中国大陆科学钻探主孔钻孔崩落与现场应力状态的确定

中国大陆科学钻探主钻孔在1200m深度以下出现了钻孔崩落现象,我们在1200m至2015m的范围内采集了82个钻孔成像测井图象资料。对钻孔崩落长轴方位进行了方向统计,结果表明近似对称的崩落平均方位为324.8°±3.3°,对应的平均最大水平主应力方位为54.8°±3.3°。利用崩落形状要素(崩落深度和崩落宽度)以及岩石力学实验确定的岩石内聚力和摩擦系数,计算了1269m、1500m、2000m等16个深度上的最大和最小水平主应力的大小。根据岩石密度测井资料计算了各个深度上静负载应力。三个主应力的大小和方向反映出主钻孔位置的应力场处于走滑应力状态,与地震震源机制解得到的走滑应力场一致。

利用钻孔崩落研究中原油田的构造应力场

利用计算机程序分析处理了中原油田３６口井的斯仑贝谢地层倾角测井仪所测的双井径及相应的测臂方位曲线，根据孔壁优势崩落方向推断出中原油田所在的东淄凹陷内构造应力场的主应力方向．研究发现，最大水平主压应力方向在凹陷北部为Ｎ（７９°±６°）Ｗ，而在南部为Ｎ（７９°±８°）Ｅ，二者相差２２°左右．利用线弹性平面应力有限单元模型模拟本地区应力场的结果说明，凹陷区较软的介质和北窄南宽的几何形状可能是引起凹陷北部最大水平主压应力方向相对于周围构造主应力方向产生一顺时针角度偏转的原因．根据某井孔出现明显径向不对称孔壁崩落的起始深度估计了最大和最小水平主压应力大小的取值范围，展示了反映应力状态随地点和深度而变化的证据．

利用斜井钻孔崩落资料反演冀中坳陷上地壳应力状态

介绍了用斜井钻孔崩落法分析应力状态的正演方法和反演方法。根据冀中坳陷中部地区和南部地区两个地点共６口斜井的钻孔崩落资料，利用正、反演相结合的方法分析了两个地点的水平主应力方向和主应力的相对大小。结果表明，在冀中坳陷中部地区（饶阳凹陷内）和南部地区（深县凹陷），水平最大主压应力方向分别为Ｎ８６°Ｅ和Ｎ７７°Ｅ，上地壳浅部（深度１０００～４０００ｍ）的应力状态因地点而异，其中冀中坳陷中部地区的３个主压应力的相对大小为ＳＨ：ＳＶ：Ｓｈ＝１．３８：１．００：０．５７，即处在走滑型应力状态；而在冀中坳陷南部地区，３个主压应力的相对大小为ＳＨ：ＳＶ：Ｓｈ＝０．８０：１．００：０．６２，即处于正断层型应力状态．

用钻孔崩落法研究冀中坳陷水平主应力方向

用钻孔崩落分析程序处理冀中坳陷６７口井的四臂双井任测井资料，分析其水平主应力方向。结果表明，该区水平最大主应力方向总体近东西向，存在明显的局部应力方向变化；并存在水平主应力方向随深度而变化。本文讨论了应力场的地区差异在油田开发中的可能应用。

非均匀岩石钻孔崩落方位的模拟与研究

钻孔崩落法是地应力测量的一种重要方法 ,但是考虑到岩石力学性质的非均匀性 ,崩落方位角会偏离最小主应力方向。用 Weibull分布来描述岩石力学性质的离散性 ,用 RFPA方法对非均匀岩石的钻孔崩落方位角进行了模拟。通过对模拟结果的分析 ,研究了非均匀岩石钻孔崩落方位角的分布情况。指出了

用斜井钻孔崩落资料反演上地壳应力状态的遗传算法

用斜井钻孔崩落资料求取地壳应力状态是一个非线性反演问题。而遗传算法是解反演问题的有效方法之一。本文由斜井钻孔崩落的理论模型 ,用人工数据检验了遗传算法应用于此问题的有效性。对冀中坳陷内的饶阳凹陷和深县凹陷两个地区的 6口油井的钻孔崩落数据进行了处理 ,用遗传算法反演了这两个凹陷的上地壳应力状态 ,与用非线性反演和枚举相结合的方法相比 ,大大减少了计算量 。

根据钻孔崩落资料确定剑川地区应力场方向

本文论述了钻孔崩落的力学机制、产生环境及其与现今构造应力场的关系,介绍了超声波井下电视的测井原理、操作技术和钻孔崩落测井资料分析方法。根据一口800米深钻孔的超声波井下电视测井获得的崩落资料,确定剑川地震活动区最大水平主应力方向为N20°E。这与近两年来在该区采用水压致裂法测定的最大水平主压应力方向N15°E是十分一致的。

基于应力多边形与钻孔崩落的白鹤滩右岸厂房区地应力场特征研究

白鹤滩水电站是我国能源布局西电东送的骨干能源点。在水电站建设初期使用常规方法获得了一些地应力场数据,但随着地下厂房硐室开挖,出现了显著的高应力作用导致的脆性破坏。因此,开展开挖过程中的地下厂房围岩地应力场的研究对未来地下厂房的长期稳定性具有重要意义。利用高精度超声波井下电视成像系统对钻孔井壁进行扫描获取录井图像,使用Well CAD软件提取钻孔崩落宽度WBO,将基于Mohr-Coulomb摩擦准则以及Anderson断层理论形成的应力多边形法与基于修正Wiebols-Cook岩石强度准则的钻孔崩落法相结合,对应力量值进行限定估算,从而计算出工程区岩体应力场特征。研究结果显示工程区水平最大主应力方向为N30.15°E,水平最小主应力S_(h)、垂直主应力S_(V)、水平最大主应力S_(H)量值分别为11.62±0.34MPa、14.45±0.33MPa、25.88±5.61MPa,测试段应力量值大小关系为S_(h)<S_(V)<S_(H),应力结构类型为走滑断层型。对比分析表明,应力多边形与钻孔崩落法联合限定工程岩体应力场特征具有较高的准确性,为认识水电工程区应力场特征提供了一条可行的路径。

利用钻孔崩落数据再认识白鹤滩右岸地应力场特征

白鹤滩水电站是仅次于三峡水电站的第二大水电站,位于中国西南地区川滇菱形块体内的金沙江上。通常地壳应力状态是影响地下工程安全的重要地质因素,对地下硐室稳定性分析具有重要意义。在水电站右岸厂房建设过程中,为了水电站的长期安全运营,采用超声波井下电视录井测试系统对白鹤滩右岸厂房锚固洞内7处钻孔进行测试,基于钻孔崩落数据计算了现今白鹤滩右岸厂房区域上方工程岩体的主应力方向。研究结果表明:白鹤滩右岸厂房区域最大水平主应力(S_(H))方向为北北东—南南西方向,主要受到构造应力、自重应力、河流剥蚀作用以及岸坡卸荷作用的共同影响,属于局部构造应力场。

修正Hoek-Brown强度准则在钻孔稳定性分析中的应用

钻孔稳定性分析是深部钻探工程的重要科学问题之一,选择合理的强度准则有助于提高钻孔稳定性预测的准确性,可有效地减少钻孔崩落事件的发生。由于广泛使用的Hoek-Brown准则忽略了中间主应力的影响,应用时无法充分发挥岩石强度潜能。引入一种有效克服诸多经典强度准则的奇异性与非外凸性缺陷的修正Hoek-Brown强度准则,将其应用于水平、垂直和倾斜钻孔稳定性分析中的最小泥浆压力计算,同时与Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Hoek-Brown、3D Hoek-Brown、Mogi-Coulomb和修正Lade准则等经典强度准则预测值进行对比。研究结果表明,修正Hoek-Brown准则与修正Lade、Mogi-Coulomb和3DHoek-Brown准则的预测结果相近,且修正Hoek-Brown预测值与实际工程所用泥浆的相对误差分别为2.1%和0.76%,证明修正Hoek-Brown准则应用于钻孔稳定性分析的适用性与准确性;最小泥浆压力随钻孔深度增加呈线性递增,且受钻孔方位角和倾斜角的影响;Mohr-Coulomb与Hoek-Brown准则所预测的最小泥浆压力值最大,增加了实际工程泥浆的用量,Drucker-Prager准则所预测的最小泥浆压力最小,但给出的预测结果偏于危险,易发生钻孔失稳;基于修正Hoek-Brown准则可得到理论上最佳的钻孔位置(即所需最小泥浆压力值达到最小),为钻井工程师进行钻孔位置优化提供有益参考。

深部垂直钻孔中原地应力测量的混合方法

本文提出一种测量深部垂直钻孔中3个原地主应力的混合方法。最小水平主应力大小及其方向采用水压致裂方法测量,垂直应力利用上覆岩体自重来计算。最大水平主应力的确定则采用其他野外和实验室方法来实现。利用诸如钻孔电视成像仪或地层微成像技术等地球物理测井技术可记录到钻孔崩落的定向图像,从而可得到崩落范围随深度的变化。钻孔岩样的三轴压缩试验可得到岩石的真实三轴强度准则。利用崩落与钻孔壁交界处的局部应力状态与强度准则之间的极限平衡条件,可得到用来计算最大水平主应力的非线性方程。最后,本文将混合方法应用到德国的KTB科学超深钻和台湾地区车笼埔断层钻探的原地应力测量中。

基于多源应力数据的川南地区地应力特征分析

本文通过结合区域构造形迹分析、原地应力实测资料、震源机制数据以及钻孔破坏现象,采用基于震源机制解的应力反演及基于应力多边形与钻孔破坏指标的应力量值估算方法,对四川盆地南部地区地应力特征进行了综合分析。结果显示:四川盆地南部区域应力状态稳定,有利于逆断和走滑断层的活动,区域浅部最大水平主应力的方向有NE和NW向2个优势方位,深部最大水平主应力优势方位为NWW向;区域应力场分区特征不明显,震源机制解一致性较好,应力结构类型均为逆断型;浅部应力估算结果显示不同钻孔的侧压力系数值相对较为稳定,平均值分别为k_(Hmax)=1.72和k_(hmin)=0.99,应力积累指标μ_(m)值范围为0.15~0.5;而在埋深3207~3716 m时,最大和最小水平主应力范围分别为104.5~122.3 MPa和81.1~96.5 MPa,应力积累指标μ_(m)值在0.37~0.43,区域深部应力积累水平较低,断层易滑性较低。

中国大陆科学钻主孔现今地应力状态

用钻孔崩落法确定了中国大陆科学钻探主钻孔5047m深度以上的现今地应力状态．由钻孔声波成像测井资料发现，科学钻主钻孔在1200m深度以下出现了钻孔崩落现象．我们从1216-5047m的深度范围内采集了143个钻孔成像测井图象资料，对钻孔崩落椭圆长轴方位进行了统计，结果表明崩落椭圆长轴平均方位为319．5°±3．5°，最大水平主应力方位平均为49．5°±3．5°．利用崩落形状要素（崩落深度和崩落宽度）以及岩石的内聚力和内摩擦角，估算了1269m至5047m范围内52个深度上的最大和最小水平主应力的大小．结果表明，在浅处1216m深度，最大水平主应力为42MPa，最小水平主应力为30．3MPa在深处5000mm深度，最大水平主应力为160．5MPa，最小水平主应力为120MPa；地应力随深度近于线性增加．据岩石密度测井资料计算了各个深度上静负载应力．3个主应力的大小和方向反映出科学钻主孔位置的应力场处于走滑应力状态，与临近地区地震震源机制解和其他方法得到的应力场一致．利用声发射法对岩心试件进行了声发射测量，得到了最大水平主应力幅值，并与崩落法测量结果进行了对比，两者十分一致。

中国大陆科学钻探主孔2000米以上脆性变形构造应力场

在主孔2000米之内,存在复杂的脆性破裂系统和构造应力场。根据其充填物的特征,可划分为由石英、方解石和绿泥石等矿物充填的微破裂,发育石英、方解石等矿物薄膜或擦痕线理的微破裂和既无矿物充填、也无矿物薄膜的微破裂等3种不同类型的脆性应变现象,它们依次代表早、中、晚和深、中、浅3个不同构造层次的脆性变形。初步分析表明脆性变形阶段存在有以南东东-北西西向为主导的挤压作用、北东-南西向的区域挤压作用、南北向挤压作用和垂向伸展作用等4期构造应力场。郯庐断裂东侧的现代构造应力场在区域上具有极大的稳定性。在脆性和脆-韧性转换带,制约苏鲁高压-超高压变质带侵位的主导应力作用方式为自南东东往北西西方向的挤压,它在时间和空间上具有一定的稳定性。

中国大陆科学钻探主孔声发射法现今地应力状态的确定

对中国大陆科学钻探主孔的岩心进行了声发射测量,确定了301～1531m深度的最大主应力。并与钻孔崩落法(深度1269～1655m)测量结果进行了对比,结果表明,声发射测量所得测值基本上落在钻孔崩落法测值的趋势线上,两种方法所得结果一致,说明测量结果可信。测量结果表明科学钻探主孔地应力大小随深度增加,在浅部301m最大主应力为13.4MPa,在深部1655m为55.2MPa。随深度的增加率为0.0279MPa/m。最大主应力方向为N54°±3.3°E,且方向不随深度变化。

地下洞室围岩脆性破坏时的应力特征研究

在高应力作用下,岩爆、钻孔崩落、片帮都是地下空间硬脆围岩中常见的破坏现象,这三类现象本质上均可归于完整岩体的脆性破坏,它们分别反映了高应力作用下完整岩体不同的破坏程度。通过对前人关于岩爆判据、钻孔崩落判据和片帮应力强度比判据研究成果的类比分析可知,这些脆性破坏现象在破坏时具备相同的应力背景条件。脆性破坏的应力条件可以用地下空间周边切向最大应力与岩石单轴抗压强度之比(σθmax/σci)或者工程区最大主应力与岩石单轴抗压强度之比(σ1/σci)来描述,两种指标本质上反映了相同的应力背景条件。对于σθmax/σci,σθmax/σci=0.4±0.1是发生脆性破坏的应力临界条件;对于σ1/σci,σ1/σci=0.15±0.05是发生脆性破坏的应力临界条件。大量的工程实例和基于Hoek-Brown强度准则的力学分析也证明了这一背景条件的正确性。这里两种指标都取了一个范围,主要是由于不同的岩体分级、岩性和工程地质条件会对指标的界定产生较为显著的影响。

下辽河坳陷现代应力场特征

本文通过辽河油田的钻孔崩落资料及小地震震源机制解，推断出下辽河坳陷地区现代构造应力场的特征。两种方法得到的结果基本一致，即区域应力场和局部应力场的结果一致，该地区处于走滑断层型应力状态。在坳陷北部及南部地区崩落优势明显，表现出水平最大主应力方向呈ＥＷ向；而在坳陷中部地区，崩落优势方向不明显，反映了该地区两水平主应力大小相差不大。

H储气库注采诱发应力场及断层滑动趋势变化

H储气库运行初期出现了数次弱震或微震,研究该区注采诱发地层应力场变化及断层易滑动性对小震级地震的影响具有重要的意义。为此,通过钻孔崩落数据和震源机制解反演了工区应力方向,并且基于钻孔崩落及钻孔诱发张裂缝数据,利用应力多边形理论来约束应力量值范围;然后,根据多孔介质弹性理论来估算气田开采和储气库周期注采情况下地层应力的变化,进而讨论断层滑动趋势与小震级地震的关系;在此基础上,得出了H储气库最大允许孔隙压力值。研究结果表明:①H储气库工区最大水平主应力方向为N21°E^N23°E,与区域现代构造应力场结果较一致;②H储气库注采前储层段水平最大、最小和垂直主应力量值分别为151.3±11.6 MPa,72.7±3.0 MPa和80.2±1.2 MPa,应力结构类型为走滑型;③在H气田开采初期储层段应力结构类型为逆冲型,而随着天然气的采出逐步转换为走滑型,之后储气库的周期注采使得应力结构类型在走滑型与逆冲型之间转换;④随着天然气开采,断层滑动趋势数值降低,而储气库注气有可能会增加断层滑动的风险,H断层滑动趋势数值随着储气库周期注采而发生周期性变化;⑤诱发微震发生的临界断层滑动趋势数值为0.45±0.03,避免微震发生的最大允许地层压力为27.7 MPa。

地层倾角测井资料在海拉尔盆地乌尔逊油田的应用

地层倾角测井资料具有多个（≥2个）井径测量信息，具有判定井眼几何形状的能力，可以用以确定地层主应力方向。目前海拉尔盆地乌尔逊油田的地应力方向是利用XMAC测井资料确定的，为充分利用该地区的测井资料得到尽可能准确的地应力信息，应用该区的地层倾角测井资料，采用钻孔崩落法研究确定了该区的地层主应力方向。并与XMAC测井资料确定的地层主应力方向进行对比，具有较好的一致性。

岩石层应力场的起源(三)

我们将计算结果与世界应力图(WSM)总结的地壳应力状态作了比较。WSM数据库主要是针对已经测得的水平主应力方向所作的纲要性总结，其数据主要以地震震源机制解、钻孔崩落数据为基础信息，以水压致裂和套芯钻技术、第四纪断层滑移方向以及第四纪火山口和岩墙群的排列走向等为辅助信息。