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1、岩 石 力 学Rock Mechanics,地 应 力,谭 强 13269601981,主 要 内 容,第一节 概 述第二节 地应力的测量方法第三节 地应力纵横向分布的计算,第一节 概 述,一、天然应力的概念1.天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。2.重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体应力称为重布应力或二次应力。,第一节 概 述,一般情况下主地应力表示方法,概 述,主应力空间,地应力是场函数地应力又称为地应力场有大小和方向,概 述,水平最大地应力,水平最小地应力,1.构成：
2、 岩体自重自重应力 构造运动构造应力 流体作用静水压力梯度，渗流应力 其它（地温、地球化学作用等）,二、天然应力的构成及起源,自重引起的天然应力场,二、天然应力的构成及起源,起源（主要指构造运动的起源）：板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化,二、天然应力的构成及起源,地幔热对流,板块运动,地球表面一个板块对于另一个板块的相对运动。,东非大裂谷，由于地壳断裂运动，形成于大约3000万年前。,我国西部山前构造，由于板块挤压，形成高陡地层。,地球自转速度的变化,长期减慢周期性变化不规则变化,科里奥利力：由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力。,1.研究历史 1878年海姆提出天然应力（静水
3、应力说）1932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天然应力到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。,三、天然应力的研究历史,胡佛水坝：位于美国科罗拉多河上，坝高221.4m,我国从50年代末开始天然应力量测,三、天然应力的研究历史,李四光教授是中国地应力测量的创始人，提出“地应力的探测是地质力学具有重大实际意义的一个新方面 ”。,地质学家李四光教授,西南：印度板块向NNE挤压,东部：太平洋板块向W俯冲,北部：西伯利亚板块阻挡,南部：菲律宾板块向N俯冲,World Stress Map,Anderson理论断层类型与主
4、应力关系,正断层与地应力,典型应力状态： sv = s1 sHmax = s2sHmin = s3,走滑断层与地应力,sHMAX,典型应力状态： sHMAX = s1 sv = s2 sHmin = s3,逆断层与地应力,compression,四、进行地应力研究的意义：,是所有地质力学问题中重要的初始条件； 是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数； 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数； 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；,A Borehole in a Stress Field,z,x,y,2,p,Effective stresses:1 = 1 -
5、p2 = 2 - p3 = 3 - p p = pore pressure,Here, v = 2, HMAX = 1,hmin = 3, and1 2 3,Hole inclinationparameters,Coordinates parallelto earths surface,Principal stresses,Principal stresses areusually parallel andnormal to the surface.,Drilling Direction and Stress,v HMAX hmin,hmin,HMAX,v,HMAX v hmin,HMAX v
6、 hmin,v,hmin,HMAX,v,hmin,HMAX,The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis,60 cone,Drill within a 60cone (30) from the mostfavored direction,Favored holeorientation,In highly differential stressfields, the proper choice of anin
7、clined hole facilitates drilling,第二节 地应力的测量方法,垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）；在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力： sv = rgz （密度重力加速度深度）通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得；在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；,垂直主应力的求取：,测量的对象：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 声发射Kaiser效应 岩心差应变实验法,地应力方向的测量方法：井壁崩落椭圆法 地质力学方法 压裂裂缝监测法,水平主应力的测量：,一、构造地质力学方法判断水平地应力方向,正断层：水平最大主应力与断层走向平行
8、。,逆断层：水平最大主应力与断层走向垂直。,走滑断层：水平最大主应力与断层走向平行。,分析实例,二、井壁崩落椭圆法判断水平地应力方向,井壁发生坍塌后的井眼形状与井眼钻开后应力的重分布有关,一般情况下，井壁坍塌形成的椭圆形井眼，长轴与最大水平主地应力方向垂直（理论依据是什么？）,井眼坍塌破坏形状,节理破碎地层塌块大，井眼长轴在最大水平地应力方位,完整地层塌块小，井眼长轴在最小水平地应力方位,井眼坍塌长轴方向的变化,水平最小主应力,水平最小主应力,水平最大主应力,井壁崩落椭圆资料的获取：,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：(双井径测井原理),一个方向的井径近似等于钻
9、头直径，另一个方向的井径有明显扩大。 井壁崩落椭圆段必须有一定长度。 在长度范围内崩落椭圆的长轴方位基本一致。,根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取与识别,利用成像测井判断地应力方向,拉伸裂缝方向为水平最大主应力方向井壁坍塌方向为水平最小主应力方向二者相差90,井周地层应力状态,三、声发射Kaiser效应法测定地应力大小,岩石在施加载荷过程中，岩石微单元破坏而发出声波信号，当载荷超过岩心曾受到的最大应力状态时，其发射的这种信号会明显增大，用专用仪器可以监测出这种信号的变化，由此可测出岩石在地下时所受的应力。,取心方式与实验设备,加载装置,声
10、信号接收设备,实验步骤：,加工好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中；加围压至设定值，并使之保持恒定；以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载过程中岩样内部微破坏所发出的声发射信号将向载荷卸致零，进行第二次加载；绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲线。,问题：施加围压的目的是什么？,Kaiser效应试验结果的解释,根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发，通过测出地层破裂压力，裂隙重张压力，裂隙闭合压力，可求出最大、最小水平主地应力。水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度、渗透率、孔隙连通性影响较大。,四、现场水压致裂法测量地应力大小,
11、现场水力压裂试验法是目前进行深部绝对应力测量的最直接方法。这种方法根据试验测定地层破裂压力、瞬时停泵压力、裂缝重张压力，采用上述压力值反算水平地应力。,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力，准确确定最小主应力,典型的水力压裂试验曲线,典型的水力压裂试验曲线,破裂漏失,停泵,裂缝闭合,裂缝重张,时间,井口压力,利用水力压裂试验数据计算地应力：,地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力。裂缝重张压力（Pr）：使一个已存在的裂缝重新张开时的井底压力。裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开
12、时的最小井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最小水平主地应力。瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于PFcp，两者之间的差别一般在0.17MPa之间变化，它取决压裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等。,利用水力压裂试验数据计算地应力：,水平最小主应力与裂缝闭合压力近似相等。地层抗拉强度等于破裂压力与地层重张压力的差值。,思 考 题,查阅文献，了解测量地应力大小和方向的其他方法。水力压裂方法和声发射Kaiser效应方法测量地应力大小的优缺点各是什么？,第三节 地应力纵横向分布的计算,地应力纵向分布情况：基于测井数据的计算模型分析 地应力横向分布情
13、况：数值计算方法分析,地应力研究在石油工程中的应用,地应力计算的基础 地层孔隙压力,地层孔隙压力分析一般采用声波时差法，基于欠压实理论，具体有经验系数法、等效深度法、Eaton法等，国内外应用最多的是Eaton法。,地层孔隙压力的纵向分布,地应力纵向分布计算模型,地应力纵向分布计算模型,中国石油大学（北京）黄荣樽教授，“六五”模型：,地应力纵向分布计算模型,组合弹簧模型：,地应力纵向分布计算模型,葛洪魁地应力经验关系式：,地应力纵向分布计算结果,地应力横向分布情况的计算,对于区域地应力横向分布规律的研究则主要通过有限元数值模拟以及板壳法模拟。,二维平面模型有限单元网格图,特点：能够反映断层的影响,地应力横向分布情况的有限元模拟,有限元数值模拟借助ANSYS软件模拟地应力场横向分布。,板壳法计算地应力场： 板受力- 弯曲变形-曲率变化- 地层受力-地应力,地应力横向分布情况板壳法模拟,板壳法计算地应力场计算公式,板壳法计算地应力场的研究区域,板壳法计算地应力场的计算结果,谢谢！,
