原地应力状态

原地应力状态地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现者石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。第一节概述一、 基本概念原地应力：指钻井、油气开采等活动进行之前，地层中地应力的原始大小。扰动应力：指钻井、油所开采等活动在地层中产生的地应力改变。构造应力：由构造运动在岩体中引起的应力叫构造应力，在地质力学中常把构造应力叫做地应力，指导致构造运动、产生构造形变、形成各种构造形迹的那部分应力。古地应力和现今地应力：古地应力指某一地质时或某一重要地质事件以前的地应力，现今地应力是目前存在或正在活动的地应力。分析构造形迹现成机理主要涉及古地应力，而石油工程则主要关心现今地应力。残余应力：残余应力除去外力作用以后，尚残存在岩石中的应力，这种残余应力很小，往往只有零点几兆帕，所以常忽略不计。重力应力：指由于上覆岩层的重量引起的地应力分量，特别指由于上覆岩层的重量产生的水平应力大小。热应力：热应力是指由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量，热应力主要与温度的变化和岩石温度和热学性质有关。分层地应力：是指按地分层分别给出不同层位的地应力值，非常重要的是给出相邻地层的应力差。地应力场：地应力在空间的分布情况。二、 地应力的分类：1971年加拿大第七届岩石力讨论会上，对地应力从矿山应用的角度进行了分类：二*地审勺 I1死I•正.....；上I三、地应力的描述方法由于岩石经历了漫长的地质时期，并经受了多次复杂的构造运动，使得岩石的原地应力状态变得十分复杂。为满足工程需要，一般认为原地应力状态由上覆岩层压力和两个水平方向的主应力组成。如图7-1所示建立参考坐标系，xy构成水平面，x方向为最大水平主应力方向，y方向为最小水平主应力方向，z方向为铅垂方向。rar-i新埴应力整圣承尊菱通常认为原应力状态产生的原因有二：一种原因是上覆岩层的重力；另一种原因是由构造运动产生的构造应力。人们认识地应力还只是近百年的事。1912年瑞士地质学家海姆(A.Heim)在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念、并假定地应力是一种静水应力状态、即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即。h=。v=vH式中，oh为水平应力；ov为垂直应力；v为上覆岩层容重；H为深度。1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果，其值应为vH乘以一个修正系数.他根据弹性力学理论.认为这个系数等于v/(1-v)，即：%,』汨5=L~V式中，v为上覆岩层的泊松比。同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地应力的大小，并且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主，他们的不同点只在于侧压系数的不同.然而，许多地质现象，如断裂、褶皱等均表明地壳中水平应力的存在.早在本世纪20年代，我国地质学家李四光就指出；“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量.”20世纪50年代，哈斯特(N.H贴t)首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量的工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的1—2倍，甚至更多；在某些地表处，测得的最大水平应力高达7MPa。这就从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点.后来的进一步研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，因而造成了地应力状态的复杂性和多变件.即使在同一工程区域.不同点地应力的状态也可能是很不相同的.因此，地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得.要了解一个地区的地应力状态，惟一的方法就是进行地应力测量.第二节地应力的成因一、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。30多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地慢热对流、地球内应力，地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。1）大陆板块边界受压引起的应力场中国大陆板块受到外部两块板块的推挤，即印度洋板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，板块发生变形，产生水平受压应力场，其主应力迹线如下图所示。印度洋板块和太平洋板块的移动促成了中国山脉的形成，控制了我国地震的分布.2） 地幔热对流引起的应力场由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动.当地慢深处的上升流到达地慢顶部时，就分为二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流，回到地球深处，形成一个封闭的循环体系。3） 由地心引力引起的应力场由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场.地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即。G=vH式中v为上覆岩层的容重，H为深度4） 岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围地层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂的.熔触状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等的均匀压力，但是炽热的岩浆侵入后即逐渐冷凝收缩，并从接触界面处逐渐向内部发展不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程.5） 地温梯度引起的应力场地层的温度随着深度增加而升高，一般温度梯度为a=3「C/100m。由于温度梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一.二、地应力分布的一些本规律1） 地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。2） 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量

对全世界实测垂直应力。v的统计资料的分析表明，在深度为25—2700m的范围内，。v呈线性增长，大致相当于按平均容重v等于27kN・m-3计算出来的重力vH.但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差，上述偏差除有一部分可能归结于测量误差外，板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等也都可引起垂直应力的异常，如下图所示.该图是霍克(E.Hoke)和布朗(Brown)总结出的世界各国。v值随深度H变化的规律。口.tiesftoo*kAA.口.tiesftoo*kAA..•••.•漠;圮利亚 壮T¥—V美国A肋童入°斯堪的纳蜩亚■南非口基也吨区L .■\・▼垂riti";e.’mfh■I !■：) E W 4t： 由 玛泌水平应力普遍大于垂直应力实测资料表明，在绝大多数(几乎所有)地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于30°，最大水平主应力。h,max普遍大于垂直应力。v;。h,max与。v之比值一般为0.5~5.5,在很多情况下比值大于2,参见下表。表世界各国水平主应力与垂直主应力的国家名林-— ~<0.8丑,n盘孔0.8-1.2>1.24ij2834渡大利亚■：*782.95却大<10tooAS6出n41挪城17玲的，uCl100南非41'■r352.^1)前苏联51204.30其他地区.订华1,溯

如果将最大水平主应力与最小水平主应力的平均值。h,av=（。h,max+。h,min）/2与。v相比，总结目前全世界地应力实测的结果，得出取。h,av/。v之值一般为0.5—5.0,大多数为0.8—1.5,这说明在浅层地壳中平均水平应力也普遍大于垂直应力。垂直应力在多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，只在个别情况下为最大主应力。这再次说明，水平方向的构造运动如板块移动、碰撞对地壳浅层地应力的形成起控制作用。4）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同，下图为世界不同地区取得的实测结果.nQooOO。事01()(505O-5nQooOO。事01()(505O-51122一YF«,■■z*/"———_• a/,,一■b■,a1•卜。•7^r1tu-°J f•c■J井一邛堕+0上1,七 .•%,</•'■ .L-j1/11.•■/*澳大利耿•美国・加拿大a.斯琪的地辨亚■南非c葛K用区1■ 11 1tTf1!1 _fif・■1.r——-fiit—i一―1一1*1<■>I■: I5 20 2.5 30 3.530005） 最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。6） 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性.。h,min/。h,max一般为0.2—0.8，多数情况下为0.4—0.8，参见下表。世界部分国家和两个水平主应力的比值表夷滇地点统计数目:rain/。*.rruvx《％)]-1),75一500.50-0.250,25-0合计斯堪的纳维亚等地5114136100北美22222462391(]。中国1256248W0―中国华北地区6_刑2211100第三节确定原岩应力的方法由于确定原岩应力状态是评价地下工程稳定与否的前的条件，所以，人们花费了大量精力研制应力测量设备并探讨应力测量的方法。地应力测量技术，分岩芯测试和矿场试两种。岩芯测试主要有：差应变分析（DSR）、滞弹性应变分析（ASR）、波速各向异性分析、声发射（Kaiser效应）等，其中，声发射比较容易测试，应用的也比较广泛。矿场测试以水力压裂（水压致裂）为主。近些年利用井喷崩落反演地应力呈现出良好的发展前景。对深层地应力的求测，水力压裂测定技术是公认的最准确的和有效的方法，井壁崩落可给出较可靠的地应力方位，其它技术多为间接测定方法，须采用多种方法对比使用，才能给出比较可靠的数据。一、 现场测量对于现场测量方法，从测量方法的原理来看，可以分为截然不同的两种方法：A、 采用钻孔来接近测量地点，确定钻孔壁的应变或钻孔其它变形。B、 在钻孔壁上的特定位置测定环向正应力分量。1、 应变测试方法最常见的一组方法是确定钻孔壁的应变或钻孔其它变形，这些变形是由于套钻放置测量仪器的那部分钻孔而产生的。如果在这个应力解除过程中测得了足够多的应力和应变，那么，利用弹性理论的解法可以从实测数据直接求出场应力张量的六个应力分量。2、 应力测试方法以压力枕量测和水力压裂为代表，在钻孔壁上的特定位置测定环向正应力分量。在每个位置，法向应力分量通过施加在测槽上的压力得到，这个压力与作用在与测槽垂直方向上的局部法向应力分量相平衡。每个测量位置的环向应力可能直接与测试现场在钻孔之前的应力状态有关。3、 水力压裂地应力测试方法水力压裂法是目前最准确的地应力测试方法（主要是指最小水平主应力和地应力方向）它的结果往往作为检验其他方法精度的标准。在利用油层压裂数据进行地应力分析时，可以用裂缝闭合压力给出较为准确的最小地应力数据，并根据裂缝扩展方位确定最大水平地应力方向。选择合适层位：利用低排量泵注设备、井下关闭装置和井下压力计，采用适当的施工方案，进行几个完整周期的压裂，利用多种裂缝闭合压力识别方法，可提高水力压裂地应力测试和解释的精度。另外，大多数情况下井眼条件为套管井射孔面非裸眼，套管和水泥环的存在以及射孔方位对施工压力有较大影响，现有的水力压裂最大水平地应力计算公式是建立在裸眼井基础上的，因此，不能用套管井水力压裂数据计算最大水平主应力。二、 实验室测量室内测量的主要方法有滞弹性应变恢复法（ASR）、差微应变分析（DS）法、声发射法等。1、 滞弹性应变恢复法滞弹性应变恢复法是利用岩石的弹性后效，从现场取出岩芯后，当岩心的恢复应变稳定后，测量岩芯不同方位的应变释放量，这种应变增加可延续几十个小时，被称为滞弹性应变恢复。根据滞弹性变恢复曲线，可以反演地应力的大小和相对于岩心地地应力方向。2、 差应变分析（DS）法地层中的岩石处在三向地应力作用下，处于压缩状态，进行取芯时，岩芯脱离应力作用环境，产生弹性应力释放，伴随应力释放，在应力最大方向上变形最大，而在应力最小方向上变形最小。把已发生应力释放的岩心，在垂直平面和两个水平平面上贴上应变片，并放置于高压容器中，在三向应力相等的条件下，进行恢复性的加载。在加载过程中，三个方向的应变量出现差异，在原始应力最大的方向上应变量最大，在原始应力最小的方向上应变量最小。通过测试上述岩心各方向的应变之差，就可以知道这块岩心在地层中所受的应力状态。3、 声发射法声发射是一种岩石内部缺陷或潜在的缺陷在外部条件作用下改变状态而自动发声的现象。岩石的声发射现象最重要的特征是其对受过的应力履历的一种“记忆”效应。1950年，德国人凯泽(J.Ksiser)发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这种效应被称作岩芯的凯塞尔效应。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯塞尔点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。后来，许多人通过试验证明，许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、安山岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩等也具有显著的凯塞尔效应。凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射试验，测定凯塞尔点，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始(历史)三维应力状态.4、 波速各向异性当岩心从地下取出时，应力释放会在岩石中产生许多微小的裂隙，由于在最大水平地应力方向上岩心的松驰变形最大，因此，这些小裂隙将趋向于垂直最大水平主应力方向，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，有明显的各向异性特征。岩石在原地层中所受应力大的方向上声波传播速度慢，反之在所受应力较小的方向上，声波传播速度则较快，据此判定地应力方向。三、 其他方法获取地应力数据的其他方法还有：地应力剖面计算、利用地质资料进行定性分析，如火山喷道、断层类型、地形起伏、地质构造等以及应力场有限元数值模拟，利用钻进参数反演以及地震震源机制解等。四、 测定设备直接或间接测定现场的设备有光弹计，USBM钻孔变形计，双向应变计和三向应变计。1、三向应变计这种应变计最少由三个应变化花组成，它们安装在可变形的基底或壳上，操作方法示于图7-4a、b、c、do选取合适的环氧树脂或聚脂树脂将应变计与钻孔壁粘牢，应变计附近的应力解除会引起应变花产生应变，其大小与钻孔壁原先的应变相等，但符号相反。

⑴第•步⑵弟-步加）第川步⑴第•步⑵弟-步加）第川步因此，可以