上海地区深井孔隙压观测研究

温燕林 尹继尧 赵文舟

(上海市地震局，上海 201203 )

为了减少环境干扰，探索有效的地震监测新方法，上海地震局“十一五”期间开展了综合深井观测，两口深井钻穿过深厚的覆盖层进入基岩，将孔隙压计安放于井底进行长期观测。孔隙压计是一种供长期测量混泥土或者地基内孔隙中的水压力的仪器。孔隙水压计采用钻孔埋设法，埋设关键是封孔，封孔目的是隔断水压计上下水源。埋设时孔隙水压计紧密贴合测试点，下水泥前先在井底释放一定数量的细沙，然后采用膨胀水泥封孔密闭，使测点土层孔隙水与上部土层孔隙水完全隔绝。孔隙水压计的探头安置在固封水泥和井底之间的沙水混合物中。孔隙压计中传感器的应变敏感元件是电阻应变片，电阻应变片粘贴在弹性膜片上，当孔隙水压施加在弹性膜片上时，弹性膜片将压力传递给电阻应变片，电阻应变片的阻值将发生变化。将这种阻值变化转化为电压信号输出，便可以测量出孔隙水压的变化状态。

上海地震局在崇明和浦东先后开钻了2 口深井，两口井钻穿300 多米的覆盖层，分别进入基岩60 m和50 m，成井后用套管将覆盖层井壁封住。崇明长江农场综合深井观测站于2011 年4 月完成钻井和基建，井深463.6 m，终孔孔径151 mm，基岩为微风化花岗岩，2011 年5 月安装深井综合观测仪器系统；浦东张江综合深井观测站于2011 年8 月完成钻井和基建，井深407 m，终孔孔径151 mm，基岩为中风化砂泥岩，2011 年10 月安装深井综合观测仪器系统。两个台站的井斜都小于1°，远远大于常规井斜小于3°要求，既保证了综合仪器的正常安装，又为获得高精度观测数据打下了坚实的基础。根据第四纪土层的覆盖厚度和当地的基岩性状，崇明长江农场井底孔隙压计安装深度为463 m，浦东张江井底孔隙压计安装深度为407 m。孔隙压观测资料如下图所示：

完井后发现浦东井的井水缓慢涌出，计算其井底静水压为PH=ρgh=3.99 MPa，但该井安置的孔隙压计观测资料显示孔隙压为Pj=4.05－4.07MPa，表明浦东井孔隙压大于静水压。高于静水柱压力的地层孔隙流体压力称为高异常孔隙压或超孔隙压。压力梯度大于0.01 MPa/m 时属于异常高压地层。因此说明浦东井存在超孔隙压现象，导致出现井涌。而崇明观测井的孔隙压约4.36～4.4 MPa 低于该井井底静水压4.53 MPa，为低孔隙压，没有井涌现象。从钻孔取芯样品来看，浦东井从上到下为粘土-细砂-砂泥岩沉积。疏松多孔粘土沉积物在埋藏过程中不断被压实，孔隙中的流体被排挤出来，这时孔隙体积也随之减小。在上覆沉积物连续沉积的情况下，如果粘土沉积物孔隙中的流体被排挤出来的速度与上覆沉积物增加的速度相一致，则随粘土埋藏深度增加，粘土孔隙度不断减小，直到粘土不在被压实为止。这是一种正常的压实情况，这时的地层孔隙流体的压力即为静水压力，属正常地层压力。但在快速沉积情况下，在上覆沉积物的压力下，粘土孔隙中的水不能充分排出，使粘土成为欠压实的，这些水或就近流入与之相邻的砂岩孔隙中积蓄起来，就导致了高压异常。浦东地区沉积形成了300 多米巨厚覆盖层，由于快速沉降、堆积，孔隙水被禁锢与周围失去联系不能及时排出，孔隙流体受静水和上覆岩层压力，使该处地层产生异常高地层压力。泥岩的快速沉降作用和压实作用是造成浦东井高异常孔隙压的原因。