深部地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)及其在鉆井工程中的應(yīng)用

李一鳴

摘要：在地下巖體結(jié)構(gòu)中普遍存在的地應(yīng)力，會(huì)對(duì)區(qū)域地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)主要影響。在進(jìn)行鉆井施工等巖土工程施工中，地應(yīng)力是導(dǎo)致巖土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、產(chǎn)生破壞的主要作用力。鉆井施工中為保證地下施工的深部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需要利用深部地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)來(lái)掌握巖體力學(xué)分布規(guī)律和變化特點(diǎn)。本文對(duì)深部巖體地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)合鉆井工程施工需要，提出了深部地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用方向和措施，旨在提高鉆井工程施工的科學(xué)化水平。

關(guān)鍵字：深部地應(yīng)力 測(cè)試技術(shù) 鉆井工程 應(yīng)用

在鉆井工程施工深度不斷加深的條件下，地應(yīng)力對(duì)鉆井穩(wěn)定性影響越來(lái)越突出。深部地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)能有效掌握鉆井施工中地應(yīng)力的分布和變化情況，為施工設(shè)計(jì)和決策提供參考依據(jù)，避免深部地應(yīng)力對(duì)鉆井施工帶來(lái)井壁變形、破壞等問(wèn)題。本文在對(duì)深部巖體地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井工程施工需要，提出了深部地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于鉆井工程的方向和措施，旨在提高鉆井工程施工科學(xué)化水平。

1 深層巖體地應(yīng)力影響因素

在地下深層巖體結(jié)構(gòu)中，會(huì)因?yàn)榈貧み\(yùn)動(dòng)引起的大陸板塊擠壓、碰撞或者是地層深層的火山、地震等自然現(xiàn)象，導(dǎo)致地層深度巖層的結(jié)構(gòu)、成分、壓力等指標(biāo)各不相同，巖層內(nèi)部的自重和結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致應(yīng)力出現(xiàn)變化，從而形成深部巖體較為復(fù)雜的初始應(yīng)力場(chǎng)。深層巖體的地應(yīng)力主要受到以下因素影響：一是巖體周圍的巖體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，如上層巖層的重量會(huì)對(duì)深層巖體產(chǎn)生垂直應(yīng)力，巖體構(gòu)造發(fā)生運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生水平應(yīng)力。由于深層巖體構(gòu)造比較復(fù)雜，地應(yīng)力分布會(huì)出現(xiàn)分布不規(guī)律、變化比較復(fù)雜的情況，多種因素作用下的長(zhǎng)時(shí)間大范圍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，是決定深層巖體地應(yīng)力初始大小的決定因素。二是剝蝕作用會(huì)決定深層巖體的地形地貌，影響地應(yīng)力的釋放和積累情況。剝蝕作用發(fā)生之前，巖體內(nèi)部的應(yīng)力是原始應(yīng)力;在發(fā)生作用之后，深層巖體的水平應(yīng)力不會(huì)有太大變化，但在垂直應(yīng)力過(guò)度釋放的情況下，巖體內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部地應(yīng)力超過(guò)自重應(yīng)力的狀態(tài)。三是地下水的壓力、溫度等效應(yīng)會(huì)影響地應(yīng)力分布。當(dāng)深層巖體裂縫中的地下水產(chǎn)生的壓力和周邊巖體骨架應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力耦合疊加時(shí)，水平地應(yīng)力會(huì)持續(xù)增加。如果地下水存在局部溫差，形成的溫度應(yīng)力和巖體自重壓力疊加就會(huì)增加垂直應(yīng)力。

2深層地應(yīng)力分布規(guī)律

從中國(guó)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究成果可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)力在一些劃分的區(qū)域范圍內(nèi)，地應(yīng)力變化較小，呈現(xiàn)總體穩(wěn)定狀態(tài)。在鉆井工程施工中可以發(fā)現(xiàn)，施工井位于山區(qū)、地震帶等部位時(shí)，地應(yīng)力變化比較顯著。深層地應(yīng)力的分布和時(shí)間、空間指標(biāo)關(guān)系非常密切，地應(yīng)力的大小和方向會(huì)呈現(xiàn)跟隨變化的情況。在地震帶這種地應(yīng)力比較復(fù)雜的區(qū)域，地應(yīng)力變化比較頻繁，而非地震帶區(qū)域的地應(yīng)力分布比較均勻而穩(wěn)定。地應(yīng)力會(huì)受到地震活動(dòng)的周期影響，在地震發(fā)生前出現(xiàn)地應(yīng)力持續(xù)上升，地震發(fā)生之后地應(yīng)力快速下降，這說(shuō)明地應(yīng)力的分布是地下地質(zhì)運(yùn)動(dòng)在時(shí)空效應(yīng)下產(chǎn)生的累積效果。

3地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)

地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)主要是為準(zhǔn)確獲得地應(yīng)力的分布情況，采用多種技術(shù)獲取地下深部巖體的各種原始參數(shù)指標(biāo)，通過(guò)技術(shù)分析來(lái)對(duì)地應(yīng)力分布規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行研究。地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的研究成果能對(duì)地應(yīng)力分布進(jìn)行仿真模擬，從而為地下巖土施工如鉆井工程施工等提供地應(yīng)力的真實(shí)資料，指導(dǎo)施工安全推進(jìn)。目前地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)主要有直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N。其中，直接測(cè)量技術(shù)是利用專業(yè)的測(cè)量?jī)x器和設(shè)備對(duì)地應(yīng)力在補(bǔ)償、恢復(fù)和平衡等狀態(tài)下的應(yīng)力量進(jìn)行測(cè)量后，再利用應(yīng)力值和巖體的關(guān)系公式來(lái)計(jì)算得出應(yīng)力數(shù)值。常見(jiàn)的直接測(cè)量技術(shù)有水壓裂法、扁千斤頂法和聲發(fā)射法等。間接測(cè)量技術(shù)是在傳感器技術(shù)比較成熟后發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，是利用傳感元器件來(lái)測(cè)量和應(yīng)力有關(guān)系的間接物理量，再通過(guò)間接物理量和應(yīng)力通過(guò)函數(shù)計(jì)算得出巖體的應(yīng)力值。目前間接物理量主要由巖體的變形情況、密度、滲透性、吸水性、電阻、電容等十幾種。間接測(cè)量技術(shù)最關(guān)鍵的是確定間接物理量和應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，比較常見(jiàn)的方法有局部應(yīng)力接觸法、地球物理探測(cè)法、套孔應(yīng)力接觸法等技術(shù)類型。

4 深度地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用

深度地應(yīng)力測(cè)量因深度地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，導(dǎo)致應(yīng)力測(cè)試結(jié)果受到多種因素影響。為提高深度地應(yīng)力測(cè)量的真實(shí)性和可靠性，國(guó)內(nèi)外都在嘗試?yán)镁C合測(cè)試技術(shù)進(jìn)行深度地應(yīng)力測(cè)量。目前常見(jiàn)的深部地應(yīng)力綜合測(cè)試技術(shù)主要有三大類。第一種是巖芯地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，第二類是測(cè)井資料地應(yīng)力技術(shù)，第三類是水利壓裂地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)。這三種深部地應(yīng)力綜合配套測(cè)試技術(shù)在鉆井工程的深部地應(yīng)力測(cè)量中都有應(yīng)用。深度地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)應(yīng)用目的是對(duì)鉆井井壁的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定，對(duì)鉆井不同方位和井壁穩(wěn)定性進(jìn)行全面系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)，從而為后續(xù)鉆井施工中的井位置、井平臺(tái)、井斜度和泥漿指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。深度地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)能有效減少鉆井施工的成本支出，減少井壁出現(xiàn)變形、坍塌等安全事故，保證鉆井工程安全運(yùn)行，提高鉆井施工的經(jīng)濟(jì)效益。

深度地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)在鉆井工程的應(yīng)用，目前主要是構(gòu)建地應(yīng)力和鉆井井壁的穩(wěn)定性模型。鉆井施工會(huì)因?yàn)榫组_鉆破壞原有的深層地應(yīng)力平衡狀態(tài)，會(huì)因?yàn)榈貞?yīng)力集中作用于井壁，導(dǎo)致井壁出現(xiàn)不穩(wěn)定、不安全情況。深度地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)能通過(guò)對(duì)地應(yīng)力的測(cè)量，構(gòu)建影響鉆井井壁穩(wěn)定性的力學(xué)穩(wěn)定性模型。通過(guò)對(duì)鉆井孔周圍的地應(yīng)力情況、巖石力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行分析，基于巖石強(qiáng)度理論來(lái)找出鉆井井壁的力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域，通過(guò)對(duì)剪切破壞和張性破壞的指標(biāo)測(cè)量，找到保證鉆井井壁的力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域下所需要的鉆井泥漿密度和液體壓力，在計(jì)算機(jī)輔助分析下能大大提高模型的精度，有效促進(jìn)安全鉆井。從深度地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，該技術(shù)自上世紀(jì)50年代開始進(jìn)行國(guó)內(nèi)設(shè)備研究和研發(fā)以來(lái)，先后研制出了多代壓磁式應(yīng)力計(jì)、鉆孔變形計(jì)等設(shè)備，為地應(yīng)力測(cè)量工作奠定了良好技術(shù)基礎(chǔ)。上世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)針對(duì)深部非線性巖體地應(yīng)力測(cè)量進(jìn)行專項(xiàng)攻關(guān)，基于精準(zhǔn)測(cè)量、完全溫度補(bǔ)償測(cè)量理論，建立了深部巖體地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方法體系，研發(fā)了巖體擾動(dòng)應(yīng)力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，推進(jìn)了深度地應(yīng)力實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

鉆井工程中進(jìn)行深度地應(yīng)力測(cè)量，是保證順利安全施工的重要技術(shù)保障。加強(qiáng)對(duì)深度地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的研究和應(yīng)用，掌握深度地層巖體的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律和實(shí)時(shí)狀態(tài)，將為能源、資源開發(fā)提供更高質(zhì)量的技術(shù)支撐。

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