科技进展

    地应力，通俗称为“地压”，一般是指存在于地壳岩石中单位面积上的压力。地应力是地质构造、板块运动的结果，同时又是各种地质构造运动的内因，或称之为内在驱动力。

    水压致裂地应力测量技术是被国际岩石力学学会特别推荐的可用于岩体原位地应力测量的技术之一，在深部地应力测量方面具有非常明显的优势。但是随着对深部资源开发需求的不断发展，这项技术也面临重大的挑战。

    在石油天然气工业领域，随着传统油气资源的日益枯竭，作为其替代接续资源的页岩油气等非常规资源的勘探开发正日益成为聚焦领域。在我国，页岩气资源主体赋存深度一般在3000米左右或更深处，而页岩气开采技术中最主要的技术手段——水平井技术和体积压裂技术，以及分段压裂技术等，又对目标区的现今地应力状态具有强烈的需求，需要了解现今地应力的量值、最大和最小水平主应力的差值、最大水平主应力的作用方向。这些地应力参数成为页岩气开采设计和施工中不可或缺的重要依据。

    再有，近年来，干热岩热能开发和利用成为国际上清洁能源利用领域的一个热点。在我国，2017年8月在青海共和恰卜恰花岗岩体，利用钻探技术在孔深3700米处钻遇了温度高达236℃的高温储层，展现了干热岩开发利用的良好前景。中国地质调查局随即部署青海共和干热岩开发利用示范研究的科技攻坚战，其中，查明恰卜恰花岗岩岩体深部地应力赋存状态是其中一项重要的研究工作，将为压裂设计提供最为直接依据。

    此外，为了应对世界能源供给的不确定性，保证国家能源供给安全，我国正在大力推进建造国家天然气储气库。对于储气库的建造，了解和查明其围岩尤其是其盖层的最小主应力的量值是至关重要的一项勘测任务。最小主应力的量值直接关系到储气库调压的上下限，对于储气库的安全运营和储气效率起着重要的作用。就此而言，储气库建造对地应力测量精度提出了更高的要求，为此绝大多数储气库建造过程中都设立了深部地应力专项测试，并指定利用水压致裂原位地应力测量技术开展深部地应力测量，以准确获得深部地应力状态。

    由此可见，深部资源开发利用已经对深部地应力测量技术提出了具体的要求，急需能够适应于地下深部3000~5000米的可靠、便捷的原位地应力测量技术。

    深部地应力测量对测试设备、仪器，以及测试方法都提出了更为苛刻的要求和挑战。按照一般条件推算，在3000米深处，温度可接近或达到100℃，井下设备要承受50-60MPa，甚至更高的差应力。对于特殊条件，比如，干热岩或高地应力地区，温度可能高达150℃，甚至更高，设备抗差应力能力可能需要高达80MPa。高温高压耦合作用对井下设备提出了全新的要求，需要改进材料性能，并进行针对性的结构设计和改进。

    随着深度的增加，测试难度和风险也成倍增加，钻孔崩落、掉块阻碍了测试设备的井下放置，为保护钻井井壁的稳定性，加大的泥浆密度又给测量增加了技术难度。此外，整个测试系统的水体体积也会随着测试孔深的增加而显著增加，由此导致的系统柔度过大将直接影响最大水平主应力的计算精度。

    （作者单位：中国地质科学院地质力学研究所）