昌黎地区深孔水压致裂地应力测量及其应力状态研究

李 影，李艳峰，王少轶

(中国地质调查局 天津地质调查中心，天津 300170)

昌黎地区深孔水压致裂地应力测量及其应力状态研究

李 影，李艳峰，王少轶

(中国地质调查局 天津地质调查中心，天津 300170)

河北东部昌黎地区在单元划分上处于燕山块陷与冀渤块陷接合部位，区内地质构造复杂。为了掌握该区域现今应力场分布规律，采用深孔水压致裂技术开展了钻孔原位地应力测量工作，并获得了该区首个钻孔地层中17个测段的应力状态。测量结果表明：该地最大水平主应力与垂直主应力平均比值为1.47，反映出区域地应力场以水平应力为主导的特点；最大水平主应力为4.04～13.95 MPa，方向NEE，与新构造活动及现代震源机制所反映的区域构造应力场方向一致。测量结果可为区域地壳稳定性评价提供科学的依据。

水压致裂技术；原位地应力测量；应力场

0 前 言

地应力是在地质历史时期形成于地层岩石中的天然应力，也是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路等各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力[1-2]。地应力状态对区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、地球动力学的研究具有重要意义，是决定区域稳定性的重要因素[3]。

昌黎县位于河北省东北部，北枕碣石山，东临渤海，西南挟滦河，地理位置十分重要，行政区划上隶属于秦皇岛市管辖且地处京津唐经济区、东北经济区、环渤海经济区3大经济区交汇处，区位优势明显。为了更好地实现对该区现今应力场的研究分析，为区域地壳稳定性定量化评价提供依据，在昌黎开展了深孔地应力测量工作。

本次地应力测量采用水压致裂技术，该技术是上世纪70年代发展起来的能够测量地壳深部应力可靠而有效的方法。该方法是1987年国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力建议方法中所推荐的方法之一，是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。该方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有操作简便、可在任意深度进行连续或重复测试、测量速度快、测值稳定可靠等特点，因此近年来发展很快，并取得了大量的成果[4-5]。

1 研究区地质概况

昌黎地区在构造上处于燕山块陷与冀渤块陷接合部位。在漫长的地质发展史中，本区经历的多起性质不同、强弱不等的构造运动，在相应地体中留下了不同样式和性质，以及不同等级和序次的复杂变形形迹。

该区Ⅱ级构造单元以宁河—昌黎断裂为界，北部为燕山块陷，南部为冀渤块陷(图1)。中生代的燕山运动使该区地壳活动进入了高潮且以断裂活动和岩浆活动为主，伴有强烈的挤压褶皱。新生代开始发生断裂分异运动，昌黎—宁河断裂以北燕山地区强烈上升，形成隆起，以南地区强烈下沉，形成坳陷。

图1 区域大地构造分区及钻孔位置图

宁河—昌黎断裂长约100 km，走向NE60(°)，倾向SE，倾角35(°)～65(°)，为正断层，西起宁河，经滦南、昌黎向东北延伸入渤海。该断裂形成于古生代以前，中生代、新生代有强烈活动。历史上在断裂东段昌黎带发生过1567年的4.75级和1805年的5.5级地震[6]。

昌黎北部山区广泛分布中生代晚侏罗世及早白垩世花岗岩，属非造山花岗岩。山间及山前地带，晚更新世地层主要为灰黄色、棕黄色含砾石黄土状粉砂质黏土，黏土质粉砂，为洪坡积、冲洪积堆积。昌黎南部山前平原区全新世地层主要为粉砂质黏土、细砂、含砾黏土质细砂、粉砂、砾石等，成因类型主要为冲积、冲洪积。

本次地应力测量钻孔选择昌黎县城北碣石山景区内的CL1孔(图1)，钻孔揭露的岩石主要为花岗岩。

2 现场地应力测量

2.1 测量设备和方法

深孔水压致裂地应力测量设备采用中国地质科学院地质力学研究所研制的SY-2007型地应力测量系统[7](见图2)。

图2 单回路水压致裂地应力测量系统示意图

该系统分单回路和双回路两种，具体测试系统选定依据钻孔情况而定。此次测试采用单回路系统，测试设备包括高压水泵、工控机、控制器、压力流量测量设备，封隔器、印模器、定向器、压力传感器、流量计和井下数据记录器等。由于本次测量所测裸孔段直径为76 mm，故采用φ76 mm测量工具。

水压致裂法测量地应力通常假定:岩石是均匀的、脆性和各向同性的弹性体。测量方法是：利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对该试验段(常称压裂段)增压，同时利用记录仪记录压力随时间的变化。对实测记录曲线进行分析，得到特征压力参数，再根据相应的理论计算公式，就可得到测点处的最大和最小水平主应力的量值以及岩石的水压致裂抗张强度等岩石力学参数。

2.2 测试段布置

测试段选取的主要依据是：根据岩芯编录查校完整岩芯所处的深度位置以及工程设计所要求的位置，尽可能在钻孔空间分布，以测量地应力随深度的变化规律。为使试验能顺利进行，还要考虑封隔器必须放置在孔壁光滑、孔径一致的位置。

根据上述条件，本次测量共确定18个测量深度段(表1)，然后按照水压致裂测量技术方法，随深度进行了18个不同深度地应力大小测量以及6个不同深度最大水平主应力方向测量。CL1钻孔终孔孔深500.46 m，最大测量深度486 m。选取的试验段及岩性等情况如表1所示。

表1 钻孔测试段分布

2.3 测量结果

本次测量的18个测段均进行5个循环重复压裂(图3)，可见，除453～454 m深度段外，压裂曲线的破裂压力峰值均比较明显，重张压力比较一致，各个循环重复测量的规律性很强，测得压裂参数具有良好的一致性，测试数据较为可信；其中选择了6个深度段进行了定向印模试验(见图4)，最终获取17个不同深度地应力大小测量和6个不同深度最大水平主应力方向测量有效结果(见表2)。结果显示：本次测量的水平最大主应力SH为4.04～13.95 MPa，水平最小主应力Sh为3.75～10.65 MPa；实测最大水平主应力方向(破裂方位)为SE143(°)～NE55(°)，平均为NE86.5(°)，即NEE向。

图3 水压致裂原地应力测量压力—时间曲线记录

图4 印模定向试验结果

3 地应力测量结果分析

3.1 地应力场分布规律

依据CL1孔水压致裂地应力测量结果(见表2)及压裂曲线可看出，研究区地应力场分布规律如下。

1) 本次测量的最大水平主应力SH与垂直主应力Sv的比值，17个测点中有3个点的比值超过2，最大一点的比值为3.575，最小一点的比值为0.750，平均比值为1.47，反映出该区地应力状态仍以水平应力为主导的特点。

2) 该孔在430～450 m深度范围，出现类似我国西南现今强烈活动深切峡谷地区由于应力集中形成的典型饼状岩芯(见图5)，说明该构造部位属于现今构造作用强烈、构造应力场敏感地区。

3) 在饼状岩芯深度段(前期应力集中深度范围)上部约40 m、下部10 m的范围内，仍表现出应力集中的现象，尤其是在饼状岩芯深度段下部的453～454 m深度，虽然现场进行了5个回次的循环压裂，由于高压泵最大压力范围的制约，未能成功压裂(见图3c)，也表明新的应力集中向深部迁移，这一现象与国内外已有研究成果相吻合[8]。

4) 饼状岩芯的出现导致岩体结构破坏、岩体强度降低；该孔近地表现今地应力大小是同等深度华北地区平均值的1.2～1.5倍，但尚需结合岩石物理力学参数测试结果、岩体质量等进一步综合分析。

表2 昌黎CL1孔水压致裂原位地应力测量结果

图5 钻孔中的饼状岩芯

5) 该构造部位水平最大主应力为NEE方向。这一结果与新构造活动及现代震源机制所反映的区域构造应力场方向一致。

6) 从应力随深度变化的趋势看，水平应力随着深度的增加总体上有逐渐增大的趋势。

3.2 研究区应力场与构造运动

华北断块区形成于早古生代，晚古生代后处于稳定状态。中新生代以来重新活动。从中生代开始，受太平洋板块向亚洲大陆东部边缘的持续俯冲作用，断裂活动频繁，岩浆侵入活动亦达到了高峰期。至晚侏罗世，中国东部构造应力场发生变化，本区构造应力场转为引张体制，这使得许多原来为北东向左行压扭性断裂转为右行张扭性，从而产生了一系列的张裂隙，这就为岩浆上侵提供了空间位置。处于华北断块区的燕山块陷与冀渤块陷的接合部位的昌黎岩体，就是在这样的构造格局下，沿张扭性断裂上升、且以断裂扩张的形式定位的。

早第三纪，地壳在以NW-SE向水平拉张为主的应力场作用下，一些在燕山运动时形成的逆冲和平移断裂发生反转，同时也产生一系列新断裂，控制了大量断陷盆地(凹陷)的发育。晚第三纪以来，华北断块区处于两侧受压的构造环境，逐渐转为挤压作用为主的应力场，主压应力轴为NEE-SWW向，主张应力轴为NNW-SSE向，二者都近水平，中间主应力轴近垂直。此阶段，华北断块区尤其是其东部在此近水平挤压作用下走滑活动明显。

晚第三纪至今，华北断块区的构造格局基本没有发生改变。据震源机制解和地质资料分析，研究区目前受主压应力轴为NEE-SWW向的应力场控制。昌黎CL1钻孔实测获得的最大水平主应力的方向平均为86.5(°)，与上述分析的构造应力场的方向是吻合的，也说明了本次地应力场测量结果的准确性。

4 结 语

对昌黎CL1钻孔进行的水压致裂法地应力测量，完成了17个测段的地应力大小测量和6个深度段的水平最大主应力方向测量，均取得了可靠的测试数据，为这一地区现今构造应力场的分析提供了依据。另外，试验结果表明，该区属构造应力场敏感地区，适宜开展现今地应力实时监测，并具有重要意义。

为了更好的了解构造应力场与构造运动和地震的关系,必须进行大量的原地应力测量及实时监测工作。但是由于条件的限制，难以实现。所以在研究工作中，应同时根据地震地质观测资料及其他资料综合分析，为区域地壳稳定性定量化评价提供基础依据。

[1] 蔡美峰. 地应力测量原理和技术[M]. 北京：科学出版社,2000.

[2] 蔡美峰. 地应力及原位地应力测量[M]. 南京:河海大学出版社,2004:485-515.

[3] 景锋,盛谦.我国原位地应力测量与地应力场分析研究进展[J].岩土力学,2011,32(2):51-58.

[4] 彭华,马秀敏,姜景捷. 赵楼煤矿1 000 m 深孔水压致裂地应力测量及其应力场研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(8):1638-1645.

[5] 董国华.水压致裂法测试原地应力的研究与应用[J].内蒙古科技与经济,2009(15):81-85.

[6] 王明格，李昌存.河北平原主要断裂及其分布、活动特征[J]. 河北理工学院学报，2005,25(1)：113-118.

[7] 蔡美峰，陈长臻,彭华,等. 万福煤矿深部水压致裂法地应力测量[J]. 岩石力学与工程学报,2006,25(3):1069-1074.

[8] 中国地质科学院地质力学研究所.河北昌黎地应力测量与监测初步研究报告[R]. 北京：[出版者不详]，2010.

A Research on Stress Field and Hydraulic Fracturing In-situ Stress Measurement in Deep Drilling Hole of Changli Area in Hebei Province

LI Ying, LI Yanfeng, WANG Shaoyi

(TianjinGeologicalSurveyCenter,ChinaGeologicalSurvey,Tianjin300170,China)

Changli area of Hebei province is located at joint of Yanshan block depression and Ji-Bo block-depression, where geologic structure is complex. To understand the distribution regularity of the present stress field, we use the method of hydraulic fracturing in-situ to measure the crust stress in the studied deep drilling hole. We have obtained stress state in 17 sections. The results show the average ratio of most horizonal principal stress to vertical principal stress is 1.47 at the studied drilling hole strata, which means the horizonal stress is dominant in the regional stress field. The most horizonal principal stress is 4.04～13.95 MPa oriented in NEE direction, which corresponds to that of regional tectonic stress field represented by the neotectonic movement and present focus mechanism solution. The stress measurement results provide basis for stability evaluation of the regional crust.

Hydraulic fracturing technique; In-situ stress measurement; Stress field

2017-06-05

中国地质调查局地质调查项目(1212010914023)；国家自然科学基金项目(41602205)

李影(1985-)，男，天津人，工程师，研究方向：构造地质，手机：18222627935，E-mail：liying270@163.com.

TD311

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.015