極地深部冰層取心鉆探孔壁水壓致裂研究

張 晗，陳 晨，Pavel Talalay，毛建設(shè)，劉書源，靳成才，宛 召

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026； 2.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130026； 3.吉林大學(xué)極地研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130026； 4.中石化中原石油工程有限公司管具公司，河南 濮陽(yáng) 457300； 5.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引言

當(dāng)固體材料內(nèi)部的流體壓力超過(guò)地層最小主應(yīng)力與巖石抗拉強(qiáng)度之和時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生拉伸破壞發(fā)生水力破裂現(xiàn)象[1]。自然界中關(guān)于這種水壓致裂的現(xiàn)象十分常見(jiàn)，例如，在南北極，海洋漂浮的冰山甚至是冰川邊緣的冰架大規(guī)模的裂解，從力學(xué)機(jī)理方面來(lái)說(shuō)，這些冰川的裂解行為很大程度上都是由水壓致裂所致：冰川融水流入到它本身存在的裂縫中，在水壓的作用下，裂縫擴(kuò)展、延伸，最終導(dǎo)致大規(guī)模的冰山裂解、崩塌[2-4]。

在油氣資源勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域內(nèi)，水力壓裂技術(shù)自20世紀(jì)50年代初期以來(lái)在石油工業(yè)的增產(chǎn)技術(shù)中得到廣泛地應(yīng)用[5]。該技術(shù)的核心便是增加鉆孔內(nèi)的液柱壓力使其超過(guò)井周圍巖本身的強(qiáng)度而發(fā)生不同類型的破壞，隨著壓裂液及支撐劑的持續(xù)泵入，井周產(chǎn)生的裂縫不斷向外延伸，以達(dá)到增大接觸面積進(jìn)而增產(chǎn)的目的[6-8]。這種水力壓裂產(chǎn)生的裂縫有的時(shí)候甚至能夠延伸至相距鉆孔位置的幾百米之外。在冰層鉆探領(lǐng)域，作用機(jī)理相同的水壓致裂的問(wèn)題一直充滿爭(zhēng)議[9]。

南極冰層領(lǐng)域的研究人員普遍認(rèn)為，由于冰的粘塑性，當(dāng)冰孔內(nèi)的鉆井液壓力過(guò)大時(shí)，鉆孔隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸擴(kuò)大。冰層鉆孔擴(kuò)大的例子也時(shí)常發(fā)生，例如：格陵蘭島的Dye-3孔，鉆孔底部的鉆井液壓力預(yù)計(jì)超過(guò)冰層壓力0.25 MPa[10]。1983年該鉆孔的調(diào)查顯示，孔底已出現(xiàn)巨大的擴(kuò)張；格陵蘭島的GISP2孔，鉆孔底部壓差預(yù)估達(dá)到0.1 MPa，2年后的測(cè)量表明鉆孔底部大約產(chǎn)生1～1.5 mm的擴(kuò)孔[11]。

俄羅斯科學(xué)家在南極進(jìn)行鉆探工作時(shí)，最早觀測(cè)到冰孔這種水壓致裂現(xiàn)象。他們進(jìn)行東方站5G鉆孔作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)液面突然下降，同時(shí)在相距20 m之外的4G鉆孔中出現(xiàn)了原本應(yīng)位于5G孔中的鉆井液[12]。這種鉆井液的“遷移”說(shuō)明5G鉆孔內(nèi)產(chǎn)生水壓致裂的現(xiàn)象。為了深入探索鉆孔內(nèi)的這種“異常行為”，俄羅斯科學(xué)家進(jìn)行了相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了鉆孔水壓致裂現(xiàn)象的存在[13]。2016-2017年，西南極鉆探ASIG孔在冰巖交界之上90 m處同樣出現(xiàn)了鉆井液漏失的鉆孔水壓致裂現(xiàn)象，此次鉆進(jìn)采用鉆井液循環(huán)的方式，泵入的壓力為0.41 MPa，流量30～34 L/min。發(fā)生以上鉆孔水壓致裂的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致鉆井液的漏失，冰層的污染，鉆頭的破壞甚至嚴(yán)重的鉆探事故，而深入了解這種水壓致裂現(xiàn)象能夠?yàn)楸@的工程師們提供合理調(diào)節(jié)鉆井液密度、合理控制泵壓、合理控制鉆井液面高度等的相關(guān)理論依據(jù)[9]。

本文將油氣資源勘探開(kāi)發(fā)水力壓裂技術(shù)的內(nèi)部作用機(jī)理與冰層鉆探鉆孔的實(shí)際情況相結(jié)合，提出極地深部冰層取心鉆探孔壁水壓致裂理論。同時(shí)，通過(guò)真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提理論的正確性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合南極Dome A的環(huán)境地質(zhì)條件，對(duì)我國(guó)正在實(shí)施的深冰心鉆探孔進(jìn)行潛在水壓致裂現(xiàn)象的評(píng)估預(yù)測(cè)。該方法的提出將為南極鉆探工作者維持鉆孔穩(wěn)定采取的各項(xiàng)措施提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 冰蓋密度、溫度及內(nèi)部應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律

深冰心鉆探工作大都位于冰蓋上，冰蓋的密度、溫度及內(nèi)部應(yīng)力對(duì)鉆孔的穩(wěn)定有著極其重要的影響。具體來(lái)說(shuō)，冰層的溫度不僅僅影響著冰的物理力學(xué)性質(zhì)，同樣也決定著鉆孔內(nèi)鉆井液的溫度分布，進(jìn)而影響孔內(nèi)液柱壓力；不同深度處的上覆地層壓力取決于冰的密度分布；冰蓋內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)主導(dǎo)了鉆孔周邊的應(yīng)力場(chǎng)。以上這些因素相互作用，共同決定了鉆孔孔壁的穩(wěn)定狀態(tài)。

1.1 冰蓋溫度隨深度分布規(guī)律

Budd通過(guò)冰層與底部基巖的相互熱傳遞為基礎(chǔ)，提出了冰川溫度隨深度的變化規(guī)律[14]：

T(h)=Ts-(β0/ζ)〔erf(ζH)-erf(ζh)〕

(1)

2ζ2=bn/κH

(2)

式中：Ts——某一厚度為H的冰川的表層溫度，℃；β0——冰川基底的溫度梯度(表1中列出了極地各個(gè)區(qū)域的基底溫度梯度取值)，K/m；bn——該冰川的雪層積累率，m/a；κ——冰層中的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/a；h——基底往上的冰層厚度，m。

表1 極地各區(qū)域基底溫度梯度建議值

1.2 冰蓋密度隨深度分布規(guī)律

雪層經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的壓實(shí)、融化、重結(jié)晶等內(nèi)部作用逐漸形成冰層，依據(jù)冰蓋上覆冰雪層的分布特性，可以大致將冰層分為3個(gè)階段，即：雪層、粒雪層及冰層。Schytt V通過(guò)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出了冰川上部(雪層及粒雪層)的密度分布規(guī)律[15]：

ρice(z)=ρi-〔ρi-ρs〕e(-z/zp)

(3)

式中：ρice(z)——深度z米處冰的密度，kg/m3；ρi——在大氣壓及0 ℃條件下，純凈冰的密度(916.8 kg/m3)；ρs——表層積雪的密度(300～400 kg/m3)；zp——引入的參數(shù)值，其大小與該地區(qū)粒雪層的深度有關(guān)，m。

隨著深度的增加，冰層中的氣泡逐漸被壓縮，冰的密度逐漸達(dá)到純凈冰的密度，此后隨著溫壓的增加而略有變化。Talalay給出了溫度、壓力作用下，冰的密度變化規(guī)律[9]：

×10-11(1+1.653×10-3T+3.12×

10-6T2)(P-P0)〕

(4)

式中：T——表示溫度,℃；P——當(dāng)前壓力,Pa；P0——大氣壓(1.013×105Pa)。

1.3 冰蓋內(nèi)部應(yīng)力隨深度分布規(guī)律

假定冰蓋模型所在的坐標(biāo)軸如圖1所示。

圖1 計(jì)算冰層內(nèi)部應(yīng)力選取的坐標(biāo)系

Hooke最早給出了理想冰蓋內(nèi)部某一點(diǎn)的各個(gè)應(yīng)力分量[16]：

(5)

式中：σ——平面應(yīng)變的有效應(yīng)力；gx、gz——分別表示沿著x、z軸的重力加速度分量(其大小取決于此處冰蓋的傾斜角)。

通過(guò)該處冰川的流動(dòng)速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合冰川流動(dòng)模型(公式6)與Hooke提出的深度與應(yīng)力之間的關(guān)系(公式7)，可以得出冰層內(nèi)部一點(diǎn)的有效應(yīng)力的大小。

(6)

(7)

假定進(jìn)行深冰心鉆探區(qū)域冰川的傾斜角以及偏應(yīng)力很小，忽略不計(jì)，求解應(yīng)力狀態(tài)方程，最后得出冰蓋內(nèi)部某一點(diǎn)的三主應(yīng)力近似求解值：

(8)

(9)

(10)

式中：σz——上覆冰層壓力；σH、σh——分別表示最大、最小水平主應(yīng)力。

2 冰層鉆探孔壁水壓致裂理論及模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 冰層鉆探孔壁水壓致裂理論

冰層鉆探的水壓致裂與油氣資源勘探開(kāi)發(fā)中利用水力壓裂技術(shù)擴(kuò)展裂縫本質(zhì)機(jī)理相同。為了獲取維持鉆孔孔壁穩(wěn)定的力學(xué)臨界條件，必須建立各個(gè)深度處鉆孔孔壁的應(yīng)力分布規(guī)律(參見(jiàn)圖2)。

R-鉆孔半徑；r-坐標(biāo)系中的該點(diǎn)距離中心點(diǎn)的距離；θ-極坐標(biāo)方位角；Pi-鉆井液液柱壓力

圖2冰孔孔壁橫截面受力示意圖

2.1.1 鉆井液液柱壓力變化規(guī)律

鉆井液的液柱壓力是由孔內(nèi)的鉆井液自重產(chǎn)生，但由于極地鉆井液的特殊性，一定深度處的鉆井液液柱壓力同時(shí)受到溫度、壓力的影響。根據(jù)Talalay的研究，首先計(jì)算鉆井液密度隨著溫度變化的關(guān)系[9]：

(11)

然后通過(guò)迭代法，同時(shí)考慮壓力作用的影響可得鉆井液密度在溫壓作用下的變化規(guī)律：

(12)

最后得到鉆井液在深度z處的靜夜柱壓力：

(13)

2.1.2 鉆孔截面孔壁應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)王維、高帥及洪建俊等人關(guān)于鉆孔水力壓裂方面的相關(guān)研究，將鉆孔周邊的各應(yīng)力轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)系[17-20]，可得：

σθθ=σH+σh-2cos(2θ)(σH-σh)-Pi

(14)

σrr=Pi

(15)

σzz=σz

(16)

式中：σzz——垂向應(yīng)力；σθθ——周向應(yīng)力；σrr——徑向應(yīng)力。

2.1.3 鉆孔孔壁水壓致裂機(jī)理

冰層取心鉆探，其鉆井液不進(jìn)行循環(huán)，孔壁不涉及較大的壓力波動(dòng)。但是，由于冰蓋內(nèi)部冰的特性，冰孔孔壁時(shí)常會(huì)產(chǎn)生一定的破裂等不完整特性。在這些不確定因素的影響下，孔壁可能產(chǎn)生破裂，鉆井液沿著裂縫漏失。本文從兩個(gè)方面分析研究孔壁水壓致裂機(jī)理：(1)孔壁的起裂及擴(kuò)展；(2)引起裂縫擴(kuò)展的裂紋初始臨界長(zhǎng)度的界定。必須同時(shí)滿足這兩種條件，裂縫才能持續(xù)擴(kuò)展。

2.1.3.1 基于最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則判定的水壓致裂條件

當(dāng)鉆孔孔壁處受到的拉力超過(guò)冰層本身的抗拉強(qiáng)度，孔壁產(chǎn)生破裂，即：

σθθ-Pf≤-St

(17)

式中：St——冰的抗拉強(qiáng)度，Pa；Pf——裂縫形成處的壓力，Pa。

張洪彪在其進(jìn)行的黃河冰劈裂實(shí)驗(yàn)中提出冰層抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系[21]：

St=0.0629ln(-T)+0.397

(18)

通過(guò)公式(9)、(10)、(14)、(17)和(18)，可以得到孔壁水壓致裂的臨界表達(dá)式：

Pi=σH+σh-2cos(2θ)(σH-σh)-Pf+St

(19)

當(dāng)θ=0°或180°時(shí)，此值達(dá)到最小，為：

Pi=3σh-σH-Pf+St

(20)

當(dāng)冰層鉆孔孔壁光滑無(wú)破裂時(shí)，孔壁無(wú)前期破壞，即Pf=0，則此時(shí)鉆孔孔壁的水壓致裂臨界壓力為：

(21)

而當(dāng)鉆孔穿越冰層中破碎區(qū)域，孔壁本身存在破裂，鉆井液滲入到孔壁的破裂區(qū)域內(nèi)。這樣的情況會(huì)導(dǎo)致水壓致裂的臨界壓力大幅度減小，此時(shí)Pf=Pi，換算得到破裂壓力為：

(22)

2.1.3.2 考慮斷裂韌性的裂紋擴(kuò)展起始條件

本文認(rèn)為，當(dāng)滿足條件(1)的情況下，鉆孔孔壁產(chǎn)生的裂縫長(zhǎng)度還需達(dá)到一定的數(shù)值才能保證孔壁裂紋的后續(xù)擴(kuò)展(水力壓裂實(shí)驗(yàn)表明裂紋的擴(kuò)展會(huì)沿著最大水平主應(yīng)力的方向)。結(jié)合C.J. van der Veen最早在研究冰川上部裂縫在水力作用下裂縫擴(kuò)展理論，得出在冰孔中鉆井液作用下，裂縫持續(xù)擴(kuò)展所需的臨界長(zhǎng)度[22]：

(23)

式中：KIC——冰的應(yīng)力強(qiáng)度因子，大量的冰樣實(shí)驗(yàn)表明，取值0.1～0.4 MPa·m1/2；d——裂縫的初始臨界長(zhǎng)度，m。

在冰層鉆探工作中，當(dāng)孔內(nèi)的鉆井液同時(shí)達(dá)到條件(1)、(2)，可認(rèn)定此鉆孔存在水壓致裂的潛在危險(xiǎn)，需要采取相關(guān)的監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)措施來(lái)保持鉆孔的穩(wěn)定性。

2.2 冰層鉆探孔壁水壓致裂模擬實(shí)驗(yàn)

2.2.1 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于前期研制的真三軸水力壓裂系統(tǒng)，擬增加溫度控制系統(tǒng)及慢速率圍壓加載系統(tǒng)，可用于冰層孔壁水壓致裂的研究。其中溫度控制系統(tǒng)維持-10 ℃，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中冰樣的穩(wěn)定；慢速率圍壓加載系統(tǒng)最低加載速率達(dá)0.005 mm/min,保證加載過(guò)程中冰樣圍壓的順利施加。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

圖3 冰層鉆探孔壁水壓致裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

2.2.2 水壓致裂驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

為了初步驗(yàn)證上述水壓致裂理論的正確性與已存在真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)臺(tái)的可行性，本文在已有真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了3組冰樣水力壓裂驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

(1)冰樣的準(zhǔn)備：將冰樣置于-15 ℃的恒溫箱內(nèi)一次性凍結(jié)完成，凍制樣品的尺寸為200 mm×200 mm×200 mm。

(2)實(shí)驗(yàn)參數(shù)選?。簩悠分糜趯?shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行水壓致裂實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，選取常用的冰層鉆井液航空煤油(Jet A-1)作為壓裂液，壓裂液的泵入速度為2 mL/min。改變不同的圍壓，得到冰樣的起裂壓力P0與裂紋的擴(kuò)展壓力Pie(為裂紋后續(xù)擴(kuò)展的平均值)。查閱相關(guān)資料，選取此溫度下冰樣的抗拉強(qiáng)度為1.245 MPa。

(3)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:表2為3次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況，實(shí)驗(yàn)的水平差應(yīng)力系數(shù)(Δσ=σH-σh)統(tǒng)一為2 MPa。

表2 冰樣水壓致裂理論及實(shí)驗(yàn)起裂壓力及裂紋擴(kuò)展壓力對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3組實(shí)驗(yàn)對(duì)于孔壁處于完整狀態(tài)下，起裂壓力的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差不大(最大差值為3-1實(shí)驗(yàn)組，差值為1.075 MPa，誤差為9.55%)。而對(duì)于裂紋擴(kuò)展壓力，理論普遍偏大，分析認(rèn)為：在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，并沒(méi)有考慮裂紋產(chǎn)生的方向性，計(jì)算過(guò)程中考慮到了最大主應(yīng)力對(duì)于裂紋后續(xù)擴(kuò)展的影響。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)，當(dāng)裂紋形成后(沿著最大主應(yīng)力方向)，壓裂液的壓力只需克服最小水平主應(yīng)力以及冰的抗拉強(qiáng)度后即可繼續(xù)擴(kuò)展，最大主應(yīng)力不起主導(dǎo)性作用，因此實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展壓力偏小。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得，當(dāng)考慮冰層水壓致裂后裂紋的后續(xù)擴(kuò)展時(shí)，由于裂紋會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向沿著最大主應(yīng)力方向，因此其持續(xù)擴(kuò)展的臨界壓力應(yīng)該修正為：

(24)

上述實(shí)驗(yàn)主要是基于對(duì)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則判定的水壓致裂條件的驗(yàn)證，而關(guān)于考慮斷裂韌性的裂紋擴(kuò)展起始條件的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將在后續(xù)研究中實(shí)施。

綜上所示，冰層鉆探孔壁水壓致裂理論計(jì)算與模擬實(shí)驗(yàn)相互佐證，可為冰層鉆探領(lǐng)域安全、有效鉆進(jìn)提供理論依據(jù)，同時(shí)為可能發(fā)生的冰鉆鉆孔事故提供相應(yīng)的防護(hù)手段。

3 南極Dome A區(qū)域中國(guó)深冰心鉆探孔潛在水壓致裂風(fēng)險(xiǎn)理論研究

3.1 理論計(jì)算參數(shù)的選取與賦值

我國(guó)南極Dome A深冰心鉆探工程是我國(guó)第一口深冰心鉆孔，擬獲取超過(guò)100萬(wàn)年的古老冰心，具有重要的科學(xué)意義。目前鉆深突破800 m，未發(fā)生孔壁穩(wěn)定問(wèn)題。本文結(jié)合上述的水壓致裂理論，對(duì)孔內(nèi)可能發(fā)生的孔壁破裂事故進(jìn)行分析。

通過(guò)歷次的中國(guó)南極內(nèi)陸科學(xué)考察，科學(xué)家已通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)等方式獲取了Dome A區(qū)域的若干環(huán)境地質(zhì)信息[23-25]。表3為進(jìn)行此次Dome A深冰心鉆探孔潛在水壓致裂理論計(jì)算過(guò)程中所涉及的參數(shù)以及取值。

表3 理論計(jì)算參數(shù)及其取值

3.2 理論計(jì)算結(jié)果及分析

(1)通過(guò)公式(1)、(2)、(3)、(4)的計(jì)算，將Dome A區(qū)域的選取參數(shù)值帶入可得該區(qū)域冰層的密度及溫度隨深度的分布規(guī)律。將溫度的分布規(guī)律與公式(11)、(12)相結(jié)合，同樣能夠得到鉆井液的密度隨著孔深的變化規(guī)律。

由圖4可知，溫度隨著深度的增加逐漸升高，在預(yù)計(jì)3100 m深的孔底處達(dá)到約-3 ℃；冰層的密度在冰蓋上部由于溫壓的作用在前300 m區(qū)間內(nèi)迅速增大至約920 kg/m3，而后基本保持穩(wěn)定(緩慢的增加后略有減小)；鉆井液的密度隨著深度的變化逐漸減小，由表層的955 kg/m3逐漸減小至(孔深3100 m)930 kg/m3。

圖4 Dome A區(qū)域冰層密度、溫度及鉆井液密度隨深度的分布規(guī)律

(2)分析基于最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則判定的水壓致裂條件，選取參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，可得此條件下鉆孔水壓致裂情況(參見(jiàn)圖5)。

圖5 基于最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則的鉆孔水壓致裂預(yù)測(cè)圖

圖5中紅線表示孔壁完整條件下，水壓致裂所需的鉆井液液柱壓力；綠線表示孔壁有破碎時(shí)造成孔壁裂紋后續(xù)擴(kuò)展所需的鉆井液液柱壓力；藍(lán)線表示實(shí)際深冰心鉆孔鉆井液產(chǎn)生的液柱壓力；粉色虛線表示藍(lán)綠之間的差值。由圖5可知，當(dāng)深度超過(guò)1650 m后，實(shí)際的鉆井液液柱壓力超過(guò)了孔壁存在破裂情況的水壓致裂壓力臨界值，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生水壓致裂情況。

(3)由理論分析可知，鉆孔產(chǎn)生水壓致裂同時(shí)還需要考慮裂紋擴(kuò)展延伸所需的起始長(zhǎng)度，計(jì)算得到的裂紋起始長(zhǎng)度如圖6所示。

圖6 考慮最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則及斷裂韌性的裂紋擴(kuò)展起始條件圖

圖6中紅線與藍(lán)線分別表示冰的斷裂韌性取值0.1與0.4 MPa·m1/2時(shí)，孔壁產(chǎn)生水壓致裂所需的裂紋長(zhǎng)度隨深度的變化趨勢(shì)(深度區(qū)間為1650～3100 m)。圖中的N，D與Y區(qū)域表示不同的水壓致裂情況：在初始裂紋長(zhǎng)度與深度的雙重條件下，若該點(diǎn)落在N區(qū)域，則孔壁不產(chǎn)生水壓致裂現(xiàn)場(chǎng)；若落在Y區(qū)域，孔壁必然產(chǎn)生水壓致裂現(xiàn)象；處于D區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)，需要結(jié)合該深度處冰的實(shí)際斷裂韌性進(jìn)行評(píng)判。圖中的A(0.044 m，1650 m)，B(0.704 m，1650 m)及C(0.075 m，3100 m)三點(diǎn)為該區(qū)域角點(diǎn)，即判定水壓致裂的臨界點(diǎn)條件。

4 結(jié)論

(1)冰層鉆孔孔壁水壓致裂理論表明，冰層的密度、溫度、內(nèi)部應(yīng)力，鉆孔內(nèi)的鉆井液液柱壓力以及鉆孔孔壁的完整狀態(tài)共同決定著冰鉆鉆孔是否會(huì)發(fā)生水壓致裂。完整的冰層孔壁僅在鉆井液液柱壓力的作用下不會(huì)產(chǎn)生水壓致裂；非完整、有破裂的冰層孔壁產(chǎn)生水壓致裂需滿足足夠的拉應(yīng)力以及足夠的初始裂紋長(zhǎng)度條件。

(2)水壓致裂模擬實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)鉆孔孔壁產(chǎn)生裂紋后，破碎的孔壁狀態(tài)會(huì)降低裂紋擴(kuò)展所需的液柱壓力。由于裂紋會(huì)沿著最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，若在孔內(nèi)某一位置處發(fā)生水壓致裂現(xiàn)象，此時(shí)的擴(kuò)展壓力受該狀態(tài)下冰層的最小主應(yīng)力以及該點(diǎn)處冰層的抗拉強(qiáng)度共同主導(dǎo)，與其他主應(yīng)力大小無(wú)關(guān)。

(3)對(duì)南極Dome A區(qū)域中國(guó)深冰心鉆探孔潛在水壓致裂進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明：當(dāng)鉆孔的深度超過(guò)1650 m且孔壁存在破裂面的情況下，可能會(huì)產(chǎn)生水壓致裂作用。若要出現(xiàn)孔壁裂紋長(zhǎng)距離擴(kuò)展的現(xiàn)象，孔壁初始的臨界裂紋長(zhǎng)度需達(dá)到0.704 m(鉆孔深度1650 m)，該臨界長(zhǎng)度隨著孔深的增加逐漸變短至0.075 m(鉆孔深度3100 m)。沒(méi)有滿足臨界水壓致裂條件的鉆孔孔壁，其孔壁的狀態(tài)需要通過(guò)該深度處冰的實(shí)際斷裂韌性進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)判。