上海地區(qū)深井孔隙壓觀測(cè)研究

溫燕林 尹繼堯 趙文舟

(上海市地震局，上海 201203 )

為了減少環(huán)境干擾，探索有效的地震監(jiān)測(cè)新方法，上海地震局“十一五”期間開(kāi)展了綜合深井觀測(cè)，兩口深井鉆穿過(guò)深厚的覆蓋層進(jìn)入基巖，將孔隙壓計(jì)安放于井底進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)?？紫秹河?jì)是一種供長(zhǎng)期測(cè)量混泥土或者地基內(nèi)孔隙中的水壓力的儀器?？紫端畨河?jì)采用鉆孔埋設(shè)法，埋設(shè)關(guān)鍵是封孔，封孔目的是隔斷水壓計(jì)上下水源。埋設(shè)時(shí)孔隙水壓計(jì)緊密貼合測(cè)試點(diǎn)，下水泥前先在井底釋放一定數(shù)量的細(xì)沙，然后采用膨脹水泥封孔密閉，使測(cè)點(diǎn)土層孔隙水與上部土層孔隙水完全隔絕?？紫端畨河?jì)的探頭安置在固封水泥和井底之間的沙水混合物中。孔隙壓計(jì)中傳感器的應(yīng)變敏感元件是電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片粘貼在彈性膜片上，當(dāng)孔隙水壓施加在彈性膜片上時(shí)，彈性膜片將壓力傳遞給電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的阻值將發(fā)生變化。將這種阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，便可以測(cè)量出孔隙水壓的變化狀態(tài)。

上海地震局在崇明和浦東先后開(kāi)鉆了2 口深井，兩口井鉆穿300 多米的覆蓋層，分別進(jìn)入基巖60 m和50 m，成井后用套管將覆蓋層井壁封住。崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)綜合深井觀測(cè)站于2011 年4 月完成鉆井和基建，井深463.6 m，終孔孔徑151 mm，基巖為微風(fēng)化花崗巖，2011 年5 月安裝深井綜合觀測(cè)儀器系統(tǒng)；浦東張江綜合深井觀測(cè)站于2011 年8 月完成鉆井和基建，井深407 m，終孔孔徑151 mm，基巖為中風(fēng)化砂泥巖，2011 年10 月安裝深井綜合觀測(cè)儀器系統(tǒng)。兩個(gè)臺(tái)站的井斜都小于1°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)井斜小于3°要求，既保證了綜合儀器的正常安裝，又為獲得高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)第四紀(jì)土層的覆蓋厚度和當(dāng)?shù)氐幕鶐r性狀，崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)井底孔隙壓計(jì)安裝深度為463 m，浦東張江井底孔隙壓計(jì)安裝深度為407 m?？紫秹河^測(cè)資料如下圖所示：

完井后發(fā)現(xiàn)浦東井的井水緩慢涌出，計(jì)算其井底靜水壓為PH=ρgh=3.99 MPa，但該井安置的孔隙壓計(jì)觀測(cè)資料顯示孔隙壓為Pj=4.05－4.07MPa，表明浦東井孔隙壓大于靜水壓。高于靜水柱壓力的地層孔隙流體壓力稱(chēng)為高異常孔隙壓或超孔隙壓。壓力梯度大于0.01 MPa/m 時(shí)屬于異常高壓地層。因此說(shuō)明浦東井存在超孔隙壓現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)井涌。而崇明觀測(cè)井的孔隙壓約4.36～4.4 MPa 低于該井井底靜水壓4.53 MPa，為低孔隙壓，沒(méi)有井涌現(xiàn)象。從鉆孔取芯樣品來(lái)看，浦東井從上到下為粘土-細(xì)砂-砂泥巖沉積。疏松多孔粘土沉積物在埋藏過(guò)程中不斷被壓實(shí)，孔隙中的流體被排擠出來(lái)，這時(shí)孔隙體積也隨之減小。在上覆沉積物連續(xù)沉積的情況下，如果粘土沉積物孔隙中的流體被排擠出來(lái)的速度與上覆沉積物增加的速度相一致，則隨粘土埋藏深度增加，粘土孔隙度不斷減小，直到粘土不在被壓實(shí)為止。這是一種正常的壓實(shí)情況，這時(shí)的地層孔隙流體的壓力即為靜水壓力，屬正常地層壓力。但在快速沉積情況下，在上覆沉積物的壓力下，粘土孔隙中的水不能充分排出，使粘土成為欠壓實(shí)的，這些水或就近流入與之相鄰的砂巖孔隙中積蓄起來(lái)，就導(dǎo)致了高壓異常。浦東地區(qū)沉積形成了300 多米巨厚覆蓋層，由于快速沉降、堆積，孔隙水被禁錮與周?chē)ヂ?lián)系不能及時(shí)排出，孔隙流體受靜水和上覆巖層壓力，使該處地層產(chǎn)生異常高地層壓力。泥巖的快速沉降作用和壓實(shí)作用是造成浦東井高異?？紫秹旱脑?。