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4.1.1 地应力水力压裂法测试成果
20世纪60年代末，美国人费尔赫斯特(C.Fairhurst)和海姆森(B.C.Haimson)提出了用水压致裂法测量地应力的理论。至80年代，这一方法已在全世界范围内得到了较为广泛的应用。该方法的突出优点是能够测得深部的地应力值，这是应力解除法所无法达到的。水压致裂法测量结果只能测得垂直于钻孔平面内的最小主应力(Sh)的大小与方向，经计算求得最大主应力。故从原理上讲，它只是一种二维应力测量方法，其测量结果的可靠性和准确性尚达不到应力解除法的水平。若要测定测点的三维应力状态，须打互不平行的交汇于一点的三个钻孔，这在隧道勘察设计阶段往往是难以做到的。一般情况下，多假定钻孔方向为一个主应力方向，例如将钻孔打在垂直方向，则认为垂直应力是一个主应力，其大小为自重应力，那么由单孔水压致裂测定结果就可以确定一个三维应力场了。但在某些情况下，垂直方向并不是一个主应力的方向，其大小也不完全等于自重应力。如果钻孔方向和实际主应力的方向偏差15°以上，那么上述假设就会对测试结果造成较大的误差。此外，水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，即平行于最大主应力的方向。这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。如果孔壁本来就有天然节理裂隙存在，那么初始开裂将很可能发生在这些部位，而并非切向应力最小部位，因而水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中进行。所以工程实践中，一般在工程前期勘察设计阶段，可以先使用水力压裂法总体上初步查明工程区岩体的地应力状态，而在工程施工过程中，则可以用应力解除法比较准确地测定工程区的地应力。
在隧道勘察设计阶段，国家地震局地壳应力研究所采用钻孔水力压裂法完成了地应力的测试工作，其主要测试成果如表4-1所示。
水压致裂法地应力测量成果表明：
(1)工程区最大水平主应力SH的方向为N59°W～N82°W；
(2)隧道主轴线及其附近测得的SH最大值可达53.47MPa(CZK3 孔深707.43～708.26m)；
表4-1 二郎山隧道水压致裂地应力测量结果 Tab.4-1 Measured results of geostress by hydrofracturing technique in Erlangshan Tunnel
(3)大约在海拔高程2200m部位为山体自重应力与构造应力的分界线。该分界线以上垂直应力(SV)占主导地位，即SV＞SH＞Sh；分界线以下，水平应力占主导地位，即SH＞Sh＞SV。二郎山公路隧道顶板正位于该分界线偏下部。
4.1.2 测量成果分析
研究区钻孔水压致裂法地应力测量成果表明，工程区最大水平主应力SH的方向为N59°W～N82°W，与隧道轴线方向的夹角较小，介于23°～46°之间。根据四川省地震局有关“地震报告”(1991.7)，由区域内康定、泸定和龙门山断裂带等邻近地区所取得的近20个震源机制解资料，得出该地区的平均主压应力方向为N60°W；另据四川省地震局采用应力解除法在川西地区得到的结果(表4-2)，测区最大水平主应力方向为N24°W～N86°W。多种测定结果相对比分析可知，工程区水压致裂法测定的SH方向基本上是可信的。
表4-2 川西应力解除法SH方向测定结果 Tab.4-2 SHmeasured results by the stress-relief method in West Sichuan
注：SH为最大水平主应力(资料来源：四川省地震局)。
从钻孔岩心描述资料分析可知，隧道中部CZK3钻孔穿过F5断层及其下部影响带部位测试段，由于受到断裂构造作用的影响，出现了局部应力调整作用。此外，砂岩、粉砂岩岩心节理裂隙较发育，均一性和完整性相对较差(隧道开挖后实际情况也如此，且局部渗水)，属Ⅲ类围岩，因而难以满足水压致法所需的基本要求和假设条件，测得的所谓“地应力集中带”(图4-1)SH量级与隧道开挖后无岩爆活动等实际情况不相符，结果普遍偏大。
地应力方向
水压致裂法应力测量是目前进行深部绝对应力测量的最好方法，在国内外都有着广泛应用。水压致裂法应力值测量是根据油田压裂过程中的张开压力和封闭压力确定岩石的最大、最小水平主应力的。据刘建中等人资料，下辽河盆地现今应力值随深度加深而增大，用水压致裂法测定的应力值进行回归分析，其应力值变化规律可以由一个经验公式表示
燕山东段—下辽河盆地中新生代盆岭构造及应力场演化
式中SH、Sh分别为最大和最小水平主应力，H为深度，单位是m。计算结果的单位是0.1MPa。
为了验证声发射法和水压致裂法在确定现今地应力大小方面的可靠性，作者用水压致裂法的经验公式，计算了声发射试样的现今最大、最小主应力场值，将其与用声发射法测定的现今最大主压应力值进行比较，结果（表6-5）显示，两种方法确定的最大主压应力值不仅量级相同，而且数值相差不大。说明水压致裂法的经验公式和声发射法在确定下辽河盆地现今地应力大小方面是可行的，结果是可靠的。
表6-5 下辽河盆地水压致裂法地应力测量与声发射法地应力测量结果对比表
续表
综上所述，燕山东段—下辽河盆地现今应力场特征是，现今地应力的最大主压应力方位为北东东向，并以水平应力占主导，应力方向随深度变化不大，各种方向的测量结果基本一致（图6-6）。现今地应力的最大主应力值在地壳表层4000m以内，一般为几十个兆帕。
图6-6 中国东部现今最大主压应力方向图
图3-11 岩心应力释放产生的微裂隙分布示意图
1.波速各向异性与黏滞剩磁分析地应力方向
根据波速各向异性在岩心上的测定结果，可以确定岩心最大主应力方向，然后应用黏滞剩磁法确定最大主应力方向与地理北的关系。二者结合起来，综合确定岩心主地应力方向。
(1)波速各向异性法测试原理
地层中的岩石处在三向应力作用状态下，钻井取心时岩心脱离原来的应力状态，自身将产生应力释放。在应力释放过程中岩石会形成许多十分微小的裂隙，微裂隙发育程度与地应力大小及方向具有内在的成因关系。应力释放使岩石中微裂缝沿垂直最大主应力方向优势分布(图3-11)，σmax为最大主应力方向，σmin为最小主应力方向。应力释放所形成的微裂隙被空气充填，而岩石与空气波阻值相差很大，于是岩心中优势微小裂隙的存在使得声波在岩心的不同方向上传播的速度不同，且存在明显的各向异性。岩石在最大主应力方向上声波传播速度最慢。反之，在所受应力最小的方向上，声波传播速度最快。
(2)黏滞剩磁定向测量原理
为便于地磁场及古地磁场的研究，建立了与地理位置相关的三维直角坐标系。水平X轴指向地理正北，水平Y轴指向正东，Z轴垂直向下。某点的地磁场强度F可在上述坐标系中分解为3个轴向分量X、Y、Z和水平面的分量H(即磁子午线)，H与X之间的夹角D以及F与H之间的夹角I分别称为磁偏角和磁倾角。
F、H、X、Y、Z、D、I称为地磁要素，它们可以具体描述地磁场特征。地磁要素之间存在着如下关系:
松辽盆地三肇凹陷特低渗透扶杨油层开发理论与实践
地磁七要素中可用3个参数描述某一点具体的地磁场特征，如使用磁偏角D、磁倾角I、磁化强度F等。岩石中往往含有铁磁性矿物，因而岩石剩磁特征及其变化基本上严格遵循铁磁学的一般规律。在成岩作用过程中，由于受客观存在的地磁场的作用，岩石记录了其形成时的地磁特征，不同类型的岩石记录地磁特征的机制是不同的。因此，可以利用黏滞剩磁研究岩石的地磁性质。
(3)测试结果
肇32-291井7块岩心的黏滞剩磁与横波各向异性法测试的岩心地应力方向见表3-8。可见水平最大主应力方向在NE88°～105°，平均为NE95°。
表3-8 黏滞剩磁与波速各向异性法主地应力方向分析结果
2.热应变恢复法测量地应力方向
(1)基本原理与方法
地层中的岩石处在三向应力作用状态下，当钻井取心时岩心脱离原来的应力状态，将产生应力释放。当岩心重新受热后，在各个方向上的膨胀不同，因此可以通过测量不同方向的热应变来确定水平主应力方向。本次测量采用美国Terratek公司生产的非弹性应变恢复测量仪器。
(2)测试结果
共进行了7块岩心的测试，热应变恢复测试结果见表3-9，水平最大主应力方向在NE84°～103°，平均为NE92°;平均水平最小主应力方向为NE182°。
表3-9 肇32-291井热应变恢复法测试主应力方向结果
3.横波各向异性法分析地应力方向
为搞清扶杨油层裂缝和地应力分布情况，对取心井肇32-291加测了ECLIPS-5700系列的微电阻率扫描成像STAR和交叉式多极子阵列声波XMAC-Ⅱ测井。通过对这两种测井资料的综合分析，结合常规电测解释结果，对该井的局部构造、沉积砂体及裂缝和地应力取得了以下认识:
一是扶余油层主要沉积类型为河道砂沉积，古水流方向为北东-南西向。二是测量段裂缝不发育。由XMAC各向异性成果图分析，在1760～2010m井段的各向异性为1.5%～6.2%，主要为地应力和井眼的影响。三是在1760～2010m井段最大水平地应力方位为NE86°。
综上所述，黏滞剩磁与波速各向异性法确定的扶杨油层平均水平最大主应力方向为NE95°，热应变恢复法为NE92°，横波各向异性法为NE86°。3种方法确定的结果差别不大(NE86°～95°)，为近东西向。
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