为评价地下岩层的裂隙发育程度,通常采用的是()。

为评价地下岩层的裂隙发育程度,通常采用的是()。

A 、岩体强度应力比

B 、岩石拉压比强度指标

C 、岩石质量指标

D 、岩石完整性系数

参考答案:

【正确答案：D】

岩体中发育有许多裂隙,破坏了岩体的完整性,从而也影响了岩石的强度,还影响岩体渗透性、稳定性等重要性质,因此评价岩体工程质量时常常采用所谓的岩石完整性指标,表征岩体中裂隙的发育程度。岩石的强度应力比是指岩石强度与所处岩层的最大主应力之比,是一个关系工程条件的比值。岩石拉压比是指岩石抗拉强度与抗压强度的比值,和裂隙发育程度没有直接关系;而岩石质量指标具有更广泛的意义,没有专指岩石的裂隙发育状况。

地下岩层裂隙的几种勘察研究方法

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收藏推荐 地下建筑工程的设计和施工,首先要查明该处岩层的水文地质、工程地质条件。岩层裂隙含水,是重要的水源,水在裂隙中运移、储存,裂隙沟通上下含水层并使其发生水力联系。地下工程受地下水威胁,有时造成大量突水,成为水害。裂隙使岩层整体性受到破坏,岩石破碎、降低其承载力,影响建筑物的稳定性。因此大型地下工程均需对岩层裂隙进行全面认真研究。注浆堵水是防治地下水害的有效方法之一。注浆前要对岩层裂隙的发育特征及规律,裂隙与构造的关系及裂隙的空间展布规律等全面了解。这些是确定:注浆孔数、孔位、段高划分,浆液类型、注浆压力,浆液注入量等参数的主要依据。地下岩层裂隙的研究主要采用以下方法:钻孔岩芯法超声成像法钻孔电视法流量测井法。1 钻孔岩芯法1 1 岩芯裂隙的观察、描述、统计、分析的内容裂隙所在岩性裂隙的倾角、裂面曲直、充填物及充填程度,氧化程度,裂隙深度、条数、开度裂隙的力学性质、切割组合关系裂隙随岩性的变化裂隙发育与深度的关系[1]。

裂缝地质特征

分类是科学研究的基础。合理有效的分类方案可使事物不同特征之间的逻辑关系更加清晰。火山岩储层发育多种成因和不同产状的裂缝, 需要对其进行科学的分类。 因此 首先依据《火山岩储集层描述方法》(SY/T 5830-93), 利用岩心、 薄片和测井资料对准噶尔盆地火山岩裂缝开展分类研究在此基础上运用统计学知识分析裂缝的发育程度、 有效性及定向性等地质特征。

1. 裂缝地质描述及分类

裂缝表现为长宽比远大于孔隙的片状空间, 首先利用岩心及薄片资料从地质角度识别裂缝并分类描述裂缝的成因和产状。

(1) 成因分类

根据成因可将裂缝可分为原生和次生两种。 原生缝包括冷凝收缩缝、 炸裂缝、砾间缝及层间缝, 次生缝包括构造缝、 风化缝、溶蚀缝和缝合缝。在原生裂缝中, 冷凝收缩缝是火山岩喷出地表后经冷凝收缩产生的裂缝, 形状不规则, 主要发育于各种熔岩中炸裂缝则由岩浆喷发时产生的上拱力、岩浆爆发引起的气液爆炸作用而形成, 常呈不规则网状发育于角砾岩中砾间缝发育于砾石颗粒之间及砾石与基质之间, 围绕砾石边缘分布, 与角砾间的压实程度及砾石抗压强度有关层间缝发育在岩性差别大的岩层之间或层理发育的同一岩层之中, 面积较大, 延伸较远, 常成为油气运移的重要通道。 在次生裂缝中, 构造缝由构造作用或构造运动产生, 开度大、 延伸远, 表现形式复杂, 发育于各种火山岩中风化缝是火山岩在地表水及大气风化作用下发生机械破裂而形成, 形态极不规则, 有马尾状、 雁行式、 叶脉状等, 常发育于火山岩体顶界面溶蚀缝是地表淡水或地下水沿裂缝向下渗流溶解时使缝宽增加而形成, 发育于各类火山岩中缝合缝则是指相邻两个岩层之间或同一岩层的两个相邻部分存在的锯齿状连接缝, 与压溶作用有关, 发育于不同火山岩层之间。

根据大量岩心和铸体薄片的观测描述, 准噶尔盆地主要发育4种原生裂缝、 2种次生缝 (图4-40)。 原生缝包括冷凝收缩缝、 炸裂缝、 砾间缝和层间缝, 次生缝包括构造缝和溶蚀缝。 统计结果表明, 火山岩构造缝普遍发育, 溶蚀缝较发育, 收缩缝主要发育于火山熔岩中, 砾间缝则普遍发育于火山角砾岩中。

图4-40 滴西地区石炭系火山岩裂缝成因类型

(2) 产状分类

按产状, 裂缝可分为直劈缝、 斜交缝、 水平缝和网状缝。 其中, 直劈缝倾角大于80°、斜交缝倾角30°～80°、水平缝则小于30°。岩心观察结果表明, 滴西石炭系火山岩裂缝以斜交缝为主, 网状缝和水平缝次之(图4-41)。

图4-41 滴西地区石炭系火山岩裂缝产状分类

2. 裂缝测井识别及分类

FMI成像图显示: 天然裂缝为深色 (充填不导电物质后为浅色) 正弦型线条, 缝宽有一定变化, 形态相对不规则诱导缝表现为沿井壁对称 (180°) 出现的羽状或雁列状深色曲线 (图4-42)。 利用FMI成像测井在滴西石炭系火山岩中识别出各种产状的开启天然缝 (直劈缝、 斜交缝、 网状缝)、 充填缝-半充填天然缝和诱导缝 (图4-42)。

从图4-43可以看出: 滴西石炭系火山岩以天然裂缝为主 (占84%): 天然裂缝又以斜交缝为主 (50%), 网状缝次之 (28%)。 裂缝开启程度高, 开启缝占96.4%, 充填-半充填缝只占3.6%。

图4-42 FMI成像测井解释裂缝类型

图4-43 FMI裂缝解释分类统计结果

3. 裂缝发育程度

以FMI裂缝识别结果为基础, 初步定义裂缝发育段厚度占相应火山岩总厚度的百分比为裂缝发育程度评价参数, 通过统计不同岩性及不同井区的裂缝发育程度, 得到如下初步认识:

1) 火山岩裂缝发育程度受岩石力学特性影响, 与火山岩类型有关。 如图4-44, 在滴西地区石炭系火山岩中, 以花岗斑岩、 二长玢岩裂缝发育程度最高, 裂缝发育段厚度占94.8%和92.9%安山玄武岩、 玄武岩次之, 裂缝段厚度分别占55.8%和53.5%相对而言凝灰质砂砾岩、 安山质角砾岩裂缝发育程度最低, 裂缝段分别占7.8%和1.8%。

2) 在平面上, 裂缝受断裂系统控制, 同时与构造位置有关。 在裂缝与断裂关系上。从图4-45可看出: 研究区内单井以滴西18井和滴西182井裂缝最发育, 裂缝段厚度分别占90.9%和59.8%。 其中, 滴西18井离滴水泉西断裂最近, 滴西182井则有一条较大的次级断裂穿过。 因此 裂缝的发育明显受断裂系统控制, 以靠近滴水泉西断裂及其次级断裂最发育。

同样, 从图4-45可以看出裂缝与构造位置的关系: 研究区内除滴西18和滴西182井外, 相对高部位的滴403、 滴西171和滴西14井裂缝也较发育, 裂缝段厚度比例分别为41.1%、 31.5%和25.8%。 滴402井既处于相对构造高部位, 其西边也发育一条次级断裂, 其裂缝段厚度占40.1%。 因此 构造高部位裂缝发育程度也相对较高。

图4-44 不同岩性的裂缝发育程度

图4-45 裂缝发育程度平面变化特征

4. 裂缝有效性

岩心观察结果表明, 原生微细裂缝及早期构造缝在后期成岩阶段常处于充填或半充填状态, 而晚期构造缝和溶蚀缝则大多数处于开启状态, 有效开启缝所占比例大于充填的无效缝。

FMI测井解释结果也表明, 滴西地区石炭系火山岩裂缝的开启程度高, 其中开启缝约占91.5%, 充填或半充填缝只占8.5%同时 测井解释的微细裂缝比例小 (约占0.8%), 裂缝的张开度较大。 因此 总体而言, 滴西地区石炭系以有效缝为主, 火山岩裂缝是有效的。

5. 裂缝定向性

在裂缝识别的基础上, 通过统计分析得到了滴西地区滴西17、 滴西14和滴西18井区的天然裂缝及诱导缝走向。 从图4-46—图4-47可以看出:

图4-46 滴西地区石炭系火山岩储层裂缝发育方向

图4-47 滴西地区石炭系火山岩最大水平主应力方向 (诱导缝方向)

1) 滴西石炭系火山岩天然裂缝具有多方向性, 不同井区裂缝方向不同。 总体上以3个方向为主。 其中, 滴西17井区以北西—南东向为主, 滴西14井区以近南北向和北西—南东向为主, 滴西18井区则以近东西向和近南北向为主。

2) 自西向东, 最大水平主应力方向具有不断向西偏转的特点。 通过统计FMI诱导缝解释结果, 可得到研究区诱导缝的方向。 其中, 滴西17井区的诱导缝方向为近南北向,滴西14井区的诱导缝方向则以北北西—南南东向为主, 滴西18井区则以北西西—南东东向为主。 自西向东, 诱导缝方向具有不断向西偏转的特点。 由于与诱导缝走向一致, 最大水平地应力方向也具有相同特点。

综合上述, 通过岩心描述识别火山岩裂缝类型, 定性评价裂缝的有效性在岩心标定的基础上, 应用FMI成像测井识别裂缝类型、 评价裂缝的发育程度和方向。 因此 以滴西地区为例可将准噶尔盆地火山岩裂缝地质特征总结如下:

1) 裂缝类型: 原生裂缝主要包括冷凝收缩缝、 炸裂缝、 砾间缝和层间缝、 次生缝包括构造缝和溶蚀缝火山岩构造缝普遍发育, 溶蚀缝次之, 收缩缝主要发育于火山熔岩中, 砾间缝则普遍发育于火山角砾岩中。

2) 裂缝产状: 天然裂缝又以斜交缝为主 (50%), 网状缝次之 (28%)。

3) 裂缝发育程度: 用裂缝段占岩石总厚度的百分比定性评价。 受岩性影响, 以花岗斑岩 (94.8%)、 二长玢岩 (92.9%) 最发育, 安山岩玄武岩 (55.8%)、 玄武岩次之(53.5%)。 受断裂系统控制, 以靠近滴水泉西断裂及其次级断裂处最发育, 如滴西18井(90.9%) 和滴西182井 (59.8%) 等处。 与构造位置有关, 构造高部位相对更发育, 如滴403井 (41.1%)、 滴西171井 (31.5%) 等处。

4) 裂缝有效性: 滴西石炭系火山岩裂缝的开启程度高 (开启缝约占91.5%), 微细裂缝比例小, 裂缝张开度较大, 以有效缝为主, 火山岩裂缝是有效的。

5) 裂缝方向: 天然裂缝具有多方向性。 其中, 滴西17井区以北西—南东向为主,滴西14井区以近南北向和北西—南东向为主, 滴西18井区则以近东西向和近南北向为主自西向东, 最大水平主应力方向具有不断向西偏转的特点, 其中, 滴西17井区为近南北向, 滴西14井区以北北西—南南东向为主, 滴西18井区则以北西西—南东东向为主。

裂缝的主要研究方法

（一）常规地质方法

（1）岩心观察统计上述裂缝参数，用于识别宏观裂缝的展布规律和发育程度。

（2）薄片镜下观察统计，主要描述微观裂缝的密度、性质和发育期次。

（3）注水采油等生产数据分析，用于发现张性裂缝的主要走向、裂缝渗透性大小和注水效果等。

（4）地质类比法，选择与研究区地质特征相似的野外露头区，开展细致的裂缝测量工作，总结裂缝发育规律，将露头区裂缝研究成果应用于覆盖区裂缝的预测（本书第三章有详细介绍）。

（二）地球物理学方法

1.测井方法

主要利用电阻率测井、声波测井、中子测井、密度测井、岩性测井、电磁波测井、地层倾角测井、成像测井等识别裂缝（详见本书第四章）。

2.地震方法

岩石中裂缝的存在，尤其饱含流体的裂缝会导致致密岩石物理性质的差异，形成物性界面，引起储层地震波反射特征的改变，从而在地震剖面上指示裂缝的存在。但是如何利用地震资料解释裂缝的产状和发育程度还需进行全面深入的研究。

3.重力方法

裂缝造成的岩石密度差异会在重力资料中表现出来。高精度的微重力测量可以给出裂缝的宏观分布情况。

（三）构造物理模拟

1.相似材料模拟

利用砂、粘土、橡皮泥等材料在机械受力条件下能够产生裂缝的特点，对研究区进行裂缝预测。

2.光弹模拟

在光线照射下受力树脂材料发生弹性变形会出现规则的干涉光谱，反映出应力大小的变化。根据应力与应变的关系，就能够指出裂缝发育的位置、延伸方向和发育程度。

（四）构造应力场或应变场数值模拟

1.构造应力场数值模拟

在建立地质模型的基础上，用有限元法计算各点的最大主应力、最小主应力和最大剪应力，并计算各点的主应力方向和剪应力方向，根据岩石的破裂极限来预测裂缝发育带和延伸方向，或者根据应变能计算裂缝发育程度。美国明尼苏达大学与美国Itascacon Sulting Group Inc 合作开发的计算程序 FLAC 3D 99版是目前最先进的构造应力场计算程序。它具有三维模拟功能，可以计算出研究区不同性质的裂缝发育部位和产状。

2.有限变形数值模拟

该技术是在有限变形理论的指导下编制的计算软件。它用叠加和分解的方法把物体变形过程中的应变和转动分离开来，建立位移函数，计算转动特征量-平均整旋角，用平均整旋角的平面变化表示构造裂缝的发育程度和延伸方向。

3.岩层曲率数值模拟

岩层受力变形，在岩层弯曲部位会产生张裂缝，曲率值与裂缝发育程度存在密切的相关性。用曲率法可计算裂缝发育程度和岩石的孔隙度。

4.分形分维数值计算

物体具有自相似性，即局部是整体的成比例缩小。通过岩心微观裂缝的研究能够计算断块的宏观裂缝的展布方向和裂缝的储集性能。同样在一个地区断层研究的基础上能够计算断块中裂缝的分布状况。