渤海海峡跨海通道工程区海域三维地应力测试

跨渤海通道海域缺乏实测地应力基础数据,而海域钻探原位实测又承担着巨大风险与重重困难,为取得工程区现今地应力场特征第一手资料,利用以水压致裂地应力测量为主,以空心包体、非弹性应变恢复、差应变、声波各向异性法为辅的综合地应力测量技术,对研究区海域开展三维地应力测试与研究,建立了线性回归方程,得到了回归拟合曲线。结果表明,渤海海峡最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h与垂直主应力σ_v均随测试深度的增加呈线性增大规律;海峡南部地应力状态存在σ_H>σ_h>σ_v的关系,处于逆冲应力状态,应力场方向为NE,最大水平主应力大于垂直主应力,区域内构造力处于主导地位;海峡北部应力状态为σ_H>σ_v>σ_h,有利于走滑断层活动,应力场方向为NE,区域内构造力处于主导地位;整个工程区内地应力各分量值之间相差不大,远远小于区内断层活动应力值的下限,表明研究区目前处于稳定状态。研究结果符合一般地应力测...     

利用室内和现场水压致裂试验联合确定地应力与岩石抗拉强度

钻杆式水压致裂原地应力测试系统的柔性会影响最大水平主应力的计算精度。利用空心岩柱液压致裂试验获得的岩石抗拉强度来取代重张压力计算最大水平主应力是降低钻杆式测试系统柔性的负面影响的重要途径。在福建某隧道深度为65 m的钻孔内开展了8段的高质量水压致裂原地应力测试,随后利用钻孔所揭露的完整岩芯开展了17个岩样的空心岩柱液压致裂试验。利用空心岩柱液压致裂所得的抗拉强度平均值为8.40 MPa,与经典水压致裂法确定的岩体抗拉强度8.22 MPa接近。对于20 m的范围内8个测段的原地应力量值,最小水平主应力平均值为8.41 MPa,基于重张压力P_r的最大水平主应力平均值为16.70 MPa;基于空心岩柱抗拉强度的最大水平主应力量值平均值为16.88 MPa,两种方法获得的最大水平主应力平均值基本一致。最大最小水平主应力与垂直主应力之间的关系表现为σ_H > σ_V > σ_h,这种应力状态有利于区域走滑断层活动。通过对比分析可知,对于钻杆式水压致裂原地应力测试系统,当测试深度小且测试系统柔性小时,基于重张压力和基于空心岩柱抗拉强度得到的最大水平主应力量值差别不大,这说明基于空心岩柱的岩石抗拉强度完全可以用于水压致裂最大水平主应力的计算,同时基于微小系统柔性的水压致裂测试系统获得的现场岩体强度也是可靠的。      

岩石非均质程度对水压致裂地应力测试方法影响的分析与讨论

准确揭示原位地应力状态，对地下工程开挖支护设计和长期稳定性分析等具有十分重要的意义。利用水压致裂技术开展了纱岭金矿主竖井地应力测试工作，获得了20个测段地应力状态；室内进行了主竖井测试孔岩芯的岩石力学试验，包括巴西劈裂试验、单轴压缩试验及声发射监测试验，获得了岩石空间非均质度和强度分布特征，并分析了岩石非均质度与水压致裂测试结果的关系。结果表明：主应力大小随测量深度近似呈线性增大，测试孔的最大水平主应力值为20.78～45.20 MPa，最小水平主应力值为14.94～35.33 MPa，平均最大水平主应力方向为NW65°；测试孔岩芯各层位非均质度不同，变辉长岩非均质度系数为0.1～0.3，且岩石不同强度条件下声发射信号数量变化不显著，岩石离散度较小，花岗岩非均质度系数最高，可达1.0，以加载后期强相破裂产生的声发射信号为主；岩石非均质度影响水压致裂裂纹的扩展方向，扩展方向和最大水平主应力方向的夹角φ影响着最大、最小水平主应力的测量结果，且对最小水平主应力的影响尤为显著。分析水压致裂测量结果与岩石性质之间的关系，对精确探测非均质地层的地应力场分布规律具有一定的指导作用。     

太原抽水蓄能电站关键部位地应力状态及其在枢纽工程布设中的应用

采用水压致裂地应力测试技术,开展了山西太原抽水蓄能电站工程2个孔(孔深500 m和520 m)的地应力测试工作,获得了工程区关键部位地应力状态,分析了工程区的地应力水平、地下建筑布设方式和衬砌形式。结果表明:工程区最大水平主应力为10.98～18.09 MPa,最小水平主应力为6.79～11.32MPa,垂直主应力9.61～13.57 MPa;与山西省南北两端“南高北低”地应力值相比,此次测值处于两者之间,与沁水盆地地应力场模拟值相比,测试结果基本一致;垂直应力介于最大水平主应力和最小水平主应力之间(S_H>S_V>S_h),即测点的最大水平应力即最大主应力,且处于走滑型应力状态,其侧压系数K_av为0.92～1.09,反映出工程区构造作用不强烈;2个钻孔330～506 m范围内岩石饱和单轴抗压强度(R_b)为35.00～107.00 MPa,平均为63.79 MPa,岩石饱和单轴抗压强度与最大主应力比值(R_b/σ_m)为3.54～5...     

煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究

为了研究煤岩水力压裂的起裂压力和水力压裂裂缝扩展规律,采用型煤试样,利用自主研发的水力压裂实验系统,参照现场压裂施工制定了“施加三向应力-顶部注水”的煤岩水力压裂物理模拟实验方案并开展了水力压裂实验,分析了不同条件下泵注压力和水力压裂裂缝。实验结果表明:压裂液泵注排量越大,起裂压力越大。三向应力满足最大水平主应力σ_H > 垂向应力σ_v > 最小水平主应力σ_h,水力压裂裂缝沿着垂直于σ_h的方向扩展。σ_v和σ_h一定,随着σ_H的增大,煤岩起裂压力先增大后减小,水力压裂裂缝扩展路径越平直。当σ_H远大于σ_v和σ_h时,水力压裂裂缝扩展路径越复杂,分叉缝角度越大。研究结果可为煤岩水力压裂理论的完善提供一定的参考和借鉴。      

雪峰山深孔水压致裂地应力测量及其意义

利用最新研制的深孔水压致裂地应力测量设备在雪峰山2000 m科钻先导孔内开展了原地应力测量,在孔深170~2021 m范围内获得了16个测段的有效地应力测量数据,是国内首次利用水压致裂法获得的孔深超过2000 m深度的原地应力测量成果。测量结果表明,地应力随孔深增加而逐渐加大,对实测数据进行线性回归,得到最大和最小水平主应力随深度变化的关系分别为:S_H=0.03328H+5.25408,S_h=0.0203H+4.5662,在孔深2021 m深度,其实测值分别为66.31 MPa和43.33 MPa。基于实测数据,结合钻孔成像测试和井温测试结果,对测点应力状态进行了综合分析。在170~800 m深度范围,三向主应力关系为S_H > S_h > S_v,有利于逆断层活动;孔深1000~2021 m表现为S_H > S_v > S_h,表明该区域深部应力结构属于走滑型。最大水平主应力方向为北西-北西西方向。基于实测地应力数据及莫尔-库伦破裂准则,对测区附近断层活动性进行了分析讨论,认为该区域断层处于稳定状态。      

郯庐断裂带苏鲁界地应力积累特征及地震危险性研究

郯庐断裂带是中国东部重要的地质构造带和地震活动带,苏、鲁交界部位的地震活动性和强震危险性一直引人瞩目,1668年发生过郯城8.5级大地震。为了解郯庐断裂带苏鲁界现今地应力环境与地震发展趋势,应用水压致裂法在该区开展了一个钻孔的原地应力测量工作,同时参考前人利用钻孔崩落法与声发射法获取的中国大陆科学钻探(CCSD)主孔301～5047m深度范围内的地应力数据,揭示了研究区地应力状态。利用库伦破裂准则、Byerlee定律以及断层摩擦参数μ_m分析研究该地区的地应力积累水平,评估断层发生滑动的可能性。结果表明:水压致裂法测点在75.74～191.04m深度范围内最小水平主应力的量值为3.68～13.15MPa,最大水平主应力的量值为4.02～19.40MPa。CCSD主孔在1269～5047m深度范围内最小水平主应力的量值为25.3～122.0MPa,最大水平主应力的量值为41.4～166.4MPa;分析地应力结构,发现自地表至660m的范围内,σ_Hσ_hσ_v,为逆断层地应力状态,660m以下表现为σ_Hσ_vσ_h,为走滑断层地应力状态。综合分析断层摩擦参数μ_m,郯庐断裂带苏鲁交界处尚未达到断层失稳的临界地应力状态。     

原生裂隙水压致裂原地应力测量的理论与实践新进展

HTPF法测试所需的数目众多的原生裂隙面大大制约了这种方法的推广应用。针对这一问题,通过为原生裂隙面上广泛存在的剪应力建立力学方程,利用最小二乘法和计算机程序试错搜索原生裂隙面摩擦系数的办法反演原地应力张量。理论上基于每个原生裂隙面的水压致裂测试结果可以建立两个力学方程,那么只需要3条原生裂隙就可以求解原地应力张量,但为了保证计算机程序反演收敛,至少需要5条原生裂隙,这一方法被定名为M-HTPF法。将这种方法在山东某科研钻孔的原地应力测量作业中进行了应用,通过利用5条原生裂隙面上的水压致裂测试得到的关闭压力和方位角数据,反演得到原地应力张量:σ_1=8.85 MPa,方位角为N58.12°W∠14.18°;σ_2=6.61 MPa,方位角为N26.2°E∠-21.54°;σ_3=5.01 MPa,方位角为N62.86°E∠63.86°。通过与同一钻孔内的经典水压致裂法的测量结果对比可知,两种方法得到的最小主应力和中间主应力非常接近,最大主应力则相差较大;两种方法获得的最大、最小主应力方位角基本一致。该方法为单孔三维水压致裂原地应力测量提供了新的思路和途径。     

淮南煤田潘集煤矿外围勘查区水压致裂地应力测量研究

为分析淮南煤田潘集煤矿外围勘查区的地应力分布规律,采用水压致裂法及装置,对研究区深部勘查区域地应力进行了测试。本次研究共完成3个钻孔、28个测点的现场实测,3个钻孔深度均超过1400 m,其中最大测点深度为1460 m。通过实测和分析,获得了勘查区的地应力状态及其分布规律。研究结果表明:(1)勘查区深度466~1460 m范围内最大水平主应力为13.62~54.58 MPa,最小水平主应力为11.79~37.93 MPa,最大水平主应力方向为NEE向,实测地应力值随着深度增加成近似线性增长的关系;(2)勘查区最大水平主应力与垂直应力的比值为1.03~1.44,平均比值为1.28,表明勘查区地应力状态以水平应力为主导;(3)在埋深450 m以深地应力场类型表现为构造应力场型,且随深度增加,构造应力显现也增大。测量结果可为勘查区矿井规划与煤炭开采设计提供科学依据。     

基于原位地应力测试及流变模型的深部泥页岩储层地应力状态研究

深部泥页岩储层地应力状态的准确确定是页岩气等非常规能源高效开发的关键。综合基于原位地应力测试获得水平最小主应力,建立基于流变模型的地应力剖面,应用成像测井技术确定水平最大主应力方向等,是准确确定泥页岩储层地应力的有效方法。将该研究思路应用于陕西汉中SZ1井,利用水压致裂原地应力测试方法获得储层水平最小主应力值范围为32~41 MPa;利用偶极声波测井数据获得岩石力学参数,结合地壳应变率和储层埋藏史,建立了SZ1井地应力剖面,结果表明牛蹄塘组1950~2025 m深度范围内水平主应力差介于10~15 MPa,水平最小主应力值范围为28~41 MPa,水平最大主应力值范围为47~49 MPa,预测得到的水平最小主应力值与实测结果具有较好的一致性。原地应力实测及流变模型预测结果揭示SZ1井地应力为正断型(S_v＞S_H＞S_h)或正断型与走滑型相结合的应力状态(S_v≈S_H＞S_h)。水平主应力差随伽玛值的升高而变小,表明地应力剖面与地层岩性具有较好的对应关系。基于成像测井揭示的钻孔诱导张裂隙分布特征,SZ1井水平最大主应力方向约为N74°W,与区域构造应力场方向基本一致。相关结论为准确认识SZ1井目标层地应力状态,以及后期水平井布设及压裂控制等提供了重要依据。      

二郎山公路隧道轴线地应力测试研究

介绍了二郎山公路隧道轴线上3个钻孔的地应力测试结果,应用水压致裂法在钻孔中测试,所测的两个不同大小的水平主应力都大于垂直主应力（除了地表以下很浅处外）,这个地应力与区域大地构造方向一致,在此基础上评价了隧道碉室围岩的稳定性。     

上海地区浅部地应力测量及其构造地质意义分析

通过水压致裂法与超声波成像测井法相结合的方法,对上海地区浅部（180 m深度范围）原位地应力进行了测量。测量结果表明:最大水平主应力值在9.54~12.91 MPa之间,最小水平主应力值在5.41~6.96 MPa之间,最大水平主应力方向为北西42°-62°,优势方位为北西,地应力结构为S_H > S_h > S_v,可以反映区域构造应力场特征。依据区域内断裂空间分布特征和现今实测地应力结果综合分析认为,北东向断裂易于发生压性或压扭性逆断活动,断裂相对稳定;而北西向断裂易于发生张性或张扭性正断活动,在现今相对较高的应力水平状态下仍值得关注。测量结果可能对于揭示区域构造界线（江山-绍兴断裂）的走向有一定启示。      

色季拉山交通廊道现今地应力场特征研究

色季拉山因临近喜马拉雅东构造结核心区域,受块体隆升和挤压作用,构造应力水平较高,初始地应力场背景复杂,该区域的科学研究和工程实践工作相对较少。为了研究交通廊道区现今地应力场特征,进行了深孔地应力测量、数据统计、回归分析等研究工作。共布设12个深孔,采用水压致裂法获取了108段地应力实测数据,最大测试深度1410.2 m。对测量结果分析得出结论:色季拉山交通廊道区的最大水平主应力方向和大小与区域地应力背景值基本一致;优势方位为NE-NEE向;最大水平主应力梯度系数略高于地区背景值,为2.5～4.3 MPa/100 m;场区三向主应力值的关系为:最大水平主应力最小水平主应力垂直主应力;对地应力数值进行统计、分析,找到了3个不同地应力特征区段,远离东构造结核心区域,向西南方向构造应力呈减弱趋势;采用最小二乘法的回归分析方法,拟合获得不同区段特征深度以下最大水平主应力随深度变化的线性公式,据此可估算测量深度级范围附近的地应力值大小。通过地应力测量和研究得出的色季拉山交通廊道现今地应力场特征对于该地区工程选线和勘察设计具有重要意义,采用的深孔地应力测量、区域构造成因分析、地应力场分段、线性分布特征深度划分等初始地应力场研究方法可为后续类似越岭山区地应力研究工作提供重要参考。     

新集矿区地应力场特征研究

矿井动力现象如巷道变形破坏、煤和瓦斯突出及煤层底板突水等都与地应力密切相关。应用水压致裂法对新集矿区的原地应力进行了测量,确定原地系统深部围岩的应力状态,即原地应力的量值和方向,研究获得了矿区地应力的赋存规律和基本特征。测量结果分析表明:新集矿区地应力场以水平应力为主导,属于构造应力场类型;垂直主应力和最大、最小水平主应力均随埋深的增加呈近似线性增加;最大水平主应力与最小水平主应力的比值范围是1.01~1.29,反映新集矿区受构造作用较恒定;测压系数的范围是0.98~1.3,随深度变化不明显;新集矿区受到F10断层东西向的拉张应力,最大水平主应力方向为近EW向。最后探讨了原地系统不同构造部位地应力方向差异的原因,初步分析认为,是受到阜凤推覆体的影响。      

我国某地下油库预可行性研究地应力测量及其应用分析

本文运用水压致裂地应力测量方法,对我国某地下油库预可行性研究工程场区两个钻孔进行了地应力测量。测量结果表明:最大和最小水平主应力(S_H,S_h)都远大于对应深度处的垂向应力(S_v),三向主应力的关系为:S_H > S_h > S_v,应力大小在该深度范围属中等偏大级别;工程场区最大水平主应力方向近EW方向,与测点外围确定的区域最大水平主应力总体方向较为一致;建议未来地下硐库长轴按近EW分布,地应力状态、岩体结构构造、岩石强度等基本保证了其岩体稳定性。      

东构造结墨脱关键区域地应力场特征及其构造稳定性分析

为获取东构造结关键构造部位地应力特征、分析其构造稳定性,采用水压致裂法开展了墨脱断裂带西让段1个地应力孔、11个测试段的原位地应力测量工作。结果表明:61.43～121.34 m测试段最大、最小水平主应力值(S_H、S_h)分别为3.05～14.50 MPa和2.16～9.87 MPa,垂向主应力值(S_v)为1.63～3.31MPa,即S_H>S_h>S_v;测点处应力场以水平挤压作用为主,均处于逆断层应力状态,且其主应力值随深度增加而逐渐增大,测点的最大水平主应力优势方位为北东东向;在整个地应力测量深度范围内,侧压系数值(K_av)为1.39～4.38,最大水平应力系数值(K_Hv)均大于1,且比值随深度的增加而增大,该关键部位区域应力场以水平应力为主导,方向性较强,所有测试段水平应力系数值(K_Hh)为1.23～1.66,与林芝-通麦段地应力特征参数计算结果基本相似;测点位置98 m以浅地层...     

金州断裂带北段深孔地应力测量及其活动性

为查明辽东半岛金州地震活动断裂带现今地应力状态和活动状况,在该断裂带北段熊岳城东侧开展了随深度系统地取心钻探和水压致裂地应力测量工作,完成了600 m钻探深度范围内地应力测量试验27段和水平最大主应力方向测试5段.钻探岩心初步揭示了地壳浅表层的岩体结构特征;随深度系统的地应力测量结果表明,3个主应力关系为S_V＞S_H＞S_h,垂直应力起主导作用,易于正断作用发生;现今最大水平主应力方向为56°~81°NE,反映NNE走向的金州断裂带北段现今活动具有右行走滑特征.地应力测量结果揭示的金州断裂带正断兼右行走滑特征与已有的该区域研究成果相吻合,为其现今活动性研究补充了新的动力学数据.      

松辽盆地深部基底地应力状态：来自松科2井地应力实测数据的证据

松辽盆地基底内的地应力状态是地震等地质灾害研究、盆地动力学分析和油气资源开发利用等领域的重要基础数据。岩心非弹性应变恢复法是近年来发展起来的基于钻孔岩心的近原位三维地应力测量方法。本文将岩心非弹性应变恢复法应用于松辽盆地大陆科学钻探松科2井(SK-2)深部地应力测量,获得了松辽盆地基底内近6～7 km的三维地应力状态,结果表明盆地基底内(6 646～6 846 m)为走滑断层应力环境(σ_H>σ_V>σ_h),最大水平主应力方向为近E-W方向。盆地基底内的应力状态与盆地内及周边邻近区域的震源机制解(震源深度7～15 km)所反演的应力环境相吻合。盆地基底处于以E-W向近水平挤压为主导的构造应力场,这种应力状态的形成,可能为西太平洋板块NW向挤压运动背景下,受控于NE-NEE走向的依兰—伊通断裂和敦化—密山断裂右行走滑产生的次级应力场。研究结果对于认识区域构造应力场背景及松辽盆地的形成与演化过程具有重要参考价值。     

深埋长隧道地应力特征与岩爆预测

以沪蓉西高速公路上大量深埋长隧道为研究对象,采用水压致裂法进行了地应力测量,然后根据实测地应力资料,运用工程岩体分级标准判据法、陶振宇判据法和Hoek判据法对隧道岩爆进行了预测研究。结果表明:鄂西灰岩山区应力水平总体为中等偏高,最大水平主应力方向近EW向;埋深较深的坚硬岩石隧道有可能发生岩爆。为了充分保证施工的安全性,建议在施工过程中采取合理的开挖方式和防爆措施。     

金沙江溪洛渡水电站地应力测量

利用1999～2001年在金沙江溪洛渡水电站厂区用水压致裂法先后完成的9个垂直深钻孔平面地应力和8个测点三维应力测量结果，结合河谷地形地貌、构造岩性等资料，对工程区地应力场的基本特征进行了较系统的分析研究，认为电站区最大主应力数值在10～20MPa，方向在NW～NWW间，大致平行于金沙江河流走向，地应力作用以水平为主。随着深度增加，地层平面、三维主应力值均有所增大。本文的研究结果为电站工程设计提供了地应力的基础资料。