第三章-地应力描述

第一节地应力的形成第二节地应力的变化规律第三节地应力的计算模型第四节地应力的获取方法第三章地应力描述第一节地应力的形成

地壳内部的矛盾运动使一部分岩体与相邻的岩体之间发生相互作用力，这种作用力可以是挤压力，也可以是拉张力，也可以是扭力（力偶）。这种相互作用力就是构造力。第一节地应力的形成

由于地壳内部水平方向的不自由性，这种作用力会遇到抵抗，构造应力就是作用在岩体上的构造力和阻止岩体运动的抵抗力这一对大小相同方向相反的力共同作用下，在岩体内部产生的附加内力。第一节地应力的形成

构造力可以引起岩体运动而不产生应力，只有在构造力遭到抵抗时才在岩体内部产生构造应力。有时构造力的一部分引起岩体运动，那么只有构造力中被抵抗的那一部分才在岩体内产生构造应力。

第一节地应力的形成

由于地壳内垂向上所具有的自由性，垂向构造力及倾斜构造力的垂向分量不会遇到抵抗，只能引起岩体及其上覆物的升降和地表的剥蚀、沉积，只有水平构造力和构造力的水平分量才会在岩体内部产生应力。因此，构造应力的垂向主应力为零，只有两个水平主应力有数值，所以属于水平的平面应力状态。第一节地应力的形成

我们来考虑两种最简单的地应力场的情况。

(a)没有构造应力的地壳上部的应力场。所谓没有构造应力，就是只考虑岩石自重引起的应力场，并且假定岩石在水平方向没有变形。显然，自重应力场第一节地应力的形成1OO27MPaOhh(km)h(km)9MPasv

(sz)sH

(sx,

sy)

取n=0.25(a)地壳上部岩石中的自重应力场，(b)考虑一简 单水平均匀构造应力场与自重应力场的叠加abx第一节地应力的形成91927

MPa)1h(Km)O

y

x

z自重应力场与构造应力场叠加结果随深度的分布地应力是重力应力、构造应力和流体压力相互叠加的结果。知识点11：地应力是哪些力作用的结果？第一节地应力的形成第一节地应力的形成第一节地应力的形成蠕变

岩石的经典蠕变曲线蠕变的定义：岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢地增长现象称为蠕变(Creep）。③预测蠕变破坏。当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。应力水平在G－H点之间保持恒定。蠕变应变发展会和蠕变终止轨迹相交，蠕变将停止，岩石试件不会破坏。若应力水平在G点及以上保持恒定，则蠕变应变发展就和全应力—应变曲线的右半部，试件将发生破坏。三轴压缩条件下的岩石变形特征

如图所示的大理岩，在围压为零或较低的情况下，岩石呈脆性状态；当围压增大至50MPa时，岩石显示出由脆性到塑性转化的过渡状态：把岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为转化压力。围压增加到68.5MPa时，呈现出塑性流动状态；围压增至165MPa时,试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。

花岗岩应力－应变曲线围压对岩石变形的影响得出如下结论：①随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；②随着围压的增大，岩石的变形显著增大；③随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；④随着围压的增大，岩石的应力—应变曲线形态发生明显改变；岩石的性质发生了变化：由弹脆性→弹塑性→应变硬化。扩容：当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容。

实验表明：体积应变曲线可以分为三个阶段：①体积变形阶段体积应变在弹性阶段内随应力增加而呈线性变化（体积减小），在此阶段内，轴向压缩应变大于侧向膨胀。称为体积变形阶段。在此阶段后期，随应力增加，岩石的体积变形曲线向左转弯，开始偏离直线段，出现扩容。在一般情况下，岩石开始出现扩容时的应力约为其抗压强度的1/3～1/2左右。

②体积不变阶段在这一阶段内，随着应力的增加，岩石虽有变形，但体积应变增量近于零，即岩石体积大小几乎没有变化。在此阶段内可认为轴向压缩应变等于侧向膨胀，因此称为体积不变阶段。③扩容阶段当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容，此阶段称为扩容阶段。在此阶段内，当试件临近破坏时，两侧向膨胀变形之和超过最大主应力方向上的压缩变形值。这时，岩石试件的泊松比已经不是一个常量。2地应力-分布的基本规律一、三个主应力的值与方向规律二、构造对地应力的影响规律三、地应力在不同岩石中的分布规律四、油田开发对地应力的影响规律五、地应力分布的复杂性2地应力-分布的基本规律

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。1.地应力的三个主应力方向是确定的实测垂直应力随深度的变化总体上看，在倾角不太大的情况下，岩体中有一个主应力基本上垂直的，另外两个主应力是水平的。在倾斜地层中，垂向主应力往往与垂直方向呈一夹角，夹角大小不超过30°。一般认为，地应力的三个主应力中，一个主应力是垂直向下的，另两个主应力是水平方向的。一、三个主应力的值与方向规律2.垂向应力随深度的变化线性增大垂向应力一般与上覆岩层重量近似相等，并且是线性增大的，尤其是在沉积岩中。在有的地区上覆岩层重量小于最小水平地应力，但所形成的水力压裂裂缝形态为垂直缝，反映出垂向应力大于最小水平地应力，也就是说，垂向应力大于上覆岩层的重量。这可能与地表剥蚀过程中，上部硬岩层形成所谓的“压力拱”，使得下部地层垂向载荷松驰减慢所致。但这不是普遍现象，尤其是对东部地区按上覆岩层重量计算垂向应力基本上符合实际情况。一、三个主应力的值与方向规律地应力随深度的变化3.水平应力随深度的增加而增加一、三个主应力的值与方向规律4.水平差应力随深度的增加而增加平均水平应力随深度而增加水压致裂测量的结果表明，三向地应力的大小均随深度而增加，水平差应力的大小一般也是随深度而增加的，这说明浅地层中差应力作用一般可能较弱，而深地层中差应力作用可能较强。若含油气地层较浅，又不是处在强地应力作用的构造环境中，则油气田中的差应力作用可能较弱。而且，由于构造应力不太强，使得浅部地层水平应力方向易发生变化。一、三个主应力的值与方向规律4.水平差应力随深度的增加而增加平均水平应力随深度而增加一、三个主应力的值与方向规律5.平均水平应力与垂直应力随着深度的增加逐渐趋于相等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。一、三个主应力的值与方向规律对于新沉积的盆地或构造运动较弱地区，地层所承受的构造应力较小，其水平方向主应力小于垂向应力。在这些地区，水平应力以重力分量为主，软地层中泊松效应较强，其水平应力梯度较大。6.最小水平地应力随地层岩石泊松比的增大而增大一、三个主应力的值与方向规律7.主应力方向随深度的增加变化减少根据大量井壁崩落资料，一般情况下主应力方向随深度变化不大，但也发现不少主应力方向随深度变化的例子。一种情况是不同地层主应力方向不同，另一种情况是主应力方向随深度连续变化。一般浅部地层地应力方向变化较大，到深部趋于一致，说明区域构造应力场对深部地层控制作用较强。一、三个主应力的值与方向规律

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。

8.区域构造应力场决定着主地应力方向二、构造对地应力的影响规律

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。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。9.局部地质构造改变主地应力方向二、构造对地应力的影响规律10.可由断层类型判断三向主地应力的大小和方向

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。

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。二、构造对地应力的影响规律11.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。二、构造对地应力的影响规律12.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应力值较高，同时应力的大小及方向变化较大。二、构造对地应力的影响规律13.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。二、构造对地应力的影响规律①

单条逆断层的上盘多派生张应力场，压应力相对较弱。主应力方位多与断层线呈高角度斜交，所以单条逆断层上盘发育张裂缝系统，其范围随断层断距变化而变化，越靠近断层带，张裂缝愈发育，尤其是在断层上盘发育有断层相关褶皱（断上盘拱曲体）时，将更有利于张性裂缝的产生。单条逆断层下盘，其应力场性质为压性，主要发育剪裂缝，有效性差，可以对油气起到遮挡作用；14.逆断层对地应力的影响规律二、构造对地应力的影响规律②

逆断层的末端，应力场变化复杂，常以应力扰乱形式出现，即应力的性质、强度、方位均无规律性，我们称之为断层末端应力扰动效应，这可形成多组系、多性质、多方向的裂缝网络系统，是良好的油气储集空间；14.逆断层对地应力的影响规律二、构造对地应力的影响规律③

两条逆断层相背逆冲所组成的断垒部分，局部应力场主要是张应力可以形成有效的张裂缝系统；④两条逆断层相对逆冲组成的断垒部位，其局部应力场主要是受压应力，难以形成有效的裂缝系统；14.逆断层对地应力的影响规律二、构造对地应力的影响规律⑤

断层的交叉、分枝及拐点部位，多产生应力集中现象，这些部位应力强度明显地高于邻区，我们称之为断层应力集中效应。应力分布特征与构造形迹之间具有较好的对应关系，应力是产生构造形迹的动力，构造形迹的展布又可反演应力的状态，二者互为因果关系。14.逆断层对地应力的影响规律二、构造对地应力的影响规律15.褶皱对地应力的影响规律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。二、构造对地应力的影响规律如图(b)，这里岩层有一褶皱，在AA‘平面上，中间部分较γz值高60％，在两端接近于零。因为背斜高部位趋向于受拉，向斜低部位受压增大。15.褶皱对地应力的影响规律二、构造对地应力的影响规律岩体中的大小不连续面均影响地应力场，而其主应力方向通常可根据地质构造加以估计。其中

(d)图为岩脉；(e)图为褶皱。地质构造说明了地应力作用的方向。背斜褶曲对地应力的影响15.褶皱对地应力的影响规律二、构造对地应力的影响规律16.三大类岩石的地应力差异较大朱焕春、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，三大类岩石的比较得出：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。三、地应力在不同岩石中的分布规律17.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。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＜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。三、地应力在不同岩石中的分布规律18.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。三、地应力在不同岩石中的分布规律19.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。三、地应力在不同岩石中的分布规律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、注气、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。

四、油田开发对地应力的影响规律

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。在Unocal公司的Van油田的300-11井，1990年初始压裂时裂缝方位为N115°E，1994年通过与初始压裂相同的射孔进行重复压裂。发现裂缝方位转为N171°E，裂缝倾角变化不大。20.重复压裂导致主地应力方向转向四、油田开发对地应力的影响规律21.地层孔隙压力的改变将显著地影响地应力通常所说的地应力为总地应力，它包括了孔隙压力分量，地层孔隙压力在地应力总量中占有较大分量。如对油田地区，最小水平地应力梯度一般为(0.016～0.019)MPa/m，地层孔隙压力梯度一般在(0.008～0.013)MPa/m范围之内，地层孔隙压力占到地应力总量的50%～70%，显然，地层孔隙压力对地应力有较大影响，地层孔隙压力的改变将显著地影响地应力。四、油田开发对地应力的影响规律

21.地层孔隙压力的改变将显著地影响地应力

据Teuful（1991）报到，北海Ekofisk油田生产20年来已导致产层压力下降了21～24MPa，通过32次水力压裂测试了最小水平地应力随地层压力的变化情况，得出油藏所受的总的水平应力随孔隙压力的减小而线性减少，最小水平应力的改变量大约为孔隙压力改变量的0.8倍，而有效应力却随地层压力的衰减而线性增加了。

Addis(1997)统计了6个油田油层地应力随地层压力衰减的情况，得出，所有油层最小水平地应力均随地层压力衰减产生较大的减小(总应力)，并呈线性相关，应力减低的数值大部分在地层压力衰减值的47%-80%之间。四、油田开发对地应力的影响规律21.地层孔隙压力的改变将显著地影响地应力Cleary和Geertsma描述了储层压力降低对储层岩石应力的影响。他们认为，当储层压力衰减时，地层孔隙压力减小，储层有发生体积收缩的趋势，由于围岩的存在，产层变形受到限制，体积收缩的趋势转化为应力减小，其结果是地应力减小。Geertsman通过假定在地层压力衰减过程中，岩层所受垂向应力不变，其侧向应变为零，分析得出了最小水平应力的减小值为M.Thiercelin(1991)报道了在加拿大SableSub盆地的地应力实例，得出，在正常压力层段Δσh=0.64ΔPp，在超压层段Δσh=ΔPp。四、油田开发对地应力的影响规律22.地层温度变化对地应力的影响当地层温度发生改变时，地层有发生体积变形的趋势，而由于围岩的存在，其变形受到约束,因此产生了附加应力，使地应力发生改变。假定岩石为各向同性体，在温度改变时，地层能很快传递、消耗由于温度引起的垂向应力改变，使垂向主应力保持与上覆岩层重量的平衡。地层的刚性越大，温度引起的地应力改变量越大。油气田的开发活动将引起油田地应力的显著变化，包括其大小和方向，并大大增强地应力场的非均质性和各向异性，从而对油气生产产生较大影响。四、油田开发对地应力的影响规律

孔隙水压力、流动水压力(影响小，可不计)、静水压力（悬浮作用）热胀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。22.地层温度变化对地应力的影响四、油田开发对地应力的影响规律

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