鉆孔巖芯聲發(fā)射法在張北能源儲氣庫地應(yīng)力測量中的應(yīng)用①

馬春德， 呂志海， 譚觀霜

（1.中南大學(xué)高等研究中心，湖南 長沙 410083； 2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

壓縮空氣儲能是一種新型的儲能技術(shù)，已經(jīng)被寫入國家“十四五”規(guī)劃中。 我國擬在河北省張家口市張北縣工業(yè)園區(qū)內(nèi)建造一個超大規(guī)模的綜合能源項目儲氣庫，設(shè)計庫容為3.00 × 104m3，埋深200 ～300 m。對于超大規(guī)模的地下硐室，開挖后的圍巖穩(wěn)定性是值得關(guān)注的重要問題[1-3］，有必要對儲氣庫擬建地下區(qū)域的地應(yīng)力場分布變化情況進行測試分析，進而為儲氣庫的科學(xué)合理設(shè)計和安全高效施工提供參考依據(jù)。

工程界常用的地應(yīng)力測試方法主要有套孔應(yīng)力解除法[4］、水壓致裂法[5］和聲發(fā)射法[6］等，這些方法目前都不完善。 利用巖石聲發(fā)射的Kaiser 效應(yīng)法進行地應(yīng)力測量[7-9］，需要專用定向取芯工具，以便在測試前在鉆孔中鉆取定向巖芯，高成本、低效率和耗時的取芯過程阻礙了聲發(fā)射法的有效推廣[10］。 鉆孔巖芯聲發(fā)射法是一種新的基于無定向巖芯的測量方法[11-12］，可以實現(xiàn)無定向巖芯的地面重新定向和巖層地應(yīng)力測量，從而改進傳統(tǒng)聲發(fā)射法無法定向的不足，使其得到的結(jié)果更接近于實際工況。 本文通過鉆孔巖芯聲發(fā)射法對張北儲氣庫建造區(qū)域進行地應(yīng)力測量，并使用圓周波速各向異性分析法[13］進行驗證。

1 鉆孔巖芯聲發(fā)射法

1.1 測量方法及原理

在進行聲發(fā)射試驗之前，需要使用新型巖芯重定向裝置基于鉆孔彎曲絕對性原則、巖芯軸線與鉆孔軸線一致性原則以及鉆孔與巖芯空間姿態(tài)匹配唯一性原則對巖芯進行重定向。

1.1.1 鉆孔彎曲絕對性原則

在進行常規(guī)取芯鉆探施工過程中，鉆頭的鉆進會受到地質(zhì)因素和工藝因素的影響，其鉆進軌跡與預(yù)設(shè)軌跡總是存在一定的偏差。 傳統(tǒng)意義上筆直鉆孔的“直”只是忽略了測斜精度誤差和測量密度影響的相對性的直，而鉆孔軌跡彎曲卻存在絕對性。 即只要測量儀器（鉆孔測斜儀）的精度足夠，就可以測量出鉆孔軌跡線上的頂角和方位角的微小變化值，即獲得鉆孔在空間上的彎曲變化情況。

1.1.2 巖芯軸線與鉆孔軸線一致性原則

目前的取芯鉆探基本采用金剛石或硬質(zhì)合金的環(huán)形鉆具，鉆具在巖層中回轉(zhuǎn)鉆進取得巖芯。 鉆孔彎曲（包括頂角和方向角的變化）由上端向下端逐步漸進式連續(xù)變化，這種方式下，鉆孔與對應(yīng)巖芯始終為具有共同軸線的同心圓柱體，不管鉆孔軸線發(fā)生什么樣的偏離，二者始終擁有共同的軸線軌跡，即鉆孔與巖芯彎曲具有一致性特征。

1.1.3 鉆孔與巖芯空間姿態(tài)匹配唯一性原則

鉆孔軸線與巖芯軸線重合，其軸線軌跡是一條變化的空間曲線，即使是一段較短的巖芯，其軸線軌跡上的各點的傾斜（彎曲）參數(shù)在空間上也是各不相同的，若想將它還原回鉆孔的原始姿態(tài)，必須保證鉆孔與對應(yīng)巖芯的每一點的傾角和方位角完全一致，即鉆孔與對應(yīng)巖芯在三維空間中的空間姿態(tài)匹配具有唯一性。

1.2 試樣加工過程

地應(yīng)力測試巖樣在地表重新準確定位后，送至石材加工廠進行聲發(fā)射法標準試件加工。 如圖1 所示，在垂直方向、0°方向、45°方向以及90°方向上分別鉆取3～4 個尺寸為25 mm × 50 mm 的小巖芯試樣，每個樣品均經(jīng)過仔細拋光，平整度良好。 利用巖石材料的Kaiser 效應(yīng)，使用MTS 材料試驗機和PCI-Ⅱ聲發(fā)射測試系統(tǒng)對加工好的地應(yīng)力測試巖樣進行單軸壓縮聲發(fā)射試驗。 測試系統(tǒng)自動記錄巖石的聲發(fā)射幅值和絕對能量等數(shù)據(jù)，通過加卸載以及二次加載對聲發(fā)射累計計數(shù)和絕對能量進行統(tǒng)計，結(jié)合二次加載的Felicity 效應(yīng)來判斷巖石的Kaiser 點。 利用空間不同角度上巖芯的Kaiser 效應(yīng)點對應(yīng)的應(yīng)力值，可計算出測點處最大水平主應(yīng)力大小和方向。 通過直接測量的垂直主應(yīng)力和間接計算的2 個水平主應(yīng)力，對不同深度地應(yīng)力值進行分析，可獲得所測區(qū)域的應(yīng)力場分布規(guī)律。

圖1 四向取樣示意圖

1.3 聲發(fā)射Kaiser 效應(yīng)測試地應(yīng)力

巖樣巖性為玄武巖，均取自張北綜合能源項目儲氣庫建造工程區(qū)域深度90 m 左右?guī)r層，分為ZK6、ZK7、ZK8，3 組共48 個試樣。 試驗加載方式采用位移控制加載，加載速率為0.1 mm／min，進行兩次應(yīng)力加卸載。 聲發(fā)射系統(tǒng)前置放大器設(shè)定為40 db，聲噪門檻值為45 db。 所用聲發(fā)射傳感器為Φ8 mm × 8 mm，諧振頻率20～400 kHz，采樣頻率1 MHz，用雙通道采集數(shù)據(jù)，使用凡士林作為耦合劑。 為減少試件端部效應(yīng)影響，加載前在壓頭與試件接觸端面均勻涂抹一層凡士林，試驗開始時用聲發(fā)射儀器同步采集數(shù)據(jù)。

圖2 為Kaiser 效應(yīng)點判斷方法示意圖。 這是通過MTS815 試驗機以及聲發(fā)射系統(tǒng)所做的一個玄武巖單軸壓縮的聲發(fā)射試驗。 圖2 分為上下兩個半圖，其中上半圖為載荷-時間加載曲線，下半圖為對應(yīng)的聲發(fā)射信號振幅散點時程圖，二者的時間軸相同。 兩次加載的峰值載荷分別超過15 kN 和25 kN。 從第一次加載過程可以看到，載荷很小時就有聲發(fā)射信號點產(chǎn)生，對應(yīng)巖石壓密階段內(nèi)部孔隙或顆粒的摩擦作用。 加載到240 s 左右時，聲發(fā)射信號出現(xiàn)了明顯激增的現(xiàn)象，此處出現(xiàn)較多高幅值聲發(fā)射信號，可以初步判定為Kaiser 效應(yīng)發(fā)生區(qū)域，對應(yīng)的載荷值約5 kN，但很難判定是發(fā)生在哪個準確時間點或哪個載荷值上。 為提高判斷精度，依據(jù)巖石聲發(fā)射的“抹錄不凈現(xiàn)象”原理，在第二次加載的聲發(fā)射信號圖上找出首個出現(xiàn)的“抹錄不凈”信號點，即下半圖中540 s 左右時出現(xiàn)的M 點。根據(jù)M 點對應(yīng)的載荷水平，回找第一次加載過程中的Kaiser 效應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的載荷，就可以較為準確地判定出該試件的Kaiser 效應(yīng)點，即4.72 kN。 另外，圖2 中第二次加載到首次加載峰值載荷時，明顯出現(xiàn)的Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象，也很好地佐證了試驗的有效性。

圖2 Kaiser 效應(yīng)點判斷方法示意圖

2 地應(yīng)力計算和結(jié)果分析

2.1 聲發(fā)射計算與分析

對取自3 個不同鉆孔不同方位角度的AE 試件進行聲發(fā)射試驗，獲得每個試件的Kaiser 效應(yīng)特征點對應(yīng)的應(yīng)力值，整理后得到各鉆孔不同方向上的應(yīng)力分量如表1 所示。 對于水平方向上的3 個應(yīng)力值，基于彈性力學(xué)原理，根據(jù)平面主應(yīng)力計算公式，可以計算得出各測點處的最大水平主應(yīng)力σH、最小水平主應(yīng)力σh及最大水平主應(yīng)力方向，計算結(jié)果列于表2 中。

表1 各鉆孔不同方向上的應(yīng)力分量

表2 各鉆孔主應(yīng)力計算結(jié)果

式中σ0、σ45、σ90分別為正北向逆時針0°、45°和90°方向的主應(yīng)力實測值；σH、σh分別為水平方向上最大、最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負）；θ為水平最大主應(yīng)力與正北向夾角（規(guī)定逆時針轉(zhuǎn)到北方向為正）。

從表2 可知，ZK6、ZK7 和ZK8 對應(yīng)的90 m 埋深處的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力達到12 MPa 左右，最小水平主應(yīng)力也比各自的垂直主應(yīng)力大；垂直主應(yīng)力比對應(yīng)埋深計算所得自重應(yīng)力稍大一點；3 個鉆孔最大主應(yīng)力方向基本一致，均為近南北方向。

2.2 圓周波速各向異性分析法

當?shù)叵聨r芯柱從鉆孔中被套鉆出來時，解除了最初的三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，各方向均發(fā)生了彈性恢復(fù)。從水平方向來看（巖芯柱環(huán)向），最大水平主應(yīng)力方向先前受到的壓應(yīng)力最大，應(yīng)力解除后該方向產(chǎn)生的恢復(fù)形變量也最大，對應(yīng)的通過軸心的縱波波速減小。反之，最小水平主應(yīng)力方向恢復(fù)形變量最小，對應(yīng)的縱波波速也會相應(yīng)增大。 巖芯波速最低的方位即為最大主應(yīng)力方向。

在對各鉆孔巖芯進行地表重定向后，AE 小試件加工之前，還采用PCI-II 聲發(fā)射系統(tǒng)的AST 波速測量功能對所采集巖芯柱在環(huán)向360°上每間隔15°進行一次過軸心的縱波波速測量，圖3 為ZK6 鉆孔巖芯柱過軸心波速測量結(jié)果（ZK7 和ZK8 波速測試結(jié)果基本類似）。 可以看到，0°和180°（南北向）附近波速明顯低于90°和270°（東西方向），說明從波速測量的角度來看，水平最大主應(yīng)力方向應(yīng)該是近南北向。 這一結(jié)果與鉆孔巖芯聲發(fā)射法所得結(jié)果吻合，進一步驗證了鉆孔巖芯聲發(fā)射法測量結(jié)果的正確性。

圖3 圓周波速各向異性分析法結(jié)果

2.3 與區(qū)域構(gòu)造情況的對比分析

該區(qū)域地質(zhì)資料顯示，張北縣地處內(nèi)蒙古高原南緣，屬壩上高原區(qū)，為玄武巖、熔巖組成的起伏不平的臺地，海拔1600～1850 m。 張北縣屬內(nèi)蒙古興安華力西期古生代地槽區(qū)域，在華力西運動之后全部回返而結(jié)束地槽發(fā)展階段，之后主要經(jīng)歷了燕山亞旋回、多倫復(fù)背斜、內(nèi)蒙古興安地槽褶皺等三次劇烈活動。 張北縣處于華力西運動產(chǎn)生的多倫復(fù)背斜（三級大地構(gòu)造單元）西段的張北拗陷上（四級大地構(gòu)造單元）。 中部內(nèi)蒙古臺背斜占據(jù)張北高原大部分，是個長期遭受南北向地應(yīng)力作用的隆起區(qū)。 張北大地在構(gòu)造變動方面是個長期穩(wěn)定地區(qū)，后期在燕山亞旋回和喜馬拉雅運動也發(fā)生不同程度的構(gòu)造變動。 張北拗陷自內(nèi)蒙古興安地槽褶皺以來，地殼運動基本結(jié)束，僅喜馬拉雅運動對本區(qū)有輕微影響，根據(jù)近50 年來的地質(zhì)考察及地殼變形觀測，未發(fā)現(xiàn)有其他明顯的活動跡象。 再次說明本次地應(yīng)力測試結(jié)果中的最大主應(yīng)力方向與該區(qū)域的主要構(gòu)造情況具有較好一致性。

3 結(jié)論

1） 張北綜合能源項目儲氣庫建造工程區(qū)域3 個鉆孔對應(yīng)的90 m 埋深處的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力達到12 MPa 左右，最小水平主應(yīng)力比各自的垂直主應(yīng)力大，3 個鉆孔的最大主應(yīng)力方向基本一致，均為近南北方向。

2） 利用自主研制的非定向地質(zhì)巖芯地表重定向技術(shù)及測試系統(tǒng)對鉆孔中巖芯進行了地表重定向工作，鉆孔巖芯聲發(fā)射法能夠很好地實現(xiàn)非定向巖芯的地面重新定向和地應(yīng)力狀態(tài)的測量。

3） 圓周波速各向異性分析法較好地驗證了鉆孔巖芯聲發(fā)射法的準確性。