岩石力学第七章原地应力

关于岩石力学第七章原地应力

构造应力(structuralstresses)：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，是指导致构造运动、形成各种构造形迹的那部分应力。第2页,共172页，2024年2月25日，星期天

古地应力和现今地应力：古地应力指某一地质时期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的或正在活动的地应力。分析构造形迹形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。第3页,共172页，2024年2月25日，星期天

残余应力（residualstress

）：残余应力指除去外力作用以后，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（gravity

stress

）：指由于上覆岩层（overburden）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（horizontalstress）大小。第4页,共172页，2024年2月25日，星期天

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刚度和热学性质有关。

分层地应力：是指按地层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。第5页,共172页，2024年2月25日，星期天

二、地应力的分类:1971年加拿大第七届岩石力学讨论会上，对地应力从矿山应用的角度进行了分类:第6页,共172页，2024年2月25日，星期天第7页,共172页，2024年2月25日，星期天

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（structuralmovement

），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（overburdenpressure）和两个水平方向的主应力（principalstress

）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。第8页,共172页，2024年2月25日，星期天第9页,共172页，2024年2月25日，星期天通常认为原地应力状态产生的原因有二：一是上覆岩层（overburden

）的重力；二是由构造运动（structuralmovement

）产生的构造应力(tectonicstresses)

。第10页,共172页，2024年2月25日，星期天第二节初始应力的组成与计算

1、岩体自重应力场垂直应力：—平均密度，KN/m3侧压力：H—总深度（m）—侧压力系数

的取值有4种可能图6-1岩体自重垂直应力第11页,共172页，2024年2月25日，星期天（1）岩体假定处于弹性状态

由推出得：岩体由多层不同性质岩层组成时(图6-2)第j层应力：原始垂直应力和水平应力：第12页,共172页，2024年2月25日，星期天图6-2自重垂直应力分布第13页,共172页，2024年2月25日，星期天（2）Heim假设（塑性状态）

当原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性状态。（相当于）（3）岩体为理想松散介质（风化带、断层带）由极限平衡理得第14页,共172页，2024年2月25日，星期天第15页,共172页，2024年2月25日，星期天（4）当松散介质有一定粘聚力时

注：当说明无侧压力

侧压力为：无侧压力深度第16页,共172页，2024年2月25日，星期天第17页,共172页，2024年2月25日，星期天2、岩体构造应力（判断、测试，不能计算）

当构造应力存在时。

3、影响岩体初应力状态的其它因素（1）地形-自重的减小或增大图6－7地形对初应力的影响第18页,共172页，2024年2月25日，星期天（2）地质条件对初应力的影响。

图6-8背斜褶曲对地应力的影响图6-9断层对地应力的影响第19页,共172页，2024年2月25日，星期天

（3）水压力、热应力

孔隙水压力、流动水压力(影响小，可不计)、静水压力（悬浮作用）热膨冷缩在岩体中产生热应力。地温升高会使岩体内地应力增加，一般地温梯度：岩体的体膨胀系数：，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为：

z--深度/m。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。返回第20页,共172页，2024年2月25日，星期天

假设构造运动不影响垂向原地应力，只产生水平方向的原地应力分量，则原应力状态可描述为：铅垂主应力（上覆岩层压力）最大水平主应力最小水平主应力

其中为埋深为z处的岩石密度，g为重力加速度。

第21页,共172页，2024年2月25日，星期天考虑孔隙压力的影响，原地应力状态表示为：第22页,共172页，2024年2月25日，星期天

影响原地应力状态的因素很多：

一、地表形状对于平坦的地表，平均铅垂应力分量应当接近深度应力。对于形状不规则的地表，任一点的应力状态（stressstate）可以认为是由深度应力和地表超载的不规则分布所引起的应力分量合成的。第二节

影响原地应力状态的因素第23页,共172页，2024年2月25日，星期天

例如V型槽谷底部附近的地区，这种地表形状在这种地方可能会产生比铅垂应力分量更高的水平应力分量。但是，不规则的地表形状对原地应力状态的影响随着该点在地表下深度的增加而迅速降低，因此这一因素，只对近地表的岩土工程项目有意义。第24页,共172页，2024年2月25日，星期天图7-2地表形貌对原地应力的影响

(a)不规则的地表形貌

(b)地表轮廓的线性化

(c)V形槽谷第25页,共172页，2024年2月25日，星期天

二、残余应力（residualstress

）由于岩体的非均匀冷却，或者岩体虽然是均匀冷却的，但与其相邻的岩石单元的热膨胀系数却不相同，于是在岩体内部就会产生残余应力（residualstress

）。岩石介质中各种局部的矿物变化也会引起残余应力的产生。岩体中的局部再结晶过程可能产生体积应变。矿物集合体含水量的变化，也会产生应变（strain

）和残余应力。

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要全面掌握岩层各组成部分的热力学历史和细微的地质进化过程，在目前实际是不可能的，因此残余应力问题仍然构成一种制约因素，使得基本力学原理或详尽的地质调查都无法对岩体中的应力状态做出准确预报。第27页,共172页，2024年2月25日，星期天

三、包体

包体是在原岩岩体的层间生成的岩石单元。例如岩墙、岩床以及诸如石英、莹石一类矿物的矿脉。岩体中形状近于平面的垂直包体的存在，可能以两种方式影响原岩应力状态：第一，如果包体是在抵抗围压的水平阻力的作用下形成的，那么在垂直于包体平面的方向上会作用一个高应力分量；第28页,共172页，2024年2月25日，星期天

第二，与包体与围岩弹性模量（elasticmodulus

）的差异有关。系统中的任何载荷，在包体中产生的应力都与原岩岩体的应力值不同，较硬的包体将承受较高的应力状态，反之亦然。如果原岩与包体的弹性模量不同，原岩中靠近包体的地方就会出现很高的应力梯度（

stress

gradient

）。第29页,共172页，2024年2月25日，星期天

四、构造应力(tectonicstresses)

多次复杂的地壳运动，使地下产生了极其复杂的不同形态、不同方位、不同性质、不同等级以及不同次序的构造形迹，就是说构造应力场实质上是随时间演化的、非稳定应力场。

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按时期，构造应力场可划分为古构造应力场和现今构造应力场。就其研究范围而言，构造应力场又可分为局部构造应力场（某一构造单元的应力分布规律）、区域构造应力场（某一地区的应力分布规律）及全球构造应力场。由于构造应力的作用，使得原地应力状态发生很大的变化，最大水平地应力有可能超过上覆岩层压力。

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五、裂隙组及不连续面裂隙的存在影响着介质中应力的平衡状态，使得岩体的应力分布变得更加复杂。

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岩体断裂本质上是一种能量耗散与应力重新分布的过程。破碎后的应力状态可以由保持破裂面平衡条件的要求来确定，它与断裂前的应力状态（stressstate

）没有什么关系。即从初始状态出发估计岩体周围应力状态是极其困难的。要成功地确定原地应力状态就必须有一个确定局部应力张量的方法。第33页,共172页，2024年2月25日，星期天

由于确定原地应力状态是评价地下工程稳定与否的前提条件，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。

第三节确定原地应力的方法第34页,共172页，2024年2月25日，星期天

地应力测量技术，分岩心测试和矿场测试两种。岩心测试主要有：差应变分析(differentialstrainanalysis

)、滞弹性应变分析

、波速(acousticvelocity)各向异性(anisotropic)分析

、声发射(Kaiser效应)等，其中，声发射(acousticemission)比较容易测试，应用的也比较广泛。第35页,共172页，2024年2月25日，星期天

矿场测试以水力压裂为主。近些年利用井壁崩落(boreholewall

break-out)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(hydraulicfracture)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。第36页,共172页，2024年2月25日，星期天

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采用钻孔来接近量测地点,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。第37页,共172页，2024年2月25日，星期天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。第38页,共172页，2024年2月25日，星期天

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。

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3、水力压裂(hydraulicfracture)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（crackclosurepressure）给出较为准确的最小地应力数据，并根据裂缝扩展（fracturepropagation）方位确定最大水平地应力方向。第40页,共172页，2024年2月25日，星期天

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（fractureclosurepressure）识别方法；可提高水力压裂地应力测试和解释的精度。第41页,共172页，2024年2月25日，星期天

另外，大多数情况下井眼条件为套管井射孔而非裸眼。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。第42页,共172页，2024年2月25日，星期天

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)、差应变分析(differentialstrainanalysis)法、声发射法等。

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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，从现场取出岩心后，当岩心的恢复应变稳定后，测量岩心不同方位的应变释放量，这种应变增加可以延续几十个小时，被称为滞弹性应变恢复。根据滞弹性应变恢复曲线，可以反演地应力的大小和相对于岩心的地应力方向。

第44页,共172页，2024年2月25日，星期天第45页,共172页，2024年2月25日，星期天地应力测量从原理上可分为直接测量和间接测量两大类。前者通过测量岩石的破裂直接确定应力。后者通过测量岩石的变形和物性变化来反演地应力。例如根据岩石受力时的变形特征、弹性波速变化、电阻率变化、声发射特性和矿物颗粒的显微构造变化确定介质的受力状态。地应力测量从内容上可分为绝对值测量和相对值测量。前者测量岩石所承受应力的实际数值及方向，后者是测量固定点应力状态随时间的变化。第46页,共172页，2024年2月25日，星期天到目前为止，地壳绝对应力的研究方法可以分为四大类，一是利用资料进行定性分析的方法，如火山喷道、断层类型、油井井眼稳定情况、取心收获率、区域应力场、地形起伏、地质构造、震源机制等，这些资料可以定性地给出大范围应力场的分布情况与特点，很难进行精确的应力场研究。

第47页,共172页，2024年2月25日，星期天二是矿场应力测量，如水力压裂应力测量，井壁崩落应力方位测量，套心应力解除等等。这些方法可以给出比较准确的地应力测量结果，精确地描述应力场特点。但是深部地应力测量，代价昂贵。国内为了地应力测量而钻的井深度至今不超过1500m。大部分水力压裂地应力测量是结合油层水力压裂增产措施来进行。

第48页,共172页，2024年2月25日，星期天三是岩心测量。由于岩心测量可以在室内测定，不需要大量的现场设备和人员，也有广泛的应用。如差应变分析、波速各向异性测定、滞弹性应变分析、声发射（Kaiser效应）测定等。但岩心地应力测量只能给出地应力相对于岩心的方位，如何给出岩心在地下原位的方位则是该方法的一个技术关键。另外，岩心测量时，很难完全模拟井下条件，而且岩心采样深度也不太精确。四是地应力计算，如地应力场有限元数值模拟、地应力测井解释、钻进参数反演地震震源机制解等。

第49页,共172页，2024年2月25日，星期天1差应变分析

地层中的岩石处在三向地应力作用下而处于压缩状态下，进行取心时，岩心脱离应力作用环境，产生弹性应力释放，伴随应力的释放在应力最大的方向上变形最大，而在应力最小的方向上变形最小。把已发生应力释放的岩心，在垂直平面和两个水平平面上（夹角90度）贴上应变片，并放置于高压容器中，在σ1=σ2=σ3的应力条件下，进行恢复性的加载，在加载的过程中，三个方向的应变量出现差异，在原始应力最大的方向应变量最大；在原始应力最小的方向应变量最小。通过测试上述岩心各方向的应变之差，就可知道这块岩心在地层中所受的应力状态。第50页,共172页，2024年2月25日，星期天第51页,共172页，2024年2月25日，星期天2滞弹性应变恢复

当取出岩心的恢复应变稳定后，除发生瞬态应变恢复外，在进行连续应变观测时，仍然可以观测到一个微小的应变增加，这种应变增加可以延续几十个小时，被称为滞弹性应变恢复。根据滞弹性应变恢复曲线可以反演地应力的大小和相对于岩心的地应力方向。第52页,共172页，2024年2月25日，星期天3波速各向异性

地层中的岩石是处在三向应力作用状态下的，当钻井取心时岩石脱离应力作用状态，自身将产生应力释放，在应力释放过程中岩石会产生许多十分微小的裂隙，由于在最大水平地应力方向上岩心的松弛变形最大，因此，这些小裂隙将垂直最大水平主应力方向，裂隙被空气所充填，声波在岩石中传播的速度远远大于在空气中传播的速度，由于岩心中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。第53页,共172页，2024年2月25日，星期天4岩心磁定向

岩石的磁性是由其所含的铁磁性物质所决定的，不同岩石有不同的成岩过程，因而获得磁化的机制也不同，例如火成岩，不论是喷发岩或侵入岩，它们都是从熔融状态的岩浆，在地磁场中冷却而获得磁化的。在其冷却过程中当温度下降至其所含铁磁性矿物的居里点温度时，这些铁磁性矿物就被当时的地磁场所磁化，获得热剩磁（TRM），从而使整个岩石获得了总体磁化。这个总磁化是与当时的地磁场密切相关的，其磁化方向完全一致，因而可靠地记录了成岩年代地磁场的各种信息。第54页,共172页，2024年2月25日，星期天沉积岩在成岩过程中，没有经过高温磁化这个过程，但由于构成沉积岩的各种小颗粒，是从火成岩上风化剥蚀下来的的已被磁化的微小颗粒，这些微小颗粒就象一个一个小磁针，在沉积脱水固结过程中，在当地磁场作用下定向排列，从而使整个沉积岩体获得一个与当时地磁场有关的总体剩磁，这个总体剩磁在一个地区沉积岩体磁化方向是一致的，这样获得的剩磁叫做沉积剩磁或碎屑剩磁。我们从钻井井下取出的岩心基本上都含碎屑剩磁。4岩心磁定向

第55页,共172页，2024年2月25日，星期天描述某点的地磁场，一般用磁偏角D，磁倾角I，总磁强度F，垂直强度Z，北向分量强度x，东向分量强度y等七个参数（通称七要素）。规定磁偏角D是以磁北为零点，顺时针旋转为正值（0°～360°），磁倾角I，是以水平方向为零点，向下为正值，向上为负值（-90°～90°）。一般只用三个参数就可以完全说明某一取样点的磁场状况，如使用磁偏角D，磁倾角I，剩磁强度F。4岩心磁定向

第56页,共172页，2024年2月25日，星期天古地磁的结果是建立在大量数据统计、分析基础上的结果。因此，必须有足够的样本数据的统计平均。用古地磁确定地层深部岩心方向及应力方向是比较可行的方法，它比较省钱，可直接在现场测定，这将对研究石油地质中的地层断裂走向及分布，地层产状，地层中三向应力分布方向等，提供一个有效手段。4岩心磁定向

第57页,共172页，2024年2月25日，星期天5应力解除法

该法是在国外普遍采用的方法，它是在假定岩体是各向同性、均匀连续的弹性体的前提下，将测量元件装设在岩体中的钻孔里，在其元件周围的岩体上套孔或掏槽，使装有元件的岩心与周围岩体分开，即解除岩体中的应力对岩心的作用，岩心发生弹性恢复而变形，测量元件的测量值发生变化。根据不同方向上测量值变化的大小，计算出地应力值的大小和方向。第58页,共172页，2024年2月25日，星期天5应力恢复法

此法的一种办法是液压平面千斤顶法，它起源于法国，后在许多国家广泛应用。其主要操作过程是在岩石表面先安装测量应变的仪器，然后开挖槽将液压千斤顶放入，并充填水泥等浆料，待其固结后用泵给千斤顶加压，使应变仪的读数恢复到开挖槽以前的读数，这时压力计上的测值便可用来推算应力。第59页,共172页，2024年2月25日，星期天6火山喷道取向的观测

第一类的地质指标为线性火山喷道，包括火山岩脉和渣锥排列。若把火山喷道的形成看作是岩石的张性破裂，则岩脉应顺着与最小主应力轴垂直的平面侵入。有相当多的例子表明，尽管早期结构含有相当多的先存破裂和断层，当岩脉穿过此结构时，其方向仍保持一致。第60页,共172页，2024年2月25日，星期天第61页,共172页，2024年2月25日，星期天7超显微构造古应力估算方法70年代后期以来，对于岩石超显微构造的研究取得显著的进步，利用矿物颗粒受到构造应力作用后，在电子显微镜下所表现出的位错密度，动力重结晶颗粒大小，亚晶大小与差应力(σ1-σ3)值之间的关系，便可进行古构造应力值的半定量估算。这样就使古构造应力的研究从定性阶段走向半定量研究的阶段。第62页,共172页，2024年2月25日，星期天8声发射第63页,共172页，2024年2月25日，星期天8声发射第64页,共172页，2024年2月25日，星期天8声发射第65页,共172页，2024年2月25日，星期天8水力压裂第66页,共172页，2024年2月25日，星期天8水力压裂第67页,共172页，2024年2月25日，星期天8水力压裂第68页,共172页，2024年2月25日，星期天8水力压裂第69页,共172页，2024年2月25日，星期天8水力压裂第70页,共172页，2024年2月25日，星期天用橡胶封隔器在所需要的测量深度封闭钻孔的一段，泵入液体给封闭段加压，测量封闭段中的液体压力P。在某一临界压力(breakdownpressure)Pb下，钻孔周围的岩石产生张破裂，压力液的空间由于新破裂面的形成而急剧增加，液体的压力下降，迅速关闭液压泵，液体压力稳定值叫做封井压力，此应与该处最小水平主应力相等，第71页,共172页，2024年2月25日，星期天在水压破裂操作中，通过测量压力曲线(图5.35)，可以得到和。事先如果测定了岩石的抗张强度T0，并用钻孔水下电视或印膜方法知道了形成的垂直破裂面的方位，可以计算得到，以及水平应力的方向。第72页,共172页，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第73页,共172页，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第74页,共172页，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第75页,共172页，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第76页,共172页，2024年2月25日，星期天键槽8井壁崩落法第77页,共172页，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第78页,共172页，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第79页,共172页，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第80页,共172页，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第81页,共172页，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第82页,共172页，2024年2月25日，星期天第三节岩体初始应力状态的现场量测方法一、岩体应力现场量测方法概述1.目的：（1）了解岩体中存在的应力大小和方向（2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护及岩体加固提供依据（3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具第83页,共172页，2024年2月25日，星期天2.方法分类(表6-1)第84页,共172页，2024年2月25日，星期天二、水压致裂法（一）方法原理及技术要点：通过液压泵向钻孔内拟定量测深度加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上下用止水封隔器密封，其结构如图6-10所示。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图6-11。第85页,共172页，2024年2月25日，星期天P0PbPsPs0P0Pb0Ps图6-11压裂过程泵压变化及特征压力图6-10止水、压裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0第86页,共172页，2024年2月25日，星期天各特征压力的物理意义①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力第87页,共172页，2024年2月25日，星期天（二）基本理论和计算公式当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周边两个水平地应力分别为和，孔壁还受有水压Pb.如图6-12。图6-12孔壁开裂力学模型a第88页,共172页，2024年2月25日，星期天钻孔周围岩体内应力

(Kirsch.G-基尔斯解)第89页,共172页，2024年2月25日，星期天在孔壁上r=a，有：当时有最大拉应力：按最大拉应力理论，有(6-15)(6-16)将(6-15)代入(6-16)得孔壁开裂应力条件(6-18)即孔壁开裂在与垂直,的面上式中：T0-岩体的抗强度第90页,共172页，2024年2月25日，星期天若岩体中有孔隙水压力Pw，（6-18）式变成：(6-19)由图6-11知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pb0，则上式变成：(6-20)19和20两式对比得：Pb–Pb0=T0(6-21)在关闭压力Pb0点上，孔壁已经开裂，则T0=0,稳定开裂压力由P0下降到Ps0。此时，ps0等于与裂缝垂直的应力，即：第91页,共172页，2024年2月25日，星期天求得主应力及岩体抗拉强度（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力（1）一般来讲作为地主应力之一。我们可以将与作比较，若，则可以肯定此时为最小主应力；进一步将与作比较，也就可以以此确定地应力的三个主应力。第92页,共172页，2024年2月25日，星期天

因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定的方位或的方向，所以三个地主应力的方位也就可以相应确定。（2）如果，并且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，则此时为最小地应力，与各为中间主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。（四）水压致裂法的特点

设备简单操作方便测值直观适应性强

受到重视和推广

缺陷：主应力方向不准第93页,共172页，2024年2月25日，星期天三、应力解除法1.基本原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态。切断联系解除应力应变恢复测试应变计算应力流程要点第94页,共172页，2024年2月25日，星期天2.应力解除法分类按测试深度表面应力解除浅孔应力解除深孔应力解除按测试应变或变形孔径变形测试孔壁应变测试孔底应力解除法孔壁应力解除法测1个平面3个方向上的应变1平面3方向上的径位移3平面9个方向应变第95页,共172页，2024年2月25日，星期天原理要点向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感器；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，应变传感器测得孔底平面中心恢复应变；在室内测得岩石的弹性常数；计算孔底中心处的平面应力状态。由于孔底应力解除法只需要钻进一段不长的岩芯，所以对较破碎的岩体也能应用。（1）岩体孔底应力解除法在孔底平面粘贴3应变片应变花一个平面有3个独立的应力分量第96页,共172页，2024年2月25日，星期天工作步骤应变观测系统第97页,共172页，2024年2月25日，星期天（2）套孔应力解除法原理要点对岩体中某点进行应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同第98页,共172页，2024年2月25日，星期天表面应力解除法直角应变花等边三角形应变花应力解除槽第99页,共172页，2024年2月25日，星期天钻孔的深度必须超过开挖影响区，才能测到岩体内的原始应力，否则测出的是二次应力。第100页,共172页，2024年2月25日，星期天工作步骤套孔应力解除工作步骤第101页,共172页，2024年2月25日，星期天套孔应力解除使用的传感器

孔径变形测试采用位移传感器；孔壁应力解除采用应变传感器。，第102页,共172页，2024年2月25日，星期天孔径变形测试传感器布置第103页,共172页，2024年2月25日，星期天孔壁应力解除法传感器布置第104页,共172页，2024年2月25日，星期天计算公式

应力解除法，由测试数据换算成应力，根据测试参数的不同可以分为两类：(1)由应变换算成应力；(2)径向位移换算成应力。换算的基本理论和方法都在弹性力学中学过，这仅以(2)为例。由孔径变形测试换算初始应力，在大多数试验场合下，往往进行简化计算例如假定钻孔方向和一致，并认为，则（6-24）第105页,共172页，2024年2月25日，星期天式中：-钻孔直径变化值-钻孔直径

-量测方向和水平轴的夹角

-岩石弹性模量与泊松比在实际计算中，由于考虑到应力解除是逐步向深处进行的，实际上不是平面变形而是平面应力，则有

式中：

分别为在0度，45度和90度三个方向上同时测定的孔径变化。第106页,共172页，2024年2月25日，星期天空间原始应力测试测试空间原始应力，孔壁应变法只须1钻孔，孔底应变法和孔径变形法需要3个钻孔第107页,共172页，2024年2月25日，星期天四、应力恢复法

应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，应力。当己知某岩体中的主应力方向时，采用本法比较方便。如图6-18，当洞室某侧墙上的表层围岩应力的主应力方向各为垂直于水平方向时，就可用到应力恢复法测得的大小。第108页,共172页，2024年2月25日，星期天图6-18应力恢复法原理图第109页,共172页，2024年2月25日，星期天基本原理：在侧墙上沿测点o，先沿水平方向开一个解除槽，则在槽的上下附近，围岩应力得到部分解除，应力状态重新分布。在槽的中心线OA上的应力状态，根据H.N.穆斯海里什维里理论，把槽看作一条缝，得到：

（6－27）式中—OA线上某点B上的应力分量

—B点离槽中心O的距离的倒数。第110页,共172页，2024年2月25日，星期天当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加压力为p，则在OA线上B点产生的应力分量为

（6－28）第111页,共172页，2024年2月25日，星期天当压力枕所施加的力时，这时B点的总应力分量为

可见当压力枕所施加的力时，则岩体中的应力状态已完全恢复，所求的应力即由P值而得知，这就是应力恢复法的基本原理。第112页,共172页，2024年2月25日，星期天实验过程1.在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安装好量测元件（见图6-19）第113页,共172页，2024年2月25日，星期天2.记录量测元件—应变计的读数。3.开凿解除凿，岩体产生变形并记录应变计上的读数。4.在开挖好的解除凿中埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。5.待充填水泥浆达到一定强度后，即将压力枕联接油泵，通过压力枕对岩体施压。随着压力枕所施加的力p的增加，岩体变形逐渐恢复。逐点记录压力p与恢复变形的关系。6.假设岩体为理想弹性体，则当应变计回复到初始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力。第114页,共172页，2024年2月25日，星期天如图6-20所示，ODE为压力枕加荷曲线，压力枕不仅加压到初始读数（D点），即恢复了弹性变形，而且继续加压到E点，得到全应变：由应力-应变曲线求岩体应力图6-20第115页,共172页，2024年2月25日，星期天由压力枕逐步卸载，得卸荷曲线EF,并得知，这样就可以求得产生全应变所相应的弹性应变与残余塑性应变之值。为了求得产生所相应的全应变量，可以作一条水平线KN与压力枕的OE和EF线相交，并使MN=,则此时KM就为残余塑性应变，相应的全应变量由就可知在OE线上求得C点，并求得与C点对应的p值，即所求的值。返回第116页,共172页，2024年2月25日，星期天地应力计算另一种获取地应力数据的手段是通过计算得到。迄今为止，人们在地应力计算方法上已做了许多努力，取得了显著的进展，归纳起来主要有以下四类：（1）有限元数值模拟反演古构造应力场，（2）应力历史模拟正演应力场，(4)根据相对简单的地应力计算模式，进行地应力测井解释，（4）钻进参数估算。第117页,共172页，2024年2月25日，星期天第118页,共172页，2024年2月25日，星期天有限元数值模拟反演地应力的实际测试，一般都只能确定一点的应力状态，而岩体内的地应力场仍无法确定，只能根据实测点予以推断和估计。然而在工程设计中往往需要了解地应力在空间的分布情况即地应力场，因此地应力场的分析非常重要。影响地应力场的因素可概括为三个∶①构造格架，包括断层产状与地层厚度变化；②区域应力场；③岩石力学与物理性质。其中，①和②是决定地应力场性质的基本条件。要研究一个具有复杂结构的地质体的应力场分布显然不能采用解析解。在数值方法中最常用的是有限差分法与有限元法。第119页,共172页，2024年2月25日，星期天有限差分法在数学推导与论证上更加严密一些，但它主要离散的是基本的控制方程。虽然可以引进凹凸不平网格的特殊方法来考虑不规则边界，但通常只适用于具有简单外形的几何体。在有限元法中，离散的是构成这个系统的物体，因此更适合具有不规则形状和内部结构复杂的问题。所以在目前条件下，有限元法是研究复杂地质体中应力场分布的最有效的方法。近年来，国内许多学者利用有限单元法进行回归分析得出了二维和三维的地应力场资料，这是一条以低成本取得地应力场资料的有效途径。有限元数值模拟反演第120页,共172页，2024年2月25日，星期天一、有限单元法基本原理

有限单元法是将复杂的地质体划分为足够小的、数目有限的小块体（有限单元），对每个互不重叠的单元体来说，它是均匀、连续的弹性体。单元体之间以节点连接，这样就组成了一个以单元集合体代替复杂地质体的模型。首先计算每个单元体的构造应力场，然后将这些单元综合起来再计算整个地质体的构造应力场。此即应用有限单元法的基本思路。第121页,共172页，2024年2月25日，星期天有限单元法可根据研究区域的几何外形、作用方式等条件，经过一定的处理程序，以线性代数方程组的形式表达应力应变位移之间的内在联系，最后求解方程组，得出应力分布状态。在模拟过程中，如何正确建立地质模型又是最根本的问题一、有限单元法基本原理

第122页,共172页，2024年2月25日，星期天二、地质模型的建立及网络的剖分

进行有限元的数值模拟之前，首先要充分研究该地区的地质构造特征，并将复杂的地质构造问题用合理的地质模型来加以表达。当研究油田地区的地应力场时，所选用的模型大约相当于5Km深度的地壳上部模型，这一深度大致相当于基底的位置。一般认为强度较大的基底的变形和应力场控制了较软弱覆盖层的变形与应力分布，因而这一深度的选择是恰当的。太浅难以反映较大范围内的区域地应力场的影响，太深则距要研究的目的层太远，反映不出局部构造的影响。第123页,共172页，2024年2月25日，星期天三、数学模型的建立

上面我们已将一个复杂的地质体不断剖分为小单元，直至每个单元上的应力应变可视为均匀时为止。之后要在每个单元上通过固体力学的变分原理推导单元刚度矩阵，将节点位移同节点处所施加的力联系起来，再将各单元的刚度矩阵集合起来，便得到以各节点位移表示的方程组，最后通过求解这个巨大的线性方程组，便得到这个地质体各点的变形情况。第124页,共172页，2024年2月25日，星期天四、物理参数的选取

离散后的单元是由断层及不同性质的岩石组成。所以平衡方程中包含有单元岩石的力学参数，求解之前必须给出这些参数值。不同的岩性具有不同的力学性质。从地壳变形的意义上说，断层的变形代表了整个地区变形中的主体部分。从计算的角度上看，断层是整个模型中最软弱的部分。因而选择断层的力学参数是重要的约束。第125页,共172页，2024年2月25日，星期天五、边界条件的确定

利用有限元法对连续问题离散化，要求确定一个有限区域，它具有确定的边界条件。虽然这些边界条件都是根据地质构造及各种实际情况划定的，但也存在某种人为的因素，因而必须给予合适的边界条件以模拟实际问题的受力状态。到目前为止，有限元数值模拟主要用于平面地应力场的分析，它强烈地依赖于所建立的地质、力学模型以及边界条件，粘弹性体的有限元模拟和三维数值模拟还有很多工作要做。第126页,共172页，2024年2月25日，星期天第127页,共172页，2024年2月25日，星期天第128页,共172页，2024年2月25日，星期天地应力主要由上覆岩层重量和构造运动产生，并受地层岩性、产状和构造形态、岩石的力学特性、地层孔隙压力、温度场等方面的影响，因此，地应力分层与地质分层有着密切的关系。同时，地应力分层与地质分层又有着显著的区别：地质分层主要综合考虑测井资料及其它地质资料所反映出的岩性特征，以岩性的变化为依据进行分层；而地应力分层则是首先根据测井资料，按一定的分层地应力模式计算出连续的地应力曲线，然后再对地应力曲线进行数值分层。地应力的分层主要综合考虑三个方向主应力的变化趋势，它有可能跨越地质分层。相邻的不同的地质层，其力学性质可能相似，它们应并入同一地应力层；在同一地质层内，由于各种原因地应力也可能发生突变，此时应划分为几个不同的地应力层。第129页,共172页，2024年2月25日，星期天第130页,共172页，2024年2月25日，星期天第131页,共172页，2024年2月25日，星期天

地应力是在漫长的地质历史时期形成的，其影响因素较多，分布规律比较复杂。依据已积累的资料，对油田地应力的分布规律有以下认识。第四节原地应力分布的基本规律第132页,共172页，2024年2月25日，星期天第四节岩体初始应力状态分布的主要规律一、垂直应力随深度的变化规律实测垂直应力随深度的变化垂直应力随深度线性增加。平均密度约为27KN/m3第133页,共172页，2024年2月25日，星期天二、水平应力随深度的变化平均水平应力随深度而增加第134页,共172页，2024年2月25日，星期天三、水平应力与垂直应力的比值K在接近地表及浅层地层中，水平应力大于垂直应力。但随深度增加就会出现K=1的状况。第135页,共172页，2024年2月25日，星期天四、两水平应力之间的比例返回第136页,共172页，2024年2月25日，星期天

一、地质构造对地应力的影响

1、局部应力场与区域构造应力场的关系中国大陆板块受到外部两个板块的推挤，即印度板块每年以5cm的速度推挤和太平洋板块每年以数厘米的速度推挤，同时受到西伯利亚和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，板块发生变形。据陈宗基的分析，可按行政区域划分，大致将我国分成三类地区：第137页,共172页，2024年2月25日，星期天

①强烈构造应力区：包括台湾、西藏、新疆、甘肃、青海、云南、宁夏、四川西部等。②中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、山东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建─广东沿海地区及广西等。③较弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河南、贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙古的大部分地区。第138页,共172页，2024年2月25日，星期天

根据李方全的分析，我国华北地区，以太行山为界，东西两个区域有较大的差别。太行山以东的华北平原及其周边地区，其主压应力轴方向为近东西向，太行山以西的山西地堑区，其主压应力方向则发生了急骤变化，表现为近南北向。第139页,共172页，2024年2月25日，星期天

太行山以东的平原地区显然与太平洋板块向西俯冲有关，而太行山以西的山西地堑区虽地处华北，但看来受印度板块向北运动和青藏隆起的影响较大，可以说是东部与西部地区的过渡地带。

太行山构造带，正是一条在其东西两侧深部地壳结构和组成上有显著差别的构造分界。秦岭东西构造带以南的华南地区，其主压应力方向相当一致，为北西西至北西向。地应力绝对值在我国东、西部是不同的。东部相对较小，而西部相对较大。第140页,共172页，2024年2月25日，星期天

油田断块处于板块内部，其应力场受到板块构造运动的控制，这种由区域构造运动产生和控制的应力场称之为区域构造应力场。区域构造运动具有较强的方向性，并以产生水平附加应力为主，它使大范围的应力场的方向趋于一致并增大两水平应力之间的差值。

构造运动越强烈，平面应力场的分布规律性越强，方向越稳定。同时，局部地质构造可对区域构造应力场产生较大的改造作用，局部地质构造的作用越强,局部应力场与区域应力场之间的差异越大，方向变化也越大。第141页,共172页，2024年2月25日，星期天

二、断层对地应力的影响

断层的形成是地层在地应力作用下发生破裂和滑动的结果，在一定的应力场作用下，所形成的断层类型是基本固定的。假定：断层所在地点的主应力方向之一是垂直的；在断层形成之前，岩石是完整的，产生断层的岩石破裂过程遵循库伦准则，则可以由断层类型推断三向地应力的相对大小。第142页,共172页，2024年2月25日，星期天

正断层：垂向应力是最大主应力，断层走向即为中等主应力的方向(图3a)。逆断层：垂向应力是最小主应力，断层走向为中等主应力的方向(图3b)

走向滑动断层：垂向应力是中等主应力，断层走向与最大(水平)主应力方向交角小于45°(图3c、d)第143页,共172页，2024年2月25日，星期天第144页,共172页，2024年2月25日，星期天

当然，仅对正在发生断裂或发生过微断裂的地区，滑移方向与主应力方向才有这种简单的关系。在统一的构造应力场作用下，引起平面上地应力方位变化的主要原因是地层力学性质的非均匀性，其中断层的存在影响最大。第145页,共172页，2024年2月25日，星期天1、平均来看，断层上的绝对应力值比外围地层低。岩体断裂本质是一种能量耗散和应力重新分布的过程，水平主应力和最大水平剪应力随离断层距离的增加而增加，断层上的绝对应力值比外围地层低。第146页,共172页，2024年2月25日，星期天2、断层周围产生应力集中，使断层附加应力分布发生较大改变。每条断层不仅影响各自周围的应力分布，而且彼此还互相影响。断层汇交的方式对断层周围的应力有较大影响，断层汇而不交的地区和端点附近尤其是汇而不交的区域应力值较高，同时应力的大小及方向变化较大。第147页,共172页，2024年2月25日，星期天3、断层有使最大水平地应力方向垂直于断层走向的趋势。根据统计，断层的存在可使应力场方向发生转向，并有使最大水平地应力垂直于断层走向的趋势。这是由于断层面上不能承受大的剪应力，地应力在断层走向上的分力容易被释放，导致地应力与断层走向垂直。这一认识对于结合区域构造应力方向和断层发育情况判断断块油气田内部最大水平地应力方向具有重要意义。第148页,共172页，2024年2月25日，星期天

三、地应力与地质构造形态之间的关系高水平应力往往出现在区域平面图上的地壳隆升带；而在地壳沉降区，水平应力一般小于垂直应力。通常，最大水平地应力在背斜轴部较低，向翼部逐渐升高，最大水平应力的变化是在背斜轴部较快，在翼部变化较为平缓。而向斜的轴部（低点部位）则常常有较高应力。构造的陡带、倾伏端、鞍部或鼻状构造，往往产生应力集中，应力主方向随构造等高线的变化而发生扭转。第149页,共172页，2024年2月25日，星期天1、地应力随深度增大在地层倾角不大的情况下，岩体中有一个主应力基本上是垂直的，另外两个主应力是水平的。在倾斜地层中，垂直主应力往往与垂直方向呈一夹角，但夹角大小一般不超过30°。在沉积岩中垂向应力与上覆岩层重量近似相等，尤其是东部油田按上覆岩层重量计算垂向应力，是可以普遍接受的。随深度的增加,构造应力不断加大，水平应力差增大，应力方向趋于一致。第150页,共172页，2024年2月25日，星期天2、三大类岩石中地应力的分布存在较大差异朱焕春、陶振宇对世界范围内的岩浆岩、沉积岩和变质岩中实测地应力资料进行了回归分析，得出：三大类岩石的比较，①岩浆岩中水平应力一般都比较高、水平差应力大；②在沉积岩石中，水平应力与深度之间具有良好的线性关系，且水平差应力是三大类岩石中最小的；③变质岩中地应力分布的最大特点是最大和最小水平应力离散性较强。第151页,共172页，2024年2月25日，星期天

3、软地层中三向地应力分量差别小

Warpinski和Teufel分析了在美国ColoradoPiceance盆地实验井组(MWX)非海相沉积岩层进行的地应力测试结果，得到的最重要的结果是岩性对地应力有重要影响。第152页,共172页，2024年2月25日，星期天

砂岩和紧邻的高泥质岩层中的最小水平地应力差通常大于7MPa，泥质中三向应力分量几乎相等，无明显的方向性，砂岩中两水平地应力差约为4.1～5.5MPa。不同岩性地层中最小水平地应力梯度平均为：砂岩0.85psi/ft，粉砂岩0.88psi/ft，煤0.97psi/ft，泥岩1.0psi/ft，即砂岩＜粉砂岩＜煤＜泥岩。且最小水平地应力与地层岩石的泊松比呈正相关关系。

第153页,共172页，2024年2月25日，星期天4、硬地层中构造应力较大地质体在构造应力作用下，将发生运动或变形，当不同岩层的发生相同应变时，最大和最小水平应力均随杨氏模量的增大而增大。岩层中较高的地应力主要来源于构造应力，对于高构造应力地区，水平构造应力将主要由硬地层承担。第154页,共172页，2024年2月25日，星期天

5、相邻岩层间地应力可存在较大差异不同深度处岩层的岩性、产状和力学性质可存在较大差别，并使得在同一区域应力场作用下具有不同的应力值。实测表明，相邻地层间的地应力差值最大可达14MPa。因此，地应力沿深度的分布并不是线性的，不同地层的地应力可相差很大。而当相邻岩层间的地应力差大于3MPa时，便会对垂向裂缝的延伸起阻挡作用。因此，仅仅了解地应力沿深度的总体变化趋势是不够的，应充分认识地应力沿深度分布的非均匀性，建立分层的地应力剖面，指导石油工程设计与施工。第155页,共172页，2024年2月25日，星期天

四、油田开发活动可大大影响油藏的地应力场油田开发活动，如油气开采。注水、汽或气、火烧油层、大型压裂等将会引起地层孔隙压力和地层温度等的显著改变，影响其地应力状态，导致产层变形或破坏，并有可能使重复压裂裂缝转向。

挪威海域的北海白垩产层，生产多年来一直维持高的产量，据分析是与地层压力衰减导致产层破坏，大大提高了产层渗透率有关。第156页,共172页，2024年2月25日，星期天

在美国Chevron公司的LostHills油田，1993年Chevron公司对已压过的7-2C和3-11A井进行了5次重复压裂，压裂是从与首次压裂相同的射孔进行的。所有5次重复压裂裂缝倾角都发生了偏转，这5次重复压裂产生的裂缝平均倾角为45°，大小相差在10°以内。第157页,共172页，2024年2月25日，星期天

而在LostHills油田初始压裂的100多口井平均裂缝倾角为82°，而且没有一口井落在45°±10°内。在Unocal公司的Van油田的300-11井