深部地應力測試技術及其在鉆井工程中的應用

李一鳴

摘要：在地下巖體結構中普遍存在的地應力，會對區域地下結構的穩定性帶來主要影響。在進行鉆井施工等巖土工程施工中，地應力是導致巖土結構出現變形、產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構穩定性，需要利用深部地應力測試技術來掌握巖體力學分布規律和變化特點。本文對深部巖體地應力分布規律進行分析，結合鉆井工程施工需要，提出了深部地應力測試技術的應用方向和措施，旨在提高鉆井工程施工的科學化水平。

關鍵字：深部地應力 測試技術 鉆井工程 應用

在鉆井工程施工深度不斷加深的條件下，地應力對鉆井穩定性影響越來越突出。深部地應力測試技術能有效掌握鉆井施工中地應力的分布和變化情況，為施工設計和決策提供參考依據，避免深部地應力對鉆井施工帶來井壁變形、破壞等問題。本文在對深部巖體地應力分布規律進行分析基礎上，結合鉆井工程施工需要，提出了深部地應力測試技術應用于鉆井工程的方向和措施，旨在提高鉆井工程施工科學化水平。

1 深層巖體地應力影響因素

在地下深層巖體結構中，會因為地殼運動引起的大陸板塊擠壓、碰撞或者是地層深層的火山、地震等自然現象，導致地層深度巖層的結構、成分、壓力等指標各不相同，巖層內部的自重和結構變化導致應力出現變化，從而形成深部巖體較為復雜的初始應力場。深層巖體的地應力主要受到以下因素影響：一是巖體周圍的巖體結構帶來的影響，如上層巖層的重量會對深層巖體產生垂直應力，巖體構造發生運動會產生水平應力。由于深層巖體構造比較復雜，地應力分布會出現分布不規律、變化比較復雜的情況，多種因素作用下的長時間大范圍的構造運動，是決定深層巖體地應力初始大小的決定因素。二是剝蝕作用會決定深層巖體的地形地貌，影響地應力的釋放和積累情況。剝蝕作用發生之前，巖體內部的應力是原始應力;在發生作用之后，深層巖體的水平應力不會有太大變化，但在垂直應力過度釋放的情況下，巖體內部會出現局部地應力超過自重應力的狀態。三是地下水的壓力、溫度等效應會影響地應力分布。當深層巖體裂縫中的地下水產生的壓力和周邊巖體骨架應力出現應力耦合疊加時，水平地應力會持續增加。如果地下水存在局部溫差，形成的溫度應力和巖體自重壓力疊加就會增加垂直應力。

2深層地應力分布規律

從中國現代構造應力場研究成果可以發現，國內地質構造的應力在一些劃分的區域范圍內，地應力變化較小，呈現總體穩定狀態。在鉆井工程施工中可以發現，施工井位于山區、地震帶等部位時，地應力變化比較顯著。深層地應力的分布和時間、空間指標關系非常密切，地應力的大小和方向會呈現跟隨變化的情況。在地震帶這種地應力比較復雜的區域，地應力變化比較頻繁，而非地震帶區域的地應力分布比較均勻而穩定。地應力會受到地震活動的周期影響，在地震發生前出現地應力持續上升，地震發生之后地應力快速下降，這說明地應力的分布是地下地質運動在時空效應下產生的累積效果。

3地應力測試技術

地應力測量技術主要是為準確獲得地應力的分布情況，采用多種技術獲取地下深部巖體的各種原始參數指標，通過技術分析來對地應力分布規律和特點進行研究。地應力測試技術的研究成果能對地應力分布進行仿真模擬，從而為地下巖土施工如鉆井工程施工等提供地應力的真實資料，指導施工安全推進。目前地應力測試技術主要有直接測量和間接測量兩種。其中，直接測量技術是利用專業的測量儀器和設備對地應力在補償、恢復和平衡等狀態下的應力量進行測量后，再利用應力值和巖體的關系公式來計算得出應力數值。常見的直接測量技術有水壓裂法、扁千斤頂法和聲發射法等。間接測量技術是在傳感器技術比較成熟后發展起來的新技術，是利用傳感元器件來測量和應力有關系的間接物理量，再通過間接物理量和應力通過函數計算得出巖體的應力值。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。間接測量技術最關鍵的是確定間接物理量和應力之間的函數關系，比較常見的方法有局部應力接觸法、地球物理探測法、套孔應力接觸法等技術類型。

4 深度地應力測試技術及應用

深度地應力測量因深度地層結構的復雜性和特殊性，導致應力測試結果受到多種因素影響。為提高深度地應力測量的真實性和可靠性，國內外都在嘗試利用綜合測試技術進行深度地應力測量。目前常見的深部地應力綜合測試技術主要有三大類。第一種是巖芯地應力測試技術，第二類是測井資料地應力技術，第三類是水利壓裂地應力測試技術。這三種深部地應力綜合配套測試技術在鉆井工程的深部地應力測量中都有應用。深度地應力測試技術應用目的是對鉆井井壁的穩定性進行測定，對鉆井不同方位和井壁穩定性進行全面系統的綜合評價，從而為后續鉆井施工中的井位置、井平臺、井斜度和泥漿指標進行優化。深度地應力測試技術能有效減少鉆井施工的成本支出，減少井壁出現變形、坍塌等安全事故，保證鉆井工程安全運行，提高鉆井施工的經濟效益。

深度地應力測試技術在鉆井工程的應用，目前主要是構建地應力和鉆井井壁的穩定性模型。鉆井施工會因為井孔開鉆破壞原有的深層地應力平衡狀態，會因為地應力集中作用于井壁，導致井壁出現不穩定、不安全情況。深度地應力測試技術能通過對地應力的測量，構建影響鉆井井壁穩定性的力學穩定性模型。通過對鉆井孔周圍的地應力情況、巖石力學特點進行分析，基于巖石強度理論來找出鉆井井壁的力學穩定區域，通過對剪切破壞和張性破壞的指標測量，找到保證鉆井井壁的力學穩定區域下所需要的鉆井泥漿密度和液體壓力，在計算機輔助分析下能大大提高模型的精度，有效促進安全鉆井。從深度地應力測試技術的應用實踐來看，該技術自上世紀50年代開始進行國內設備研究和研發以來，先后研制出了多代壓磁式應力計、鉆孔變形計等設備，為地應力測量工作奠定了良好技術基礎。上世紀末，國內針對深部非線性巖體地應力測量進行專項攻關，基于精準測量、完全溫度補償測量理論，建立了深部巖體地應力實驗標定方法體系，研發了巖體擾動應力長期監測系統，推進了深度地應力實時有效的監測應用。

鉆井工程中進行深度地應力測量，是保證順利安全施工的重要技術保障。加強對深度地應力測試技術的研究和應用，掌握深度地層巖體的應力場分布規律和實時狀態，將為能源、資源開發提供更高質量的技術支撐。

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