昌黎地區(qū)深孔水壓致裂地應力測量及其應力狀態(tài)研究

李 影，李艷峰，王少軼

(中國地質(zhì)調(diào)查局 天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

昌黎地區(qū)深孔水壓致裂地應力測量及其應力狀態(tài)研究

李 影，李艷峰，王少軼

(中國地質(zhì)調(diào)查局 天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

河北東部昌黎地區(qū)在單元劃分上處于燕山塊陷與冀渤塊陷接合部位，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構造復雜。為了掌握該區(qū)域現(xiàn)今應力場分布規(guī)律，采用深孔水壓致裂技術開展了鉆孔原位地應力測量工作，并獲得了該區(qū)首個鉆孔地層中17個測段的應力狀態(tài)。測量結果表明：該地最大水平主應力與垂直主應力平均比值為1.47，反映出區(qū)域地應力場以水平應力為主導的特點；最大水平主應力為4.04～13.95 MPa，方向NEE，與新構造活動及現(xiàn)代震源機制所反映的區(qū)域構造應力場方向一致。測量結果可為區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價提供科學的依據(jù)。

水壓致裂技術；原位地應力測量；應力場

0 前 言

地應力是在地質(zhì)歷史時期形成于地層巖石中的天然應力，也是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路等各種地下或露天巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力[1-2]。地應力狀態(tài)對區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價、油田油井的穩(wěn)定性、地球動力學的研究具有重要意義，是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素[3]。

昌黎縣位于河北省東北部，北枕碣石山，東臨渤海，西南挾灤河，地理位置十分重要，行政區(qū)劃上隸屬于秦皇島市管轄且地處京津唐經(jīng)濟區(qū)、東北經(jīng)濟區(qū)、環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)3大經(jīng)濟區(qū)交匯處，區(qū)位優(yōu)勢明顯。為了更好地實現(xiàn)對該區(qū)現(xiàn)今應力場的研究分析，為區(qū)域地殼穩(wěn)定性定量化評價提供依據(jù)，在昌黎開展了深孔地應力測量工作。

本次地應力測量采用水壓致裂技術，該技術是上世紀70年代發(fā)展起來的能夠測量地殼深部應力可靠而有效的方法。該方法是1987年國際巖石力學學會試驗方法委員會頒布的確定巖石應力建議方法中所推薦的方法之一，是目前國際上能較好地直接進行深孔應力測量的先進方法。該方法無需知道巖石的力學參數(shù)就可獲得地層中現(xiàn)今地應力的多種參量，并具有操作簡便、可在任意深度進行連續(xù)或重復測試、測量速度快、測值穩(wěn)定可靠等特點，因此近年來發(fā)展很快，并取得了大量的成果[4-5]。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

昌黎地區(qū)在構造上處于燕山塊陷與冀渤塊陷接合部位。在漫長的地質(zhì)發(fā)展史中，本區(qū)經(jīng)歷的多起性質(zhì)不同、強弱不等的構造運動，在相應地體中留下了不同樣式和性質(zhì)，以及不同等級和序次的復雜變形形跡。

該區(qū)Ⅱ級構造單元以寧河—昌黎斷裂為界，北部為燕山塊陷，南部為冀渤塊陷(圖1)。中生代的燕山運動使該區(qū)地殼活動進入了高潮且以斷裂活動和巖漿活動為主，伴有強烈的擠壓褶皺。新生代開始發(fā)生斷裂分異運動，昌黎—寧河斷裂以北燕山地區(qū)強烈上升，形成隆起，以南地區(qū)強烈下沉，形成坳陷。

圖1 區(qū)域大地構造分區(qū)及鉆孔位置圖

寧河—昌黎斷裂長約100 km，走向NE60(°)，傾向SE，傾角35(°)～65(°)，為正斷層，西起寧河，經(jīng)灤南、昌黎向東北延伸入渤海。該斷裂形成于古生代以前，中生代、新生代有強烈活動。歷史上在斷裂東段昌黎帶發(fā)生過1567年的4.75級和1805年的5.5級地震[6]。

昌黎北部山區(qū)廣泛分布中生代晚侏羅世及早白堊世花崗巖，屬非造山花崗巖。山間及山前地帶，晚更新世地層主要為灰黃色、棕黃色含礫石黃土狀粉砂質(zhì)黏土，黏土質(zhì)粉砂，為洪坡積、沖洪積堆積。昌黎南部山前平原區(qū)全新世地層主要為粉砂質(zhì)黏土、細砂、含礫黏土質(zhì)細砂、粉砂、礫石等，成因類型主要為沖積、沖洪積。

本次地應力測量鉆孔選擇昌黎縣城北碣石山景區(qū)內(nèi)的CL1孔(圖1)，鉆孔揭露的巖石主要為花崗巖。

2 現(xiàn)場地應力測量

2.1 測量設備和方法

深孔水壓致裂地應力測量設備采用中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所研制的SY-2007型地應力測量系統(tǒng)[7](見圖2)。

圖2 單回路水壓致裂地應力測量系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)分單回路和雙回路兩種，具體測試系統(tǒng)選定依據(jù)鉆孔情況而定。此次測試采用單回路系統(tǒng)，測試設備包括高壓水泵、工控機、控制器、壓力流量測量設備，封隔器、印模器、定向器、壓力傳感器、流量計和井下數(shù)據(jù)記錄器等。由于本次測量所測裸孔段直徑為76 mm，故采用φ76 mm測量工具。

水壓致裂法測量地應力通常假定:巖石是均勻的、脆性和各向同性的彈性體。測量方法是：利用一對可膨脹的封隔器在選定的測量深度封隔一段鉆孔，然后通過泵入流體對該試驗段(常稱壓裂段)增壓，同時利用記錄儀記錄壓力隨時間的變化。對實測記錄曲線進行分析，得到特征壓力參數(shù)，再根據(jù)相應的理論計算公式，就可得到測點處的最大和最小水平主應力的量值以及巖石的水壓致裂抗張強度等巖石力學參數(shù)。

2.2 測試段布置

測試段選取的主要依據(jù)是：根據(jù)巖芯編錄查校完整巖芯所處的深度位置以及工程設計所要求的位置，盡可能在鉆孔空間分布，以測量地應力隨深度的變化規(guī)律。為使試驗能順利進行，還要考慮封隔器必須放置在孔壁光滑、孔徑一致的位置。

根據(jù)上述條件，本次測量共確定18個測量深度段(表1)，然后按照水壓致裂測量技術方法，隨深度進行了18個不同深度地應力大小測量以及6個不同深度最大水平主應力方向測量。CL1鉆孔終孔孔深500.46 m，最大測量深度486 m。選取的試驗段及巖性等情況如表1所示。

表1 鉆孔測試段分布

2.3 測量結果

本次測量的18個測段均進行5個循環(huán)重復壓裂(圖3)，可見，除453～454 m深度段外，壓裂曲線的破裂壓力峰值均比較明顯，重張壓力比較一致，各個循環(huán)重復測量的規(guī)律性很強，測得壓裂參數(shù)具有良好的一致性，測試數(shù)據(jù)較為可信；其中選擇了6個深度段進行了定向印模試驗(見圖4)，最終獲取17個不同深度地應力大小測量和6個不同深度最大水平主應力方向測量有效結果(見表2)。結果顯示：本次測量的水平最大主應力SH為4.04～13.95 MPa，水平最小主應力Sh為3.75～10.65 MPa；實測最大水平主應力方向(破裂方位)為SE143(°)～NE55(°)，平均為NE86.5(°)，即NEE向。

圖3 水壓致裂原地應力測量壓力—時間曲線記錄

圖4 印模定向試驗結果

3 地應力測量結果分析

3.1 地應力場分布規(guī)律

依據(jù)CL1孔水壓致裂地應力測量結果(見表2)及壓裂曲線可看出，研究區(qū)地應力場分布規(guī)律如下。

1) 本次測量的最大水平主應力SH與垂直主應力Sv的比值，17個測點中有3個點的比值超過2，最大一點的比值為3.575，最小一點的比值為0.750，平均比值為1.47，反映出該區(qū)地應力狀態(tài)仍以水平應力為主導的特點。

2) 該孔在430～450 m深度范圍，出現(xiàn)類似我國西南現(xiàn)今強烈活動深切峽谷地區(qū)由于應力集中形成的典型餅狀巖芯(見圖5)，說明該構造部位屬于現(xiàn)今構造作用強烈、構造應力場敏感地區(qū)。

3) 在餅狀巖芯深度段(前期應力集中深度范圍)上部約40 m、下部10 m的范圍內(nèi)，仍表現(xiàn)出應力集中的現(xiàn)象，尤其是在餅狀巖芯深度段下部的453～454 m深度，雖然現(xiàn)場進行了5個回次的循環(huán)壓裂，由于高壓泵最大壓力范圍的制約，未能成功壓裂(見圖3c)，也表明新的應力集中向深部遷移，這一現(xiàn)象與國內(nèi)外已有研究成果相吻合[8]。

4) 餅狀巖芯的出現(xiàn)導致巖體結構破壞、巖體強度降低；該孔近地表現(xiàn)今地應力大小是同等深度華北地區(qū)平均值的1.2～1.5倍，但尚需結合巖石物理力學參數(shù)測試結果、巖體質(zhì)量等進一步綜合分析。

表2 昌黎CL1孔水壓致裂原位地應力測量結果

圖5 鉆孔中的餅狀巖芯

5) 該構造部位水平最大主應力為NEE方向。這一結果與新構造活動及現(xiàn)代震源機制所反映的區(qū)域構造應力場方向一致。

6) 從應力隨深度變化的趨勢看，水平應力隨著深度的增加總體上有逐漸增大的趨勢。

3.2 研究區(qū)應力場與構造運動

華北斷塊區(qū)形成于早古生代，晚古生代后處于穩(wěn)定狀態(tài)。中新生代以來重新活動。從中生代開始，受太平洋板塊向亞洲大陸東部邊緣的持續(xù)俯沖作用，斷裂活動頻繁，巖漿侵入活動亦達到了高峰期。至晚侏羅世，中國東部構造應力場發(fā)生變化，本區(qū)構造應力場轉為引張體制，這使得許多原來為北東向左行壓扭性斷裂轉為右行張扭性，從而產(chǎn)生了一系列的張裂隙，這就為巖漿上侵提供了空間位置。處于華北斷塊區(qū)的燕山塊陷與冀渤塊陷的接合部位的昌黎巖體，就是在這樣的構造格局下，沿張扭性斷裂上升、且以斷裂擴張的形式定位的。

早第三紀，地殼在以NW-SE向水平拉張為主的應力場作用下，一些在燕山運動時形成的逆沖和平移斷裂發(fā)生反轉，同時也產(chǎn)生一系列新斷裂，控制了大量斷陷盆地(凹陷)的發(fā)育。晚第三紀以來，華北斷塊區(qū)處于兩側受壓的構造環(huán)境，逐漸轉為擠壓作用為主的應力場，主壓應力軸為NEE-SWW向，主張應力軸為NNW-SSE向，二者都近水平，中間主應力軸近垂直。此階段，華北斷塊區(qū)尤其是其東部在此近水平擠壓作用下走滑活動明顯。

晚第三紀至今，華北斷塊區(qū)的構造格局基本沒有發(fā)生改變。據(jù)震源機制解和地質(zhì)資料分析，研究區(qū)目前受主壓應力軸為NEE-SWW向的應力場控制。昌黎CL1鉆孔實測獲得的最大水平主應力的方向平均為86.5(°)，與上述分析的構造應力場的方向是吻合的，也說明了本次地應力場測量結果的準確性。

4 結 語

對昌黎CL1鉆孔進行的水壓致裂法地應力測量，完成了17個測段的地應力大小測量和6個深度段的水平最大主應力方向測量，均取得了可靠的測試數(shù)據(jù)，為這一地區(qū)現(xiàn)今構造應力場的分析提供了依據(jù)。另外，試驗結果表明，該區(qū)屬構造應力場敏感地區(qū)，適宜開展現(xiàn)今地應力實時監(jiān)測，并具有重要意義。

為了更好的了解構造應力場與構造運動和地震的關系,必須進行大量的原地應力測量及實時監(jiān)測工作。但是由于條件的限制，難以實現(xiàn)。所以在研究工作中，應同時根據(jù)地震地質(zhì)觀測資料及其他資料綜合分析，為區(qū)域地殼穩(wěn)定性定量化評價提供基礎依據(jù)。

[1] 蔡美峰. 地應力測量原理和技術[M]. 北京：科學出版社,2000.

[2] 蔡美峰. 地應力及原位地應力測量[M]. 南京:河海大學出版社,2004:485-515.

[3] 景鋒,盛謙.我國原位地應力測量與地應力場分析研究進展[J].巖土力學,2011,32(2):51-58.

[4] 彭華,馬秀敏,姜景捷. 趙樓煤礦1 000 m 深孔水壓致裂地應力測量及其應力場研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(8):1638-1645.

[5] 董國華.水壓致裂法測試原地應力的研究與應用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2009(15):81-85.

[6] 王明格，李昌存.河北平原主要斷裂及其分布、活動特征[J]. 河北理工學院學報，2005,25(1)：113-118.

[7] 蔡美峰，陳長臻,彭華,等. 萬福煤礦深部水壓致裂法地應力測量[J]. 巖石力學與工程學報,2006,25(3):1069-1074.

[8] 中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所.河北昌黎地應力測量與監(jiān)測初步研究報告[R]. 北京：[出版者不詳]，2010.

A Research on Stress Field and Hydraulic Fracturing In-situ Stress Measurement in Deep Drilling Hole of Changli Area in Hebei Province

LI Ying, LI Yanfeng, WANG Shaoyi

(TianjinGeologicalSurveyCenter,ChinaGeologicalSurvey,Tianjin300170,China)

Changli area of Hebei province is located at joint of Yanshan block depression and Ji-Bo block-depression, where geologic structure is complex. To understand the distribution regularity of the present stress field, we use the method of hydraulic fracturing in-situ to measure the crust stress in the studied deep drilling hole. We have obtained stress state in 17 sections. The results show the average ratio of most horizonal principal stress to vertical principal stress is 1.47 at the studied drilling hole strata, which means the horizonal stress is dominant in the regional stress field. The most horizonal principal stress is 4.04～13.95 MPa oriented in NEE direction, which corresponds to that of regional tectonic stress field represented by the neotectonic movement and present focus mechanism solution. The stress measurement results provide basis for stability evaluation of the regional crust.

Hydraulic fracturing technique; In-situ stress measurement; Stress field

2017-06-05

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(1212010914023)；國家自然科學基金項目(41602205)

李影(1985-)，男，天津人，工程師，研究方向：構造地質(zhì)，手機：18222627935，E-mail：liying270@163.com.

TD311

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.015