《岩石力学第七章原地应力PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石力学第七章原地应力PPT课件.ppt（172页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、关于岩石力学第七章原地应力第一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 构构造造应应力力(structural structural stresses stresses)：由由构构造造运运动动在在岩岩体体中中引引起起的的应应力力叫叫构构造造应应力力。在在地地质质力力学学中中常常把把构构造造应应力力叫叫做做地地应应力力，是是指指导导致致构构造造运动、形成各种构造形迹的那部分应力。运动、形成各种构造形迹的那部分应力。第二张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 古古地地应应力力和和现现今今地地应应力力：古古地地应应力力指指某某一一地地质质时时期期或或某某一一重重要要地地质质事事件件以以
2、前前的的地地应应力力,现现今今地地应应力力是是目目前前存存在在的的或或正正在在活活动动的的地地应应力力。分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。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。第三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 残残余余应应力力（residual residual stressstress）：残残余余应应力力指指除除去去外外力力作作用用以以后后，尚尚残残存存在在岩岩石石中中的的应应力力。这这种种残残余余应应力力很很小小，往往往往只只有有零零点点几几兆兆帕帕，所所以以常常忽略不计。忽略不计。重重力力应应力力（gr
3、avitygravity stressstress）：指指由由于于上上覆覆岩岩层层（overburden overburden）的的重重量量引引起起的的地地应应力力分分量量，特特别别指指由由于于上上覆覆岩岩层层的的重重量量产产生生的的水水平平应应力（力（horizontal stress horizontal stress）大小。大小。第四张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 热热应应力力：热热应应力力是是指指由由于于地地层层温温度度发发生生变变化化在在其其内内部部引引起起的的内内应应力力增量，热应力主要与温度的变化和岩石刚度和热学性质有关。增量，热应力主要与温度的变化和岩石刚度和热
4、学性质有关。分分层层地地应应力力：是是指指按按地地层层分分层层分分别别给给出出不不同同层层位位的的地地应应力力值值，非非常常重重要要的是给出相邻地层的应力差。的是给出相邻地层的应力差。地应力场：地应力场：地应力在空间的分布情况。地应力在空间的分布情况。第五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 二、地应力的分类二、地应力的分类:1971 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度进行了分类:第六张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月第七张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 三三、地
5、应力的描述方法地应力的描述方法 由由于于岩岩石石经经历历了了漫漫长长的的地地质质时时期期，并并经经受受了了多多次次复复杂杂的的构构造造运运动动（structuralstructural movement movement），使得岩石的原地应力状态变得十分复杂。，使得岩石的原地应力状态变得十分复杂。为为满满足足工工程程需需要要，一一般般认认为为原原地地应应力力状状态态由由上上覆覆岩岩层层压压力力（overburden overburden pressurepressure）和两个水平方向的和两个水平方向的主应力（主应力（principal stressprincipal stress）组成。组成
6、。如如图图7-1所所示示建建立立参参考考坐坐标标系系，xy构构成成水水平平面面，x方方向向为为最最大大水水平平主主应应力方向，力方向，y方向为最小水平主应力方向，方向为最小水平主应力方向，z方向为铅垂方向。方向为铅垂方向。第八张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月第九张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月通常认为原地应力状态产生的原因有二：通常认为原地应力状态产生的原因有二：一是一是上覆岩层（上覆岩层（overburdenverburden）的重力；的重力；二是由二是由构造运动（构造运动（structuralstructural movement movement）产生的产生的
7、构造应力构造应力(tectonic stresses tectonic stresses)。第十张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月第二节第二节 初始应力的组成与计算初始应力的组成与计算 1 1、岩体自重应力场、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十一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月（1 1）岩体假定处于弹性状态）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：第十二张，PPT共一百七十二页，创作于
8、2022年6月图6-2自重垂直应力分布第十三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月（2 2）HeimHeim假设（塑性状态）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 3）岩体为理想松散介质）岩体为理想松散介质（风化带、断层带）由极限平衡理得第十四张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月第十五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月（4 4）当松散介质有一定粘聚力时）当松散介质有一定粘聚力时 注：当 说明无侧压力 侧压力为：侧压力为：无侧压力深度 第十六张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月第十七张，PPT共一百七十二
9、页，创作于2022年6月2 2、岩体构造应力、岩体构造应力（判断、测试，不能计算）当构造应力存在时 。3 3、影响岩体初应力状态的其它因素、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图6 67 7 地形对初应力的影响地形对初应力的影响第十八张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月（2 2）地质条件对初应力的影响。）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十九张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 （3 3）水压力、热应力）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
10、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。返回返回第二十张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 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：，则原应力状态可描述为：铅垂主应力（上覆岩层压力）铅垂主应力（上覆岩层压力）最大水平主应力最大水平主应力最小水平主应力最小水平主应力 其中其中 为埋深为为埋深为z处的岩石密度，处的岩石密度，g为重力加速
11、度。为重力加速度。第二十一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月考虑孔隙压力的影响，原地应力状态表示为：考虑孔隙压力的影响，原地应力状态表示为：第二十二张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 影响原地应力状态的因素很多：影响原地应力状态的因素很多：一、地表形状一、地表形状 对对于于平平坦坦的的地地表表，平平均均铅铅垂垂应应力力分分量量应应当当接接近近深深度度应应力力。对对于于形形状状不不规规则则的的地地表表，任任一一点点的的应应力力状状态态（stress stress state state）可可以以认认为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。是由深度应力
12、和地表超载的不规则分布所引起的应力分量合成的。第二节第二节 影响原地应力状态的因素影响原地应力状态的因素第二十三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 例如例如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。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。目有意义。第
13、二十四张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月图图7-2 7-2 地表形貌对原地应力的影响地表形貌对原地应力的影响 (a)(a)不规则的地表形貌不规则的地表形貌 (b)(b)地表轮廓的线性化地表轮廓的线性化 (c)V(c)V形槽谷形槽谷第二十五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 二、二、残余应力（残余应力（residual stressresidual stress）由由于于岩岩体体的的非非均均匀匀冷冷却却，或或者者岩岩体体虽虽然然是是均均匀匀冷冷却却的的，但但与与其其相相邻邻的的岩岩石石单单元元的的热热膨膨胀胀系系数数却却不不相相同同，于于是是在在岩岩体体内内部部就就会会产
14、产生生残残余余应应力力（residual stressresidual stress）。岩岩石石介介质质中中各各种种局局部部的的矿矿物物变变化化也也会会引引起起残残余余应应力力的的产产生生。岩岩体体中中的的局局部部再再结结晶晶过过程程可可能能产产生生体体积积应应变变。矿矿物物集集合合体体含含水水量量的的变变化化，也也会会产产生生应应变（变（strainstrain）和残余应力。和残余应力。第二十六张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 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
15、问题仍然构成一种制约因素，使得基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。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。第二十七张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 三、包体三、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：直包体的存在，可能以两种方式影响原岩应力
16、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；么在垂直于包体平面的方向上会作用一个高应力分量；第二十八张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 第二，与包体与围岩第二，与包体与围岩弹性模量（弹性模量（elastic moduluselastic modulus）的差异有关。系）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
17、性模量不同，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原岩中靠近包体的地方就会出现很高的应力梯度（应力梯度（stressstress gradientgradient）。第二十九张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 四、四、构造应力构造应力(tectonic stresses)(tectonic stresses)多多次次复复杂杂的的地地壳壳运运动动，使使地地下下产产生生了了极极其其复复杂杂的的不不同同形形态态、不不同同方方位位、不不同同性性质质、不不同同等等级级以以及及不不同同次次序序的的构构造造形形迹迹，就就是说构造应力场
18、实质上是随时间演化的、非稳定应力场。是说构造应力场实质上是随时间演化的、非稳定应力场。第三十张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 按时期，构造应力场可划分为按时期，构造应力场可划分为古构造应力场和现今构造应力场。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就其研究范围而言，构造应力场又可分为局部构造应力场局部构造应力场（某（某一构造单元的应力分布规律）、一构造单元的应力分布规律）、区域构造应力场区域构造应力场（某一地区的应力分布规律）（某一地区的应力分布规律）及及全球构造应力场全球构造应力场。由于构造应力的作用，使得原地应力状态发生很大的变化，最大水平由于构造应
19、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。地应力有可能超过上覆岩层压力。第三十一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 五、裂隙组及不连续面五、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。加复杂。第三十二张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 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可以由保持破裂
20、面平衡条件的要求来确定，它与断裂前的应力应力状态（状态（stress statestress state）没有什么关系。即从初始状态出发估计岩体没有什么关系。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。个确定局部应力张量的方法。第三十三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 由于确定由于确定原地原地应力状态是评价地下工程稳定与否的前提条件，所以，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。人们花费了大量
21、精力研制应力测量设备并探讨应力测量的方法。第三节第三节 确定原地应力的方法确定原地应力的方法第三十四张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 地应力测量技术，分岩心测试和矿场测试两种。地应力测量技术，分岩心测试和矿场测试两种。岩岩心心测测试试主主要要有有：差差应应变变分分析析 (differential(differential strain strain analysisanalysis)、滞滞弹弹性性应应变变分分析析 、波波速速(acoustic acoustic velocity)velocity)各各向向异异性性(anisotropic)anisotropic)分分析析 、声声发
22、发射射(Kaiser(Kaiser效效应应)等等，其其中中，声声发发射射 (acoustic acoustic emissionemission )比较容易测试，应用的也比较广泛。比较容易测试，应用的也比较广泛。第三十五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 矿场测试以水力压裂为主。矿场测试以水力压裂为主。近近些些年年利利用用井井壁壁崩崩落落(borehole borehole wallwall break-outbreak-out)反反演演地地应应力力呈呈现现出出良良好好的的发展前景。发展前景。对对深深层层地地应应力力的的求求测测，水水力力压压裂裂(hydraulic(hydraul
23、ic fracture fracture)测测定定技技术术是是公公认认的的最最准准确确的的和和有有效效的的方方法法，井井壁壁崩崩落落可可给给出出较较可可靠靠的的地地应应力力方方位位；其其它技术多为间接测定方法。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。须采用多种方法对比使用，才能给出比较可靠的数据。第三十六张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 一、现场测量：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两种方法:A 采用钻孔来接近量测地点采用钻孔来接近量测地点,确
24、定钻孔壁的应变或钻孔其它变形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。在钻孔壁上的特定位置测定环向正应力分量。第三十七张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 1、应变测试方法、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。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，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那么，利用
25、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。量的六个应力分量。第三十八张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 2 2、应力测试方法、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。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个测量
26、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。有关。第三十九张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 3 3、水力压裂水力压裂(hydraulic fracturehydraulic fracture)地应力测试方法地应力测试方法 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要是指最小水平主应力和地应力方向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。，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（裂缝闭合压力（cra
27、ck crack closure pressure closure pressure）给出较为准确的最小地应力数据，并根据给出较为准确的最小地应力数据，并根据裂缝扩裂缝扩展（展（fracture propagation fracture propagation）方位确定最大水平地应力方向。方位确定最大水平地应力方向。第四十张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 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；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
28、闭合压力裂缝闭合压力（fracture closure pressure fracture closure pressure）识别方法；可提高水力压裂地应力测识别方法；可提高水力压裂地应力测试和解释的精度。试和解释的精度。第四十一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 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，不能用套管大水平地应力计算公式是建立在裸
29、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。井水力压裂数据计算最大水平主应力。第四十二张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 二、实验室测量二、实验室测量 室内测量的主要方法有滞弹性应变恢复法室内测量的主要方法有滞弹性应变恢复法(ASR)、差应变分析差应变分析(differential strain analysisdifferential strain analysis)法、声发射法等。法、声发射法等。第四十三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 1 1、滞弹性应变恢复法、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，当岩心滞
30、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。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。力方向。第四十四张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月第四十五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月n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。
31、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。n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。第四十六张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月n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。第四
32、十七张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月n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。第四十八张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月n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
33、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。第四十九张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月1 1 差应变分析差应变分析 n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1=2=3的应力条件下，进
34、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。第五十张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月第五十一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月2 2 滞弹性应变恢复滞弹性应变恢复 n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。第五十二张，PPT共一百七十二
35、页，创作于2022年6月3 3 波速各向异性波速各向异性 n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。第五十三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月4 4
36、 岩心磁定向岩心磁定向 n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。第五十四张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月n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
37、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 4 岩心磁定向岩心磁定向 第五十五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月n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（0360），磁倾角I，是以水平方向为零点，向
38、下为正值，向上为负值（-9090）。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 4 岩心磁定向岩心磁定向 第五十六张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月n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。n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 4 岩心磁定向岩心磁定向 第五十七张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月5 5 应力解除法应力解除法
39、n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。第五十八张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月5 5 应力恢复法应力恢复法 n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
40、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。第五十九张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月6 6 火山喷道取向的观测火山喷道取向的观测 n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。第六十张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月第六十一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月7 超显微构造古应力估算方法 n70年代后期以来，对于岩石超显微构造的研究取得显著的
41、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(1-3)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。第六十二张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 声发射第六十三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 声发射第六十四张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 声发射第六十五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 水力压裂第六十六张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 水力压裂第六十七张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月
42、8 水力压裂第六十八张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 水力压裂第六十九张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 水力压裂第七十张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月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(breakdown pressure)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，第七十一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月在水压破裂操作中，通过测量压力曲线(
43、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。第七十二张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 井壁崩落法第七十三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 井壁崩落法第七十四张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 井壁崩落法第七十五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 井壁崩落法第七十六张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月键槽8 井壁崩落法第七十七张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 井壁崩落法第七十八张，PPT共一百七十二页，创作
44、于2022年6月8 井壁崩落法第七十九张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 井壁崩落法第八十张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 井壁崩落法第八十一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月8 井壁崩落法第八十二张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月第三节 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八十三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月2.2.方法分类方法分类(表6-1)第八十四张
45、，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月二、水压致裂法二、水压致裂法（一）方法原理及技术（一）方法原理及技术n要点：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。第八十五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月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第八十六张，PPT共一百
46、七十二页，创作于2022年6月n各特征压力的物理意义各特征压力的物理意义P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力Ps-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Ps0-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Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力第八十七张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月（二）基本理论和计算公式（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第八十八张，PPT共一百七十二页
47、，创作于2022年6月钻孔周围岩体内应力钻孔周围岩体内应力(Kirsch.G-基尔斯解)第八十九张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月在孔壁上r=a，有：当 时有最大拉应力最大拉应力：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孔壁开裂应力条件(6-18)即孔壁开裂在与孔壁开裂在与 垂直垂直,的面上的面上式中：T0-岩体的抗强度第九十张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月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
48、 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：第九十一张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月n求得主应力及岩体抗拉强度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。第九十二张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月 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 2）
49、如果）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（四）水压致裂法的特点n 设备简单设备简单 操作方便操作方便 测值直观测值直观 适应性强适应性强 受到重视和推广受到重视和推广n 缺陷：主应力方向不准缺陷：主应力方向不准第九十三张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月三、应力解除法三、应力解除法 1.1.基本原理：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解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹弹性恢复性恢
50、复。应用一定的仪器，测定弹测定弹性恢复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计算岩体单元所受的应力应力状态。切断联系解除应力应变恢复测试应变计算应力流程流程要点要点第九十四张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月2.2.应力解除法分类应力解除法分类 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个方向应变第九十五张，PPT共一百七十二页，创作于2022年6月原理要点原理要点 向岩体中的测点先钻进一个平底