巖石力學(xué)第七章原地應(yīng)力

關(guān)于巖石力學(xué)第七章原地應(yīng)力

構(gòu)造應(yīng)力(structuralstresses)：由構(gòu)造運(yùn)動在巖體中引起的應(yīng)力叫構(gòu)造應(yīng)力。在地質(zhì)力學(xué)中常把構(gòu)造應(yīng)力叫做地應(yīng)力，是指導(dǎo)致構(gòu)造運(yùn)動、形成各種構(gòu)造形跡的那部分應(yīng)力。第2頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

古地應(yīng)力和現(xiàn)今地應(yīng)力：古地應(yīng)力指某一地質(zhì)時(shí)期或某一重要地質(zhì)事件以前的地應(yīng)力,現(xiàn)今地應(yīng)力是目前存在的或正在活動的地應(yīng)力。分析構(gòu)造形跡形成機(jī)理主要涉及古地應(yīng)力，而石油工程則主要關(guān)心現(xiàn)今地應(yīng)力。第3頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

殘余應(yīng)力（residualstress

）：殘余應(yīng)力指除去外力作用以后，尚殘存在巖石中的應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力很小，往往只有零點(diǎn)幾兆帕，所以常忽略不計(jì)。

重力應(yīng)力（gravity

stress

）：指由于上覆巖層（overburden）的重量引起的地應(yīng)力分量，特別指由于上覆巖層的重量產(chǎn)生的水平應(yīng)力（horizontalstress）大小。第4頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

熱應(yīng)力：熱應(yīng)力是指由于地層溫度發(fā)生變化在其內(nèi)部引起的內(nèi)應(yīng)力增量，熱應(yīng)力主要與溫度的變化和巖石剛度和熱學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

分層地應(yīng)力：是指按地層分層分別給出不同層位的地應(yīng)力值，非常重要的是給出相鄰地層的應(yīng)力差。

地應(yīng)力場：地應(yīng)力在空間的分布情況。第5頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

二、地應(yīng)力的分類:1971年加拿大第七屆巖石力學(xué)討論會上，對地應(yīng)力從礦山應(yīng)用的角度進(jìn)行了分類:第6頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

三、地應(yīng)力的描述方法

由于巖石經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)時(shí)期，并經(jīng)受了多次復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動（structuralmovement

），使得巖石的原地應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜。為滿足工程需要，一般認(rèn)為原地應(yīng)力狀態(tài)由上覆巖層壓力（overburdenpressure）和兩個(gè)水平方向的主應(yīng)力（principalstress

）組成。如圖7-1所示建立參考坐標(biāo)系，xy構(gòu)成水平面，x方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向，y方向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力方向，z方向?yàn)殂U垂方向。第8頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共172頁，2024年2月25日，星期天通常認(rèn)為原地應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的原因有二：一是上覆巖層（overburden

）的重力；二是由構(gòu)造運(yùn)動（structuralmovement

）產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力(tectonicstresses)

。第10頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)初始應(yīng)力的組成與計(jì)算

1、巖體自重應(yīng)力場垂直應(yīng)力：—平均密度，KN/m3側(cè)壓力：H—總深度（m）—側(cè)壓力系數(shù)

的取值有4種可能圖6-1巖體自重垂直應(yīng)力第11頁,共172頁，2024年2月25日，星期天（1）巖體假定處于彈性狀態(tài)

由推出得：巖體由多層不同性質(zhì)巖層組成時(shí)(圖6-2)第j層應(yīng)力：原始垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力：第12頁,共172頁，2024年2月25日，星期天圖6-2自重垂直應(yīng)力分布第13頁,共172頁，2024年2月25日，星期天（2）Heim假設(shè)（塑性狀態(tài)）

當(dāng)原始應(yīng)力超過一定的極限，巖體就會處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)。（相當(dāng)于）（3）巖體為理想松散介質(zhì)（風(fēng)化帶、斷層帶）由極限平衡理得第14頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共172頁，2024年2月25日，星期天（4）當(dāng)松散介質(zhì)有一定粘聚力時(shí)

注：當(dāng)說明無側(cè)壓力

側(cè)壓力為：無側(cè)壓力深度第16頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共172頁，2024年2月25日，星期天2、巖體構(gòu)造應(yīng)力（判斷、測試，不能計(jì)算）

當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力存在時(shí)。

3、影響巖體初應(yīng)力狀態(tài)的其它因素（1）地形-自重的減小或增大圖6－7地形對初應(yīng)力的影響第18頁,共172頁，2024年2月25日，星期天（2）地質(zhì)條件對初應(yīng)力的影響。

圖6-8背斜褶曲對地應(yīng)力的影響圖6-9斷層對地應(yīng)力的影響第19頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

（3）水壓力、熱應(yīng)力

孔隙水壓力、流動水壓力(影響小，可不計(jì))、靜水壓力（懸浮作用）熱膨冷縮在巖體中產(chǎn)生熱應(yīng)力。地溫升高會使巖體內(nèi)地應(yīng)力增加，一般地溫梯度：巖體的體膨脹系數(shù)：，巖體彈模E=104MPa；地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為：

z--深度/m。溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。返回第20頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

假設(shè)構(gòu)造運(yùn)動不影響垂向原地應(yīng)力，只產(chǎn)生水平方向的原地應(yīng)力分量，則原應(yīng)力狀態(tài)可描述為：鉛垂主應(yīng)力（上覆巖層壓力）最大水平主應(yīng)力最小水平主應(yīng)力

其中為埋深為z處的巖石密度，g為重力加速度。

第21頁,共172頁，2024年2月25日，星期天考慮孔隙壓力的影響，原地應(yīng)力狀態(tài)表示為：第22頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

影響原地應(yīng)力狀態(tài)的因素很多：

一、地表形狀對于平坦的地表，平均鉛垂應(yīng)力分量應(yīng)當(dāng)接近深度應(yīng)力。對于形狀不規(guī)則的地表，任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（stressstate）可以認(rèn)為是由深度應(yīng)力和地表超載的不規(guī)則分布所引起的應(yīng)力分量合成的。第二節(jié)

影響原地應(yīng)力狀態(tài)的因素第23頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

例如V型槽谷底部附近的地區(qū)，這種地表形狀在這種地方可能會產(chǎn)生比鉛垂應(yīng)力分量更高的水平應(yīng)力分量。但是，不規(guī)則的地表形狀對原地應(yīng)力狀態(tài)的影響隨著該點(diǎn)在地表下深度的增加而迅速降低，因此這一因素，只對近地表的巖土工程項(xiàng)目有意義。第24頁,共172頁，2024年2月25日，星期天圖7-2地表形貌對原地應(yīng)力的影響

(a)不規(guī)則的地表形貌

(b)地表輪廓的線性化

(c)V形槽谷第25頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

二、殘余應(yīng)力（residualstress

）由于巖體的非均勻冷卻，或者巖體雖然是均勻冷卻的，但與其相鄰的巖石單元的熱膨脹系數(shù)卻不相同，于是在巖體內(nèi)部就會產(chǎn)生殘余應(yīng)力（residualstress

）。巖石介質(zhì)中各種局部的礦物變化也會引起殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。巖體中的局部再結(jié)晶過程可能產(chǎn)生體積應(yīng)變。礦物集合體含水量的變化，也會產(chǎn)生應(yīng)變（strain

）和殘余應(yīng)力。

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要全面掌握巖層各組成部分的熱力學(xué)歷史和細(xì)微的地質(zhì)進(jìn)化過程，在目前實(shí)際是不可能的，因此殘余應(yīng)力問題仍然構(gòu)成一種制約因素，使得基本力學(xué)原理或詳盡的地質(zhì)調(diào)查都無法對巖體中的應(yīng)力狀態(tài)做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。第27頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

三、包體

包體是在原巖巖體的層間生成的巖石單元。例如巖墻、巖床以及諸如石英、瑩石一類礦物的礦脈。巖體中形狀近于平面的垂直包體的存在，可能以兩種方式影響原巖應(yīng)力狀態(tài)：第一，如果包體是在抵抗圍壓的水平阻力的作用下形成的，那么在垂直于包體平面的方向上會作用一個(gè)高應(yīng)力分量；第28頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

第二，與包體與圍巖彈性模量（elasticmodulus

）的差異有關(guān)。系統(tǒng)中的任何載荷，在包體中產(chǎn)生的應(yīng)力都與原巖巖體的應(yīng)力值不同，較硬的包體將承受較高的應(yīng)力狀態(tài)，反之亦然。如果原巖與包體的彈性模量不同，原巖中靠近包體的地方就會出現(xiàn)很高的應(yīng)力梯度（

stress

gradient

）。第29頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

四、構(gòu)造應(yīng)力(tectonicstresses)

多次復(fù)雜的地殼運(yùn)動，使地下產(chǎn)生了極其復(fù)雜的不同形態(tài)、不同方位、不同性質(zhì)、不同等級以及不同次序的構(gòu)造形跡，就是說構(gòu)造應(yīng)力場實(shí)質(zhì)上是隨時(shí)間演化的、非穩(wěn)定應(yīng)力場。

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按時(shí)期，構(gòu)造應(yīng)力場可劃分為古構(gòu)造應(yīng)力場和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場。就其研究范圍而言，構(gòu)造應(yīng)力場又可分為局部構(gòu)造應(yīng)力場（某一構(gòu)造單元的應(yīng)力分布規(guī)律）、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場（某一地區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律）及全球構(gòu)造應(yīng)力場。由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，使得原地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生很大的變化，最大水平地應(yīng)力有可能超過上覆巖層壓力。

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五、裂隙組及不連續(xù)面裂隙的存在影響著介質(zhì)中應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使得巖體的應(yīng)力分布變得更加復(fù)雜。

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巖體斷裂本質(zhì)上是一種能量耗散與應(yīng)力重新分布的過程。破碎后的應(yīng)力狀態(tài)可以由保持破裂面平衡條件的要求來確定，它與斷裂前的應(yīng)力狀態(tài)（stressstate

）沒有什么關(guān)系。即從初始狀態(tài)出發(fā)估計(jì)巖體周圍應(yīng)力狀態(tài)是極其困難的。要成功地確定原地應(yīng)力狀態(tài)就必須有一個(gè)確定局部應(yīng)力張量的方法。第33頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

由于確定原地應(yīng)力狀態(tài)是評價(jià)地下工程穩(wěn)定與否的前提條件，所以，人們花費(fèi)了大量精力研制應(yīng)力測量設(shè)備并探討應(yīng)力測量的方法。

第三節(jié)確定原地應(yīng)力的方法第34頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

地應(yīng)力測量技術(shù)，分巖心測試和礦場測試兩種。巖心測試主要有：差應(yīng)變分析(differentialstrainanalysis

)、滯彈性應(yīng)變分析

、波速(acousticvelocity)各向異性(anisotropic)分析

、聲發(fā)射(Kaiser效應(yīng))等，其中，聲發(fā)射(acousticemission)比較容易測試，應(yīng)用的也比較廣泛。第35頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

礦場測試以水力壓裂為主。近些年利用井壁崩落(boreholewall

break-out)反演地應(yīng)力呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。對深層地應(yīng)力的求測，水力壓裂(hydraulicfracture)測定技術(shù)是公認(rèn)的最準(zhǔn)確的和有效的方法，井壁崩落可給出較可靠的地應(yīng)力方位；其它技術(shù)多為間接測定方法。須采用多種方法對比使用，才能給出比較可靠的數(shù)據(jù)。第36頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

一、現(xiàn)場測量：對于現(xiàn)場測量方法，從測量方法的原理來看，可以分為截然不同的兩種方法:A采用鉆孔來接近量測地點(diǎn),確定鉆孔壁的應(yīng)變或鉆孔其它變形;B在鉆孔壁上的特定位置測定環(huán)向正應(yīng)力分量。第37頁,共172頁，2024年2月25日，星期天1、應(yīng)變測試方法最常見的一組方法是確定鉆孔壁的應(yīng)變或鉆孔其它變形，這些變形是由于套鉆放置測量儀器的那部分鉆孔而產(chǎn)生的。如果在這個(gè)應(yīng)力解除過程中測得了足夠多的應(yīng)力和應(yīng)變，那么，利用彈性理論的解法可以從實(shí)測數(shù)據(jù)直接求出場應(yīng)力張量的六個(gè)應(yīng)力分量。第38頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

2、應(yīng)力測試方法

以壓力枕量測和水力壓裂為代表，在鉆孔壁上的特定位置測定環(huán)向正應(yīng)力分量。在每個(gè)位置，法向應(yīng)力分量通過施加在測槽上的壓力得到，這個(gè)壓力與作用在與測槽垂直方向上的局部法向應(yīng)力分量相平衡。每個(gè)測量位置的環(huán)向應(yīng)力可能直接與測試現(xiàn)場在鉆孔之前的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

第39頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

3、水力壓裂(hydraulicfracture)地應(yīng)力測試方法

水力壓裂法是目前最準(zhǔn)確的地應(yīng)力測試方法(主要是指最小水平主應(yīng)力和地應(yīng)力方向)，它的結(jié)果往往作為檢驗(yàn)其他方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。在利用油層壓裂數(shù)據(jù)進(jìn)行地應(yīng)力分析時(shí)，可以用裂縫閉合壓力（crackclosurepressure）給出較為準(zhǔn)確的最小地應(yīng)力數(shù)據(jù)，并根據(jù)裂縫擴(kuò)展（fracturepropagation）方位確定最大水平地應(yīng)力方向。第40頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

選擇合適層位；利用低排量泵注設(shè)備、井下關(guān)閉裝置和井下壓力計(jì)；采用適當(dāng)?shù)氖┕し桨?；進(jìn)行幾個(gè)完整周期的壓裂；利用多種裂縫閉合壓力（fractureclosurepressure）識別方法；可提高水力壓裂地應(yīng)力測試和解釋的精度。第41頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

另外，大多數(shù)情況下井眼條件為套管井射孔而非裸眼。套管和水泥環(huán)的存在以及射孔方位對施工壓力有較大影響，現(xiàn)有的水力壓裂最大水平地應(yīng)力計(jì)算公式是建立在裸眼井基礎(chǔ)上的，因此，不能用套管井水力壓裂數(shù)據(jù)計(jì)算最大水平主應(yīng)力。第42頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

二、實(shí)驗(yàn)室測量室內(nèi)測量的主要方法有滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法(ASR)、差應(yīng)變分析(differentialstrainanalysis)法、聲發(fā)射法等。

第43頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

1、滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法是利用巖石的彈性后效，從現(xiàn)場取出巖心后，當(dāng)巖心的恢復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定后，測量巖心不同方位的應(yīng)變釋放量，這種應(yīng)變增加可以延續(xù)幾十個(gè)小時(shí)，被稱為滯彈性應(yīng)變恢復(fù)。根據(jù)滯彈性應(yīng)變恢復(fù)曲線，可以反演地應(yīng)力的大小和相對于巖心的地應(yīng)力方向。

第44頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共172頁，2024年2月25日，星期天地應(yīng)力測量從原理上可分為直接測量和間接測量兩大類。前者通過測量巖石的破裂直接確定應(yīng)力。后者通過測量巖石的變形和物性變化來反演地應(yīng)力。例如根據(jù)巖石受力時(shí)的變形特征、彈性波速變化、電阻率變化、聲發(fā)射特性和礦物顆粒的顯微構(gòu)造變化確定介質(zhì)的受力狀態(tài)。地應(yīng)力測量從內(nèi)容上可分為絕對值測量和相對值測量。前者測量巖石所承受應(yīng)力的實(shí)際數(shù)值及方向，后者是測量固定點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間的變化。第46頁,共172頁，2024年2月25日，星期天到目前為止，地殼絕對應(yīng)力的研究方法可以分為四大類，一是利用資料進(jìn)行定性分析的方法，如火山噴道、斷層類型、油井井眼穩(wěn)定情況、取心收獲率、區(qū)域應(yīng)力場、地形起伏、地質(zhì)構(gòu)造、震源機(jī)制等，這些資料可以定性地給出大范圍應(yīng)力場的分布情況與特點(diǎn)，很難進(jìn)行精確的應(yīng)力場研究。

第47頁,共172頁，2024年2月25日，星期天二是礦場應(yīng)力測量，如水力壓裂應(yīng)力測量，井壁崩落應(yīng)力方位測量，套心應(yīng)力解除等等。這些方法可以給出比較準(zhǔn)確的地應(yīng)力測量結(jié)果，精確地描述應(yīng)力場特點(diǎn)。但是深部地應(yīng)力測量，代價(jià)昂貴。國內(nèi)為了地應(yīng)力測量而鉆的井深度至今不超過1500m。大部分水力壓裂地應(yīng)力測量是結(jié)合油層水力壓裂增產(chǎn)措施來進(jìn)行。

第48頁,共172頁，2024年2月25日，星期天三是巖心測量。由于巖心測量可以在室內(nèi)測定，不需要大量的現(xiàn)場設(shè)備和人員，也有廣泛的應(yīng)用。如差應(yīng)變分析、波速各向異性測定、滯彈性應(yīng)變分析、聲發(fā)射（Kaiser效應(yīng)）測定等。但巖心地應(yīng)力測量只能給出地應(yīng)力相對于巖心的方位，如何給出巖心在地下原位的方位則是該方法的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。另外，巖心測量時(shí)，很難完全模擬井下條件，而且?guī)r心采樣深度也不太精確。四是地應(yīng)力計(jì)算，如地應(yīng)力場有限元數(shù)值模擬、地應(yīng)力測井解釋、鉆進(jìn)參數(shù)反演地震震源機(jī)制解等。

第49頁,共172頁，2024年2月25日，星期天1差應(yīng)變分析

地層中的巖石處在三向地應(yīng)力作用下而處于壓縮狀態(tài)下，進(jìn)行取心時(shí)，巖心脫離應(yīng)力作用環(huán)境，產(chǎn)生彈性應(yīng)力釋放，伴隨應(yīng)力的釋放在應(yīng)力最大的方向上變形最大，而在應(yīng)力最小的方向上變形最小。把已發(fā)生應(yīng)力釋放的巖心，在垂直平面和兩個(gè)水平平面上（夾角90度）貼上應(yīng)變片，并放置于高壓容器中，在σ1=σ2=σ3的應(yīng)力條件下，進(jìn)行恢復(fù)性的加載，在加載的過程中，三個(gè)方向的應(yīng)變量出現(xiàn)差異，在原始應(yīng)力最大的方向應(yīng)變量最大；在原始應(yīng)力最小的方向應(yīng)變量最小。通過測試上述巖心各方向的應(yīng)變之差，就可知道這塊巖心在地層中所受的應(yīng)力狀態(tài)。第50頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共172頁，2024年2月25日，星期天2滯彈性應(yīng)變恢復(fù)

當(dāng)取出巖心的恢復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定后，除發(fā)生瞬態(tài)應(yīng)變恢復(fù)外，在進(jìn)行連續(xù)應(yīng)變觀測時(shí)，仍然可以觀測到一個(gè)微小的應(yīng)變增加，這種應(yīng)變增加可以延續(xù)幾十個(gè)小時(shí)，被稱為滯彈性應(yīng)變恢復(fù)。根據(jù)滯彈性應(yīng)變恢復(fù)曲線可以反演地應(yīng)力的大小和相對于巖心的地應(yīng)力方向。第52頁,共172頁，2024年2月25日，星期天3波速各向異性

地層中的巖石是處在三向應(yīng)力作用狀態(tài)下的，當(dāng)鉆井取心時(shí)巖石脫離應(yīng)力作用狀態(tài)，自身將產(chǎn)生應(yīng)力釋放，在應(yīng)力釋放過程中巖石會產(chǎn)生許多十分微小的裂隙，由于在最大水平地應(yīng)力方向上巖心的松弛變形最大，因此，這些小裂隙將垂直最大水平主應(yīng)力方向，裂隙被空氣所充填，聲波在巖石中傳播的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在空氣中傳播的速度，由于巖心中微小裂隙的存在使得聲波在巖心的不同方向上傳播的速度不同，有明顯的各向異性特征。巖石在原地層中所受應(yīng)力大的方向上聲波傳播速度慢，反之在所受應(yīng)力較小的方向上，聲波傳播速度則較快。第53頁,共172頁，2024年2月25日，星期天4巖心磁定向

巖石的磁性是由其所含的鐵磁性物質(zhì)所決定的，不同巖石有不同的成巖過程，因而獲得磁化的機(jī)制也不同，例如火成巖，不論是噴發(fā)巖或侵入巖，它們都是從熔融狀態(tài)的巖漿，在地磁場中冷卻而獲得磁化的。在其冷卻過程中當(dāng)溫度下降至其所含鐵磁性礦物的居里點(diǎn)溫度時(shí)，這些鐵磁性礦物就被當(dāng)時(shí)的地磁場所磁化，獲得熱剩磁（TRM），從而使整個(gè)巖石獲得了總體磁化。這個(gè)總磁化是與當(dāng)時(shí)的地磁場密切相關(guān)的，其磁化方向完全一致，因而可靠地記錄了成巖年代地磁場的各種信息。第54頁,共172頁，2024年2月25日，星期天沉積巖在成巖過程中，沒有經(jīng)過高溫磁化這個(gè)過程，但由于構(gòu)成沉積巖的各種小顆粒，是從火成巖上風(fēng)化剝蝕下來的的已被磁化的微小顆粒，這些微小顆粒就象一個(gè)一個(gè)小磁針，在沉積脫水固結(jié)過程中，在當(dāng)?shù)卮艌鲎饔孟露ㄏ蚺帕校瑥亩拐麄€(gè)沉積巖體獲得一個(gè)與當(dāng)時(shí)地磁場有關(guān)的總體剩磁，這個(gè)總體剩磁在一個(gè)地區(qū)沉積巖體磁化方向是一致的，這樣獲得的剩磁叫做沉積剩磁或碎屑剩磁。我們從鉆井井下取出的巖心基本上都含碎屑剩磁。4巖心磁定向

第55頁,共172頁，2024年2月25日，星期天描述某點(diǎn)的地磁場，一般用磁偏角D，磁傾角I，總磁強(qiáng)度F，垂直強(qiáng)度Z，北向分量強(qiáng)度x，東向分量強(qiáng)度y等七個(gè)參數(shù)（通稱七要素）。規(guī)定磁偏角D是以磁北為零點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正值（0°～360°），磁傾角I，是以水平方向?yàn)榱泓c(diǎn)，向下為正值，向上為負(fù)值（-90°～90°）。一般只用三個(gè)參數(shù)就可以完全說明某一取樣點(diǎn)的磁場狀況，如使用磁偏角D，磁傾角I，剩磁強(qiáng)度F。4巖心磁定向

第56頁,共172頁，2024年2月25日，星期天古地磁的結(jié)果是建立在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析基礎(chǔ)上的結(jié)果。因此，必須有足夠的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均。用古地磁確定地層深部巖心方向及應(yīng)力方向是比較可行的方法，它比較省錢，可直接在現(xiàn)場測定，這將對研究石油地質(zhì)中的地層斷裂走向及分布，地層產(chǎn)狀，地層中三向應(yīng)力分布方向等，提供一個(gè)有效手段。4巖心磁定向

第57頁,共172頁，2024年2月25日，星期天5應(yīng)力解除法

該法是在國外普遍采用的方法，它是在假定巖體是各向同性、均勻連續(xù)的彈性體的前提下，將測量元件裝設(shè)在巖體中的鉆孔里，在其元件周圍的巖體上套孔或掏槽，使裝有元件的巖心與周圍巖體分開，即解除巖體中的應(yīng)力對巖心的作用，巖心發(fā)生彈性恢復(fù)而變形，測量元件的測量值發(fā)生變化。根據(jù)不同方向上測量值變化的大小，計(jì)算出地應(yīng)力值的大小和方向。第58頁,共172頁，2024年2月25日，星期天5應(yīng)力恢復(fù)法

此法的一種辦法是液壓平面千斤頂法，它起源于法國，后在許多國家廣泛應(yīng)用。其主要操作過程是在巖石表面先安裝測量應(yīng)變的儀器，然后開挖槽將液壓千斤頂放入，并充填水泥等漿料，待其固結(jié)后用泵給千斤頂加壓，使應(yīng)變儀的讀數(shù)恢復(fù)到開挖槽以前的讀數(shù)，這時(shí)壓力計(jì)上的測值便可用來推算應(yīng)力。第59頁,共172頁，2024年2月25日，星期天6火山噴道取向的觀測

第一類的地質(zhì)指標(biāo)為線性火山噴道，包括火山巖脈和渣錐排列。若把火山噴道的形成看作是巖石的張性破裂，則巖脈應(yīng)順著與最小主應(yīng)力軸垂直的平面侵入。有相當(dāng)多的例子表明，盡管早期結(jié)構(gòu)含有相當(dāng)多的先存破裂和斷層，當(dāng)巖脈穿過此結(jié)構(gòu)時(shí)，其方向仍保持一致。第60頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第61頁,共172頁，2024年2月25日，星期天7超顯微構(gòu)造古應(yīng)力估算方法70年代后期以來，對于巖石超顯微構(gòu)造的研究取得顯著的進(jìn)步，利用礦物顆粒受到構(gòu)造應(yīng)力作用后，在電子顯微鏡下所表現(xiàn)出的位錯(cuò)密度，動力重結(jié)晶顆粒大小，亞晶大小與差應(yīng)力(σ1-σ3)值之間的關(guān)系，便可進(jìn)行古構(gòu)造應(yīng)力值的半定量估算。這樣就使古構(gòu)造應(yīng)力的研究從定性階段走向半定量研究的階段。第62頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8聲發(fā)射第63頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8聲發(fā)射第64頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8聲發(fā)射第65頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8水力壓裂第66頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8水力壓裂第67頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8水力壓裂第68頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8水力壓裂第69頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8水力壓裂第70頁,共172頁，2024年2月25日，星期天用橡膠封隔器在所需要的測量深度封閉鉆孔的一段，泵入液體給封閉段加壓，測量封閉段中的液體壓力P。在某一臨界壓力(breakdownpressure)Pb下，鉆孔周圍的巖石產(chǎn)生張破裂，壓力液的空間由于新破裂面的形成而急劇增加，液體的壓力下降，迅速關(guān)閉液壓泵，液體壓力穩(wěn)定值叫做封井壓力，此應(yīng)與該處最小水平主應(yīng)力相等，第71頁,共172頁，2024年2月25日，星期天在水壓破裂操作中，通過測量壓力曲線(圖5.35)，可以得到和。事先如果測定了巖石的抗張強(qiáng)度T0，并用鉆孔水下電視或印膜方法知道了形成的垂直破裂面的方位，可以計(jì)算得到，以及水平應(yīng)力的方向。第72頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第73頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第74頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第75頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第76頁,共172頁，2024年2月25日，星期天鍵槽8井壁崩落法第77頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第78頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第79頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第80頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第81頁,共172頁，2024年2月25日，星期天8井壁崩落法第82頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法一、巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測方法概述1.目的：（1）了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向（2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護(hù)及巖體加固提供依據(jù)（3）預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報(bào)巖爆的有力工具第83頁,共172頁，2024年2月25日，星期天2.方法分類(表6-1)第84頁,共172頁，2024年2月25日，星期天二、水壓致裂法（一）方法原理及技術(shù)要點(diǎn)：通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測深度加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點(diǎn)壓力及開裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表的讀數(shù)，計(jì)算測點(diǎn)附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點(diǎn)上下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-11。第85頁,共172頁，2024年2月25日，星期天P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖6-11壓裂過程泵壓變化及特征壓力圖6-10止水、壓裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0第86頁,共172頁，2024年2月25日，星期天各特征壓力的物理意義①P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力②Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力③Ps-液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力④Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減⑤Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開啟壓力第87頁,共172頁，2024年2月25日，星期天（二）基本理論和計(jì)算公式當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時(shí)，設(shè)孔周邊兩個(gè)水平地應(yīng)力分別為和，孔壁還受有水壓Pb.如圖6-12。圖6-12孔壁開裂力學(xué)模型a第88頁,共172頁，2024年2月25日，星期天鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)力

(Kirsch.G-基爾斯解)第89頁,共172頁，2024年2月25日，星期天在孔壁上r=a，有：當(dāng)時(shí)有最大拉應(yīng)力：按最大拉應(yīng)力理論，有(6-15)(6-16)將(6-15)代入(6-16)得孔壁開裂應(yīng)力條件(6-18)即孔壁開裂在與垂直,的面上式中：T0-巖體的抗強(qiáng)度第90頁,共172頁，2024年2月25日，星期天若巖體中有孔隙水壓力Pw，（6-18）式變成：(6-19)由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pb0，則上式變成：(6-20)19和20兩式對比得：Pb–Pb0=T0(6-21)在關(guān)閉壓力Pb0點(diǎn)上，孔壁已經(jīng)開裂，則T0=0,穩(wěn)定開裂壓力由P0下降到Ps0。此時(shí)，ps0等于與裂縫垂直的應(yīng)力，即：第91頁,共172頁，2024年2月25日，星期天求得主應(yīng)力及巖體抗拉強(qiáng)度（三）根據(jù)水壓致裂法試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算地應(yīng)力（1）一般來講作為地主應(yīng)力之一。我們可以將與作比較，若，則可以肯定此時(shí)為最小主應(yīng)力；進(jìn)一步將與作比較，也就可以以此確定地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力。第92頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

因?yàn)殚_裂點(diǎn)方位或開裂裂縫方向可以確定的方位或的方向，所以三個(gè)地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。（2）如果，并且孔壁開裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時(shí)為最小地應(yīng)力，與各為中間主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開裂方向即為最大地應(yīng)力方向。（四）水壓致裂法的特點(diǎn)

設(shè)備簡單操作方便測值直觀適應(yīng)性強(qiáng)

受到重視和推廣

缺陷：主應(yīng)力方向不準(zhǔn)第93頁,共172頁，2024年2月25日，星期天三、應(yīng)力解除法1.基本原理：當(dāng)需要測定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，人為的將該處巖體單元和周圍的巖體分離，此時(shí)，巖體單元上所受的拉力將被解除。同時(shí)，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認(rèn)為巖體時(shí)連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)測試應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力流程要點(diǎn)第94頁,共172頁，2024年2月25日，星期天2.應(yīng)力解除法分類按測試深度表面應(yīng)力解除淺孔應(yīng)力解除深孔應(yīng)力解除按測試應(yīng)變或變形孔徑變形測試孔壁應(yīng)變測試孔底應(yīng)力解除法孔壁應(yīng)力解除法測1個(gè)平面3個(gè)方向上的應(yīng)變1平面3方向上的徑位移3平面9個(gè)方向應(yīng)變第95頁,共172頁，2024年2月25日，星期天原理要點(diǎn)向巖體中的測點(diǎn)先鉆進(jìn)一個(gè)平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應(yīng)變傳感器；套孔鉆出巖芯，使孔底平面完全卸載，應(yīng)變傳感器測得孔底平面中心恢復(fù)應(yīng)變；在室內(nèi)測得巖石的彈性常數(shù)；計(jì)算孔底中心處的平面應(yīng)力狀態(tài)。由于孔底應(yīng)力解除法只需要鉆進(jìn)一段不長的巖芯，所以對較破碎的巖體也能應(yīng)用。（1）巖體孔底應(yīng)力解除法在孔底平面粘貼3應(yīng)變片應(yīng)變花一個(gè)平面有3個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量第96頁,共172頁，2024年2月25日，星期天工作步驟應(yīng)變觀測系統(tǒng)第97頁,共172頁，2024年2月25日，星期天（2）套孔應(yīng)力解除法原理要點(diǎn)對巖體中某點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力量測時(shí)，先向該點(diǎn)鉆進(jìn)一定深度的超前小孔，在此小孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過鉆取一段同心的管狀巖芯而使應(yīng)力解除，根據(jù)恢復(fù)應(yīng)變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)?？讖阶冃螠y試，孔壁應(yīng)力解除法，均屬于套孔應(yīng)力解除法。前者測試套孔應(yīng)力解除后的孔徑變化；后者測試套孔應(yīng)力解除后的孔壁應(yīng)變。其操作步驟和原理基本相同第98頁,共172頁，2024年2月25日，星期天表面應(yīng)力解除法直角應(yīng)變花等邊三角形應(yīng)變花應(yīng)力解除槽第99頁,共172頁，2024年2月25日，星期天鉆孔的深度必須超過開挖影響區(qū)，才能測到巖體內(nèi)的原始應(yīng)力，否則測出的是二次應(yīng)力。第100頁,共172頁，2024年2月25日，星期天工作步驟套孔應(yīng)力解除工作步驟第101頁,共172頁，2024年2月25日，星期天套孔應(yīng)力解除使用的傳感器

孔徑變形測試采用位移傳感器；孔壁應(yīng)力解除采用應(yīng)變傳感器。，第102頁,共172頁，2024年2月25日，星期天孔徑變形測試傳感器布置第103頁,共172頁，2024年2月25日，星期天孔壁應(yīng)力解除法傳感器布置第104頁,共172頁，2024年2月25日，星期天計(jì)算公式

應(yīng)力解除法，由測試數(shù)據(jù)換算成應(yīng)力，根據(jù)測試參數(shù)的不同可以分為兩類：(1)由應(yīng)變換算成應(yīng)力；(2)徑向位移換算成應(yīng)力。換算的基本理論和方法都在彈性力學(xué)中學(xué)過，這僅以(2)為例。由孔徑變形測試換算初始應(yīng)力，在大多數(shù)試驗(yàn)場合下，往往進(jìn)行簡化計(jì)算例如假定鉆孔方向和一致，并認(rèn)為，則（6-24）第105頁,共172頁，2024年2月25日，星期天式中：-鉆孔直徑變化值-鉆孔直徑

-量測方向和水平軸的夾角

-巖石彈性模量與泊松比在實(shí)際計(jì)算中，由于考慮到應(yīng)力解除是逐步向深處進(jìn)行的，實(shí)際上不是平面變形而是平面應(yīng)力，則有

式中：

分別為在0度，45度和90度三個(gè)方向上同時(shí)測定的孔徑變化。第106頁,共172頁，2024年2月25日，星期天空間原始應(yīng)力測試測試空間原始應(yīng)力，孔壁應(yīng)變法只須1鉆孔，孔底應(yīng)變法和孔徑變形法需要3個(gè)鉆孔第107頁,共172頁，2024年2月25日，星期天四、應(yīng)力恢復(fù)法

應(yīng)力恢復(fù)法是用來直接測定巖體應(yīng)力大小的一種測試方法，目前此法僅用于巖體表層，應(yīng)力。當(dāng)己知某巖體中的主應(yīng)力方向時(shí)，采用本法比較方便。如圖6-18，當(dāng)洞室某側(cè)墻上的表層圍巖應(yīng)力的主應(yīng)力方向各為垂直于水平方向時(shí)，就可用到應(yīng)力恢復(fù)法測得的大小。第108頁,共172頁，2024年2月25日，星期天圖6-18應(yīng)力恢復(fù)法原理圖第109頁,共172頁，2024年2月25日，星期天基本原理：在側(cè)墻上沿測點(diǎn)o，先沿水平方向開一個(gè)解除槽，則在槽的上下附近，圍巖應(yīng)力得到部分解除，應(yīng)力狀態(tài)重新分布。在槽的中心線OA上的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)H.N.穆斯海里什維里理論，把槽看作一條縫，得到：

（6－27）式中—OA線上某點(diǎn)B上的應(yīng)力分量

—B點(diǎn)離槽中心O的距離的倒數(shù)。第110頁,共172頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)在槽中埋設(shè)壓力枕，并由壓力枕對槽加壓，若施加壓力為p，則在OA線上B點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力分量為

（6－28）第111頁,共172頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)壓力枕所施加的力時(shí)，這時(shí)B點(diǎn)的總應(yīng)力分量為

可見當(dāng)壓力枕所施加的力時(shí)，則巖體中的應(yīng)力狀態(tài)已完全恢復(fù)，所求的應(yīng)力即由P值而得知，這就是應(yīng)力恢復(fù)法的基本原理。第112頁,共172頁，2024年2月25日，星期天實(shí)驗(yàn)過程1.在選定的試驗(yàn)點(diǎn)上，沿解除槽的中垂線上安裝好量測元件（見圖6-19）第113頁,共172頁，2024年2月25日，星期天2.記錄量測元件—應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)。3.開鑿解除鑿，巖體產(chǎn)生變形并記錄應(yīng)變計(jì)上的讀數(shù)。4.在開挖好的解除鑿中埋設(shè)壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。5.待充填水泥漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，即將壓力枕聯(lián)接油泵，通過壓力枕對巖體施壓。隨著壓力枕所施加的力p的增加，巖體變形逐漸恢復(fù)。逐點(diǎn)記錄壓力p與恢復(fù)變形的關(guān)系。6.假設(shè)巖體為理想彈性體，則當(dāng)應(yīng)變計(jì)回復(fù)到初始讀數(shù)時(shí)，此時(shí)壓力枕對巖體所施加的壓力p即為所求巖體的主應(yīng)力。第114頁,共172頁，2024年2月25日，星期天如圖6-20所示，ODE為壓力枕加荷曲線，壓力枕不僅加壓到初始讀數(shù)（D點(diǎn)），即恢復(fù)了彈性變形，而且繼續(xù)加壓到E點(diǎn)，得到全應(yīng)變：由應(yīng)力-應(yīng)變曲線求巖體應(yīng)力圖6-20第115頁,共172頁，2024年2月25日，星期天由壓力枕逐步卸載，得卸荷曲線EF,并得知，這樣就可以求得產(chǎn)生全應(yīng)變所相應(yīng)的彈性應(yīng)變與殘余塑性應(yīng)變之值。為了求得產(chǎn)生所相應(yīng)的全應(yīng)變量，可以作一條水平線KN與壓力枕的OE和EF線相交，并使MN=,則此時(shí)KM就為殘余塑性應(yīng)變，相應(yīng)的全應(yīng)變量由就可知在OE線上求得C點(diǎn)，并求得與C點(diǎn)對應(yīng)的p值，即所求的值。返回第116頁,共172頁，2024年2月25日，星期天地應(yīng)力計(jì)算另一種獲取地應(yīng)力數(shù)據(jù)的手段是通過計(jì)算得到。迄今為止，人們在地應(yīng)力計(jì)算方法上已做了許多努力，取得了顯著的進(jìn)展，歸納起來主要有以下四類：（1）有限元數(shù)值模擬反演古構(gòu)造應(yīng)力場，（2）應(yīng)力歷史模擬正演應(yīng)力場，(4)根據(jù)相對簡單的地應(yīng)力計(jì)算模式，進(jìn)行地應(yīng)力測井解釋，（4）鉆進(jìn)參數(shù)估算。第117頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第118頁,共172頁，2024年2月25日，星期天有限元數(shù)值模擬反演地應(yīng)力的實(shí)際測試，一般都只能確定一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，而巖體內(nèi)的地應(yīng)力場仍無法確定，只能根據(jù)實(shí)測點(diǎn)予以推斷和估計(jì)。然而在工程設(shè)計(jì)中往往需要了解地應(yīng)力在空間的分布情況即地應(yīng)力場，因此地應(yīng)力場的分析非常重要。影響地應(yīng)力場的因素可概括為三個(gè)∶①構(gòu)造格架，包括斷層產(chǎn)狀與地層厚度變化；②區(qū)域應(yīng)力場；③巖石力學(xué)與物理性質(zhì)。其中，①和②是決定地應(yīng)力場性質(zhì)的基本條件。要研究一個(gè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體的應(yīng)力場分布顯然不能采用解析解。在數(shù)值方法中最常用的是有限差分法與有限元法。第119頁,共172頁，2024年2月25日，星期天有限差分法在數(shù)學(xué)推導(dǎo)與論證上更加嚴(yán)密一些，但它主要離散的是基本的控制方程。雖然可以引進(jìn)凹凸不平網(wǎng)格的特殊方法來考慮不規(guī)則邊界，但通常只適用于具有簡單外形的幾何體。在有限元法中，離散的是構(gòu)成這個(gè)系統(tǒng)的物體，因此更適合具有不規(guī)則形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。所以在目前條件下，有限元法是研究復(fù)雜地質(zhì)體中應(yīng)力場分布的最有效的方法。近年來，國內(nèi)許多學(xué)者利用有限單元法進(jìn)行回歸分析得出了二維和三維的地應(yīng)力場資料，這是一條以低成本取得地應(yīng)力場資料的有效途徑。有限元數(shù)值模擬反演第120頁,共172頁，2024年2月25日，星期天一、有限單元法基本原理

有限單元法是將復(fù)雜的地質(zhì)體劃分為足夠小的、數(shù)目有限的小塊體（有限單元），對每個(gè)互不重疊的單元體來說，它是均勻、連續(xù)的彈性體。單元體之間以節(jié)點(diǎn)連接，這樣就組成了一個(gè)以單元集合體代替復(fù)雜地質(zhì)體的模型。首先計(jì)算每個(gè)單元體的構(gòu)造應(yīng)力場，然后將這些單元綜合起來再計(jì)算整個(gè)地質(zhì)體的構(gòu)造應(yīng)力場。此即應(yīng)用有限單元法的基本思路。第121頁,共172頁，2024年2月25日，星期天有限單元法可根據(jù)研究區(qū)域的幾何外形、作用方式等條件，經(jīng)過一定的處理程序，以線性代數(shù)方程組的形式表達(dá)應(yīng)力應(yīng)變位移之間的內(nèi)在聯(lián)系，最后求解方程組，得出應(yīng)力分布狀態(tài)。在模擬過程中，如何正確建立地質(zhì)模型又是最根本的問題一、有限單元法基本原理

第122頁,共172頁，2024年2月25日，星期天二、地質(zhì)模型的建立及網(wǎng)絡(luò)的剖分

進(jìn)行有限元的數(shù)值模擬之前，首先要充分研究該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征，并將復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造問題用合理的地質(zhì)模型來加以表達(dá)。當(dāng)研究油田地區(qū)的地應(yīng)力場時(shí)，所選用的模型大約相當(dāng)于5Km深度的地殼上部模型，這一深度大致相當(dāng)于基底的位置。一般認(rèn)為強(qiáng)度較大的基底的變形和應(yīng)力場控制了較軟弱覆蓋層的變形與應(yīng)力分布，因而這一深度的選擇是恰當(dāng)?shù)?。太淺難以反映較大范圍內(nèi)的區(qū)域地應(yīng)力場的影響，太深則距要研究的目的層太遠(yuǎn)，反映不出局部構(gòu)造的影響。第123頁,共172頁，2024年2月25日，星期天三、數(shù)學(xué)模型的建立

上面我們已將一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)體不斷剖分為小單元，直至每個(gè)單元上的應(yīng)力應(yīng)變可視為均勻時(shí)為止。之后要在每個(gè)單元上通過固體力學(xué)的變分原理推導(dǎo)單元剛度矩陣，將節(jié)點(diǎn)位移同節(jié)點(diǎn)處所施加的力聯(lián)系起來，再將各單元的剛度矩陣集合起來，便得到以各節(jié)點(diǎn)位移表示的方程組，最后通過求解這個(gè)巨大的線性方程組，便得到這個(gè)地質(zhì)體各點(diǎn)的變形情況。第124頁,共172頁，2024年2月25日，星期天四、物理參數(shù)的選取

離散后的單元是由斷層及不同性質(zhì)的巖石組成。所以平衡方程中包含有單元巖石的力學(xué)參數(shù)，求解之前必須給出這些參數(shù)值。不同的巖性具有不同的力學(xué)性質(zhì)。從地殼變形的意義上說，斷層的變形代表了整個(gè)地區(qū)變形中的主體部分。從計(jì)算的角度上看，斷層是整個(gè)模型中最軟弱的部分。因而選擇斷層的力學(xué)參數(shù)是重要的約束。第125頁,共172頁，2024年2月25日，星期天五、邊界條件的確定

利用有限元法對連續(xù)問題離散化，要求確定一個(gè)有限區(qū)域，它具有確定的邊界條件。雖然這些邊界條件都是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造及各種實(shí)際情況劃定的，但也存在某種人為的因素，因而必須給予合適的邊界條件以模擬實(shí)際問題的受力狀態(tài)。到目前為止，有限元數(shù)值模擬主要用于平面地應(yīng)力場的分析，它強(qiáng)烈地依賴于所建立的地質(zhì)、力學(xué)模型以及邊界條件，粘彈性體的有限元模擬和三維數(shù)值模擬還有很多工作要做。第126頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第127頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第128頁,共172頁，2024年2月25日，星期天地應(yīng)力主要由上覆巖層重量和構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生，并受地層巖性、產(chǎn)狀和構(gòu)造形態(tài)、巖石的力學(xué)特性、地層孔隙壓力、溫度場等方面的影響，因此，地應(yīng)力分層與地質(zhì)分層有著密切的關(guān)系。同時(shí)，地應(yīng)力分層與地質(zhì)分層又有著顯著的區(qū)別：地質(zhì)分層主要綜合考慮測井資料及其它地質(zhì)資料所反映出的巖性特征，以巖性的變化為依據(jù)進(jìn)行分層；而地應(yīng)力分層則是首先根據(jù)測井資料，按一定的分層地應(yīng)力模式計(jì)算出連續(xù)的地應(yīng)力曲線，然后再對地應(yīng)力曲線進(jìn)行數(shù)值分層。地應(yīng)力的分層主要綜合考慮三個(gè)方向主應(yīng)力的變化趨勢，它有可能跨越地質(zhì)分層。相鄰的不同的地質(zhì)層，其力學(xué)性質(zhì)可能相似，它們應(yīng)并入同一地應(yīng)力層；在同一地質(zhì)層內(nèi)，由于各種原因地應(yīng)力也可能發(fā)生突變，此時(shí)應(yīng)劃分為幾個(gè)不同的地應(yīng)力層。第129頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第130頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第131頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

地應(yīng)力是在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期形成的，其影響因素較多，分布規(guī)律比較復(fù)雜。依據(jù)已積累的資料，對油田地應(yīng)力的分布規(guī)律有以下認(rèn)識。第四節(jié)原地應(yīng)力分布的基本規(guī)律第132頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)巖體初始應(yīng)力狀態(tài)分布的主要規(guī)律一、垂直應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律實(shí)測垂直應(yīng)力隨深度的變化垂直應(yīng)力隨深度線性增加。平均密度約為27KN/m3第133頁,共172頁，2024年2月25日，星期天二、水平應(yīng)力隨深度的變化平均水平應(yīng)力隨深度而增加第134頁,共172頁，2024年2月25日，星期天三、水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值K在接近地表及淺層地層中，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。但隨深度增加就會出現(xiàn)K=1的狀況。第135頁,共172頁，2024年2月25日，星期天四、兩水平應(yīng)力之間的比例返回第136頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

一、地質(zhì)構(gòu)造對地應(yīng)力的影響

1、局部應(yīng)力場與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的關(guān)系中國大陸板塊受到外部兩個(gè)板塊的推擠，即印度板塊每年以5cm的速度推擠和太平洋板塊每年以數(shù)厘米的速度推擠，同時(shí)受到西伯利亞和菲律賓板塊的約束。在這樣的邊界條件下，板塊發(fā)生變形。據(jù)陳宗基的分析，可按行政區(qū)域劃分，大致將我國分成三類地區(qū)：第137頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

①強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：包括臺灣、西藏、新疆、甘肅、青海、云南、寧夏、四川西部等。②中等構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：包括河北、山西、陜西關(guān)中地區(qū)、山東、遼寧南部、吉林延吉地區(qū)、安徽中部、福建─廣東沿海地區(qū)及廣西等。③較弱構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：包括江蘇、浙江、湖南、湖北、河南、貴州、四川東部、黑龍江、吉林及內(nèi)蒙古的大部分地區(qū)。第138頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)李方全的分析，我國華北地區(qū)，以太行山為界，東西兩個(gè)區(qū)域有較大的差別。太行山以東的華北平原及其周邊地區(qū)，其主壓應(yīng)力軸方向?yàn)榻鼥|西向，太行山以西的山西地塹區(qū)，其主壓應(yīng)力方向則發(fā)生了急驟變化，表現(xiàn)為近南北向。第139頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

太行山以東的平原地區(qū)顯然與太平洋板塊向西俯沖有關(guān)，而太行山以西的山西地塹區(qū)雖地處華北，但看來受印度板塊向北運(yùn)動和青藏隆起的影響較大，可以說是東部與西部地區(qū)的過渡地帶。

太行山構(gòu)造帶，正是一條在其東西兩側(cè)深部地殼結(jié)構(gòu)和組成上有顯著差別的構(gòu)造分界。秦嶺東西構(gòu)造帶以南的華南地區(qū)，其主壓應(yīng)力方向相當(dāng)一致，為北西西至北西向。地應(yīng)力絕對值在我國東、西部是不同的。東部相對較小，而西部相對較大。第140頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

油田斷塊處于板塊內(nèi)部，其應(yīng)力場受到板塊構(gòu)造運(yùn)動的控制，這種由區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生和控制的應(yīng)力場稱之為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場。區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動具有較強(qiáng)的方向性，并以產(chǎn)生水平附加應(yīng)力為主，它使大范圍的應(yīng)力場的方向趨于一致并增大兩水平應(yīng)力之間的差值。

構(gòu)造運(yùn)動越強(qiáng)烈，平面應(yīng)力場的分布規(guī)律性越強(qiáng)，方向越穩(wěn)定。同時(shí)，局部地質(zhì)構(gòu)造可對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場產(chǎn)生較大的改造作用，局部地質(zhì)構(gòu)造的作用越強(qiáng),局部應(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場之間的差異越大，方向變化也越大。第141頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

二、斷層對地應(yīng)力的影響

斷層的形成是地層在地應(yīng)力作用下發(fā)生破裂和滑動的結(jié)果，在一定的應(yīng)力場作用下，所形成的斷層類型是基本固定的。假定：斷層所在地點(diǎn)的主應(yīng)力方向之一是垂直的；在斷層形成之前，巖石是完整的，產(chǎn)生斷層的巖石破裂過程遵循庫倫準(zhǔn)則，則可以由斷層類型推斷三向地應(yīng)力的相對大小。第142頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

正斷層：垂向應(yīng)力是最大主應(yīng)力，斷層走向即為中等主應(yīng)力的方向(圖3a)。逆斷層：垂向應(yīng)力是最小主應(yīng)力，斷層走向?yàn)橹械戎鲬?yīng)力的方向(圖3b)

走向滑動斷層：垂向應(yīng)力是中等主應(yīng)力，斷層走向與最大(水平)主應(yīng)力方向交角小于45°(圖3c、d)第143頁,共172頁，2024年2月25日，星期天第144頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)然，僅對正在發(fā)生斷裂或發(fā)生過微斷裂的地區(qū)，滑移方向與主應(yīng)力方向才有這種簡單的關(guān)系。在統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場作用下，引起平面上地應(yīng)力方位變化的主要原因是地層力學(xué)性質(zhì)的非均勻性，其中斷層的存在影響最大。第145頁,共172頁，2024年2月25日，星期天1、平均來看，斷層上的絕對應(yīng)力值比外圍地層低。巖體斷裂本質(zhì)是一種能量耗散和應(yīng)力重新分布的過程，水平主應(yīng)力和最大水平剪應(yīng)力隨離斷層距離的增加而增加，斷層上的絕對應(yīng)力值比外圍地層低。第146頁,共172頁，2024年2月25日，星期天2、斷層周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使斷層附加應(yīng)力分布發(fā)生較大改變。每條斷層不僅影響各自周圍的應(yīng)力分布，而且彼此還互相影響。斷層匯交的方式對斷層周圍的應(yīng)力有較大影響，斷層匯而不交的地區(qū)和端點(diǎn)附近尤其是匯而不交的區(qū)域應(yīng)力值較高，同時(shí)應(yīng)力的大小及方向變化較大。第147頁,共172頁，2024年2月25日，星期天3、斷層有使最大水平地應(yīng)力方向垂直于斷層走向的趨勢。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，斷層的存在可使應(yīng)力場方向發(fā)生轉(zhuǎn)向，并有使最大水平地應(yīng)力垂直于斷層走向的趨勢。這是由于斷層面上不能承受大的剪應(yīng)力，地應(yīng)力在斷層走向上的分力容易被釋放，導(dǎo)致地應(yīng)力與斷層走向垂直。這一認(rèn)識對于結(jié)合區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向和斷層發(fā)育情況判斷斷塊油氣田內(nèi)部最大水平地應(yīng)力方向具有重要意義。第148頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

三、地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)之間的關(guān)系高水平應(yīng)力往往出現(xiàn)在區(qū)域平面圖上的地殼隆升帶；而在地殼沉降區(qū)，水平應(yīng)力一般小于垂直應(yīng)力。通常，最大水平地應(yīng)力在背斜軸部較低，向翼部逐漸升高，最大水平應(yīng)力的變化是在背斜軸部較快，在翼部變化較為平緩。而向斜的軸部（低點(diǎn)部位）則常常有較高應(yīng)力。構(gòu)造的陡帶、傾伏端、鞍部或鼻狀構(gòu)造，往往產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力主方向隨構(gòu)造等高線的變化而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。第149頁,共172頁，2024年2月25日，星期天1、地應(yīng)力隨深度增大在地層傾角不大的情況下，巖體中有一個(gè)主應(yīng)力基本上是垂直的，另外兩個(gè)主應(yīng)力是水平的。在傾斜地層中，垂直主應(yīng)力往往與垂直方向呈一夾角，但夾角大小一般不超過30°。在沉積巖中垂向應(yīng)力與上覆巖層重量近似相等，尤其是東部油田按上覆巖層重量計(jì)算垂向應(yīng)力，是可以普遍接受的。隨深度的增加,構(gòu)造應(yīng)力不斷加大，水平應(yīng)力差增大，應(yīng)力方向趨于一致。第150頁,共172頁，2024年2月25日，星期天2、三大類巖石中地應(yīng)力的分布存在較大差異朱煥春、陶振宇對世界范圍內(nèi)的巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖中實(shí)測地應(yīng)力資料進(jìn)行了回歸分析，得出：三大類巖石的比較，①巖漿巖中水平應(yīng)力一般都比較高、水平差應(yīng)力大；②在沉積巖石中，水平應(yīng)力與深度之間具有良好的線性關(guān)系，且水平差應(yīng)力是三大類巖石中最小的；③變質(zhì)巖中地應(yīng)力分布的最大特點(diǎn)是最大和最小水平應(yīng)力離散性較強(qiáng)。第151頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

3、軟地層中三向地應(yīng)力分量差別小

Warpinski和Teufel分析了在美國ColoradoPiceance盆地實(shí)驗(yàn)井組(MWX)非海相沉積巖層進(jìn)行的地應(yīng)力測試結(jié)果，得到的最重要的結(jié)果是巖性對地應(yīng)力有重要影響。第152頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

砂巖和緊鄰的高泥質(zhì)巖層中的最小水平地應(yīng)力差通常大于7MPa，泥質(zhì)中三向應(yīng)力分量幾乎相等，無明顯的方向性，砂巖中兩水平地應(yīng)力差約為4.1～5.5MPa。不同巖性地層中最小水平地應(yīng)力梯度平均為：砂巖0.85psi/ft，粉砂巖0.88psi/ft，煤0.97psi/ft，泥巖1.0psi/ft，即砂巖＜粉砂巖＜煤＜泥巖。且最小水平地應(yīng)力與地層巖石的泊松比呈正相關(guān)關(guān)系。

第153頁,共172頁，2024年2月25日，星期天4、硬地層中構(gòu)造應(yīng)力較大地質(zhì)體在構(gòu)造應(yīng)力作用下，將發(fā)生運(yùn)動或變形，當(dāng)不同巖層的發(fā)生相同應(yīng)變時(shí)，最大和最小水平應(yīng)力均隨楊氏模量的增大而增大。巖層中較高的地應(yīng)力主要來源于構(gòu)造應(yīng)力，對于高構(gòu)造應(yīng)力地區(qū)，水平構(gòu)造應(yīng)力將主要由硬地層承擔(dān)。第154頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

5、相鄰巖層間地應(yīng)力可存在較大差異不同深度處巖層的巖性、產(chǎn)狀和力學(xué)性質(zhì)可存在較大差別，并使得在同一區(qū)域應(yīng)力場作用下具有不同的應(yīng)力值。實(shí)測表明，相鄰地層間的地應(yīng)力差值最大可達(dá)14MPa。因此，地應(yīng)力沿深度的分布并不是線性的，不同地層的地應(yīng)力可相差很大。而當(dāng)相鄰巖層間的地應(yīng)力差大于3MPa時(shí)，便會對垂向裂縫的延伸起阻擋作用。因此，僅僅了解地應(yīng)力沿深度的總體變化趨勢是不夠的，應(yīng)充分認(rèn)識地應(yīng)力沿深度分布的非均勻性，建立分層的地應(yīng)力剖面，指導(dǎo)石油工程設(shè)計(jì)與施工。第155頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

四、油田開發(fā)活動可大大影響油藏的地應(yīng)力場油田開發(fā)活動，如油氣開采。注水、汽或氣、火燒油層、大型壓裂等將會引起地層孔隙壓力和地層溫度等的顯著改變，影響其地應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致產(chǎn)層變形或破壞，并有可能使重復(fù)壓裂裂縫轉(zhuǎn)向。

挪威海域的北海白堊產(chǎn)層，生產(chǎn)多年來一直維持高的產(chǎn)量，據(jù)分析是與地層壓力衰減導(dǎo)致產(chǎn)層破壞，大大提高了產(chǎn)層滲透率有關(guān)。第156頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

在美國Chevron公司的LostHills油田，1993年Chevron公司對已壓過的7-2C和3-11A井進(jìn)行了5次重復(fù)壓裂，壓裂是從與首次壓裂相同的射孔進(jìn)行的。所有5次重復(fù)壓裂裂縫傾角都發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，這5次重復(fù)壓裂產(chǎn)生的裂縫平均傾角為45°，大小相差在10°以內(nèi)。第157頁,共172頁，2024年2月25日，星期天

而在LostHills油田初始壓裂的100多口井平均裂縫傾角為82°，而且沒有一口井落在45°±10°內(nèi)。在Unocal公司的Van油田的300-11井