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1、岩岩 石石 力力 学学Rock Mechanics 地地 应应 力力主 要 内 容第一节第一节 概概 述述其次节其次节 地应力的测量方法地应力的测量方法第三节第三节 地应力纵横向分布的计算地应力纵横向分布的计算第一节 概概 述述一、自然应力的概念一、自然应力的概念1.自然应力：人类工程活动之前，自然自然应力：人类工程活动之前，自然状态下，岩体内部存在的应力，称为状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体自然应力或岩体初始应力，有时岩体自然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。也称为地应力。2.重布应力：人类进行工程建设将引起重布应力：人类进行工程建设将引起确定范围内岩体初始应力的变更，工确定范围内岩
2、体初始应力的变更，工程建设扰动后的岩体应力称为重布应程建设扰动后的岩体应力称为重布应力或二次应力。力或二次应力。重分布应力重分布应力+天然应力天然应力第一节第一节 概概 述述一般状况下主地应力表示方法一般状况下主地应力表示方法H地地 表表垂直主垂直主应应力力v水平最大主水平最大主应应力力H水平最小主水平最小主应应力力h概概 述述主应力空间主应力空间o地应力是场函数地应力是场函数o地应力又称为地应力场地应力又称为地应力场o有大小和方向有大小和方向概概 述述水平最大地应力水平最大地应力水平最小地应力水平最小地应力1.构成构成：岩体自重岩体自重自重应力自重应力 构造运动构造运动构造应力构造应力 流体
3、作用流体作用静水压力梯度，渗流应力静水压力梯度，渗流应力 其它其它（地温（地温、地球化学作用等）地球化学作用等）二、自然应力的构成及起源二、自然应力的构成及起源o自重引起的自然应力场自重引起的自然应力场二、自然应力的构成及起源二、自然应力的构成及起源n起源（主要指构造运动的起源）：起源（主要指构造运动的起源）：n板块运动板块运动 n地幔热对流地幔热对流 n地球自转速度变更地球自转速度变更二、自然应力的构成及起源二、自然应力的构成及起源地幔热对流地幔热对流板块运动板块运动地球表面一个板块地球表面一个板块对于另一个板块的对于另一个板块的相对运动。相对运动。东东非大裂谷，由于地非大裂谷，由于地壳断裂
4、运壳断裂运动动，形成于，形成于大大约约3000万年前。万年前。我国西部山前构造，由我国西部山前构造，由于板于板块挤压块挤压，形成高陡，形成高陡地地层层。地球自转速度的变更地球自转速度的变更p长期减慢长期减慢p周期性变更周期性变更p不规则变更不规则变更科里奥利力：由于地球自科里奥利力：由于地球自转转运运动动而作用于地球上运而作用于地球上运动质动质点点的偏向力。的偏向力。1.探讨历史探讨历史 1878年海姆提出自然应力（静水应力说）年海姆提出自然应力（静水应力说）1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的自然应力功地测定了岩体中的自然应力到目
5、前自然应力测点遍布全球，有几十万个测到目前自然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执米（美国密执安水压致裂法）。安水压致裂法）。三、自然应力的探讨历史三、自然应力的探讨历史胡佛水坝：胡佛水坝：位于美国科罗位于美国科罗拉多河上，坝拉多河上，坝高高221.4m o我国从我国从50年头末起先自然年头末起先自然应力气测应力气测三、自然应力的探讨历史三、自然应力的探讨历史李四光教授是中国地应力测李四光教授是中国地应力测量的创始人，提出量的创始人，提出“地应力地应力的探测是地质力学具有重大的探测是地质力学具有重大实际意义的一个新方面实际意义的一个新方
6、面”。地质学家地质学家李四光教授李四光教授西南：印度板块向西南：印度板块向NNE挤压挤压东部：太平洋板块向东部：太平洋板块向W俯冲俯冲北部：西伯利亚板块阻挡北部：西伯利亚板块阻挡南部：菲律宾板块向南部：菲律宾板块向N俯冲俯冲World Stress MapAnderson理论理论断层类型与主应力关系断层类型与主应力关系正断层与地应力典型典型应应力状力状态态：sv=s1 sHmax=s2sHmin=s3地垒地堑结构拉伸q倾角v=1HMAX=2拉伸hmin=3走滑断层与地应力v=2hmin=3HMAX=锐角几乎垂直的断层面HMAXhmin伴生正断层HMAX典型应力状态：HMAX=v=2 Hmin=
7、逆断层与地应力compressionstatic basal sheetoverthrust sheetbrittle quartz-illite shalehinge pointshighly fractured zonelargely unfractured shaleABCHMAX=1v=3overthrust sheethigh-p shale四、进行地应力探讨的意义：是全部地是全部地质质力学力学问题问题中重要的初始条件；中重要的初始条件；是勘探、是勘探、钻钻井及油藏等石油工程的重要参数；井及油藏等石油工程的重要参数；是是钻钻井工程中井壁井工程中井壁稳稳定分析的重要参数；定分析的重要参
8、数；是采油工程中出砂防砂分析的重要参数；是采油工程中出砂防砂分析的重要参数；是油气是油气层层增增产产改造措施制定的重要参数；改造措施制定的重要参数；A Borehole in a Stress Fieldzxy2pEffective stresses:1=1-p2=2-p3=3-p p=pore pressureHere,v=2,HMAX=1,hmin=3,and1 2 3Hole inclinationparametersCoordinates parallelto earths surfacePrincipal stressesPrincipal stresses areusually p
9、arallel andnormal to the surface.Drilling Direction and Stress v HMAX hminhminHMAXv HMAX v hmin HMAX v hminvhminHMAXvhminHMAXThe best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis60 coneDrill within a 60cone(30)from the mostfavored direc
10、tionFavored holeorientationIn highly differential stressfields,the proper choice of aninclined hole facilitates drilling其次节其次节 地应力的测量方法地应力的测量方法垂直地垂直地应应力是由重力作用力是由重力作用产产生的（岩石的重量）；生的（岩石的重量）；在随意深度，垂直地在随意深度，垂直地应应力等于上覆岩力等于上覆岩层压层压力：力：sv =rgz（密度（密度重力加速度重力加速度深度）深度）通常垂直地通常垂直地应应力通力通过对过对密度密度测测井数据井数据积积分分获获得；得；在海
11、上在海上钻钻井要包含泥井要包含泥线线以上海水以上海水产产生的生的压压力；力；垂直主应力的求取：测量的对象：测量的对象：水平地应力的大小和方向水平地应力的大小和方向地应力大小的测量方法：水力压裂试验地应力大小的测量方法：水力压裂试验 声放射声放射Kaiser效应效应 岩心差应变试验法岩心差应变试验法地应力方向的测量方法：地应力方向的测量方法：井壁崩落椭圆法井壁崩落椭圆法 地质力学方法地质力学方法 压裂裂缝监测法压裂裂缝监测法水平主应力的测量：水平主应力的测量：一、构造地质力学方法推断水平地应力方向正断层：正断层：水平最大主应力水平最大主应力与断层走向平行。与断层走向平行。逆断层：逆断层：水平最大
12、主应力水平最大主应力与断层走向垂直。与断层走向垂直。走滑断层：走滑断层：水平最大主应水平最大主应力与断层走向平行。力与断层走向平行。-2200-2300-2400-2500-2600-2700-2800-2900-3000海拔（m）B5井5井SSEW2W2W2W2W2W2W3W3W2W2W2W2W2W2F4F9F82F3F2图 例油 层水 层干 层B565剖面位置示意图TT0500 m 250分析实例27800028000028200028400028600010856108521085310854108552051204920502304000230600023080002302000230
13、30002305000230700020512049205023040002306000230800023020002303000230500023070001085210853108541085627800028000028200028400028600010855WZ12-1-6WZ12-1-5南 块北F2F82F4F5F1F3N3N1NN2F9F81F10块F11F2AFAWZ12-1-B5N1aN1b最大水平最大水平主主应应力力二、井壁崩落椭圆法推断水平地应力方向水平最大主应力方向水平最大主应力方向水平最小主应力方向水平最小主应力方向井壁井壁发发生坍塌后的井眼形生坍塌后的井眼形态态与井
14、眼与井眼钻钻开后开后应应力的重分布有关力的重分布有关一般状况下，井壁坍一般状况下，井壁坍塌形成的塌形成的椭圆椭圆形井眼，形井眼，长轴长轴与最大水平主地与最大水平主地应应力方向垂直力方向垂直（理（理论论依据是什么？）依据是什么？）井眼坍塌破坏形态H Hh hH Hh h节理裂开地层塌块节理裂开地层塌块大，井眼长轴在最大，井眼长轴在最大水平地应力方位大水平地应力方位完整地层塌块小，完整地层塌块小，井眼长轴在最小水井眼长轴在最小水平地应力方位平地应力方位井眼坍塌长轴方向的变更水平最小主应力水平最小主应力水平最小主应力水平最小主应力水平最大主应力水平最大主应力井壁崩落椭圆资料的获得：井壁崩落椭圆资料的
15、获得：地层倾角测井数据（双井径资料），成像测井数据地层倾角测井数据（双井径资料），成像测井数据井壁崩落椭圆的识别井壁崩落椭圆的识别：(双井径测井原理双井径测井原理)(1)一个方向的井径近似等于钻头直径，另一个方向的井一个方向的井径近似等于钻头直径，另一个方向的井径有明显扩大。径有明显扩大。(2)井壁崩落椭圆段必需有确定长度。井壁崩落椭圆段必需有确定长度。(3)在长度范围内崩落椭圆的长轴方位基本一样。在长度范围内崩落椭圆的长轴方位基本一样。依据上述方法确定地应力引起的井壁崩落椭圆井段，进而确定主应力方向。依据上述方法确定地应力引起的井壁崩落椭圆井段，进而确定主应力方向。井壁崩落椭圆资料的获得与识
16、别坍塌拉伸裂缝利用成像测井推断地应力方向拉伸裂拉伸裂缝缝方向方向为为水平最大主水平最大主应应力方向力方向井壁坍塌方向井壁坍塌方向为为水平最小主水平最小主应应力方向力方向二者相差二者相差90A井周地层应力状态三、声放射Kaiser效应法测定地应力大小声声发发射射信信号号数数应力应力凯塞尔效应点凯塞尔效应点岩石在施加岩石在施加载载荷荷过过程中，岩程中，岩石微石微单单元破坏而元破坏而发发出声波信出声波信号，当号，当载载荷超荷超过过岩心曾受到岩心曾受到的最大的最大应应力状力状态时态时，其放射，其放射的的这这种信号会明种信号会明显显增大，用增大，用专专用用仪仪器可以器可以监测监测出出这这种信种信号的号的
17、变变更，由此可更，由此可测测出岩石出岩石在地下在地下时时所受的所受的应应力。力。取心方式与试验设备加加载载装置装置声信号接收声信号接收设备设备试验步骤：试验步骤：o加工好的岩加工好的岩样样套上橡胶封隔套，装入高套上橡胶封隔套，装入高压压釜中；釜中；o加加围压围压至至设设定定值值，并使之保持恒定；，并使之保持恒定；o以恒定的加以恒定的加载载速速给给岩岩样样施加向施加向载载荷；荷；记录记录下加下加载过载过程程中岩中岩样样内部微破坏所内部微破坏所发发出的声放射信号出的声放射信号o将向将向载载荷卸致零，荷卸致零，进进行其次次加行其次次加载载；o绘绘出二次加出二次加载过载过程中的声放射信号程中的声放射信
18、号载载荷的荷的变变更曲更曲线线。问题：施加围压的目的是什么？问题：施加围压的目的是什么？Kaiser效应试验结果的说明o依据多孔依据多孔弹弹性介性介质质力学理力学理论论，从井壁受力状，从井壁受力状态动态动身，通身，通过过测测出地出地层层裂开裂开压压力，裂隙重力，裂隙重张压张压力，裂隙力，裂隙闭闭合合压压力，可求力，可求出最大、最小水平主地出最大、最小水平主地应应力。力。o水力水力压压裂裂试验试验可以比可以比较较精确地精确地测测定最小水平主地定最小水平主地应应力。力。测测量最大水平主地量最大水平主地应应力的精度受地力的精度受地层层孔隙度、渗透率、孔隙孔隙度、渗透率、孔隙连连通性影响通性影响较较大
19、。大。四、现场水压致裂法测量地应力大小现场水力压裂试验法是目前现场水力压裂试验法是目前进行深部确定应力测量的最进行深部确定应力测量的最干脆方法。这种方法依据试干脆方法。这种方法依据试验测定地层裂开压力、瞬时验测定地层裂开压力、瞬时停泵压力、裂缝重张压力，停泵压力、裂缝重张压力，接受上述压力值反算水平地接受上述压力值反算水平地应力。应力。现场水压致裂法(after Gaarenstroom et al.,1993)volume监测裂缝扩展和关井后的压监测裂缝扩展和关井后的压力，精确确定最小主应力力，精确确定最小主应力典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线裂开漏失裂开漏失停泵停泵裂缝闭合裂缝
20、闭合裂缝重张裂缝重张时间时间井井口口压压力力利用水力压裂试验数据计算地应力：地地层层裂开裂开压压力（力（Pf）：地）：地层层裂开裂开产产生流体漏失生流体漏失时时的井底的井底压压力。力。裂裂缝缝重重张压张压力（力（Pr）：使一个已存在的裂）：使一个已存在的裂缝缝重新重新张张开开时时的井底的井底压压力。力。裂裂缝闭缝闭合合压压力（力（PFcp）：使一个存在的裂）：使一个存在的裂缝缝保持保持张张开开时时的最小的最小井底井底压压力，它等于作用在岩体上垂直裂力，它等于作用在岩体上垂直裂缝缝面的法向面的法向应应力，即最力，即最小水平主地小水平主地应应力。力。瞬瞬时时停停泵压泵压力（力（PISIP）：关）：
21、关泵泵瞬瞬间间的裂的裂缝缝中的中的压压力。它一般力。它一般大于大于PFcp，两者之，两者之间间的差的差别别一般在一般在0.17MPa之之间变间变更，它取更，它取决决压压裂工裂工艺艺及岩石性及岩石性质质。在低渗透性地。在低渗透性地层层，两者近似相等。，两者近似相等。利用水力压裂试验数据计算地应力：水平最小主水平最小主应应力与裂力与裂缝闭缝闭合合压压力近似相等。力近似相等。地地层层抗拉抗拉强强度等于裂开度等于裂开压压力与地力与地层层重重张压张压力的差力的差值值。思 考 题1.查阅文献，了解测量地应力大小和方向的其他方法。查阅文献，了解测量地应力大小和方向的其他方法。2.水力压裂方法和声放射水力压裂
22、方法和声放射Kaiser效应方法测量地应力大小效应方法测量地应力大小的优缺点各是什么？的优缺点各是什么？第三节第三节 地应力纵横向分布的计算地应力纵横向分布的计算p 地应力纵向分布状况：基于测井数据的计地应力纵向分布状况：基于测井数据的计算模型分析算模型分析p 地应力横向分布状况：数值计算方法分析地应力横向分布状况：数值计算方法分析勘探和勘探和评评价价阶阶段：段：断层封闭性评价断层封闭性评价孔隙压力预测孔隙压力预测井壁稳定性预测井壁稳定性预测开开发阶发阶段：段：井壁稳定性分析井壁稳定性分析斜井斜井/水平井设计水平井设计压裂方案设计压裂方案设计射孔方案设计射孔方案设计注水井注水井/加密井方案设计
23、加密井方案设计生生产阶产阶段：段：孔隙压力降低引起的地层变形孔隙压力降低引起的地层变形套管损害分析套管损害分析出砂预测与防砂方案设计出砂预测与防砂方案设计地应力探讨在石油工程中的应用地应力计算的基础 地层孔隙压力地地层层孔隙孔隙压压力分析一般接受声波力分析一般接受声波时时差法，基于欠差法，基于欠压实压实理理论论，具体有具体有阅历阅历系数法、等效深度法、系数法、等效深度法、Eaton法等，国内外法等，国内外应应用用最多的是最多的是Eaton法。法。正常压实欠压实地层孔隙压力的纵向分布地应力纵向分布计算模型H水水平平构构造造应应力力地应力纵向分布计算模型中国石油高校（北京）黄荣樽教授，中国石油高校
24、（北京）黄荣樽教授，“六五六五”模型：模型：地应力纵向分布计算模型组组合合弹弹簧模型：簧模型：地应力纵向分布计算模型葛洪魁地葛洪魁地应应力力阅历阅历关系式：关系式：地应力纵向分布计算结果地应力横向分布状况的计算对对于区域地于区域地应应力横向分布力横向分布规规律的探律的探讨则讨则主要通主要通过过有有限元数限元数值值模模拟拟以及板壳法模以及板壳法模拟拟。二维平面模型有限二维平面模型有限单元网格图单元网格图 特点：能特点：能够够反反映断映断层层的影响的影响地应力横向分布状况的有限元模拟有限元数有限元数值值模模拟拟借助借助ANSYS软软件模件模拟拟地地应应力力场场横向分布。横向分布。板壳法计算地应力场：板壳法计算地应力场：板受力板受力-弯曲变形弯曲变形-曲率变更曲率变更-地层受力地层受力-地应力地应力地应力横向分布状况板壳法模拟板壳法计算地应力场计算公式板壳法计算地应力场的探讨区域板壳法计算地应力场的计算结果感谢！感谢！