深钻孔中水力注入诱发裂隙滑移的原位量化：两种不同钻孔技术的比较

《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：In situ quantification of fracture slip induced by hydraulic injections in a deep borehole: A comparison of two different borehole techniques

　　

流体注入过程中裂隙变形的原位测量很少见，但对于理解裂隙岩石的力学响应至关重要。在本研究中，研究人员通过比较两种方法的滑移矢量估计来评估其可靠性：注入测试前后采集的高分辨率钻孔声学电视成像（acoustic televiewer，ATV）图像，以及注入过程中记录的三分量钻孔变形探头（three-component borehole deformation probe，SIMFIP）位移数据。声学电视成像仅捕获最终的面内位移，而三分量钻孔变形测量提供完整的3D瞬态裂隙运动。分析了在瑞士Bedretto地下实验室（Bedretto Underground Laboratory）沿倾斜钻孔、位于超过1100米覆盖层下方的裂隙花岗岩岩体中进行的四次注入测试。两种方法产生了一致的运动学特征和可比较的滑移量级，典型范围为0.2–0.6毫米。估计滑移方向之间的角度差范围为0.2°至28°。对于两个具有最优取向滑移的先存裂隙的测试段，测量的滑移矢量与基于区域原位应力场的前向建模滑移矢量一致，支持了Wallace-Bott假设。在包含取向几乎垂直于最小主应力裂隙的两个测试段中（包括一条新形成的水力裂隙）识别出可测量的剪切位移。这表明，即使是不利于滑移取向的裂隙，由于倾斜钻孔周围的局部应力扰动，也可能发生剪切。

论文解读文章

**研究背景与问题**
裂隙与断层面的剪切变形在自然现象（如断层活动与地震活动性）和工程作业（如储层改造和流体注入过程中岩体行为）中均扮演关键角色。裂隙滑移是连接应力、变形与地震辐射的基本量，对地震力学（包括破裂能量分配）有核心意义。然而，原位探测此类变形仍具挑战，现有监测手段依赖于有限的钻孔仪器和地震方法，滑移往往仅在工具卡滞或钻孔失效等操作问题出现后才被识别。地震监测和震源机制反演可间接提供裂隙剪切信息，但大量证据表明，显著的原位变形发生在可测地震活动阈值以下，故这些技术仅提供局部视角。因此，对裂隙剪切进行直接原位测量，对改进过程理解并发展维持钻孔完整性（如在增强型地热系统储层中）的缓解策略至关重要。当前，裂隙位移原位测量机会稀少，文献中仅有少量测量案例。例如，通过超声钻孔图像详细分析可测量滑移（如Soultz-sous-Forêt项目中测得0.4–4.7 cm滑移，但小于0.4 cm无法识别），但其仅评估最终滑移，不提供激活历史，且仅测量剪切分量，无法评估法向变形。类似地，多指卡尺等套筒检测工具可识别套管椭圆度变化，但除非基于强假设的高级后处理，否则无法提供三维变形形态，也无法测量时间演化。此外，灌浆式伸长计（如基于光纤布拉格光栅传感器）可测量精细变形，但仅限轴向，难以分离裂隙张开与剪切信号。为克服这些局限，研究人员使用了三分量钻孔变形探头（SIMFIP），这是一种高压双封隔器系统，包含注入区间内的位移测量单元，可直接在受控注入条件下测量三维裂隙变形。本研究旨在通过比较两种独立方法（SIMFIP测量与注入前后钻孔声学图像）的裂隙位移测量结果，评估其稳健性。这是首次将原位裂隙变形测量（SIMFIP）与超声钻孔测井数据进行直接比较，以量化永久裂隙位移并对比其与流体注入期间瞬态变形的关系。该研究在瑞士Bedretto地下实验室（BedrettoLab）地震物理试验台进行，该场地下方覆盖层超过1100 m，岩性为Rotondo花岗岩，相对均质。论文发表在《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》。

**主要关键技术方法**
研究人员使用两种关键技术方法：一是SIMFIP探头（三分量钻孔变形探头），包含高压双封隔器系统、带有7个光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器的变形笼以及液压夹紧机构，可连续测量注入期间三维相对位移（轴向和径向范围±0.7 mm和±3.5 mm，分辨率0.1 μm），并包含罗盘定向；二是高分辨率声学电视成像（ATV）测井（使用ALT公司QL40-ABI-2G探头），在注入前后采集钻孔壁声幅与旅行时数据，采样间距0.83–4.2 mm，方位分辨率1°–2.5°，用于识别裂隙并估计最终剪切位移。研究在BedrettoLab钻孔BFE_A_05中进行，该钻孔长216 m，向北东（N31°E）倾斜约30°，直径96 mm，完全钻穿Rotondo花岗岩，共进行了11次SIMFIP测试（其中4次显示可测位移），注入协议包括恒定流速与阶梯流量组合。

**研究结果**
**3.1 声学电视成像数据的最终位移（Final displacement from acoustic televiewer data）**
研究人员通过分析注入后ATV旅行时数据计算钻孔半径（r），并与概念模型对比：滑移沿裂隙发生在钻孔壁一侧引起半径增大，对应侧减小。通过比较裂隙上下平行段（各0.014 m长）的平均半径差，得到差分半径（Δr）随方位的变化，并拟合正弦曲线，其振幅给出垂直于钻孔壁的滑移分量大小，最大方位指示滑移方向，然后投影到裂隙面获得三维滑移矢量并旋转至地理坐标系。结果：测试1（81.6 m MD）得到滑移矢量方向144.2°/?11.2°，大小0.59 mm；测试3（70.2 m MD）方向141.8°/?3.6°，大小0.30 mm；测试4（64.3 m MD）方向281.6°/?48.9°，大小0.19 mm；测试11（20.3 m MD）方向281.9°/?60.2°，大小0.40 mm。注入前ATV图像无系统方位位移模式，证实变形由注入引起。

**3.2 SIMFIP数据的瞬态位移（Transient displacement from SIMFIP data）**
研究人员分析SIMFIP记录的位移数据，将其分解为裂隙法向（张开/闭合）和切向（剪切）分量。对于测试1，最后注入周期显示：随压力升高，裂隙连续剪切伴随张开；当压力下降时，法向闭合，而剪切位移中存在不可逆分量（约90 μm法向和290 μm切向残余），且残余位移占整个实验总残余（0.49 mm）的显著部分。此外，在压力下降期间观察到多次尖锐位移变化，可能反映粘滑行为。通过定义位移矢量OA、AB、BC，并计算激活矢量（平均OA和AB）得到测试1的激活矢量方向174°/6°，以左旋走滑为主，带小正断层分量。测试3类似，而测试4和11的激活矢量具有右旋逆冲性质（分别为281.7°/?48.7°和281.8°/?48.1°）。注意，测试11中水力裂隙位于变形笼外，但仍可通过位移场衰减测量。

**讨论与结论**
**讨论：**
研究人员比较了ATV和SIMFIP的滑移矢量估计。ATV仅记录最终剪切位移，而SIMFIP捕获完整3D瞬態位移（包括法向分量）。四个测试结果（测试1、3、4、11）显示：ATV与投影后的SIMFIP激活矢量之间的角度差为0.2°–27.8°；滑移量级相近（ATV: 0.19–0.59 mm；SIMFIP残余位移0.00–0.49 mm，部分受实验条件限制被视为最小值）。对于测试1和3（先存裂隙最优取向滑移），ATV与Wallace-Bott假设预测（基于区域应力场，最大水平主应力SHmax方向N112°E，应力比Aφ=0.91）的滑移方向角度差13°–41°，显示中等一致；对于测试4和11（裂隙近乎垂直于最小主应力S3），角度差52°–70°，差异较大，可归因于裂隙张开主导变形及局部应力扰动（如钻孔倾斜、裂隙粗糙度、流体压力非均匀）导致Wallace-Bott假设的适用性受限。总体而言，两种方法产生一致运动学，角度差异约20°可视为当前原位位移测量的不确定度范围。

**研究结论：**
研究人员得出以下主要结论：
● 使用本研究提出的方法分析现代高分辨率ATV数据，可估计小至0.2 mm的裂隙位移。
● 然而，SIMFIP变形数据优于ATV数据，因其捕获剪切与张开两种分量，且其时间历程可关联流量与压力数据。
● 两种测量技术在运动学上一致，并给出同一量级的裂隙剪切位移估计。但亦存在明显差异，各估计间约20°的角度差并不罕见。该结论仅基于四次测试，无统计意义，但提供了当前原位位移测量不确定度的范围。
● 在两个被解释为近乎垂直于最小主应力（S₃）的裂隙（其中一条明显为新形成的水力裂隙）上识别出可测量的剪切位移。这可归因于裂隙生长与倾斜钻孔周围应力再分配之间的复杂相互作用。
● 对于承载一些剪切应力（不与主应力方向一致）的裂隙，实测剪切位移与基于局部应力估计的理论滑移具有合理一致性，支持Wallace-Bott假设，表明此类数据可用于应力特征分析。