第六章-地应力..
石油工程岩石力学-地应力
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而 线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构 造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
hmin
HMAX >> v > hmin
第二节 地应力的测量方法
垂直主应力的求取：
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：
v = gz （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；
B A
C
largely unfractured shale
static basal sheet
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；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2
地应力及其分布规律分解
地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
广义上也指地球体内的应力。
它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。
此外地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。
2、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。
当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。
由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性，地应力成因之一：地幔热对流（图1、图2）地应力成因之一：板块边界受压（图3）地应力成因之一：岩浆浸入（图4）3、地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。
1)岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。
但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动2)地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
第六章 地温场、地压场、地应力场与油气藏形成的关系 演示文稿
在自由状态下边界值为： 淡水：压力梯度9.79Kpa/m； 饱和盐水压力梯度11.9Kpa/m。 大于该边界值为超压；小于该边界值为欠压。
28
3、异常地层压力的成因
〔1〕流体热增压作用 〔2〕剥蚀作用 〔3〕断裂与岩性封闭作用 〔4〕刺穿作用 〔5〕浮力作用 〔6〕粘土矿物成岩演变
29
1．流体热增压 随着地层埋深加大，经受地温升高，导致有机质成熟生 成大量石油和天然气，地层水会出现水热增压现象，在 烃源层及褚集层中都会造成异常高地层压力。
4
第一节 地温场与古地温研究
地温场是地球内部热能通过导热率不同的岩石 在地壳上的表现。
随着深度的加大温度会不断增加。而温度的 变化又会对油气的形成产生一定的影响。
5
1、地温梯度〔GT ；地热 增温率〕
——地球内热层中，深度每增加100米地温所 增加的度数。OC/100米
• 沿着大断裂带常出现高GT • 大陆边缘三角洲沉积发育地区，常出现GT
6
TH 0 ×100
H
式中: —地温梯度,℃/100m;
TH—在井深H处的地层温度,℃; 0 —年平均地表温度,℃。
7
n 地温梯度的三个控制因素： 地层流体
热流值、热导率、
n 热流值 ( Q)： 一定时间内流经单位面积的热量，
n 导热率 ( K) ： 温差为 1度时，每 1s 内能通过厚 1cm、 面积为 1cm2体积的热力。
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3、地温场与油气成藏关系
（1）地温对有机质向油气转化有决定性作用 • GT高：利于有机质向油气转化； • GT低或多次上升剥蚀：可延缓烃源岩热成熟
（2）地温增大，利于油气的运移 • T↑，有助于形成异常高压，促使排烃。 • T↑，流体粘度↓，利于二次运移。 • 温差：可导致热对流运移。
第六章 岩体的初始应力状态
T0
（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力
（1）一般来讲 z h 作为地主应力之一。我 们可以将 z 与 2 h 作比较，若 z 1h ，则 可以肯定此时 2 h 为最小主应力；进一步将 与 z 1h 作比较，也就可以以此确定地应力的 三个主应力。
因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 2 h 的方位或 1h 的方向，所以三个地主应力的 方位也就可以相应确定。 （2）如果 2 h h ，并且孔壁开裂后孔内 岩体出现水平裂缝，则此时 z h 为最小 地应力， 2 h 与 1h 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。
T z E 0.03 10 5 10 4 zMPa 0.003 zMPa
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
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
工作步骤
应变观测系统
（2）套孔应力解除法
•孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于 套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除 后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后 的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同
原理要点 对岩体中某点进行应力量测时，
先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此 小孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段 同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复 应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的 应力状态。
直角应 变花
等边三角 形应变花
应力解除槽
表面应力解除法
钻孔的深 度必须超 过开挖 影 响区，才 能测到岩 体内的原 始应力， 否则测出 的是二次 应力。
地应力分析
108°56′
278000
280000
282000
284000
286000
108°55′
WZ12-1-6
WZ12-1-5
中块3井区
南 块
中块4井区
北
ILN2490
XLN1955
F2
F82
F4
F5
F1
F3
N3
N1
N
N2
F9
F81
F10
块
F11
F2A
FA
WZ12-1-B5
N1a
N1b
最大水平主地应力方向N100E左右
h
v
H
最大水平主地应力
WZ12-1-6井壁崩落椭圆长轴方位
WZ12－1北油田地应力方向分析
非均匀地应力作用下井壁坍塌将形成椭圆形井眼，椭圆井眼长轴为最小水平主地应力方向 双井径测井数据: WZ12-1-6井下部8.5"井 眼段(MD:2380～2980m) 井眼椭圆长轴方位 N120°E 是由非均匀地应力造成的井壁坍塌而形成的椭圆井眼吗？
该部分地应力在水平方向相同，为均匀分布的
地应力纵向分布规律计算模式
由构造运动产生的地应力，由于构造运动的方向性，使得在水平方向产生的地应力不同。假设构造运动可分解为沿相互垂直的两个主方向（H方向和h方向）的向前平推运动，在两个方向的构造运动变形量分别为εH、εh；并假设在构造运动过程中各地层保持连续（不产生相互错动），根据广义虎克定律有：
地应力相对大小： 最大水平地应力大致方位：N600-750E
BZ25-1-2井地应力方位频率图 最大水平主地应力方位N65-70E
N
E
最大水平主应力方位
地应力及其分布规律
地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
广义上也指地球体内的应力.它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力;是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析,实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。
此外地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。
2、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。
当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制,但也与历史上的构造运动有关.由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造,另外，地应力场还受到其他多种因素的影响,造成地应力状态的复杂性和多变性,地应力成因之一：地幔热对流（图１、图2）地应力成因之一：板块边界受压（图3)地应力成因之一:岩浆浸入(图4）３、地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变,造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响,但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。
1)岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重,研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。
但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑,在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动2)地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响是复杂的,剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前,岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量,而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
地应力及其原理
第六章 地应力及其测量
学习指导： ➢ 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法
和应力解除法等。 重点
▪ 岩体的初始应力概念 ▪ 岩体初始应力的测量方法
▪ 6 地应力及其测量 ▪ 6.1概述 ▪ 6.1.1 基本概念 ▪ 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地
地层中产生相应的应力场，但它是一种局部应力场。
4）岩浆侵入引起的应力场 岩浆倾入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周 围底层产生相应的应力场。
与上述三种应力场不同，由岩浆侵入引 起的应力场是一种局部应力场。
▪ （5）地温梯度引起的应力场 ▪ 地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度为每百米3℃。 ▪ 由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从而引起地层中的局部压应力产生。
此外，地震活跃地区，初始应力大小和方向还随时间而变化。
▪ 6.3 地应力的变化规律 ▪ 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基
本规律：
▪ （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。 ▪ 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着时间和
3）由地心引力引起的应力场 由地心引力引起的应力场称为重力应力场。重力应 力场是各种应力场中唯一可以测量的应力场。
垂直应力：
G H
—平均容重，KN/m3
H—总深度（m）
图 岩体自重垂直应力
▪ （4）岩浆侵入引起的应力场 ▪ 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩过程，由于不同的热膨胀系数及热力学过程等，均会在周围
地应力计算公式
地应力计算公式地应力计算公式地应力计算是地质工程中的重要计算工作，需要根据地质条件和力学参数进行准确的计算。
以下是几种常用的地应力计算公式：1. 等效重力法•公式：σz′=γ⋅z•其中，σz′为垂直深度为z处的地应力，γ为岩石的单位体重。
例如：若岩石的单位体重γ为kN/m³，要计算深度为100 m处的地应力，则根据等效重力法可知σz′=×100=250 kPa。
2. 克劳森公式•公式：σz′=σv+2α⋅H•其中，σz′为垂直深度为H处的地应力，σv为地表面的垂直应力，α为地层的水平应力系数。
例如：已知地表面的垂直应力σv为200 kPa，地层的水平应力系数α为，要计算深度为200 m处的地应力，则根据克劳森公式可知σz′=200+2××200=400 kPa。
3. 莫尔-库仑准则•公式：σz′=σℎ+ΔP•其中，σz′为垂直深度为H处的地应力，σℎ为水平地应力，ΔP为地下水压力。
例如：已知水平地应力σℎ为400 kPa，地下水压力ΔP为100 kPa，要计算深度为300 m处的地应力，则根据莫尔-库仑准则可知σz′=400+100=500 kPa。
总结以上是几种常用的地应力计算公式，根据具体情况选择相应的公式进行计算可以得到准确的地应力结果。
4. 斯威特公式•公式：σz′=σv+αs⋅H+ΔP•其中，σz′为垂直深度为H处的地应力，σv为地表面的垂直应力，αs为地层的垂直应力系数，ΔP为地下水压力。
例如：已知地表面的垂直应力σv为500 kPa，地层的垂直应力系数αs为，地下水压力ΔP为150 kPa，要计算深度为500 m处的地应力，则根据斯威特公式可知σz′=500+×500+150=700 kPa。
5. 针对特定地质条件的公式•对于一些特定的地质条件，可以根据实地勘察和试验数据推导出适用于该地质条件的地应力计算公式。
例如：某个区域的地质条件独特，经过实地勘察和试验数据分析得出如下地应力计算公式：σz′=β⋅H2+γ⋅H+σv。
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第四章：岩体地应力及其测量方法
Rock mass stress and its measurement
4.1 概 述
岩体介质有别于其他任 何介质的主要特征在 于，岩体内部应力和 自重及地质构造运动 有着密不可分的联系。 受其影响导致岩体内 部初始应力场分布相 当复杂。 在工程荷载作用下，岩 体内部应力重新分布 导致工程产生变形和 破坏，所以了解初始 应力场在岩体内分布 情况就显得非常重 要。
4.1 概 述
4.1.2 地应力的成因、组成影响因素
②自重应力和构造应力
(1)岩体的自重应力 gravitational stress
自重应力：地壳上部各种岩体由于受地心引力的作用而引起的应力，是由岩 体的自重引起的。 岩体自重作用不仅产生垂直应力，而且由于岩体的泊松效应和流变效应也会 产生水平应力。 研究岩体的自重应力时，一般把岩体视为均匀、连续且各向同性的弹性体， 因而，可以引用连续介质力学原理来探讨岩体的自重应力问题。
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
板块运动的驱动力
地幔对流
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
4.1 概 述
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
地应力分布理论
海姆（A.Heim)静水应力假设（1878，瑞士）：地壳中任意一点的 应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即
金尼克弹性力学假设（1926年，苏联） 地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是 泊松效应的结果。
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
地应力是静水压力？ 地应力以垂直应力为主？
重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以
水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。 当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也 与历史上的构造运动有关。
4.1 概 述
4.1.1 地应力基本概念
地应力（天然应力、初始应力等， virginal stress ） 人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 重分布应力（二次应力、诱导应力等，induced stress ） 由于工程活动改变了的岩体中的应力。
4.1 概 述 4.1.2 地应力的成因、组成影响因素
4.2 地应力场的分布规律
中国大陆板块边界所受的外力分布 中国大陆板块受到外部印度 板块每年以5厘米速度和太 平洋板块每年以数厘米速度 的推挤，同时受到西伯利亚 板块和菲律滨板块的约束。 板块变形，形成主应力迹线， 印、太板块的移动促成了中 国山脉的形成，控制了地震 的分布。
4.2 地应力场的分布规律
近代地质力学的观点认为，在全球范围内构造应力的总规 律是以水平应力为主。我国地质学家李四光认为，因地球 自转角度的变化而产生地壳水平方向的运动是造成构造应 力是水平应力为主的重要原因。
4.2 地应力场的分布规律
1、地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是 时间和空间的函数。 2. 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。 3. 水平应力普遍大于垂直应力。 4. 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小。 5. 最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长 关系。 6. 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大， 显示出很强的方向性。 7. 地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、 岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影 响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
4.2 地应力场的分布规律
4.2 地应力场的分布规律
我国可分为三类基本反映藏、新疆、甘肃、青海、 云南、宁夏、四川西部等； 中等构造应力区：包括河北、山西、陕西关中地区、山 东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建、广东 沿海地区及广西等； 弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河南、 贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙的大部分。
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
②自重应力和构造应力
(1)岩体的自重应力 gravitational stress
地下某深度处的岩体重力为： z H 若将此处岩体视作均匀弹性体，考虑广义胡克定律：
1 x 0 x y z E z z x y 1 1 y 0 z x y E
(2)构造应力 techtonic stress 岩石圈运动在岩体内形成的应力称为构造应力。构造应力 在空间有规律的分布状态称为构造应力场。 构造应力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。
活动构造应力（ active tectonic stress ），即狭义的地应力，是地壳 内现在正在积累的能够导致岩石变形和破裂的应力。 剩余的构造应力（ residual tectonic stress ）是古构造运动残留下来 的应力。
①地应力成因
地应力产生的原因十分复杂，至今尚不十分清楚 大陆板块边界受压引起的应力场； 地幔热对流引起的应力场； 由地心引力引起的应力场； 岩浆侵入引起的应力场； 地温梯度引起的应力场； 地表剥蚀产生的应力场。
4.1 概 述
4.1.2 地应力的成因、组成影响因素
1915年，德国地球物理 学家魏格纳提出了大陆漂移 学说。到20世纪六十年代， 板块构造学说问世。认为连 续的地震活动带把岩石圈分 裂分割成若干个大小不同的 板块在软流圈上漂移。实际 上，不仅大陆板块在漂移， 大洋板块也在漂移。科学家 们在古气候、古生物、古地 磁和深海钻探等方面都找到 了大陆飘移的证据。
4.1 概 述
4.1.2 地应力的成因、组成影响因素
当岩体由多层不同密度的岩层组成时，其中的自重应力可 用如下公式计算：
z i hi
i 1
n
n n x y n z i hi 1 n i 1
4.1 概 述
4.1.2 地应力的成因、组成影响因素 ②自重应力和构造应力