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孔底解除法在上海综合深井钻孔原地应力测量中的应用

更新时间:2009-03-28

0 引言

上海浦东张江深井综合地震观测站位于张江南部的浦东监测中心院内,集成了地磁仪、应变仪、倾斜仪、测震仪、强震仪、GPS、孔隙压仪、地温仪、水温仪、水位仪等多手段的综合地球物理观测站。在建设上海市地震综合深井的时候,正是一个很好的契机对对上海综合深井钻井孔地应力进行测量,保留第一手收据。为上海地震的中长期预报和工程地质勘查提供依据[1-3]

目前国内外能进行深孔地应力测试的方法有水压致裂法和深孔套芯解除法,水压致裂法但要破坏井壁,测试后改变井壁的自然状态,无法满足地震观测的要求[4];深孔套芯解除法,采用井下应变记录仪进行套芯法地应力测量,相当于将应变仪小型化后放到孔底,测量井下岩石的自然环境,记录解除全过程应变曲线[5-7]。在张江地震综合观测深井钻孔地应力场测量中,采用了应力解除法和实现完全温度补偿的空心包体应变测量技术,其中采用一些新的理论和技术,可以大幅度提高测量结果的可靠性和准确性。

总而言之,在大数据的背景下,社会上各行各业都收到了不同程度的冲击。对于教学领域来说,也应该积极地进行创新。从高职院校中的数学教学情况来看,为了提高数学教学效果,顺应时代的发展,高职院校也应该积极地进行改革,采用各种有效的教学方式来提高学生对数学的兴趣,提高他们的数学实践能力。另外,作为教学主导者的教师,也应该积极地树立大数据思维,创造更好的教学环境。

1 孔壁应变计的测量技术

1.1 深孔套芯地应力测量仪结构特点

在本次地应力测量中,使用的是由中国地质科学院地质力学研究所研制的深孔专用地应力测量仪2006型-深孔套芯地应力测量仪,包括井下专用空心包体探头和井下应变记录仪。其中空心包体探头,是由12个120 Ω箔式应变片(3组应变花(90°、0°、 ±45°), 呈径向 120°排列)组成的,一次测量即可获得该点的三维应力;水下胶为丙烯酸树脂或可水下低温固化的双组份环氧树脂两种,下井前配好,适应期2 h。井下应变记录仪部分则是一台超小型智能化数字仪器,采用msc1200微处理器芯片和Flash存贮器电子开关技术研制开发的技术先进、方便实用的智能数字应变仪[5]

其主要特点是: 外壳采用高强度不锈钢和高强度钢化玻璃视窗,端面密封圈防水结构耐静水压10 MPa;独立微功耗电子定时器,可按事先设定的时间定时启动主机,一次充电可在井下定时待机数月,连续采集工作时间>20 h;1 s~12 h采集控制时间间隔;RS232C接口可以实现事后通讯,事后回访主机为PC机或笔记本电脑,简明快捷的人机对话窗口,利用主机或PC双向设置控制;理想实用的PC处理软件-多点曲线实时显示同时生成数据文件,σ-ε曲线自动生成。

1.2 深孔套芯地应力测量仪测量程序

使用深孔套芯地应力测量仪,在井下空心包体环氧树脂三轴应变法的应力解除过程如下(图1):

  

图1 井下空心包体应变法应力解除过程示意图Fig.1 Schematic diagram of stress relieving process of underground hollow inclusion

从表4所示的各测点地应力数据,可以发现张江地应力场分布存在如下的规律:

(2)磨平钻孔孔底,消除残余岩芯和岩块、岩粉,岩芯管后带取粉筒。

(3)换锥形钻头做锥形孔底:以保证后面的小孔与大孔同轴心。

变压器油化验中,由于对应变压器油的应用中存在着很多的影响因素,通过对变压器油的物理性能检测分析,能够衡量出变压器油应用是否存在着缺陷性。一般情况下,变压器油在应用过程中,其初始油颜色为淡黄色,随着变压器应用的时间逐渐增长,其对应的油体颜色也会出现新的变化,按照变压器油应用的时间变化其油体颜色会逐渐加深,这是由于变压器应用中,其对应的油体出现了老化现象,并且生成了二氧化碳和杂质,造成了整体的变压器油应用质量下降,影响最终的变压器油应用效果。因此,在进行变压器油的化验过程中,对应的化验人员及时地按照变压器油化验的物理性能变化将其物理性能上的影响处理好,降低变压器油应用的故障。

(4)打小孔:采用特制的液压钻具,换上φ36 mm的小钻头,打50 cm深的一段小钻孔。钻具不同深度上开有泻水孔,通过水压的变化,判断小孔的深度。

(5)空心包体安装:用砂纸将空心包体外侧圆柱面打毛;按比例配制好粘结剂(A、B两种液态材料按1:3),在空心包体的空腔内倒入适量的粘结剂,固定好销钉,将包体安装在定向器上。用钻杆慢慢地将其送入大孔中,不断地接长钻杆,并记下长度,在剩余长度为5 m左右时要特别注意慢推,以保证包体能够完好地进到小孔中。前端近入小孔20 cm左右,应注意包体筒体部分缓慢推入,探头和安装器脱钩,包体成功地安装于小孔中。

(6)应变初始数据:在安装包体20 h左右,环氧树脂固化。将安装器小心地从钻孔中提出,安装器中电子罗盘记下探头安装角,所显示数字为应力计的安装角。

浦东综合深井结构是在深度0~84.5 m,放入了直径为168 mm的套管;从深度84.5开始到井底435 m为止,井孔直径为146 mm的裸孔,且为了满足地震观测的需要,井斜控制在1°左右(图2)。此次进行了两个应力解除法地应力测量点,其测量部位在365 m和385 m。

(8)在井下应变仪到达预定时间时,应变仪将自动启动,开始测量,此时应按预定深度开始缓慢钻进,进行套芯解除,套芯解除至一定深度后,应变计读数趋于稳定。每隔10 s读数一次,连续记录10 h以上,达到预定深度后,不再解除。将包含包体的岩芯折断并取出,并对岩芯的岩性进行描述。

每个测孔第一测点完成后,在下一预定测段孔底重新锥形孔底,再打小孔,重复以上步骤,进行第二测点的测试。

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2 张江深井综合观测井地应力测量结果与分析

2.1 观测井概况

张江深井综合观测井位于上海市地震局浦东地震监测中心院内,设计深度为410 m,完井深度为435 m,最大井斜0.5°,观测井岩芯性质及其描述见表1。

 

表1 浦东地震井地层表Table 1 Stratigraphic table of Pudong seismic well

  

序号 层顶深度/m 层底深度/m 层厚/m 土(岩石)名 地层描述1 0 1 5.8 1 5.8 淤泥质粘土 软塑2 1 5.8 2 6.3 1 0.5 淤泥质粘土夹薄层粉砂 软塑3 2 6.3 4 3.7 1 7.4 含粘粒粉砂 稍密4 4 3.7 4 5.5 1.8 粘土 可塑-硬塑5 4 5.5 6 8.2 2 2.7 粉、细砂 稍密-中密6 6 8.2 7 7.9 9.7 淤泥质粘土夹薄层粉砂 软塑7 7 7.9 8 4.5 6.6 淤泥质粘土 软塑8 8 4.5 1 2 2.4 3 7.9 细砂 中密9 1 2 2.4 1 4 3.3 2 0.9 中粗砂 中密-密实1 0 1 4 3.3 1 5 8.8 1 5.5 细砂 中密1 1 1 5 8.8 1 7 3.2 1 4.4 粘土 可塑-硬塑1 2 1 7 3.2 1 8 2.2 9 粉质粘土 可塑-硬塑1 3 1 8 2.2 2 1 6 3 3.8 中砂 中密-密实1 4 2 1 6 2 3 3.4 1 7.4 细砂 中密-密实1 5 2 3 3.4 2 4 7.7 1 4.3 中砂 中密-密实1 6 2 4 7.7 2 5 8.1 1 0.4 细砂 中密-密实

 

(接表 1)

  

序号 层顶深度/m 层底深度/m 层厚/m 土(岩石)名 地层描述1 7 2 5 8.1 2 6 4.3 6.2 粘土 硬塑1 8 2 6 4.3 2 8 5.5 2 1.2 中粗砂 密实1 9 2 8 5.5 3 5 5.6 7 0.1 粘土 硬塑-坚硬2 0 3 5 5.6 3 6 3.7 8.1 中风化泥岩 深红色,岩质较软,岩芯多呈短柱状。岩芯锤击可碎,暴露在空气中数日,失水,崩解。2 1 3 6 3.7 3 6 7.5 3.8 中风化粉砂岩 粉红色,岩质较硬,岩芯完整,多呈长柱状。2 2 3 6 7.5 3 7 2.1 4.6 中风化泥岩 深红色,岩质较软,岩芯多呈短柱状。岩芯锤击可碎,暴露在空气中数日,失水,崩解。2 3 3 7 2.1 3 7 9.2 7.1 中风化粉砂岩 粉红色,岩质较硬,岩芯完整,多呈长柱状。深红色,岩质软,岩芯多呈块状、短柱状。部分层位 3 8 2.7~3 8 2.9 m 和 3 8 4.1~3 8 4.4 5 m松散,胶结不好,岩芯较破碎,不完整。2 5 3 8 5.3 3 9 7.4 1 2.1 中风化含粉砂泥岩 深红色,岩质较软,岩芯多呈短柱状、长柱状。2 6 3 9 7.4 4 0 7.8 1 0.4 中风化粉砂岩 粉红色,岩质较硬,岩芯完整,多呈长柱状。2 7 4 0 7.8 4 1 2.0 4.2 中风化含粉砂泥岩 深红色,岩质较软,岩芯多呈短柱状、长柱状。2 8 4 1 2 4 1 8 6 中风化粉砂岩 粉红色,岩质较硬,岩芯完整,多呈短柱状、少量块状。2 9 4 1 8 4 2 5 7 中风化含粉砂泥岩 深红色,岩质较软,岩芯多呈短柱状、长柱状。2 4 3 7 9.2 3 8 5.3 6.1 强风化泥岩3 0 4 2 5 4 3 5 1 0 强风化泥岩深红色,岩质软,岩芯多呈块状、短柱状。部分层位4 2 5.3~4 3 3.7 m松散,胶结不好,岩芯较破碎,不完整。

(7)套芯地应力解除与应变测试:用薄壁钻头延伸大孔,使小孔周围岩石与岩石本体分离开来,从而实现应力解除。由于应力解除而引起的小孔应变或变形由应变计或变形计测试并通过记录仪器记录下来。根据测得的应变值或变形值即可根据有关公式计算出原岩应力值。

通过检测AECOPD生存与死亡患者的血气:Pa02、PaCO2、pH; 血清炎症因子:WBC、PCT、CRP、TNF-α、IL-10;凝血因素:D-二聚体、血浆黏度、全血黏度;肺功能:FEV1、FEV1/FVC、FEV1%,并进行比较分析与相关性检验,结果表明AECOPD患者的PaCO2、凝血因子、炎症因子 WBC、PCT、CRP,尤其是PCT对急诊AECOPD患者救治效果的好坏有比较大的影响。

2.2 测量数据结果

根据各测点应力片读取数值,可以分别得出两个测点的应力解除曲线,选取在385 m处的读数(表2)绘制应力解除曲线(图3),发现当套心的深度达到测试点附近的时候,各应力片的读数增大超过了仪器的测量误差,且数据趋向平稳,大部分曲线变化规律正常,表示数据可信。只有通道5数据异常,有可能是仪器自身原因,可不参加计算。同样的,在365 m处所得数据也是如此。

之后根据实测应变数据求解地应力值,同时要知道岩石的弹性模量和泊松比。由于试验用的应力仪中的属于空心包体应力计,应变片不是直接粘贴在孔壁上的,所以使用的岩石弹性模量公式为[4]

  

图2 钻孔结构图Fig.2 Borehole structure

 

表2 385 m处应力片读数Table 2 Stress sheet readings at 385 m

  

时间/s 通道1 通道2 通道3 通道4 通道5 通道6 通道7 通道8 通道9 通道10 通道11 通道12 50 -6.15 -7.66 9.17 -6.32 1.25 -5.89 6.93 -5.55 -7.23 -4.93 8.74 -9.91 100 1.23 -1.66 1.51 3.47 3.51 -1.78 2.11 2.36 1.88 4.67 1.37 -2.12 150 44.43 -0.96 0.12 28.51 12.73 0.45 0.7 15.23 57.71 31.26 -0.96 18.31 200 63.37 12.34 2.36 37.48 20.14 12.44 2.32 39.67 69.89 46.16 2.13 28.47 250 67.62 20.43 2.57 36.72 20.01 20.58 2.54 40.39 72.15 48.42 2.67 29.16 300 66.12 17.21 3.19 35.31 30.37 17.89 3.41 39.96 72.03 48.71 3.33 29.08 350 65.89 16.38 4.45 31.26 23.45 16.03 4.43 39.87 70.17 46.96 4.86 28.16 400 65.01 15.52 6.52 29.57 37.46 15.36 6.25 38.77 69.58 44.61 6.15 27.36 450 64.99 14.93 5.78 28.63 51.38 15 6.16 38.71 68.32 41.3 5.86 26.17 500 64.36 14.89 3.49 27.96 55.46 14.67 4.01 35.62 66.01 40.06 3.88 25.93 550 62.83 14.75 4.49 27.42 57.15 12.23 4.9 33.01 65.13 38.73 4.84 25.64 600 61.53 15.01 5.37 26.73 58.64 13.56 5.57 28.31 65.09 35.32 5.21 26.06 650 60.94 14.61 4.99 26.26 58.99 13.31 5.09 26.93 64.99 33.99 4.89 24.91

  

图3 385 m处应力解除曲线Fig.3 Stress relieving curve at 385 m

 

其中,P0为围压值;εθ、εz为围压引起的平均周向应变和平均轴向应变;r、R为套孔岩芯的内、外径。该式中的k1值与岩石和空心包体材料的弹性模量、泊松比、钻孔直径、空心包体的内外径及应变片的径向位置有关,不是固定的常熟必须用迭代法求解。因此,需要取岩石试样作单轴或三轴压缩试验,以获得测点岩石的弹性模量值从而确定k1的值(表3)。

 

泊松比公式:

比亚迪叉车总经理毕国忠先生表示,比亚迪叉车走在新能源叉车行业前沿,始终力求以企业自身的技术创新引导行业发展,这不仅是比亚迪叉车的社会责任,也是比亚迪叉车坚持“技术为本创新为王”的发展理念使然。

 

表3 弹性模量E、泊松比ν和k系数Table 3 Elastic modulus E, Poisson's ratio ν and coefficient of K

  

测深/m 张江观测钻孔 E/GPa ν k1 k2 k3 k4方位角/(°) 倾斜角/(°) 安装角/(°)365 0 90 153 30.0 0.35 1 1 1 1 385 0 90 140 30.0 0.35 1 1 1 1

在已知各测点的岩石弹性模量和泊松比之后。沃罗特尼基和沃尔顿对空心包体应力计计算原岩应力分量的公式进行了修改,得到了下面两个公式:

胡宏关于“心体情用”和“心兼体用”的内容,与王阳明的“心兼体用”在理论内容和表达方式上相同。然而,胡宏心性论中的“心”必须与“性”连接起来且需要以“性”为基本才能够形成本心。由此可见,“心”和“性”并不为一,而且体用关系和尚未发生或已经发生的关系时“性”和“心”之间存在主要关系。站在思想发展历史的角度看,从“性体心用”到“心性为一”的转变是完全科学合理的。

 
 

根据公式(3)~(5)即求得各测点的地应力值(表 4)。

3.1.4 苗期管理 要经常查看,当40%以上的幼苗出土时应及时揭除地膜,及时清除杂草,适当控水。苗床较干时可在苗床上浇水,但不能超出四周的土埂,避免水溢出。苗高20 cm左右、苗径0.4~0.5 cm时控水降温,一周以后移植。

式中: εθ、 εz、 γθz分别为空心包体所测周向应变、轴向应变和剪切应变值。

 

表4 各测点主应力计算结果Table 4 Calculation results of principal stress at each measuring point

  

测点/m 最大主应力σ 1 中间主应力σ 2 最小主应力σ 3数值/M p a 方向/(°) 倾角/(°) 数值/M p a 方向/(°) 倾角/(°) 数值/M p a 方向/(°) 倾角/(°)3 6 5 8.4 4 9 2.7 6 -0.5 4 7.8 7 2.7 3 -2.5 7 7.5 6 1 9 4.5 2 -8 7.3 7 3 8 5 8.9 9 9 5.8 0 1.2 9 8.5 1 6.0 0 -8.7 2 8.2 5 1 7 7.4 1 -8 1.1 8

2.3 结论

(1)打大孔:在用钻机向围岩钻进应力解除孔,钻孔深度以巷道围岩应力场的范围为准,终孔点应不受环境围岩应力场的影响。钻头直径取130 mm。

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(1)每个测点均有二个主应力接近于水平方向,其倾角一般不大于±10°。另有一个主应力接近于垂直方向,其与垂直方向夹角不大于10°。

(2)各测点最大主应力位于近水平方向。2个测点的最大主应力方向均与水平面的夹角小于2°,最小为0.54°,即几乎完全是水平的;最大为1.29°,因而都是非常接近于水平的。

(3)根据上覆地岩层密度(2.4 g/cm3)计算可知365 m和385 m处铅直应力分别为8.7 MPa和9.2 MPa,由于该地区覆盖层以泥沙为主,故实际应力垂直应力值应略小于计算数值。由此可见,测量所得垂直应基本上等于或略大于上覆岩层的重量。2个测点中,垂直应力值与自重应力很接近,其与自重应力的比值均接近于1。

(4)最大水平主应力值、最小水平主应力值与自重应力之比均接近于1,说明张江观测台地应力场是以水平构造应力为主导的,且处于等压力状态。最大水平主应力的走向,位于近东西向,与区域构造应力场最大主应力的方向相一致。

3 结语

根据张江观测台地应力测量结果的初步分析,可得出如下结论:

(1)钻孔的最大水平主应力值为 8.44~8.99 MPa,最小水平主应力值为7.87~8.51 MPa。测区内的地应力值与中国大陆地应力测试统计结果比较,属一般应力水平。

(2)测区应力场主要以水平应力为主导,最大水平主应力值、最小水平主应力值与自重应力之比均接近于1,说明张江观测台地应力场是以水平构造应力为主导的,且处于等压力状态。

(3)地应力测试孔实测最大水平主应力方向分别为92.76°和95.80°,两个钻孔的平均值为NW85.72°,表明测区最大主应力方向为近EW向。这一结果符合本区震源机制解得出的挤压应力场方向。同时,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。

(4)本次测量仅有两个测点结果。因此,关于地应力测量的结果分析和结论仅供观测井安装综合地球物理监测仪器背景值参考使用。

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任烨,夏波,刘菲
《华南地震》 2018年第01期
《华南地震》2018年第01期文献

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