郭書(shū)太,崔少東,王成虎,孟　靜,譚成軒

地下水封油庫(kù)工程中三維地應(yīng)力測(cè)量及其應(yīng)用

郭書(shū)太1,崔少東1,王成虎2,孟靜3,譚成軒3

(1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司,河北廊坊065000；2.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,北京100085；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京100081)

地下水封油庫(kù)是一種復(fù)雜的地下工程,在施工期間開(kāi)展巖體原位應(yīng)力三維測(cè)量,對(duì)設(shè)計(jì)的開(kāi)挖和支護(hù)方案進(jìn)行檢驗(yàn)和復(fù)核,有利于設(shè)計(jì)優(yōu)化和指導(dǎo)施工。采用水壓致裂測(cè)量方法,在油庫(kù)內(nèi)南北水平、東西水平和垂直3個(gè)方向鉆探成孔進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量,綜合3個(gè)方向的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果,計(jì)算確定三維地應(yīng)力大小和方向。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)所使用的勘察階段地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的可靠性,檢驗(yàn)和復(fù)核了設(shè)計(jì)施工方案的合理性,并進(jìn)一步評(píng)價(jià)了地下水封油庫(kù)圍巖穩(wěn)定性。

地下水封油庫(kù);三維地應(yīng)力測(cè)量;油庫(kù)圍巖穩(wěn)定性

1　工程場(chǎng)地條件

本文研究的某地下水封油庫(kù)擬建庫(kù)容為300×104m3,儲(chǔ)油洞室底板在地表下100 m左右。庫(kù)址屬于低緩丘陵地貌,占地約1 km2,地面高程17～43 m,表層被第四系覆蓋,局部出露基巖。

該地下水封油庫(kù)大地構(gòu)造位置屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶山海關(guān)臺(tái)拱與遼西臺(tái)陷交接部位東緣的北鎮(zhèn)凸起,位于朝陽(yáng)穹褶斷束和綏中凸起的交匯處。場(chǎng)區(qū)外有3組區(qū)域斷裂:近東西向斷裂、北東向斷裂和北西向斷裂,距離較遠(yuǎn),都在12 km之外,不會(huì)產(chǎn)生直接影響。

場(chǎng)區(qū)巖性主要為燕山期花崗巖,平面形態(tài)呈北西—南東的橢圓形,出露面積7.6 km2,巖石呈淺肉紅色,中粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造；含有輝綠巖、角閃閃長(zhǎng)玢巖、花崗斑巖等巖脈。表層風(fēng)化,全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層厚度15～30 m。

2　三維地應(yīng)力測(cè)量

2.1測(cè)量方法

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)頒布的確定巖石應(yīng)力所推薦的方法,也是目前國(guó)際上能較好地直接進(jìn)行深孔應(yīng)力測(cè)量的先進(jìn)方法[9～10]。該方法無(wú)需知道巖石的力學(xué)參數(shù)就可獲得巖體中現(xiàn)今地應(yīng)力大小和方向,并具有操作簡(jiǎn)便、可在任意深度進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)測(cè)試、測(cè)量速度快、測(cè)值可靠等特點(diǎn)。

在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的水壓致裂法,是基于與鉆孔軸向垂直的二維應(yīng)力測(cè)量方法,因此只能獲得垂直于鉆孔軸向的二維應(yīng)力場(chǎng)。要想獲得三維應(yīng)力場(chǎng),需要對(duì)相互垂直交匯的3個(gè)鉆孔分別進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量,每一個(gè)鉆孔建立各自的應(yīng)力平衡方程,通過(guò)坐標(biāo)變換求解出大地坐標(biāo)系下的主應(yīng)力方向和大小[11～12]。

此外，油氣勘查開(kāi)采理論與技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了我國(guó)油氣儲(chǔ)量產(chǎn)量的增長(zhǎng)。天然氣水合物系統(tǒng)成藏理論和試采技術(shù)方法體系的創(chuàng)新為天然氣水合物試采的歷史性突破打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；礫巖油區(qū)成藏理論和勘探技術(shù)創(chuàng)新助推瑪湖凹陷大油氣區(qū)發(fā)現(xiàn)；特低滲—致密砂巖氣藏開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)物理模擬系統(tǒng)研發(fā)取得重大進(jìn)展，有效指導(dǎo)致密氣開(kāi)發(fā)；針對(duì)順北特深油氣田、四川深部氣田鉆完井技術(shù)攻關(guān)，大幅縮短了鉆井周期；復(fù)雜斷塊油氣富集規(guī)律認(rèn)識(shí)創(chuàng)新，促進(jìn)渤中西洼億噸級(jí)優(yōu)質(zhì)油田群發(fā)現(xiàn)。

2.2測(cè)點(diǎn)布置

三維地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位于其中一個(gè)洞室內(nèi),包括3個(gè)測(cè)孔:東西向水平鉆孔JZNS-1、南北向水平鉆孔JZWE-2和垂直鉆孔JZVZK-3。3個(gè)鉆孔的布置如圖1所示,其中JZNS-1孔深30.00 m,JZWE-2孔深30.00 m,JZVZK-3孔深60.00 m。

圖1　錦州某地下水封油庫(kù)內(nèi)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)鉆孔布置示意圖Fig.1　The sketch map showing the arrangement of drilling boreholes for in-situ crustal stress measurement in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city

為確保測(cè)試結(jié)果的可靠性,根據(jù)巖芯狀況,在鉆孔中共選擇多個(gè)深度段進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量,壓裂段長(zhǎng)度為0.55 m,選擇在無(wú)裂隙的完整巖石、孔徑均勻處。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)推薦的水壓致裂法測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)資料整理得出各壓裂段的破裂壓力 (Pb)、裂縫重張壓力 (Pr)、裂縫閉合壓力 (Ps)以及對(duì)應(yīng)的水頭壓力 (PH)和孔隙壓力 (P0)等壓力參數(shù),根據(jù)壓力參數(shù)分別計(jì)算出各壓裂段的最大次主應(yīng)力 (S′H)、最小次主應(yīng)力 (S′h)和巖體的原位抗張強(qiáng)度T[13～15]。

為確定最大次主應(yīng)力方向,在部分壓裂測(cè)試段進(jìn)行了定向印模測(cè)試,所得印模痕跡清晰、可靠。

JZNS-1和JZWE-2鉆孔中水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如表1、表2所示。

表1 錦州某地下水封油庫(kù)水平鉆孔JZNS-1水壓致裂應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 1 The hydrofracturing crustal stress measurements of JZNS-1 horizontal borehole in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city

表2 錦州地下水封油庫(kù)水平鉆孔JZWE-2水壓致裂應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 2 The hydrofracturing crustal stress measurements of JZWE-2 horizontal borehole in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city

JZNS-1和JZWE-2鉆孔中實(shí)測(cè)最大、最小次主應(yīng)力大小隨水平深度的變化曲線見(jiàn)圖2。從圖2可以看出,應(yīng)力大小在測(cè)試水平深度范圍內(nèi)相對(duì)較為穩(wěn)定、變化不大。其中JZNS-1在測(cè)深為24.60～25.15 m深度的應(yīng)力值相對(duì)較小,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔巖芯觀察,與該試驗(yàn)段附近原生裂隙較發(fā)育有關(guān),水壓致裂使原生裂隙重張,故應(yīng)力值偏低。

圖2　JZNS-1(左)與JZWE-2(右)實(shí)測(cè)主應(yīng)力大小隨水平深度變化Fig.2　Variation of measured principal stress magnitudes along with horizontal depth in JZNS-1 and JZWE-2 boreholes

鉆孔JZVZK-3水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3,其隨垂直深度的變化曲線如圖4。

表3 錦州地下水封油庫(kù)垂直鉆孔JZVZK-3水壓致裂應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 3 The hydrofracturing crustal stress measurements of JZVZK-3 vertical borehole in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city

從圖4可以看出,應(yīng)力大小在30.6 m以上的測(cè)試深度范圍內(nèi)相對(duì)較為穩(wěn)定,變化不大；但是從30.6 m開(kāi)始,最大、最小水平主應(yīng)力大小隨深度的增加而逐步增大。同時(shí)最大水平主應(yīng)力方向在30.6 m以上和30.6 m以下也有較大的變化,30.6 m以上的最大水平主應(yīng)力方向數(shù)據(jù)相對(duì)較為離散,但30.6 m以下的最大水平應(yīng)力方向數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定,為近東西向。

圖4　JZVZK-3實(shí)測(cè)主應(yīng)力大小隨垂直深度變化趨勢(shì)Fig.4　The variation of measured principal stress magnitudes along with vertical depth in JZVZK-3 borehole

2.4三維地應(yīng)力計(jì)算

運(yùn)用三維地應(yīng)力計(jì)算方法[11～12],依據(jù)JZNS-1、JZWE-2、JZVZK-3鉆孔的二維地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及其相對(duì)應(yīng)的鉆孔空間方位參數(shù),進(jìn)行綜合計(jì)算,即可確定地下110 m深度三維地應(yīng)力狀態(tài)。三維地應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表4,其主應(yīng)力空間位置見(jiàn)圖5。

表4 錦州某地下水封油庫(kù)三維應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 4 The 3D crustal stress calculated results in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city

圖5　錦州某地下水封油庫(kù)內(nèi)水壓致裂三維地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Fig.5　The results of 3D crustal stress measurements using hydrofracturing method in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city

根據(jù)三維主應(yīng)力狀態(tài)分析可知,該測(cè)點(diǎn)附近的地應(yīng)力狀態(tài)為構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力的共同作用,且水平構(gòu)造應(yīng)力起主導(dǎo)作用。

3　三維地應(yīng)力測(cè)量的可靠性分析

3.1地應(yīng)力大小

地下水封油庫(kù)前期勘察階段布置了5個(gè)140 m深度的垂直鉆孔進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量,綜合分析5個(gè)鉆孔地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果[16～17],獲得了地下水封油庫(kù)區(qū)主應(yīng)力隨深度的變化趨勢(shì) (見(jiàn)圖6)。從圖6可以看出,主應(yīng)力大小總體隨垂直深度的增加而增加,在測(cè)試深度范圍內(nèi),最大水平主應(yīng)力 (SH)、最小水平主應(yīng)力 (Sh)和垂直主應(yīng)力 (SV)三者的大小關(guān)系為SH>Sh>SV,表明該地區(qū)巖體內(nèi)水平應(yīng)力占主導(dǎo)地位。因?yàn)榈叵滤庥蛶?kù)儲(chǔ)油洞室和水幕系統(tǒng)的埋深范圍為80～120 m,將這一深度范圍內(nèi)的主應(yīng)力值進(jìn)行加權(quán)平均,勘察階段測(cè)得的最大、最小水平主應(yīng)力的平均值分別為10.21 MPa和6.24 MPa,地下埋深110 m處的垂直應(yīng)力值為3.03 MPa。而利用三孔交匯水壓致裂法測(cè)得的三維應(yīng)力狀態(tài)為:σ1=11.56 MPa、σ2=5.84 MPa、σ3=3.07 MPa,σ1、σ2、σ3的仰角分別為12.32°、11.7°、-78.18°, σ1、σ2近水平,而σ3近垂直。通過(guò)對(duì)比分析可以看出,此次三孔交匯測(cè)得的最大、中間和最小主應(yīng)力與前期勘察階段測(cè)得的最大、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力大小相當(dāng),驗(yàn)證了前期地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的可靠性,檢驗(yàn)和復(fù)核了設(shè)計(jì)施工方案的合理性。

圖6　錦州某地下水封油庫(kù)勘察階段垂直鉆孔地應(yīng)力測(cè)量主應(yīng)力大小隨深度變化Fig.6　The variation of principal stress magnitudes obtained at surveying stage along with depth in vertical drilling boreholes of an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city

3.2最大主應(yīng)力方向

表5、圖7為地下水封油庫(kù)區(qū)6個(gè)垂直鉆孔 (前期勘察階段5個(gè)和施工期間1個(gè))地應(yīng)力測(cè)量獲得的最大水平主應(yīng)力方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表5 錦州某地下水封油庫(kù)垂直鉆孔地應(yīng)力測(cè)量最大水平主應(yīng)力方向統(tǒng)計(jì)Table 5 The statistics of maximum horizontal principal stress orientations in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city

圖7　錦州某地下水封油庫(kù)垂直鉆孔最大水平主應(yīng)力方向隨深度變化Fig.7　The variation of maximum horizontal principal stress orientations along with depth in vertical drilling boreholes of an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city

由表5和圖7可以看出,垂直鉆孔實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力方向優(yōu)勢(shì)方位為N78.2°E,而通過(guò)三孔交匯地應(yīng)力測(cè)量確定的最大主應(yīng)力方向?yàn)镹59.86°E,二者較為接近,并與測(cè)點(diǎn)外圍區(qū)域通過(guò)震源機(jī)制、水壓致裂、應(yīng)力解除、鉆孔崩落等確定的區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向(北東東—近東西,見(jiàn)圖8)較為一致[18～19]。

圖8　區(qū)域最大、最小水平主應(yīng)力方向玫瑰花圖Fig.8　The rose diagram of regional maximum and minimum horizontal principal stress directions

3.3巖體原位抗拉強(qiáng)度分析

由于水壓致裂法可以在同一段上連續(xù)進(jìn)行多次測(cè)量,大量的實(shí)測(cè)結(jié)果表明,初次破裂與其后的重張有顯著差別。一般情況下,破裂壓力 (Pb)大于重張壓力 (Pr)。初次破裂不僅要克服巖石所承受的壓應(yīng)力,而且還要克服巖石本身的抗拉強(qiáng)度 (T)。而破裂后重張只需克服作用在破裂面上的壓應(yīng)力,顯然二者之差就是巖石的原位抗拉強(qiáng)度,即T= Pb-Pr。

各孔的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果中均給出了具有明顯破裂壓力測(cè)段的巖體原位抗拉強(qiáng)度值,總體看來(lái),完整巖體中的抗拉強(qiáng)度較高,一般在7.75～15.28 MPa。需要指出的是,實(shí)際鉆孔中由于巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的非均勻性,測(cè)量得到的原位測(cè)量抗拉強(qiáng)度變化較大,在構(gòu)造破碎帶附近的測(cè)量結(jié)果往往較小。本文給出的是原位測(cè)試結(jié)果,直接反映了巖體的實(shí)際力學(xué)性質(zhì),為洞室穩(wěn)定性分析提供了重要數(shù)據(jù)。

4　地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地下水封油庫(kù)圍巖穩(wěn)定性的影響分析

在水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力的情況下,最大水平主應(yīng)力方向與油庫(kù)軸線方向夾角越小,洞壁上承受的壓力最小,越有利于油庫(kù)穩(wěn)定；而最大水平主應(yīng)力方向與油庫(kù)軸線方向垂直相交時(shí),最不利于油庫(kù)的穩(wěn)定[2～4,16]。設(shè)計(jì)階段考慮了最大、最小水平主應(yīng)力對(duì)油庫(kù)穩(wěn)定性的影響,油庫(kù)沿東西向布置,而且洞頂采用較平緩的三心拱形,也有利于洞室的穩(wěn)定。

該地區(qū)巖石的抗壓強(qiáng)度在80～100 MPa,利用強(qiáng)度應(yīng)力比法評(píng)價(jià)該工程場(chǎng)區(qū)原位應(yīng)力條件屬于中等[3],不屬于高應(yīng)力狀態(tài),對(duì)工程穩(wěn)定性影響相對(duì)較??；按照開(kāi)挖后洞室截面周邊最大應(yīng)力和洞室圍巖巖體強(qiáng)度之比的分析計(jì)算結(jié)果,洞室軸線沿最大水平主應(yīng)力方向布置,在開(kāi)挖過(guò)程中,地下洞室圍巖基本以線彈性變形為主,這一變形破壞特征與地下油庫(kù)在施工階段的變形破壞特征基本符合。

三維地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與前期二維應(yīng)力測(cè)量結(jié)果大小基本一致,在方向上存在約18°的偏差,由于差異較小,復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明圍巖變形仍然以彈性為主,洞室圍巖的變形特征和量值變化不大,洞室仍是穩(wěn)定的。

油庫(kù)內(nèi)JZVZK-3垂直鉆孔水壓致裂原位地應(yīng)力測(cè)量研究表明,在深度35 m左右存在一個(gè)由于洞庫(kù)開(kāi)挖引起的應(yīng)力集中范圍；在45 m以下主應(yīng)力大小具隨垂直深度逐漸增大的變化趨勢(shì),并且最大水平主應(yīng)力方向也相對(duì)穩(wěn)定；地下油庫(kù)的圍巖應(yīng)力松弛區(qū)可能在45 m的范圍內(nèi)；此次洞內(nèi)垂直鉆孔深度30 m以上實(shí)測(cè)地應(yīng)力平均值與前期勘察階段相應(yīng)深度的實(shí)測(cè)地應(yīng)力平均值對(duì)比分析顯示,最大、最小水平主應(yīng)力分別降低了25%和35%。

5　結(jié)論

通過(guò)油庫(kù)內(nèi)水壓致裂三維地應(yīng)力測(cè)量,獲得了可靠的地應(yīng)力大小和方向,其與前期勘察階段獲得的二維地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果基本一致,進(jìn)而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)所使用的勘察階段地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的可靠性,檢驗(yàn)和復(fù)核了設(shè)計(jì)施工方案的合理性和有效性,進(jìn)一步評(píng)價(jià)了地下水封油庫(kù)圍巖穩(wěn)定性,為未來(lái)地下水封油庫(kù)的安全運(yùn)營(yíng)提供了保障。

理論分析可知,由于垂直鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量只能獲得與鉆孔軸向垂直的二維應(yīng)力,而三維應(yīng)力測(cè)量結(jié)果可能與二維應(yīng)力測(cè)量結(jié)果存在較大的差異,因此對(duì)于重要地下工程,建設(shè)過(guò)程中在地下空間采用三維地應(yīng)力測(cè)量方法進(jìn)行地應(yīng)力大小和方向的復(fù)核是非常必要的,有利于對(duì)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和施工的指導(dǎo)。

[1] 劉允芳.巖體地應(yīng)力與工程建設(shè) [M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

LIU Yun-fang.Geo-stress and engineering construction[M].Wuhan:Hubei Science and Technology Press,2000.

[2] 王成虎,劉立鵬,郭啟良,等.地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)分析及對(duì)工程穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)的意義 [J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2008,16(S):377～381.

WANG Cheng-hu,LIU Li-peng,GUO Qi-liang,et al.One method to analyze the measured in-situ stress data and its significance to the project stability design[J].Journal of Engineering Geology,2008,16(Suppl.):377～381.

[3] 王成虎,郭啟良,丁立豐,等.工程區(qū)高地應(yīng)力判據(jù)研究及實(shí)例分析 [J].巖土力學(xué),2009,30(8):2359～2364.

WANG Cheng-hu,GUO Qi-liang,DING Li-feng,et al.High in-situ stress criteria for engineering area and a case analysis [J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(8):2359～2364.

[4] 譚成軒,孫煒?shù)h,孫葉,等.地應(yīng)力測(cè)量及其地下工程應(yīng)用的思考 [J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,80(10):1627～1632.

TAN Cheng-xuan,SUN Wei-feng,SUN Ye,et al.A consideration on in-situ crustal stress measuring and its underground engineering application[J].Acta Geologica Sinica,2006,80(10):1627～1632.

[5] 譚成軒,孫葉,王連捷.地應(yīng)力測(cè)量值得注意的若干問(wèn)題 [J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào),2003,9(3):275～280.

TAN Cheng-xuan,SUN Ye,WANG Lian-jie.Some problems of in-situ crustal stress measurements[J].Journal of Geomechanics,2003,9(3):275～280.

[6] 景鋒,盛謙,張勇慧,等.不同地質(zhì)成因巖石地應(yīng)力分布規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析 [J].巖土力學(xué),2008,29(7): 1877～1883.

JING Feng,SHENG Qian,ZHANG Yong-hui,et al.Statistical analysis of geostress distribution laws for different rocks [J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(7):1877～1883.

[7] Martin C D.Characterizing in-situ stress domains at the AECL underground research laboratory[J].Canadian Geotechnical Journal.1990,27:631～646.

[8] Tan Chengxuan,Wang Ruijiang,Sun Ye,et al.Numerical modeling estimation of the‘tectonic stress plane(TSP)’beneath topography with quasi-U-shaped valleys[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004, 41(2):303～310.

[9] Haimson B C,Cornet F H.ISRM suggested methods for rock stress estimation(Part 3):Hydraulic fracturing(HF)and/or hydraulic testing of pre-existing fractures(HTPF)[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2003,40:1011～1020.

[10] 尤明慶.水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力方法的研究 [J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,27(3):350～353.

YOU Ming-qing.Study on the geo-stress measurement with hydro-fracture of borehole[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2005,27(3):350～353.

[11] 陳群策,安美建,李方全.水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)量的理論探討 [J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào),1998,4(1):37～44.

CHEN Qun-ce,AN Mei-jian,LI Fang-quan.Theoretical discussion on 3-D hydraulic fracturing in situ stress measurement [J].Journal of Geomechanics,1998,4(1):37～44.

[12] 侯明勛,葛修潤(rùn).三維地應(yīng)力計(jì)算模型研究 [J].巖土力學(xué),2007,28(10):2017～2021.

HOU Ming-xun,GE Xiu-run.Study on a calculation model for 3D in-situ rock stress tensor[J].Rock and Soil Mechanics, 2007,28(10):2017～2021.

[13] 豐成君,陳群策,吳滿路,等.水壓致裂應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)分析——對(duì)瞬時(shí)關(guān)閉壓力PS的常用判讀方法討論 [J].巖土力學(xué),2012,33(7):2149～2159.

FENG Cheng-jun,CHEN Qun-ce,WU Man-lu,et al.Analysis of hydraulic fracturing stress measurement data:Discussion of methods frequently used to determine instantaneous shut-in pressure[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(7): 2149～2159.

[14] 侯明勛,葛修潤(rùn),王水林.水力壓裂法地應(yīng)力測(cè)量中的幾個(gè)問(wèn)題 [J].巖土力學(xué),2003,24(5):840～844.

HOU Ming-xun,GE Xiu-run,WANG Shui-lin.Discussion on application of hydraulic fracturing method to geostress measurement[J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(5):840～844.

[15] 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,日本電力中央研究所.水壓致裂裂縫的形成和擴(kuò)展研究 [M].北京:地震出版社, 1999:82.

Institute of China Seismological Bureau crustal stress,Japan Central Research Institute of Electric Power Industry.Research on information and extension of hydro-fractures[M].Beijing:Seismological Press,1999:82.

[16] 王成虎,郭啟良,侯硯和,等.地下水封油庫(kù)場(chǎng)址地應(yīng)力場(chǎng)及工程穩(wěn)定性分析研究 [J].巖土工程學(xué)報(bào),2010, 32(5):698～705.

WANG Cheng-hu,GUO Qi-liang,HOU Yan-he,et al.In-situ stress field and project stability of underground water-sealed oil depots[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(5):698～705.

[17] 侯硯和,孫煒?shù)h,陳群策,等.我國(guó)某地下油庫(kù)預(yù)可行性研究地應(yīng)力測(cè)量及其應(yīng)用分析 [J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào), 2006,12(2):197～202.

HOU Yan-he,SUN Wei-feng,CHEN Qun-ce,et al.In situ stress measurement and its application in the pre-feasibility study of an underground oil reservoir in China[J].Journal of Geomechanics,2006,12(2):197～202.

[18] 謝富仁,陳群策,崔效鋒,等.中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境研究 [M].北京:地質(zhì)出版社,2003.

XIE Fu-ren,CHEN Qun-ce,CUI Xiao-feng,et al.Crustal stress in China[M].Beijing:Geological Publishing House,2003.

[19] Zoback M L.First-and second-order patterns of stress in the lithosphere:The World Stress Map Project[J].Journal of Geophysical Research,1992,97(B8):11703～11728.

3D IN-SITU CRUSTAL STRESS MEASUREMENT AND ITS APPLICATION TO UNDERGROUND WATER-SEALED OIL STORAGE CAVE ENGINEERING

GUO Shu-tai1,CUI Shao-dong1,WANG Cheng-hu2,MENG Jing3,TAN Cheng-xuan3
(1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation,Langfang 065000；2.Institute of Crustal Dynamics,China Earthquake Administration,Beijing 100085；3.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081)

Underground water-sealed oil storage cave is a complex underground project.3D in-situ crustal stress measurement in the constructing process,which can be used to test and re-check for the design scheme of cave excavation and support,is advantageous to the design optimization and the construction.In-situ crustal stress measurements by hydrofracturing method in drilling boreholes along a three dimensional Cartesian coordinate system are conducted,and then the reliable 3D crustal stress magnitudes and directions are calculated from those measuring results.This 3D results examined the in-situ measurements at surveying stage used for designing,and verified the rationality of the design and construction scheme.In addition,the stability of surrounding rock of underground water-sealed oil storage cave was further assessed using the 3D results.

Underground water-sealed oil storage cave；3D in-situ crustal stress measurement；stability of surrounding rock of cave

P553

A

1006-6616(2016)01-0114-11

2015-10-29

郭書(shū)太 (1966-),教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事巖土工程、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程等方面的勘察、設(shè)計(jì)和研究工作。E-mail:cppe_guost@cnpc.com.cn

譚成軒 (1964-),博士,研究員,主要從事構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等研究工作。E-mail: tanchengxuan@tom.com