地质力学在地质工程一体化中的应用

张婷

兰州理工大学技术工程学院，甘肃兰州730000

摘要：在工程地质力学应用的过程中，所涉及到的内容非常之多，例如：地质考察、地质结构分析等工作形式。为了加快页岩气开发、缩短学习曲线，必须开展地质工程一体化。地质工程一体化的目的是在项目实施过程中，在气田、平台和单井尺度，系统性地、持续不断地优化技术组合和解决方案，快速地积累知识和经验，提高单井产能、改进作业效率、降低桶油成本。

关键词：地质力学；地质工程一体化

随着我国地质工程的不断发展，工程地质力学已经成为很多行业解决问题的有效手段，其应用形式已经非常广泛。中国页岩气开发在地质、储层、工程、地表、地貌、环境生态、水资源、基础设施等方面存在更多的基础理论、工程技术和经济因素等挑战，页岩气田开发的单井平均综合建井成本较高，单井受产量、气价等技术经济指标影响较大,很难采用北美大规模、高密度、连片化布井的开发模式。

一、地质力学

地质体是由赋存于一定地质环境中并按照某种结构排列的岩石、土和水组成的。它具有非连续、非均匀、流–固耦合以及未知“初始”状态的特性。地质体的这些特性充分体现了地质体与传统力学研究对象的区别。非连续性：地质体中含有大量的断层、裂隙、节理、软弱夹层(通称为结构面)等，它们共同的特性是复杂而有序地分布在地质体中，对地质体整体的强度起着控制作用。非均匀性：通常赋存于古滑坡体、崩塌体中，表现为土石混合体，其中块石和土的混合比例、分布、块石的大小、形状、空间姿态是随机的。当然，为研究地质体的整体特征，充分地了解其局部特性是非常必要的，而更重要的是如何在此基础上描述和探测出地质体的整体特性。地质体未知“初始”状态的特性可作为区别地质体与岩土材料的要素之一。它包括未知的“初始”地应力和未知的“初始”破坏程度(结构面的发育程度)，在这里，“初始”状态是相对的，有时也可称为“当前”状态，特指某一事件(开挖、崩塌、降雨)发生前的地质体的状态。地质体的这一特性与地质环境和地质构造运动的历史有关，并且决定着地质体的力学行为。按照力学的分析方法，不能定量化地给出初始的状态就无法获得定量化的结果。因此，探明地质体的初始状态，不仅是工程地质力学的重要任务，也是使该学科真正能够解决实际问题的关键。

二、应用中的若干问题

目前我国工程地质力学所面临的问题主要有两类,一类是地下工程的地质力学问题,另一类是地面工程的地质力学问题,具体分析如下。

1.地下工程的地质力学问题。地下工程有很多,主要有交通建设工程与水电工程中的地下隧道、矿藏开采的地下采空区等等,这些地下工程与地质体的特性有紧密的联系,地质体中的岩石的坚硬程度、透水性等等都影响工程建设的造价,甚至影响工程建设的成败。地下工程的所面临的地质力学问题主要指的是地质体在高地应力环境下卸荷后发生变形与结构面变化(即破坏)。

2.地面工程的地质力学问题。地面工程主要指在地面进行较大型的基础建设、边坡工程等,例如航道、铁路公路的边坡等,这些地面工程会引发一些灾害,例如滑坡、泥石流等,在近几年来,我国由于边坡工程引发的灾害事件就很多。地面工程所面临的地质力学问题主要是在自然环境自然力作用下如重力作用、水作用等,地质体所受到的破坏。

三、地质力学在地质工程一体化中的应用

1.地质力学建模方法。地层测试器双封隔器测量就地应力的方法，是业界认为目前最理想的可以在不同深度准确测量地应力的方法。但是，由于井筒和储层条件以及目前仪器测量指标等限制。页岩气各种资料和数据相对匮乏，尤其是可用于直接标定地质力学模型的实验室或矿场测量数据非常稀少，这进一步增加了地质力学建模的复杂性和难度。为了建立合理的地质力学模型，同时在钻井、完井过程中不断提高模型的精度和可靠性，本研究发展了一套方法。第一，通过将岩心和测井数据与地震数据充分结合，对力学参数进行详细表征；第二，根据不同应用的精度和分辨率的具体要求，在气田、平台和单井建立多尺度地质力学模型；第三，采用“适时建模”、以近似于“迭代逼近”的方式，及时利用各种可以利用的新数据，不断校验和更新模型；第四，持续不断地对模型进行系统性的质量控制。地质力学模型是建立在高分辨率构造、属性及多尺度天然裂缝模型的基础上。

2.应用形式。地下工程作为最为常见一种应用形式，最常用的方式就是连续介质力学的性质，主要是利用离散颗粒的形式，并且利用相应的计算形式，对地下工程的形态、结构等各个内容，进行全面的计算和了解。换个角度来分析，连续介质力学主要是利用力学中应变、应力、应变率等，构建各个地质结构的探测点，这样每一个探测点之间可以有着相对紧密的联系。同时，在实际工程地质力学应用的过程中，工作人员利用一些简单的处理方式和方法，从而解决了一些实际的问题，为其地下工程的发展，起到了重要的作用和意义。同时，要想有效提升工程地质力学在地下工程的应用质量，可以从以下两个方面入手。一是利用连续介质力学的形式，对地下工程的结构，形态等各个方面，进行全面的了解，对不均匀的地质结构，进行探测和计算，这样可以有效实现工程地质力学中的应变能力。二是在工程地质力学应用的过程中，工作人员应当对影响地质结构探测的一些因素，并且对其地质结构的变化形式，进行全面的分析，这样可以有效提升工程地质力学的应用形式，对其相关行业的发展，提供了重要的参考信息。三维地质力学模型的建立，可以使压裂后评估从一维拓展到三维，从着眼于近井筒参数拓展到同时分析远场参数变化带来的影响，并可进一步评估压裂后井间水力裂缝空间展布、应力变化以及是否存在井间水力裂缝干扰和井间应力干扰。

3.通过仔细分析各种数据如钻井液密度、气测录井、钻井事件（如井漏、气窜等）、测试小型压裂、压裂及时停泵压力、返排数据和关井压力记录，形成多种质量控制方法。本文将只展示一种基于气测全烃结合钻井作业的分析方法。在研究中，实钻数据用来分析钻井液压力与孔隙压力变化之间的对应关系。加上气测全烃观测，可以用来解释孔隙压力与钻井液压力之间的相互关系。只有钻井液密度（相当于忽略温度效应的ESD）有记录，因此，孔隙压力和钻井液密度的相关性分析仅利用了气测全烃资料。在这段时间里，钻井速度保持稳定，没有扰动背景气。这种气测响应指示在此高压层的孔隙压力接近或略低于考虑钻井液循环效应的钻井液当量循环密度或钻井液密度最高值。在工程地质力学应用的过程中，可以有效地对地质结构的变化过程进行简要的分析和阐述，并且构建一个科学、合理的力学模型，这样不仅提升了工程地质力学的应用质量，更为后续的研究和发展，提供了重要的参考依据。但是，在不断研究的过程中，由于相关内容的缺乏，导致与理想化的结果，还是有了一段的距离。因此，依旧需要相关专业人员的不断努力，从而提升了工程地质力学的应用形式，解决我国相关行业的发展过程中遇到的难题，促进相关行业发展的进程。

以上通过分析和研究，在页岩气田地质工程一体化实践过程中，地质力学模型被充分地应用到从全气田到单井的各种地质及工程应用中。实践和研究表明，从专注于井筒附近的一维空间到综合考虑远离井筒的三维空间，若压裂设计和施工能够综合考虑近井筒和远场三维空间的储层品质和完井品质，将有可能获得更好的施工效率和改造效果。

参考文献：

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