干熱巖地應(yīng)力測量評(píng)價(jià)方法與前沿挑戰(zhàn)

許家鼎, 張重遠(yuǎn), 緱艷紅, 高萬里, 何滿潮,陳群策, 秦向輝, 李少輝, 孫東生

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;2)中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑學(xué)院, 北京 100083;3)中國石油集團(tuán)測井有限公司地質(zhì)研究院, 陜西西安 710200

干熱巖是埋藏深度3～10 km, 溫度大于150 ℃的可再生清潔能源(Moore and Simmons, 2013)。我國已探明干熱巖儲(chǔ)量巨大, 實(shí)現(xiàn)干熱巖資源的安全高效開發(fā), 對(duì)我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源安全以及“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)意義(王貴玲等, 2020)。20世紀(jì)70年代以來, 以美國、法國為代表的西方國家相繼開展干熱巖開發(fā)試驗(yàn)研究, 并取得一系列進(jìn)展(許天福等, 2012; 陸川和王貴玲, 2015; 唐顯春等, 2020,2023)。我國干熱巖開發(fā)雖然起步較晚, 但近些年來也取得了豐碩的成果(張盛生等, 2019; 李亭昕等, 2020)。

干熱巖開發(fā)的主要技術(shù)途徑是利用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal System, 簡稱 EGS),即采用水力壓裂方式，向干熱巖儲(chǔ)層注入高壓低溫流體, 使儲(chǔ)層中的天然裂隙擴(kuò)展沿伸, 從而達(dá)到增大儲(chǔ)層滲透性和熱交換面積的技術(shù)或工程(Brown et al., 2012; Olasolo et al., 2016; 許天福等, 2018)(圖1)。目前, 干熱巖開發(fā)還面臨著諸多方面的挑戰(zhàn)。例如, 干熱巖儲(chǔ)層建造、誘發(fā)地震和多場耦合作用等, 是干熱巖開發(fā)利用過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)(許天福等, 2018)。其中, 地應(yīng)力狀態(tài)控制著熱儲(chǔ)層的改造和裂隙擴(kuò)展(Brudy et al., 1997)。低溫流體注入后對(duì)裂隙巖體力學(xué)及變形行為會(huì)導(dǎo)致斷層失穩(wěn)、甚至誘發(fā)地震(Giardini, 2009; Ellsworth, 2013; Keranen and Weingarten, 2018)。而地應(yīng)力原位狀態(tài)的研究,是解決上述問題的關(guān)鍵所在, 因此, 準(zhǔn)確測量和評(píng)價(jià)地應(yīng)力狀態(tài)至關(guān)重要。

圖1 EGS工程模型(a)與EGS典型水力剪切運(yùn)動(dòng)模式(b)Fig. 1 EGS engineering model (a), and EGS typical hydraulic shear motion model (b)

干熱巖高溫高壓的鉆孔環(huán)境、取芯成功率低和成本高等客觀困難, 給干熱巖的地應(yīng)力測量帶來了挑戰(zhàn)。目前, 各國學(xué)者提出了數(shù)十種測量地應(yīng)力的方法, 但每一種方法都有其局限性(Haimson, 2010)。例如, 傳統(tǒng)的水壓致裂法因干熱巖賦存區(qū)特殊的高溫環(huán)境而難以應(yīng)用; 同樣, 目前國內(nèi)成像測井探頭普遍耐溫上限為 180 ℃, 更高溫區(qū)域的圖像獲取相對(duì)困難。因而, 本文除了闡述地應(yīng)力在干熱巖開發(fā)中的作用, 還總結(jié)推薦了幾種適用于干熱巖地應(yīng)力測量中的方法, 并結(jié)合青海共和干熱巖試采討論了地應(yīng)力測量與評(píng)價(jià)的步驟, 最后討論了干熱巖地應(yīng)力應(yīng)用的前沿問題與挑戰(zhàn)。本文的研究成果可為我國未來的干熱巖地應(yīng)力測量及其在開發(fā)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用提供參考。

1 地應(yīng)力在干熱巖開發(fā)的作用

我國受印度洋板塊、菲律賓板塊和太平洋板塊的擠壓作用, 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜, 地應(yīng)力環(huán)境也十分復(fù)雜。我國干熱巖分四種類型, 高熱流花崗巖型、沉積盆地型、近代火山型和強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)型(藺文靜等,2013; 王貴玲等, 2020)。不同的干熱巖類型具有不同的構(gòu)造成因, 也決定了其儲(chǔ)層地應(yīng)力特征不同?？傮w上, 我國干熱巖的儲(chǔ)層以走滑和逆沖型應(yīng)力為主(唐顯春等, 2023), 尤其是西部地區(qū), 地應(yīng)力水平普遍較高, 開發(fā)難度明顯大于西方國家的干熱巖工程。

依據(jù)Anderson經(jīng)典斷層理論模型, 假設(shè)垂直應(yīng)力等于上覆地體重量, 斷層類型按照垂直應(yīng)力(SV)與水平主應(yīng)力(SH和Sh)的大小關(guān)系, 分為三種基本地應(yīng)力類型(圖2)。在干熱巖中, 不同地應(yīng)力類型, 儲(chǔ)層改造時(shí)裂隙擴(kuò)張方式有顯著的差異。

圖2 三種基本地應(yīng)力類型Fig. 2 Three basic types of in-situ stress

(1)通常正斷層和走滑斷層型應(yīng)力易于裂隙激發(fā),而水平應(yīng)力差較大的逆斷層型應(yīng)力易于激活水平裂隙, 且復(fù)合應(yīng)力類型給 EGS裂隙改造帶來諸多不確定性。

(2)地應(yīng)力量值的增大會(huì)使破裂壓力增大, 影響儲(chǔ)層改造效率(趙金洲等, 2013)。地應(yīng)力的差異也會(huì)影響壓裂效果(Mao et al., 2017), 主應(yīng)力差越小, 裂縫延伸和轉(zhuǎn)向所需的凈壓力越小, 裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度越高(沈騁等, 2020), 進(jìn)而可以制造足夠大的換熱面積。

(3)水力壓裂中, 人工裂隙面一般與最小主應(yīng)力方向垂直相交, 并沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展延伸, 當(dāng)主應(yīng)力方向與儲(chǔ)層中自然裂隙方向夾角位于優(yōu)勢(shì)區(qū)間內(nèi), 有利于部署生產(chǎn)井和制造規(guī)模更大的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

2 干熱巖地應(yīng)力測量主要方法

地應(yīng)力測量的方法有多種, 但考慮到干熱巖特殊的賦存環(huán)境和存在技術(shù)困難, 本文將地應(yīng)力主要測量方法分為三大類: 鉆孔類、巖芯類和地質(zhì)類。

2.1 鉆孔類方法

2.1.1 水壓致裂法

水壓致裂法的基本假設(shè)為: 巖石材料各向同性、均質(zhì)彈性、不透水且在地殼深部受三個(gè)主應(yīng)力作用(Hubbert and Willis, 1957; Amadei and Stephansson,1997)。測試的基本方法是, 在鉆孔中用封隔器將一段隔離密封, 然后對(duì)封閉段進(jìn)行持續(xù)注水加壓直至孔壁破裂, 通過孔壁巖石破裂的壓力曲線特征可以確定地應(yīng)力量值。為了獲取可靠的水壓致裂數(shù)據(jù), 常常要進(jìn)行 3～5個(gè)壓裂循環(huán)試驗(yàn)以得到壓力-時(shí)間曲線。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是最小水平主應(yīng)力的測量結(jié)果較準(zhǔn)確(Haimson and Cornet, 2003)。最大水平主應(yīng)力的方向一般通過印模確定, 但對(duì)于大深度干熱巖鉆孔而言, 印模定向已不再適用。

水壓致裂法在非高溫深孔地應(yīng)力測量的最大深度已達(dá)到 5300 m, 但在干熱巖鉆孔中成功應(yīng)用的例子非常少。水壓致裂法應(yīng)用在干熱巖中最大困難是尚沒有安全可靠的耐高溫高壓封隔器。法國舒爾茨干熱巖工程曾采用高延展性的金屬銅箔封隔器, 但由于其性能不穩(wěn)定、應(yīng)用工藝復(fù)雜、造價(jià)偏高等原因, 至今并沒有廣泛應(yīng)用。

2.1.2 成像測井法

成像測井方法主要有聲波成像和電阻率成像兩種技術(shù), 其通過巖體對(duì)聲波阻抗和電阻率的不同響應(yīng)來獲取孔壁巖體和裂隙的差異性圖像。一般來說,完整、堅(jiān)硬的孔壁巖體具有高阻抗和高電阻率, 表現(xiàn)為高亮的圖像; 反之, 破碎、松軟的巖體(如孔壁破碎、節(jié)理裂隙等)表現(xiàn)為灰暗的圖像。由于地殼應(yīng)力的強(qiáng)烈差異性, 孔壁上應(yīng)力集中在泥漿壓力和溫度冷卻應(yīng)力的共同作用下得到強(qiáng)化, 往往表現(xiàn)為過量的壓剪應(yīng)力或拉張應(yīng)力, 進(jìn)而克服巖石自身力學(xué)強(qiáng)度形成孔壁失穩(wěn)破壞(Zoback, 2007)。通過成像測井圖像, 能識(shí)別出孔壁上的鉆孔崩落(BBOs)、誘發(fā)裂隙(DIFs)和誘發(fā)花瓣線(PCFs)等不同應(yīng)力導(dǎo)致的失穩(wěn)破壞情況, 進(jìn)而確定原地應(yīng)力狀態(tài)(Zhang et al., 2017;陳念等, 2021)。BBOs的形成往往與壓縮應(yīng)力狀態(tài)有關(guān), 即最小水平主應(yīng)力方向上最大有效應(yīng)力大于巖石的抗壓強(qiáng)度(圖3)。在垂直或近垂直的鉆孔中,BBOs能指示最小水平主應(yīng)力的方向。DIFs的形成與拉張應(yīng)力狀態(tài)有關(guān), 即孔壁上最大水平主應(yīng)力方向上的最低有效應(yīng)力高于巖石的抗拉強(qiáng)度。DIFs能指示最大水平主應(yīng)力的方向(Bell and Gough,1979)。PCFs的花瓣部分沿最小水平主應(yīng)力方向形成,中心線沿最大水平主應(yīng)力形成, 可以選擇中心線兩側(cè)方位的平均值, 作為最小水平主應(yīng)力方向(Schoenball and Davatzes, 2017)。

圖3 鉆孔壁BBO、DIF和PCF三維示意圖(a, 修改自Jo et al., 2019)及鉆孔壁應(yīng)力大小和方位關(guān)系圖(b, 修改自Talukdar et al., 2022)Fig. 3 Three-dimensional diagram of BBO, DIF and PCF of borehole wall (a, modified from Jo et al., 2019),and relationship between the magnitude of borehole wall stress and orientation (b, modified from Talukdar et al., 2022)

利用成像測井所識(shí)別的上述孔壁破壞特征確定原地應(yīng)力場的方向非常方便、可靠, 但對(duì)于地應(yīng)力的大小, 需要先測定或假設(shè)鉆孔圍巖的強(qiáng)度、崩落的寬度等參數(shù), 才能約束其范圍(Brudy et al., 1997; Zoback, 2007; Chang and Jo, 2015)。在地應(yīng)力測量中,用成像測井和水壓致裂聯(lián)合約束原地應(yīng)力的狀態(tài),往往取得較好的結(jié)果。當(dāng)前國內(nèi)成像測井探頭普遍耐溫上限為 180 ℃, 為了獲取干熱巖儲(chǔ)層更高溫度孔段的圖像, 通常需要進(jìn)行充分的泥漿循環(huán)降溫。

2.1.3 陣列聲波法

近 30年來, 陣列聲波(或交叉偶極聲波)技術(shù)也成為用于確定地應(yīng)力大小和方位的一種重要方法(Sinha and Kostek, 1996; 陳浩等, 2009; Zheng et al.,2019)。巖石物理實(shí)驗(yàn)分析表明, 顯著的水平差應(yīng)力作用會(huì)在巖體中誘導(dǎo)產(chǎn)生各向異性, 其中橫波在最大水平主應(yīng)力方向上傳播速度最慢, 因此, 可以利用方位各向異性準(zhǔn)確確定最大水平主應(yīng)力方向(魏周拓等, 2012)。此外, 可通過陣列聲波提取的縱波時(shí)差、橫波時(shí)差和巖石密度等測井資料, 改進(jìn)黃氏模型、組合彈簧模型和葛氏模型等眾多模型來計(jì)算地應(yīng)力大小(王生奧等, 2021)。

干熱巖體主要為脆性結(jié)晶巖, 具有超低孔滲特征, 因此適合用橫波各向異性確定地應(yīng)力狀態(tài)。但研究表明, 不僅不平衡的地應(yīng)力可以導(dǎo)致地層各向異性, 而且地層中發(fā)育的裂縫等因素也可導(dǎo)致各向異性(印興耀等, 2018)。因此使用陣列聲波法過程中必須首先排除干熱巖裂隙集中發(fā)育段等非地應(yīng)力因素。當(dāng)應(yīng)力差異性較小時(shí), 應(yīng)力引起的各向異性較弱而很難被檢測出來?？傮w上, 該方法在干熱巖儲(chǔ)層地應(yīng)力狀態(tài)分析中具有一定的價(jià)值, 但需要更加謹(jǐn)慎。

2.2 巖芯類方法

2.2.1 非彈性應(yīng)變恢復(fù)法

非彈性應(yīng)變恢復(fù)法(ASR), 是通過測量巖芯隨時(shí)間相關(guān)的非彈性應(yīng)變來確定原地應(yīng)力大小和方向的一種方法(張重遠(yuǎn)等, 2012; 王成虎, 2014)。巖芯是一種黏彈性材料, 當(dāng)從鉆孔中取出后, 脫離了原地應(yīng)力場, 首先會(huì)發(fā)生彈性應(yīng)變恢復(fù), 隨后逐漸發(fā)生非彈性應(yīng)變恢復(fù), 且各方向的應(yīng)變恢復(fù)量與先前所受應(yīng)力正相關(guān), 基于此可以確定三維地應(yīng)力的狀態(tài)(Teufel, 1983; Matsuki, 1991)(圖4)。ASR法通過測量巖芯各方向的應(yīng)變恢復(fù)可獲得主應(yīng)變的方向, 也就是主應(yīng)力的方向。地應(yīng)力大小的確定, 需要針對(duì)不同的巖性, 確定準(zhǔn)確的巖石本構(gòu)模型才行。ASR測量結(jié)果的準(zhǔn)確性受殘余應(yīng)變、巖芯采取時(shí)間、巖芯各向異性以及巖芯脫水作用等因素的影響(Teufel,1993; Lin et al., 2006; Zhang et al., 2022)。及時(shí)采集充足的應(yīng)變數(shù)據(jù)是獲得可靠地應(yīng)力數(shù)據(jù)的關(guān)鍵, 因此,普遍在鉆井現(xiàn)場就近建立實(shí)驗(yàn)室, 并采用高精度應(yīng)變片和高頻應(yīng)變采集儀進(jìn)行測量。溫度波動(dòng)和巖芯失水是導(dǎo)致非應(yīng)力性應(yīng)變的主要干擾因素, 試驗(yàn)過程中須將巖芯密封包裹并置于恒溫水浴箱內(nèi)。主應(yīng)力方向可以借助于古地磁定向手段來確定。近年來,ASR法普遍應(yīng)用于深部地?zé)峒案蔁釒r地應(yīng)力測量(Zhang et al., 2022), 測量效果十分理想, 未來將在干熱巖地應(yīng)力測量中發(fā)揮重要作用。

圖4 巖石流變應(yīng)變-時(shí)間圖(a)與ASR測試中應(yīng)變-時(shí)間曲線(b)Fig. 4 Rock rheological strain-time diagram (a), and strain-time curve in ASR test (b)

2.2.2 直徑變形分析法

直徑變形分析法(DCDA)測量地應(yīng)力的原理是,在地應(yīng)力作用下, 將巖芯從鉆孔中取出后, 由于應(yīng)力的釋放, 會(huì)產(chǎn)生瞬間的彈性變形(圖5)。理論上, 巖芯在鉆取的瞬間為純圓柱狀, 一旦脫離地應(yīng)力場,巖芯截面在各向異性應(yīng)力下將變?yōu)闄E圓狀。根據(jù)胡克定律, 取芯前巖芯所受應(yīng)力的大小與圓柱直徑的彈性變形量成正比, 進(jìn)而表現(xiàn)為橢圓的長短軸。通過高精度平面輪廓掃描儀就可以確定巖芯的最大和最小直徑。對(duì)于垂直孔取芯, 根據(jù)最大和最小應(yīng)變與水平主應(yīng)力的關(guān)系, 計(jì)算得到水平主應(yīng)力差值的大小(Funato and Ito, 2017; 楊躍輝等, 2019)。因此,DCDA法是一種半定量的地應(yīng)力測量方法。通常也可以結(jié)合其他地應(yīng)力測量方法綜合制約主應(yīng)力量值范圍。若巖芯是定向的(如采用古地磁方法), 則同時(shí)可以獲得主應(yīng)力的方向。和ASR法相比, DCDA法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)巖芯沒有時(shí)間限制, 因此, 可以利用任何時(shí)期鉆取的巖芯開展測量。由于取芯時(shí)的彈性變形瞬間完成, DCDA測量結(jié)果中會(huì)有一部分非彈性應(yīng)變, 研究表明, 非彈性應(yīng)變與彈性應(yīng)變相比可以忽略不計(jì)。

圖5 DCDA原理圖(a, 改自Funato and Ito, 2017)和DCDA測試曲線(b)Fig. 5 DCDA schematic diagram (a, modified from Funato and Ito, 2017), and DCDA test curve (b)

干熱巖儲(chǔ)層的高溫環(huán)境給鉆孔類地應(yīng)力測量帶來了挑戰(zhàn)。雖然溫度會(huì)使巖芯直徑發(fā)生變形, 但這種變形是均勻的, 對(duì)ASR和DCDA測量帶來的誤差是可以忽略的, 不會(huì)影響最終的測量結(jié)果。然而, ASR和DCDA都要求巖芯相對(duì)完整、表面光滑且沒有天然裂隙或鉆進(jìn)誘發(fā)的微裂隙; 若深部巖體破碎或有先存裂隙, 則會(huì)影響測量結(jié)果(Teufel, 1993)。

2.2.3 巖芯餅化法

巖芯餅化法同樣可以用來估算原地應(yīng)力狀態(tài),尤其是高地應(yīng)力區(qū)域。巖體所受的應(yīng)力越高, 在鉆進(jìn)取芯過程中巖芯根部的應(yīng)力集中程度越高, 巖芯越容易發(fā)生餅化破壞。有學(xué)者通過模擬試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)巖芯餅化是由于剪應(yīng)力集中引起拉張破壞形成的(Jaeger and Cook, 1963)。巖芯餅化的形貌特征一定程度上反映了深部工程的地應(yīng)力狀態(tài)。巖餅外沿輪廓的“馬鞍狀”凹形軸線可以指示最大水平主應(yīng)力的方向(李彥恒等, 2012)。巖餅的厚度與直徑的比值(厚徑比)反映了地應(yīng)力的大小。通過構(gòu)建巖芯餅化發(fā)生的臨界地應(yīng)力狀態(tài)與巖餅厚徑比的經(jīng)驗(yàn)和理論關(guān)系式, 可以估算最大主應(yīng)力的大小(Lim and Martin, 2010; 張豐收等, 2022)。

干熱巖儲(chǔ)層的高溫高壓環(huán)境, 具有發(fā)生巖芯餅化的應(yīng)力條件。因此, 巖芯餅化可以作為一種半定量的地應(yīng)力評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于干熱巖中。

2.3 地質(zhì)類方法

2.3.1 震源機(jī)制解

地震是因?yàn)榈貧?nèi)部巖體受應(yīng)力作用, 突然發(fā)生斷裂滑動(dòng)的結(jié)果。在地震活躍的地區(qū), 可以從地震震源機(jī)制獲得應(yīng)力場的重要信息(Zoback, 2007)。目前, 利用震源機(jī)制解確定地應(yīng)力場的方法在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展(Zoback, 1992; 趙建濤等, 2002)。該方法的基本假設(shè)為, 地殼中最大應(yīng)力差受優(yōu)勢(shì)方位斷層強(qiáng)度限制(Zoback, 1992)。當(dāng)斷層滑動(dòng)時(shí), 壓縮區(qū)和膨脹區(qū)分別向外發(fā)射負(fù)極性和正極性的 P波。定義P軸和T軸分別平分膨脹區(qū)和壓縮區(qū), B軸與P和T軸垂直。震源機(jī)制參數(shù)可以反映應(yīng)力的積累和釋放過程, 通過大量斷層面解的平均 P、B、T軸就可以推斷震區(qū)平均地應(yīng)力場方向(Sheng et al., 2021)。

利用震源機(jī)制解資料估算地應(yīng)力的量值還存在一定的困難(Zoback, 1992; Plenefisch and Bonjer,1997)。在干熱巖開發(fā)前, 可以先根據(jù)區(qū)域歷史地震資料評(píng)價(jià)區(qū)域地應(yīng)力背景, 獲取地應(yīng)力的類型和主應(yīng)力方向等關(guān)鍵信息。在儲(chǔ)層改造過程中, 水力壓裂常常誘發(fā)地震, 也可以利用誘發(fā)較大級(jí)別地震(大于0級(jí))動(dòng)態(tài)分析場區(qū)地應(yīng)力場的變化。

2.3.2 地質(zhì)分析法

斷層是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最基本的表現(xiàn)形式, 也是構(gòu)造應(yīng)力在巖石中最直接作用的產(chǎn)物。斷層在運(yùn)動(dòng)過程中形成的大量斷面構(gòu)造(擦痕、階步)為反演構(gòu)造應(yīng)力場提供了直接載體(王成虎, 2014)。實(shí)際工作中,需要在野外測量擦痕所在的斷面產(chǎn)狀包括走向、傾向和傾角, 以及滑動(dòng)矢量包括擦痕的側(cè)伏角、側(cè)伏向和動(dòng)向, 在測量基礎(chǔ)上室內(nèi)用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算, 分析獲取每個(gè)點(diǎn)上的古構(gòu)造應(yīng)力特征。一個(gè)區(qū)域構(gòu)造變形往往是多期次的, 單個(gè)野外觀測點(diǎn)往往會(huì)獲得多期次古構(gòu)造應(yīng)力場, 在野外調(diào)查應(yīng)仔細(xì)鑒別擦痕性質(zhì)、滑動(dòng)方向和斷層活動(dòng)期次配套。需要注意的是, 在沉積地層區(qū)應(yīng)用斷層判斷古構(gòu)造應(yīng)力場時(shí)要確定活動(dòng)影響的最新地層然后逐步篩分, 層層剝離。此外, 利用節(jié)理重建古構(gòu)造應(yīng)力場也是最常用的一種方法(圖6), 例如張裂隙(節(jié)理)一般指示了最大主應(yīng)力方向, 初始共軛節(jié)理的夾角平分線一般指示最大主應(yīng)力方向, 這些多為定性方法。利用共軛節(jié)理確定古構(gòu)造應(yīng)力場方向是目前應(yīng)用最廣泛的。但有時(shí)候多期應(yīng)力疊加使得共軛節(jié)理的分期和配套往往不易判斷(陳鵬和施煒, 2015)。

圖6 巖體上發(fā)育的共軛剪節(jié)理(a)與共軛節(jié)理反演的構(gòu)造應(yīng)力場(b)Fig. 6 Conjugate shear joints developed on rock (a),and tectonic stress field inversely calculated for conjugate joints (b)

在干熱巖應(yīng)力場調(diào)查中, 由于巖體多為中—新生代之前的巖體, 更需要野外判斷斷層之間的切割關(guān)系, 以確定最近一期斷層滑動(dòng)矢量指示的構(gòu)造應(yīng)力場, 結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)的判別才能更精確確定某地的地應(yīng)力狀態(tài)。還可以對(duì)干熱巖地區(qū)最新可觀察到節(jié)理(裂隙)地層進(jìn)行調(diào)查, 重點(diǎn)識(shí)別張節(jié)理延伸方向(代表最大主應(yīng)力方向), 再確定存在的共軛節(jié)理指示的最大主應(yīng)力方向, 二者互相驗(yàn)證, 即可判斷這一區(qū)域該套地層沉積之后區(qū)域應(yīng)力場方向, 再結(jié)合現(xiàn)今實(shí)測應(yīng)力場結(jié)果, 即可判斷地殼在某一時(shí)段內(nèi)的地應(yīng)力狀態(tài)。

3 干熱巖勘查開發(fā)地應(yīng)力評(píng)價(jià)——以共和干熱巖為例

由于干熱巖鉆孔環(huán)境復(fù)雜、鉆探的難度大、鉆探工期長、取芯成功率低等困難, 僅依賴水壓致裂法或成像測井法等手段不僅存在技術(shù)上的挑戰(zhàn), 也不能及時(shí)保證干熱巖試驗(yàn)性開發(fā)前期的各種物理模擬、數(shù)值模擬評(píng)價(jià)需求。因此, 本文利用不同的地應(yīng)力評(píng)價(jià)方法, 多角度測量和約束了共和干熱巖開發(fā)場區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于地應(yīng)力的類型和量值: 首先前期收集了本區(qū)域的地震和鉆井巖芯, 利用震源機(jī)制解法和巖芯餅化法分別評(píng)估了地應(yīng)力類型和水平差應(yīng)力的大小; 其次, 基于鉆井過程中取芯, 利用ASR法測量得到了三維主應(yīng)力的量值, 并利用DCDA法、巖芯餅化法進(jìn)一步約束了水平差應(yīng)力值和最大水平主應(yīng)力的量值范圍。對(duì)于地應(yīng)力方向, 成像測井?dāng)?shù)據(jù)顯示, 共和干熱巖的注采井壁上均大量發(fā)育了孔壁崩落、誘發(fā)張裂隙以及誘發(fā)花瓣線等方向信息, 進(jìn)而準(zhǔn)確地獲取儲(chǔ)層的地應(yīng)力方向。

基于上述地應(yīng)力評(píng)價(jià)模式, 本文獲得了共和盆地恰卜恰干熱巖儲(chǔ)層的地應(yīng)力狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)干熱巖場區(qū)花崗巖鉆孔取芯資料, 發(fā)現(xiàn) 3200～3800 m儲(chǔ)層范圍內(nèi)餅化巖芯厚徑比普遍在0.2～0.3范圍內(nèi)。據(jù)巖石力學(xué)資料(雷治紅, 2020), 共和花崗巖的抗拉強(qiáng)度為11.5～19.9 MPa, 按應(yīng)力比因子約為6.5計(jì)算(Lim and Martin, 2010; 張豐收等, 2022), 可推測SH=74.75～129.35 MPa。本文展示了利用ASR法開展的 3個(gè)深度地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果, 得到SH=109.1～111.9 MPa,Sh=97～98.6 MPa,SV=88.2～97.1 MPa。利用DCDA法測量了3884 m處巖芯的直徑變形數(shù)據(jù), 計(jì)算得到水平應(yīng)力差(SH-Sh)為 25.14 MPa, 與 ASR法實(shí)測結(jié)果較為一致。由圖7可知, 三種方法所測地應(yīng)力結(jié)果一致性較好。統(tǒng)計(jì)成像測井資料中孔壁崩落、誘發(fā)張裂隙及少量的誘發(fā)花瓣線信息均表明,SH方向?yàn)?N35°～39°E, 與區(qū)域震源機(jī)制解和 GPS變形結(jié)果一致(孟文等, 2022)。

圖7 共和干熱巖儲(chǔ)層地應(yīng)力大小圖Fig. 7 In-situ Stress of Gonghe dry Hot Rock Reservoir

據(jù)現(xiàn)場儲(chǔ)層改造結(jié)果顯示(Zhang et al., 2022),水力壓裂觸發(fā)微地震的震源機(jī)制解在淺部多以走滑型事件為主, 而深部多以逆沖型事件為主, 破裂主軸方向以 NE向?yàn)橹? 這與地應(yīng)力測量結(jié)果較為一致, 表明本文所提出的干熱巖地應(yīng)力測量評(píng)價(jià)模式具有較好的可操作性和可靠性。

4 干熱巖地應(yīng)力應(yīng)用研究前沿

4.1 儲(chǔ)層建造與裂隙擴(kuò)展

高效利用EGS開發(fā)干熱巖資源, 關(guān)鍵是要通過水力壓裂制造復(fù)雜縫網(wǎng), 進(jìn)而提高巖石的滲透率(Baria et al., 1999)。國際上普遍認(rèn)為, 理想經(jīng)濟(jì)的干熱巖商業(yè)化儲(chǔ)層改造體積應(yīng)達(dá)到0.1 km3, 有效熱交換面積應(yīng)達(dá)到100萬m2(Brown et al., 2012)。目前, 國際上很多 EGS工程儲(chǔ)層改造體積已遠(yuǎn)超過 0.1 km3的目標(biāo), 而有效換熱面積距離商業(yè)化利用還有一定的差距, 主要原因在于儲(chǔ)層改造過程中對(duì)天然裂隙系統(tǒng)的改造還不夠理想(圖8)。

圖8 干熱巖水力壓裂開采模式(a)及儲(chǔ)層裂隙或斷層激活模式(b)(改自Fang et al., 2017)Fig. 8 Hot dry rock hydraulic fracturing production mode (a) and reservoir fracture or fault activation mode(b)(modified from Fang et al., 2017)

現(xiàn)有干熱巖水力壓裂開采模式的根本出發(fā)點(diǎn)是利用注水激活和聯(lián)通先存裂隙, 進(jìn)而提高高溫致密儲(chǔ)層的滲透性(圖1和圖8)。但是, 不同于頁巖氣水力壓裂以制造拉張裂縫為主, 干熱巖主要通過水力剪切方式使巖體裂隙和斷層發(fā)生剪切滑動(dòng)并利用其自有的粗糙度產(chǎn)生“自支撐”, 進(jìn)而增加儲(chǔ)層滲透率(Keranen and Weingarten, 2018; 許天福等, 2018)。目前, 對(duì)地應(yīng)力和裂隙的耦合作用關(guān)系理解不夠, 是制約干熱巖開發(fā)的難點(diǎn)。一般來說, 裂縫沿著接近或平行于最大主應(yīng)力的方向發(fā)育, 但會(huì)在天然裂縫交界處發(fā)生轉(zhuǎn)向, 從而形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)(Barton et al.,1995; 周舟等, 2019)。此外, Mao et al.(2017)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)花崗巖的水力壓裂試驗(yàn)表明, 水平方向上的應(yīng)力差的量值也會(huì)影響裂縫的路徑, 水平應(yīng)力差越大水力裂縫路徑的曲率就越大。

因而, 充分理解和安全控制復(fù)雜應(yīng)力場作用下儲(chǔ)層裂隙的滑動(dòng)行為既是干熱巖開發(fā)的前沿核心科學(xué)問題, 也是技術(shù)難題。干熱巖裂隙處于一個(gè)高溫、高應(yīng)力和高孔隙壓力的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境, 其力學(xué)行為和常規(guī)環(huán)境巖體裂隙相比更為復(fù)雜(Lee et al.,2019)。在注水所強(qiáng)化的溫度-滲流-應(yīng)力多物理場耦合作用下, 其破壞強(qiáng)度、變形機(jī)理、滲透特征等一系列重要的物理和水力學(xué)行為難以采用傳統(tǒng)的理論來解釋。此外, 干熱巖在形成和賦存的地質(zhì)時(shí)期中, 都要經(jīng)過中-高溫水熱蝕變過程, 這使得儲(chǔ)層裂隙乃至斷層中存留不同程度的蝕變礦物或斷層泥。毫無疑問, 斷層泥的存在, 不僅使得干熱巖儲(chǔ)層裂隙的剪切、摩擦和滲透特征以及彼此的影響行為更加復(fù)雜,還使得場區(qū)的地應(yīng)力評(píng)價(jià)變得困難。

4.2 注水誘發(fā)地震

以水力壓裂為主的干熱巖開發(fā)項(xiàng)目中, 誘發(fā)地震是無法回避的風(fēng)險(xiǎn)因素(甘浩男等, 2020)。注水誘發(fā)的微地震作為裂隙破裂生長的物理響應(yīng), 對(duì)于描繪儲(chǔ)層裂隙網(wǎng)絡(luò)和滲透路徑具有重要意義。然而, 有感甚至破壞性的誘發(fā)地震往往引發(fā)社會(huì)公眾恐慌、危及人們生命財(cái)產(chǎn)安全(H?ring et al., 2008; Kim et al.,2018)。

研究認(rèn)為地殼中斷層普遍處于臨界應(yīng)力平衡狀態(tài), 流體注入后對(duì)巖體力學(xué)及變形行為的擾動(dòng)所導(dǎo)致的斷層失穩(wěn)、甚至誘發(fā)地震不可避免(Ellsworth,2013)。四川長寧頁巖氣開采中, 有學(xué)者認(rèn)為工業(yè)注水活動(dòng)大概率誘發(fā)了M5.7級(jí)和M6.0級(jí)地震(雷興林等, 2020)。不同于頁巖氣儲(chǔ)層的軟弱巖體, 干熱巖儲(chǔ)層往往以高溫、高應(yīng)力、高硬度、高脆性的結(jié)晶巖體為主, 誘發(fā)地震的強(qiáng)度、頻率、地表響應(yīng)都更為顯著(Grigoli et al., 2018)。圖9總結(jié)了干熱巖應(yīng)用中, 潛在的地震活動(dòng)誘發(fā)機(jī)制, 主要為: 流體注入增大了孔隙壓力, 使有效應(yīng)力降低引起斷層失穩(wěn)破壞; 注入流體加溫后密度變小產(chǎn)生的浮力, 破壞了周圍斷層的穩(wěn)定性; 注入流體溫度低于熱儲(chǔ)層巖體, 冷卻誘發(fā)應(yīng)力降低使斷層失穩(wěn); 地震滑動(dòng)和無震蠕滑使周圍巖石變形, 導(dǎo)致其余區(qū)域不穩(wěn)定;滑移分別壓縮和延伸滑移區(qū)前后的巖石, 使瞬時(shí)孔隙壓力變化, 影響斷層的穩(wěn)定性(Vilarrasa et al.,2022)。

圖9 潛在注水誘發(fā)地震機(jī)理(改自Vilarrasa et al., 2022)Fig. 9 Potential water injection induced seismicity mechanism (modified from Vilarrasa et al., 2022)

相關(guān)研究揭示注水誘發(fā)地震需具備以下三個(gè)條件: 應(yīng)力擾動(dòng)、存在相當(dāng)尺寸的處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的斷層, 以及兩者之間存在直接或間接的偶聯(lián)機(jī)制, 即應(yīng)力擾動(dòng)可通過某種方式改變斷層原有的應(yīng)力狀態(tài)。因而, 無論哪種誘發(fā)地震機(jī)制, 誘發(fā)微地震評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于獲得準(zhǔn)確且精細(xì)的應(yīng)力場及天然裂隙資料, 以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)先存斷層或者誘發(fā)裂縫的穩(wěn)定性情況, 進(jìn)而有效開展干熱巖注采誘發(fā)微地震防控分析。

5 結(jié)論與展望

干熱巖地應(yīng)力測量面臨高溫高壓的鉆孔環(huán)境、孔深較大、取芯成功率低、成本高等客觀挑戰(zhàn), 常規(guī)或單一的地應(yīng)力測量技術(shù)和方法難以滿足儲(chǔ)層地應(yīng)力評(píng)價(jià)需求。

(1)可以采用多種測量方法相結(jié)合、深部與淺部相結(jié)合、定性與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的地應(yīng)力調(diào)查評(píng)價(jià)模式, 經(jīng)共和干熱巖實(shí)踐與開采驗(yàn)證, 顯示具有較好的可行性。

(2)一般的地應(yīng)力測量中往往都是在目標(biāo)范圍內(nèi)選取一段或幾段進(jìn)行測量, 因此容易忽視測量“盲區(qū)”的地應(yīng)力變化。所以, 未來的地應(yīng)力測量將向精細(xì)化方向發(fā)展, 才能更好的服務(wù)于干熱巖資源的開發(fā)利用。

(3)雖然人們逐漸認(rèn)識(shí)到地應(yīng)力對(duì)于干熱巖開采儲(chǔ)層改造的重要性, 但可以采用的方法和測量精度仍然不能滿足。因而為了獲取豐富原位地質(zhì)數(shù)據(jù),地應(yīng)力的精細(xì)評(píng)價(jià)被寄予厚望, 在此基礎(chǔ)上探索干熱巖水力壓裂中裂隙擴(kuò)展機(jī)理與高效控制方式研究。

(4)當(dāng)前注水(尤其是干熱巖)誘發(fā)地震研究存在的顯著缺陷是: 對(duì)儲(chǔ)層地質(zhì)和力學(xué)背景缺乏清晰認(rèn)識(shí), 未知邊界條件較多, 導(dǎo)致深部儲(chǔ)層裂隙、斷層的多場耦合行為及失穩(wěn)演化過程處于“黑箱”之中。未來的注水誘發(fā)地震研究應(yīng)該基于足夠多的微地震監(jiān)測臺(tái)站、足夠詳細(xì)的地應(yīng)力狀態(tài)數(shù)據(jù)、足夠清晰的深部水文和地質(zhì)力學(xué)資料, 以加強(qiáng)人們對(duì)誘發(fā)地震機(jī)制的理解。

致謝:感謝審稿專家對(duì)本文的建設(shè)性建議, 感謝中國地質(zhì)科學(xué)院唐顯春教授級(jí)高工邀請(qǐng)參與本專輯的撰稿。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. DD20190138 and DD20221660), National Natural Science Foundation of China (No.42177175), and Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No. DZLXJK202204).