鉆孔巖芯聲發射法在張北能源儲氣庫地應力測量中的應用①

馬春德， 呂志海， 譚觀霜

（1.中南大學高等研究中心，湖南 長沙 410083； 2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083）

壓縮空氣儲能是一種新型的儲能技術，已經被寫入國家“十四五”規劃中。 我國擬在河北省張家口市張北縣工業園區內建造一個超大規模的綜合能源項目儲氣庫，設計庫容為3.00 × 104m3，埋深200 ～300 m。對于超大規模的地下硐室，開挖后的圍巖穩定性是值得關注的重要問題[1-3］，有必要對儲氣庫擬建地下區域的地應力場分布變化情況進行測試分析，進而為儲氣庫的科學合理設計和安全高效施工提供參考依據。

工程界常用的地應力測試方法主要有套孔應力解除法[4］、水壓致裂法[5］和聲發射法[6］等，這些方法目前都不完善。 利用巖石聲發射的Kaiser 效應法進行地應力測量[7-9］，需要專用定向取芯工具，以便在測試前在鉆孔中鉆取定向巖芯，高成本、低效率和耗時的取芯過程阻礙了聲發射法的有效推廣[10］。 鉆孔巖芯聲發射法是一種新的基于無定向巖芯的測量方法[11-12］，可以實現無定向巖芯的地面重新定向和巖層地應力測量，從而改進傳統聲發射法無法定向的不足，使其得到的結果更接近于實際工況。 本文通過鉆孔巖芯聲發射法對張北儲氣庫建造區域進行地應力測量，并使用圓周波速各向異性分析法[13］進行驗證。

1 鉆孔巖芯聲發射法

1.1 測量方法及原理

在進行聲發射試驗之前，需要使用新型巖芯重定向裝置基于鉆孔彎曲絕對性原則、巖芯軸線與鉆孔軸線一致性原則以及鉆孔與巖芯空間姿態匹配唯一性原則對巖芯進行重定向。

1.1.1 鉆孔彎曲絕對性原則

在進行常規取芯鉆探施工過程中，鉆頭的鉆進會受到地質因素和工藝因素的影響，其鉆進軌跡與預設軌跡總是存在一定的偏差。 傳統意義上筆直鉆孔的“直”只是忽略了測斜精度誤差和測量密度影響的相對性的直，而鉆孔軌跡彎曲卻存在絕對性。 即只要測量儀器（鉆孔測斜儀）的精度足夠，就可以測量出鉆孔軌跡線上的頂角和方位角的微小變化值，即獲得鉆孔在空間上的彎曲變化情況。

1.1.2 巖芯軸線與鉆孔軸線一致性原則

目前的取芯鉆探基本采用金剛石或硬質合金的環形鉆具，鉆具在巖層中回轉鉆進取得巖芯。 鉆孔彎曲（包括頂角和方向角的變化）由上端向下端逐步漸進式連續變化，這種方式下，鉆孔與對應巖芯始終為具有共同軸線的同心圓柱體，不管鉆孔軸線發生什么樣的偏離，二者始終擁有共同的軸線軌跡，即鉆孔與巖芯彎曲具有一致性特征。

1.1.3 鉆孔與巖芯空間姿態匹配唯一性原則

鉆孔軸線與巖芯軸線重合，其軸線軌跡是一條變化的空間曲線，即使是一段較短的巖芯，其軸線軌跡上的各點的傾斜（彎曲）參數在空間上也是各不相同的，若想將它還原回鉆孔的原始姿態，必須保證鉆孔與對應巖芯的每一點的傾角和方位角完全一致，即鉆孔與對應巖芯在三維空間中的空間姿態匹配具有唯一性。

1.2 試樣加工過程

地應力測試巖樣在地表重新準確定位后，送至石材加工廠進行聲發射法標準試件加工。 如圖1 所示，在垂直方向、0°方向、45°方向以及90°方向上分別鉆取3～4 個尺寸為25 mm × 50 mm 的小巖芯試樣，每個樣品均經過仔細拋光，平整度良好。 利用巖石材料的Kaiser 效應，使用MTS 材料試驗機和PCI-Ⅱ聲發射測試系統對加工好的地應力測試巖樣進行單軸壓縮聲發射試驗。 測試系統自動記錄巖石的聲發射幅值和絕對能量等數據，通過加卸載以及二次加載對聲發射累計計數和絕對能量進行統計，結合二次加載的Felicity 效應來判斷巖石的Kaiser 點。 利用空間不同角度上巖芯的Kaiser 效應點對應的應力值，可計算出測點處最大水平主應力大小和方向。 通過直接測量的垂直主應力和間接計算的2 個水平主應力，對不同深度地應力值進行分析，可獲得所測區域的應力場分布規律。

圖1 四向取樣示意圖

1.3 聲發射Kaiser 效應測試地應力

巖樣巖性為玄武巖，均取自張北綜合能源項目儲氣庫建造工程區域深度90 m 左右巖層，分為ZK6、ZK7、ZK8，3 組共48 個試樣。 試驗加載方式采用位移控制加載，加載速率為0.1 mm／min，進行兩次應力加卸載。 聲發射系統前置放大器設定為40 db，聲噪門檻值為45 db。 所用聲發射傳感器為Φ8 mm × 8 mm，諧振頻率20～400 kHz，采樣頻率1 MHz，用雙通道采集數據，使用凡士林作為耦合劑。 為減少試件端部效應影響，加載前在壓頭與試件接觸端面均勻涂抹一層凡士林，試驗開始時用聲發射儀器同步采集數據。

圖2 為Kaiser 效應點判斷方法示意圖。 這是通過MTS815 試驗機以及聲發射系統所做的一個玄武巖單軸壓縮的聲發射試驗。 圖2 分為上下兩個半圖，其中上半圖為載荷-時間加載曲線，下半圖為對應的聲發射信號振幅散點時程圖，二者的時間軸相同。 兩次加載的峰值載荷分別超過15 kN 和25 kN。 從第一次加載過程可以看到，載荷很小時就有聲發射信號點產生，對應巖石壓密階段內部孔隙或顆粒的摩擦作用。 加載到240 s 左右時，聲發射信號出現了明顯激增的現象，此處出現較多高幅值聲發射信號，可以初步判定為Kaiser 效應發生區域，對應的載荷值約5 kN，但很難判定是發生在哪個準確時間點或哪個載荷值上。 為提高判斷精度，依據巖石聲發射的“抹錄不凈現象”原理，在第二次加載的聲發射信號圖上找出首個出現的“抹錄不凈”信號點，即下半圖中540 s 左右時出現的M 點。根據M 點對應的載荷水平，回找第一次加載過程中的Kaiser 效應區域對應的載荷，就可以較為準確地判定出該試件的Kaiser 效應點，即4.72 kN。 另外，圖2 中第二次加載到首次加載峰值載荷時，明顯出現的Kaiser效應現象，也很好地佐證了試驗的有效性。

圖2 Kaiser 效應點判斷方法示意圖

2 地應力計算和結果分析

2.1 聲發射計算與分析

對取自3 個不同鉆孔不同方位角度的AE 試件進行聲發射試驗，獲得每個試件的Kaiser 效應特征點對應的應力值，整理后得到各鉆孔不同方向上的應力分量如表1 所示。 對于水平方向上的3 個應力值，基于彈性力學原理，根據平面主應力計算公式，可以計算得出各測點處的最大水平主應力σH、最小水平主應力σh及最大水平主應力方向，計算結果列于表2 中。

表1 各鉆孔不同方向上的應力分量

表2 各鉆孔主應力計算結果

式中σ0、σ45、σ90分別為正北向逆時針0°、45°和90°方向的主應力實測值；σH、σh分別為水平方向上最大、最小主應力（壓應力為正，拉應力為負）；θ為水平最大主應力與正北向夾角（規定逆時針轉到北方向為正）。

從表2 可知，ZK6、ZK7 和ZK8 對應的90 m 埋深處的地應力以水平構造應力為主，最大水平主應力達到12 MPa 左右，最小水平主應力也比各自的垂直主應力大；垂直主應力比對應埋深計算所得自重應力稍大一點；3 個鉆孔最大主應力方向基本一致，均為近南北方向。

2.2 圓周波速各向異性分析法

當地下巖芯柱從鉆孔中被套鉆出來時，解除了最初的三向受壓應力狀態，各方向均發生了彈性恢復。從水平方向來看（巖芯柱環向），最大水平主應力方向先前受到的壓應力最大，應力解除后該方向產生的恢復形變量也最大，對應的通過軸心的縱波波速減小。反之，最小水平主應力方向恢復形變量最小，對應的縱波波速也會相應增大。 巖芯波速最低的方位即為最大主應力方向。

在對各鉆孔巖芯進行地表重定向后，AE 小試件加工之前，還采用PCI-II 聲發射系統的AST 波速測量功能對所采集巖芯柱在環向360°上每間隔15°進行一次過軸心的縱波波速測量，圖3 為ZK6 鉆孔巖芯柱過軸心波速測量結果（ZK7 和ZK8 波速測試結果基本類似）。 可以看到，0°和180°（南北向）附近波速明顯低于90°和270°（東西方向），說明從波速測量的角度來看，水平最大主應力方向應該是近南北向。 這一結果與鉆孔巖芯聲發射法所得結果吻合，進一步驗證了鉆孔巖芯聲發射法測量結果的正確性。

圖3 圓周波速各向異性分析法結果

2.3 與區域構造情況的對比分析

該區域地質資料顯示，張北縣地處內蒙古高原南緣，屬壩上高原區，為玄武巖、熔巖組成的起伏不平的臺地，海拔1600～1850 m。 張北縣屬內蒙古興安華力西期古生代地槽區域，在華力西運動之后全部回返而結束地槽發展階段，之后主要經歷了燕山亞旋回、多倫復背斜、內蒙古興安地槽褶皺等三次劇烈活動。 張北縣處于華力西運動產生的多倫復背斜（三級大地構造單元）西段的張北拗陷上（四級大地構造單元）。 中部內蒙古臺背斜占據張北高原大部分，是個長期遭受南北向地應力作用的隆起區。 張北大地在構造變動方面是個長期穩定地區，后期在燕山亞旋回和喜馬拉雅運動也發生不同程度的構造變動。 張北拗陷自內蒙古興安地槽褶皺以來，地殼運動基本結束，僅喜馬拉雅運動對本區有輕微影響，根據近50 年來的地質考察及地殼變形觀測，未發現有其他明顯的活動跡象。 再次說明本次地應力測試結果中的最大主應力方向與該區域的主要構造情況具有較好一致性。

3 結論

1） 張北綜合能源項目儲氣庫建造工程區域3 個鉆孔對應的90 m 埋深處的地應力以水平構造應力為主，最大水平主應力達到12 MPa 左右，最小水平主應力比各自的垂直主應力大，3 個鉆孔的最大主應力方向基本一致，均為近南北方向。

2） 利用自主研制的非定向地質巖芯地表重定向技術及測試系統對鉆孔中巖芯進行了地表重定向工作，鉆孔巖芯聲發射法能夠很好地實現非定向巖芯的地面重新定向和地應力狀態的測量。

3） 圓周波速各向異性分析法較好地驗證了鉆孔巖芯聲發射法的準確性。