上海地區深井孔隙壓觀測研究

溫燕林 尹繼堯 趙文舟

(上海市地震局，上海 201203 )

為了減少環境干擾，探索有效的地震監測新方法，上海地震局“十一五”期間開展了綜合深井觀測，兩口深井鉆穿過深厚的覆蓋層進入基巖，將孔隙壓計安放于井底進行長期觀測。孔隙壓計是一種供長期測量混泥土或者地基內孔隙中的水壓力的儀器。孔隙水壓計采用鉆孔埋設法，埋設關鍵是封孔，封孔目的是隔斷水壓計上下水源。埋設時孔隙水壓計緊密貼合測試點，下水泥前先在井底釋放一定數量的細沙，然后采用膨脹水泥封孔密閉，使測點土層孔隙水與上部土層孔隙水完全隔絕。孔隙水壓計的探頭安置在固封水泥和井底之間的沙水混合物中。孔隙壓計中傳感器的應變敏感元件是電阻應變片，電阻應變片粘貼在彈性膜片上，當孔隙水壓施加在彈性膜片上時，彈性膜片將壓力傳遞給電阻應變片，電阻應變片的阻值將發生變化。將這種阻值變化轉化為電壓信號輸出，便可以測量出孔隙水壓的變化狀態。

上海地震局在崇明和浦東先后開鉆了2 口深井，兩口井鉆穿300 多米的覆蓋層，分別進入基巖60 m和50 m，成井后用套管將覆蓋層井壁封住。崇明長江農場綜合深井觀測站于2011 年4 月完成鉆井和基建，井深463.6 m，終孔孔徑151 mm，基巖為微風化花崗巖，2011 年5 月安裝深井綜合觀測儀器系統；浦東張江綜合深井觀測站于2011 年8 月完成鉆井和基建，井深407 m，終孔孔徑151 mm，基巖為中風化砂泥巖，2011 年10 月安裝深井綜合觀測儀器系統。兩個臺站的井斜都小于1°，遠遠大于常規井斜小于3°要求，既保證了綜合儀器的正常安裝，又為獲得高精度觀測數據打下了堅實的基礎。根據第四紀土層的覆蓋厚度和當地的基巖性狀，崇明長江農場井底孔隙壓計安裝深度為463 m，浦東張江井底孔隙壓計安裝深度為407 m。孔隙壓觀測資料如下圖所示：

完井后發現浦東井的井水緩慢涌出，計算其井底靜水壓為PH=ρgh=3.99 MPa，但該井安置的孔隙壓計觀測資料顯示孔隙壓為Pj=4.05－4.07MPa，表明浦東井孔隙壓大于靜水壓。高于靜水柱壓力的地層孔隙流體壓力稱為高異常孔隙壓或超孔隙壓。壓力梯度大于0.01 MPa/m 時屬于異常高壓地層。因此說明浦東井存在超孔隙壓現象，導致出現井涌。而崇明觀測井的孔隙壓約4.36～4.4 MPa 低于該井井底靜水壓4.53 MPa，為低孔隙壓，沒有井涌現象。從鉆孔取芯樣品來看，浦東井從上到下為粘土-細砂-砂泥巖沉積。疏松多孔粘土沉積物在埋藏過程中不斷被壓實，孔隙中的流體被排擠出來，這時孔隙體積也隨之減小。在上覆沉積物連續沉積的情況下，如果粘土沉積物孔隙中的流體被排擠出來的速度與上覆沉積物增加的速度相一致，則隨粘土埋藏深度增加，粘土孔隙度不斷減小，直到粘土不在被壓實為止。這是一種正常的壓實情況，這時的地層孔隙流體的壓力即為靜水壓力，屬正常地層壓力。但在快速沉積情況下，在上覆沉積物的壓力下，粘土孔隙中的水不能充分排出，使粘土成為欠壓實的，這些水或就近流入與之相鄰的砂巖孔隙中積蓄起來，就導致了高壓異常。浦東地區沉積形成了300 多米巨厚覆蓋層，由于快速沉降、堆積，孔隙水被禁錮與周圍失去聯系不能及時排出，孔隙流體受靜水和上覆巖層壓力，使該處地層產生異常高地層壓力。泥巖的快速沉降作用和壓實作用是造成浦東井高異常孔隙壓的原因。