的有效测量数据。现场测量记录曲线见图 3-图 5,其中图 3图 4是地面高压管汇中的压力传感器和流量传感器记录的数据,图 5是井下压力传感器记录到的测试段压力-时间曲线。

(流量记录曲线中,蓝色部分表示注入流量,红色部分表示返回流量) (depth range:170~1032 m; in the flowrate charter, blue line represents the injection and the red represents the flowback) 图 3 水压致裂地应力测量地面压力和流量记录曲线(测段深度范围:170~1032 m) Fig. 3 Ground record of pressure and flowrate of hydraulic fracturing in situ stress measurements

(流量记录曲线中,蓝色部分表示注入流量,红色部分表示返回流量) (depth range:1140~2021 m; in the flowrate charter, blue line represents the injection and the red represents the flowback) 图 4 水压致裂地应力测量地面压力和流量记录曲线(测段深度范围:1140~2021 m) Fig. 4 Ground record of pressure and flowrate of hydraulic fracturing in situ stress measurements

图 5 水压致裂地应力测量井下压力记录曲线(测段深度范围:170~2021 m) Fig. 5 Downhole pressure record of hydraulic fracturing in situ stress measurements(depth range:170~2021 m)

图 3-图 5可以看出,所获取的16个测段的测试曲线形态标准规范。除1374.00 m和1482.00 m两个测段以外,其余14个测段的记录曲线都具有明显的破裂压力,并且各重张回次重复性好,各压力参数点明确,且一致性较好,为本次测量结果的可靠性提供了重要基础和保证。

2.2.2 数据处理及地应力测量结果

理论上,地面压力传感器记录的数据加上对应测段深度的静水柱压力后,应该与井下压力传感器记录的数据完全吻合,但实际上由于系统摩阻的存在,二者之间有一定的差别。如图 6所示,以1267 m测段为例,将地面压力传感器数据加上静水柱压力后与井下压力传感器数据叠加在一起,可以看出,对应于破裂压力和重张压力,地面压力高于井下压力约2 MPa左右,但在关泵以后,由于系统内流体的流速趋近于零,相应地摩擦阻力也接近于零,所以地面和井下压力完全吻合,对应的关闭压力完全一致。由此,认为当进行深孔地应力测量时,由于管线长度较大以及压裂或重张过程中泵进流体的流速较大等原因,较大的系统摩阻导致破裂压力和重张压力的判读值大于实际值。但由于关闭压力不受此影响,因此如果按照地面压力传感器的记录数据进行计算,得到的最大水平主应力会相应减小。以1267 m测段为例,得到的最大水平主应力比实际值小2 MPa左右。基于以上分析,建议在开展深孔水压致裂地应力测量时,在测试段设置压力传感器以及数据自动采集和存储单元,并且数据计算均采用井下压力传感器的数据记录。

(红色代表地面压力,黑色为井下压力) (red line represents ground pressure, black represents downhole pressure) 图 6 雪峰山深孔1267 m测段地面与井下压力对比 Fig. 6 Comparison of downhole and ground pressure of 1267 m depth in Xuefengshan deep borehole

每个测段取第1回次的峰值作为该测段的破裂压力(Pb);重张压力(Pr)和关闭压力(Ps)均采用第3回次的数据。对于重张压力,从开始升压为起点进行线性拟合,以升压曲线明显偏离线性部分的位置对应的压力值作为该测段的重张压力;对于关闭压力,分别采用单切线法、dt/dp方法、dp/dt方法、马斯卡特非线性回归方法共四种方法进行计算[10],并取其平均值参与最小和最大水平主应力的计算。各测段的压力参数值计算结果列于表 1中。在此基础上,根据水压致裂地应力测量理论的相关计算公式计算出最大(SH)和最小(Sh)水平主应力,以及岩石的水压致裂抗张强度,如表 2所示。

表 1 雪峰山深孔水压致裂地应力测量压力参数取值结果(根据井下压力记录) Table 1 Parameter values for hydraulic fracturing stress measurements in Xuefengshan deep borehole(according to downhole pressure record)

表 2 雪峰山深孔地应力测量结果(根据井下压力传感器记录) Table 2 Results of in situ stress measurements of Xuefengshan deep borehole(according to downhole pressure record)

主应力值随深度分布规律如图 7所示,可以看出,最大和最小水平主应力的量值随着孔深的增加而呈现总体增大的趋势。在170~800 m深度范围,三向主应力关系为(SHShSv),应力结构有利于逆断层活动;在孔深1000 m以下(1374.00 m、1482 m两个测段没有明显的破裂压力,有可能是原生裂隙重张,不参与后续分析),表现为SHSvSh,表明该区域深部应力结构属于走滑型,有利于走滑断层活动。通过对测量数据进行线性拟合,分别得到最大和最小水平主应力随深度变化的关系如下:

$ {{S_{\rm{H}}} = 0.0333H + 5.2406} \ \ \ \ {\left( {{R^2} = 0.98} \right)} $ (1)
$ {{S_{\rm{h}}} = 0.0203H + 4.5662} \ \ \ \ {\left( {{R^2} = 0.99} \right)} $ (2)
图 7 雪峰山深孔地应力随孔深分布图 Fig. 7 Variations of stresses with the depth of Xuefengshan deep borehole

其中H代表孔深,m;SHSh为最大、最小水平主应力,MPa。

水平最大主应力方向根据雪峰山深孔开展的钻孔井壁超声波成像测试结果估算。通过对超声波成像测试结果分析,孔深655 m和975 m两个深度段具有明显的钻孔崩落现象,如图 8所示,图中暗红色代表崩落区域。钻孔崩落方位代表最小水平主应力方向,由此可分别计算出两个深度范围附近最大水平主应力方向分别为N45°~55°W和N60°~80°W,总体为北西—北西西方向。并且深部地应力方向较浅部有一定程度的偏转,更接近东西方向。

(图中暗色部分表示钻孔孔壁发生崩落区域。对于垂直钻孔,钻孔崩落方位一般对应于最小水平主应力方向) (In the above figures, the dark areas represent borehole breakouts. For vertical borehole, the orientation of borehole breakout corresponds to the direction of the minimum horizontal principal stress) 图 8 雪峰山深孔钻孔崩落图像 Fig. 8 Imaging of borehole break out of Xuefengshan deep borehole
3 讨论

按照库伦破坏准则,当作用于断层面上的剪切应力与正应力值之比超过断层的摩擦强度时,断层就会出现滑动。库伦破坏准则用公式表示如下:

$ \tau = \mu \left( {{S_{\rm{n}}} - {P_{\rm{o}}}} \right) $ (3)

式中,τ为断层面上的剪切应力,Sn为作用于断层面上的正应力,μ为断层面摩擦系数,通常情况下,0.6≤μ≤1.0[13-14, 17]

雪峰山深孔地应力测量结果揭示该区域深部地应力结构属于走滑型应力结构,有利于走滑断层活动。以孔深1000 m以下的地应力实测数据绘制莫尔圆,如图 9中黑色半圆所示。由此可以看出,对于每一个测段数据来说,任意方位断层面上的应力都远没有达到断层失稳的临界状态。该区域内断层处于稳定的应力环境,发生断层走滑活动的可能性不大。

(黑色曲线基于实测地应力值,蓝色曲线基于估算的上限值) (the black lines are from test data, the blue lines are from the estimated upper limit values) 图 9 基于地应力测量数据进行走滑断层活动性分析的莫尔圆 Fig. 9 Mohr circle for analysis of strike-slip faults based on the in situ stress data

上述分析的意义很大程度上取决于实测数据的可靠性,即最大和最小水平主应力的精度和可靠性。首先,关于最小水平主应力精度和可靠性,有关理论和大量的实验研究表明,水压致裂原地应力测量方法获得的应力参数中,最小水平主应力的量值和最大水平主应力的作用方向是最为可靠和准确的,这主要是因为这两种参数获取的途径最为直接,不需要其他岩石力学参数参与计算。而关于最大水平主应力的可靠性和准确度则受到了较多的质疑。日本学者T. Ito等就此问题从理论计算、数值模拟实验、以及野外现场试验多个方面进行了较深入的研究[15-18],认为水压致裂地应力测量过程中重张压力的准确计算和判读十分困难,根据压力曲线变化判读的重张压力会显著高于实际的重张压力值,从而导致最终获得的最大水平主应力低于实际值。这一偏差随着测量深度的增加会愈发显著。那么,本孔地应力测量获得的最大水平主应力量值是否会由于上述原因造成计算结果明显低于实际值,从而导致对该区域断层活动性的错误分析和判断呢?以下,文章试图通过其他信息和手段对这一问题进行一些讨论和分析。

如前所述,本孔超声波成像测试观测到了钻孔崩落现象,但没有发现任何明确的钻井诱导縫现象。钻井诱导縫和钻孔崩落一样都是在地应力作用下钻孔孔壁发生破坏的现象,只不过前者属于剪切破坏机制,后者属于拉张破坏机制。相关研究表明,钻孔孔壁出现钻井诱导缝的充分必要条件如下:

$ {S_{\rm{H}}} = 3{S_{\rm{h}}} - 2{P_{\rm{o}}} - \Delta P - {T_0} - \sigma _{\theta \theta }^{\Delta T} $ (4)

式中ΔP是测段处钻井液压力与孔隙压力的差值,孔隙压力按静水压力,泥浆密度按1.2 g/cm3计算,据此可计算出对应测段深度处的ΔP值;σθθΔT是由于钻井液冷却造成的孔壁周向拉张应力;T0是岩石的抗张强度,考虑到实际上岩石抗张强度很低,至多不过几兆帕量级,因而在讨论此问题时可以忽略不计[13],由此上式可以改写为:

$ {S_{\rm{H}}} = 3{S_{\rm{h}}} - 2{P_{\rm{o}}} - \Delta P - \sigma _{\theta \theta }^{\Delta T} $ (5)

其中,由于钻井液冷却造成的孔壁周向拉张应力由下式计算得出:

$ \sigma _{\theta \theta }^{\Delta T} = \frac{{{\alpha _t}E\Delta T}}{{1 - v}} $ (6)

其中,αt是线性热膨胀系数,取值一般介于5.0×10-6~1.2×10-5(℃-1),此次计算取其中间值为8.5×10-6(℃-1);E为静态杨氏模量;ΔT为钻井冷却液导致的温度变化,按相应测段井温与地面温度的差值取值;v为泊松比。

在本次地应力测量之后,雪峰山深孔开展了高精度井温测量。井温实测曲线及拟合曲线如图 10所示。从中可以看出,该孔井温较高,井温梯度每百米超过2 ℃,孔深2000 m深度井温接近65 ℃。按照相关理论和工程实践经验[13],在这样的井温下进行钻进,由于冷却液的作用造成井下热应力的变化和影响在应力场分析过程中应当作为重要因素予以考虑。

图 10 雪峰山深孔井温随孔深分布图 Fig. 10 Variation of well temperature of Xuefengshan borehole

超声波成像至1245 m深度未发现明确的钻井诱导缝,表明在此深度范围最大水平主应力还未达到足以产生诱导缝的量值。基于孔深1032 m、1140 m、1175 m、1267 m这四个测段的实测最小水平主应力值,利用公式(5)对最大水平主应力的上限进行限定性估算。参照有关泥页岩的统计数据[19],静态杨氏模量取值为3×104 MPa,泊松比取值为0.25。其他相关参数和计算结果如表 3所示。

表 3 对最大水平主应力上限值估算结果及参与计算的相关参数 Table 3 Results of the estimated upper limit of the maximum horizontal principal stress and related parameters

结果表明,深度在1032~1267 m之间的4个测段的最大水平主应力上限的估算值在46.04~60.17 MPa之间,与对应测段实测值相比一般高出7~8 MPa,最大差值不超过10 MPa。据此,对于孔深1000 m以下7个测段的最大水平主应力,在实测值的基础上都分别加上10 MPa,作为其最大水平主应力的上限值。按照前述的方法,重新绘制莫尔圆于图 9中,如图中蓝色莫尔圆所示,可以看出每个测段的应力莫尔圆距剪切破坏的临界值都有较大的差距,换言之,即使按照估算的最大水平主应力的上限值进行计算分析,该区域的断层也处于稳定的应力环境。

4 结论

利用新型深孔水压致裂原地应力测量系统,在雪峰山深孔170~2021 m深度范围取得了宝贵的深部地应力实测数据,对于雪峰山地区地学基础研究以及深部资源勘探开发具有重要的意义和作用。同时,该项成果也标志着中国深部水压致裂地应力测量技术的阶段性进步。本研究主要认识和结论如下。

(1) 测量结果表明,地应力随孔深增加而逐渐加大。对实测数据进行线性回归,得到最大和最小大水平主应力随深度变化的关系分别为:SH=0.03328H+5.25408, Sh=0.0203H+4.5662,在孔深2021 m深度,其实测值分别为66.31 MPa和43.33 MPa。

(2) 在孔深170~800 m深度范围,三向主应力关系为SHShSv,有利于逆断层活动;孔深1000~2021 m表现为SHSvSh,表明该区域深部应力结构属于走滑型。

(3) 根据该孔超声波成像测量结果观测到的钻孔崩落现象,最大水平主应力方向为北西—北西西方向。

(4) 井下压力传感器和地面压力传感器纪录的数据对比表明,在开展深孔测量时,有必要安装井下压力传感器,以降低由于摩阻带来的对重张压力的读数误差,从而降低最大水平主应力的计算结果误差。

(5) 从应力强度等方面分析,在现今地应力状态下,雪峰山深孔附近断层未达到临界活动状态,相对较稳定。

值此李四光先生诞辰130周年之际,在《地质力学学报》发表本文成果,向地质力学理论的创建者、中国地应力测量技术与应用研究的倡导者和先驱——李四光先生表达我们深深的敬意!

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