岩石力学-地应力说课材料
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第4讲-岩石力学-油田地应力及其确定方法概要
地下压力概念图示
什么是孔隙压力
静水压力与地表自由水位沟通
• 海上—海平面 • 陆上—潜水面
静水压力取决于流体密度
-地层水密度随溶解固体（主要为盐）浓度的变化而变化。 -盐度受以下因素影响：原生水史、温度、成岩作用、靠近盐体、渗透性
地层孔隙压力状态分类表(据杜栩，1995)
压力系数 <0.75 0.75-0.9 0.9-1.1 1.1-1.5 >1.5
地应力及其确定方法
提纲
一、油田地应力的定义及组成 二、油田地应力的确定方法 三、分层地应力 四、区域地应力预测
一、油田地应力的定义及组成
什么神秘的力量造成的满目疮痍，惨不忍睹 造成了地貌沧海桑田的巨变
一、油田地应力的定义及组成
盐膏层
套管 水泥环
套损区
什么原因导致深部盐层套管被挤毁？
一、油田地应力的定义及组成
地层压力预测方法
Eaton法求取地层压力
Eaton原始方法（Eaton,1972）利用的是孔隙压力和地震波旅行时间等参数 的幂指数关系，这种关系并不随岩性或深度的变化而变化：
n
pp
po
( po
ph )
tn to
式中，pp-预测的孔隙压力； pob-静岩压力； ph-正常的静水压力； Δtn-地震波在正常的泥岩中的旅行时间； Δto-实测的地震波在泥岩中的旅行时间； n-Eaton指数。
(4)生烃作用 在逐渐埋深期间，将有机物转化成烃的反应也产生流体体积
的增加，从而导致单个压力封存箱内的超压。许多研究表明与烃 类生成有关的超压产生的破裂是烃类从源岩中运移出来进入多孔 的、高渗透储集岩的机制，尤其是甲烷的生成在许多储集层中已 被引为超压产生的原因。气体典型地同异常压力有联系，异常压 力具有气体饱和的特点。当源岩中的有机质或进入储集层中的油 转变成甲烷时，引起相当大的体积增加。在良好的封闭条件下， 这些体积的增加能产生很强的超高压.
岩体力学05-地应力及其测量讲述
ub
uc
1 2
(ua
ub)2
(ub
uc)2
(uc
ua)2
tg2
2ua
3(ub uc） (ub uc）
③测量步骤： 选点、钻孔：130mm ，深
度一般小于30m ; 在孔底打一测量孔：36mm，
深度一般50cm，并洗干净； 安装应变计：并与应变仪连接，
h min
A
A
h max
假设：
天然应力为水平应力场，其铅直应力v=gz
假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中 的一
个小圆孔。作用应力为h,max、h,min，根据弹性理论 中的柯西解，未加水压力时，A点的应力为：
A=3h,min-h,max
在水压力作用下，孔壁产生拉裂破坏的条件为:
第六章 地应力及其测量
一、地应力的概念及研究意义 二、地应力成因及分布的一般规律 三、地应力测量的基本原理及方法
地应 力确 定方
法
自重应力理论
天然应力测量 大地水准测量
地变形量测
三角网测量
GPS测量 地震震源机制解
一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力 适用于：地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基 准面稳定
以东经100～105o为界分东西两区。 强度上：西强东弱（西高东低） 方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。
3．实测垂直应力V基 本上等于上覆岩层的重 量
• 对全世界实测垂 直应力资料的统 计分析，在深度 25~2700m的范围 内，垂直应力呈 线性增长，大致 相当于按平均重 度27kN/m3计算 的应力值H。
石油工程岩石力学-地应力知识讲解
线
Kaiser效应试验结果的解释
σV σαPpKPc
σH
σ0σ 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
αPpKPc
σh
σ0σ90 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
HMAX hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
v HMAX ~ v
>> hmin
HMAX
v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
AE Counts
Kaiser effect point
Load
室内岩心试验法：
MTS岩石力学 实验装置
SAMOS多通 道声发射装置
中国石油大学 （北京）岩石 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备，能 够完成凯塞尔 效应、单轴/三 轴抗压试验、 水力压裂室内 试验等多项实 验。
室内岩心试验法：
声
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
走滑断层（拗断层）与地应力
Kaiser效应试验结果的解释
σV σαPpKPc
σH
σ0σ 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
αPpKPc
σh
σ0σ90 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
HMAX hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
v HMAX ~ v
>> hmin
HMAX
v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
AE Counts
Kaiser effect point
Load
室内岩心试验法：
MTS岩石力学 实验装置
SAMOS多通 道声发射装置
中国石油大学 （北京）岩石 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备，能 够完成凯塞尔 效应、单轴/三 轴抗压试验、 水力压裂室内 试验等多项实 验。
室内岩心试验法：
声
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
走滑断层（拗断层）与地应力
岩石力学第五讲、地应力
5、地温梯度3℃/100m--热膨胀、收缩– 压应力
6、地表剥蚀的影响：松弛的速度、封闭应力
←大陆板快的推挤 中国板块的主应力迹线
地幔对流机制→ 上升流与下降流
第二节 自重应力与构造应力
1、原岩应力的地位与重要性： 力学研究的基本问题 岩体的荷载与材料力学的荷载 研究原岩应力的意义。 2、自重应力： 上覆岩体的重力引起的应力。 研究时将岩体视为半无限体的均 匀、连续、各向同性的弹性体。 垂直应力：σz = γH 水平应力：横向约束不变形，
第五节 地应力实测方法2
三、三孔交汇实测方法 为得到三维主应力的大小和方向， 将三个孔的实测资料汇总在一起。 1、孔径变形法：测量应力解除后钻孔直 径的变化量，在完整岩体内适用。 按弹性力学平面问题，圆孔孔径的变化： △d = f（E，μ，P x，P y，P x y，θ） 故至少应有三个不同方向的孔径变化才 能计算出P x，P y，P x y，一般在钻 孔变形计中安排4个孔径变化测头。 一般不测量沿钻孔轴线方向的应变，而 用三个孔的测量结果计算三维地应力
第三节
地应力的一般规律
一、重力应力场与构造应力场的分布特点： 1、重力应力场： ☆以垂直应力为主，垂直应力大于水平应力； ☆应力为压应力 ☆应力随深度增加而增加 在构造不发育地区、第四纪冲积层、裂隙 发育地区、岩性较软的塑性岩体地区，其应 力场基本符合重力应力场的分布规律。 2、构造应力场： ☆应力有压应力，也可有拉应力 ☆以水平应力为主，水平应力大于垂直应力 ☆分布很不均匀，通常以地壳浅部为主。 原岩应力基本由重力应力场和构造应力场叠加。 构造应力是复杂多变的，难以有定量的规律。
一、应力解除法实测的基本原理 1、岩体内有原岩应力 2、原岩应力已使岩体产生变形 3、将岩块从岩体母体分离出来，原岩 应力得到解除，变形将恢复 4、测量恢复的变形值，根据应力应变 关系，计算引起变形的应力值。 二、应力解除法的步骤： 1、钻大孔至测点，避开二次应力影响； 2、磨平孔底，钻同心小孔（测量孔）， 一次扰动； 3、在测量孔安装测应变和位移的元件； 4、大孔套取岩芯，二次扰动，测量本 次扰动时应力解除后的应变。 5、用弹性力学中关于圆孔问题的解析 解建立观测方程。
岩石力学---第4章 地应力及其测量
基本概念
次生应力（二次应力）岩体开挖扰动了原岩的
自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，
变化后的应力称为次生应力或二次应力。
原岩应力≈自重应力＋构造应力
迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计 算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状 态。
1. 地应力定义
地应力: 指岩体在天然状态下所存在的内应力,
第四章 地应力及其测量
基本要求
1．掌握初始应力的概念，了解构造应力的概 念，掌握自重应力的计算方法； 2．了解原岩应力的一般规律及影响原岩应力 分布的因素； 3．了解地应力的实测方法。
本章的重点难点：
1、岩体初始应力场的构成；
2、重力应力场和构造应力场的特点；
3、原岩应力场的分布状态； 4、应力解除法的基本原理。 关键术语：原岩、原岩应力、自重应力、构造应力、 应力解除 要求：1、掌握本课程重点难点内容； 2、了解原岩应力分布状态； 3、了解影响原岩应力分布的因素； 4、熟悉几种应力解除法测试原岩应力的 方法和测试步骤。
三、构造应力场分析
根据岩体变形破坏机理，对构造运动留下的遗 迹（构造形迹）进行分析，以判断构造应力的主应 力方向。 （一）构造形迹的形成机理 1、褶皱形成机理
2、断层和节理的形成机理 断层、节理形成机理有三种：张性的、扭性的、压性的。
（1）张性断层是由于岩体中的张应变超过极限而产生的。这 种断层层面不规则，断层走向与最大主应力方向平行。小的 张性断裂两盘岩石不一定发生错动，称之为张性节理。 （2）压性断层和扭性断层都可用莫尔－库伦理论来解释。
v H
其中，λ为侧压系数
h v
1
1
H
υ－上覆岩层泊松比
第一节 岩体及地应力概念
岩体稳定，可视为均质 弹性各向同性体
厚层状沉积 岩，块状岩 浆岩和变质 岩
多韵律薄层 、中厚层状 沉积岩，副 变质岩 构造影响严 重的破碎岩 层 断层破碎带 、强风化及 全风化带
块 状 柱 状
有少量贯穿性节理裂隙，结构 面间距0.7~1.5m，一般为2~3 组，有少量分离体
局部滑动或坍塌 ，深埋洞室的岩 结构面互相牵制，岩体 爆 基本稳定，接近弹性各 向同性体 变形和强度受层面控制 可沿结构面滑塌 ，可视为各向异性弹塑 ，软岩可产生塑 性体，稳定性较差 性变形 整体强度很低，并受软 易发生规模较大 弱结构面控制，呈弹塑 的岩体失稳，地 性体，稳定性很差 下水加剧失稳 完整性遭极大破坏，稳 易发生规模较大 定性极差，接近松散体 的岩体失稳，地 介质 下水加剧失稳
5. 岩体破坏情况：
切破坏 硬岩：主要沿结构面剪 不足而破坏 软岩：主要是整体强度
第一节 岩体、岩体结构及地应力的概念
二. 地应力 1. 定义：指存在于地壳岩体中未经人为扰动的天然状态 下所具有的原始应力。又叫天然应力。 2. 类型： 应力 主要：自重应力、构造 水压力、结晶应力等 次要：地温应力、地下 一般情况下，地应力主要是指构造应力和自重应力。 从实测地应力结果中减去岩体自重应力，便可用来评价 地质构造应力。构造应力多出现在新构造运动比较强烈 的地区。根据国内外实测地应力资料，最大测深已超过 3千米。
一般情况下，硬岩岩体主要为脆性破坏，软 岩岩体主要为塑性破坏，硬岩岩体破坏强度大大 高于软岩岩体。通常，在硬岩岩体中，结构面力 学强度大大低于结构体力学强度，因此，硬岩岩 体的变形破坏首先是沿结构面的变形破坏，岩体 工程性质主要取决于结构面的工程性质，见图63。在软岩岩体中，因结构体力学强度较低，有 时与结构面强度相差无几，甚至低于结构面强度， 所以软岩岩体的工程性质常常取决于结构体的工 程性质。
第4章 地应力
2 地形地貌和剥蚀作用的影响
地形地貌的影响复杂 俄罗斯某河谷地区左右岸地应力完全不同， 而且从河谷斜坡表面到山体内部分为应力降低带、 应力升高带和应力平衡带 剥蚀作用的影响显著 由于剥蚀前存在一定数量的铅垂应力和水平 应力，在剥蚀后来不及释放，造成实际应力比现 有地层厚度引起的自重应力要大很多
4 水对地应力的影响
岩体中水的存在形成孔隙水压力，与岩石骨架 承受的应力共同组成岩体的的地应力。 三峡深孔压力测量结果表明孔隙压力大体相当 于静水压力。
5 温度对地应力的影响
温度对地应力的影响表现在两个方面： 地温梯度
σt = HαβE
岩体温度应力为静水压力场，温度应力随着 深度增加而增大。相同深度时，温度应力为铅垂 自重应力的1/9左右。 岩体局部受温度影响 岩体局部冷热不均，产生收缩和膨胀，导致 岩体内部产生应力。
4.4.1 水压致裂法地应力测量技术
水压致裂法是非套钻孔应力解除测量法， 是迄今深部地应力测量最有效的手段。优点： 测量深度很深，可达5km以上 不需要岩石弹性参数参与计算 岩壁受力范围广
现有地质勘探钻孔，无需套钻解除和精密仪 器，测试周期短
1、水压致裂法的基本原理
水压致裂法是利用一对可膨胀的橡胶分隔器，在预 定测量深度上下分隔一段钻孔，然后泵入液体对这 段钻孔施压直至压裂，根据压裂参数计算地应力。 测量原理建立在弹性力学平面问题的理论基础 上，以三个假设条件为前提： 围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体 围岩为多孔介质时，注入的液体按达西定律在岩石 孔隙中流动
（2）钻孔孔壁应变测量法 常用的钻孔孔壁应变计有两种： 一般的钻孔三向应变计 将测量元件电阻丝直接粘在钻孔壁上。 对被测岩体完整性要求高，测量成功率低。 空心包体式钻孔三向应变计 将测量元件电阻丝应变片粘在预制的环氧树脂薄筒 上，再浇注一层薄的环氧树脂层制成的应变计。 操作方便，适应性好，测量成功率高。
石油工程岩石力学_地应力
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；
直井井眼周围地层应力状态
由钻井液柱压力P引起的应力 R2
St Pf Pr
井壁崩落椭圆法确定主应力方向
构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位。在地 层倾角测井记录上，一条井径曲线比较平直或等于钻头直 径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多，而非应力孔 眼井径曲线上表现为，钻头孔截面没有明显的长轴方向。
由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地 应力方向一致，即与最大水平地应力方向垂直，因此可借 用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向。
and 1 > 2 > 3
Hole inclination parameters
y
Effective stresses:
1’ = 1 - p
2’ = 2 - p
3’ = 3 - p p = pore pressure
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
二、天然应力的构成及起源
自重引起的天然应力场
gh
V
h1
h2
1
二、天然应力的构成及起源
2.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
岩石力学基本教程 教学PPT 第6章 地应力综述.资料
表6.4 高初始地应力岩体在开挖中出现的主要现象
表6.5 不同围岩强度比开挖中出现的现象·
2021/8/17
教材配套课件
16
2．高地应力现象
（1）岩芯饼化现象。在中等强度以下的岩体中进行勘探时，常可见到岩芯 饼化现象。美国L.Obert和D.E.Stophenson（1965年）用实验验证的方法 获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是高地应力的产物。从岩石力学破 裂成因来分析，饼状岩芯是剪胀破裂产物。
相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 x y 0 。而相邻岩体的阻 挡就相当于对单元体施加了侧向应力 x 及 y ，考虑广义虎克定律则有：
xE 1[x (yz)]0
（6.3a）
由此可得
yE 1[y (zx)]0 x y1 z1 H
（6.3b） （6.4）
式中，E为岩体的弹性模量， 为岩体的泊松比。令 (1) ，则有：
地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。
由地心引力引起的应力场称为自重应力场，自重 应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。
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
（6）地表剥蚀产生的应力场
2021/8/17
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2
图6.1 中国板块主应力迹线图
2021/8/17
教材配套课件
式中，H为深度，单位为m。
（6）最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。
/ h， m in h， m ax一般为0.2~0.8，多数情况下为0.4~0.8，参见表6.2。
表6.2 世界部分国家和地区两个水平主应力的比值统计表
（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。
表6.5 不同围岩强度比开挖中出现的现象·
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2．高地应力现象
（1）岩芯饼化现象。在中等强度以下的岩体中进行勘探时，常可见到岩芯 饼化现象。美国L.Obert和D.E.Stophenson（1965年）用实验验证的方法 获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是高地应力的产物。从岩石力学破 裂成因来分析，饼状岩芯是剪胀破裂产物。
相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 x y 0 。而相邻岩体的阻 挡就相当于对单元体施加了侧向应力 x 及 y ，考虑广义虎克定律则有：
xE 1[x (yz)]0
（6.3a）
由此可得
yE 1[y (zx)]0 x y1 z1 H
（6.3b） （6.4）
式中，E为岩体的弹性模量， 为岩体的泊松比。令 (1) ，则有：
地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。
由地心引力引起的应力场称为自重应力场，自重 应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。
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
（6）地表剥蚀产生的应力场
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图6.1 中国板块主应力迹线图
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式中，H为深度，单位为m。
（6）最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。
/ h， m in h， m ax一般为0.2~0.8，多数情况下为0.4~0.8，参见表6.2。
表6.2 世界部分国家和地区两个水平主应力的比值统计表
（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。
地应力及其原理PPT课件
层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
第十九页，共110页。
▪ 我国的地质学家李四光：
▪ 20年代指出“在构造应力的作用仅影响地壳 上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重 要性远远超过垂直应力分量”。
第二十页，共110页。
▪ 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地 壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接 近水平的，而且最大水平应力主应力一般 为垂直应力的1～2倍。
第三十六页，共110页。
▪ 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空间而 变化的，因而它是一个非稳定的应力场，
▪我国大陆板块发 生变形，产生水平 压应力场，其主应 力迹线如图4-1所 示。
第二十六页，共110页。
（2）地幔热对流引起的应力场 由硅镁组成的地幔因温度很高
，具有可塑性，并可以上下对流 和蠕动。当地幔深处的上升流 到达地幔顶部时，就分为两股 方向相反的平流，经一定流程 直到与令一对流圈的反向平流 相遇，一起转为下降流回到地球 深处，形成封闭的循环体系。地 幔热对流引起地壳下面的水平
第二十三页，共110页。
▪ 6.2 地应力的成因 ▪ 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不
是十分清楚。 ▪ 近30多年来的实测和理论分析表明，地应力
的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，
第二十四页，共110页。
▪ 6.2地应力的成因
▪ 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、岩浆侵入和地球非 均匀扩容等。
第十九页，共110页。
▪ 我国的地质学家李四光：
▪ 20年代指出“在构造应力的作用仅影响地壳 上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重 要性远远超过垂直应力分量”。
第二十页，共110页。
▪ 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地 壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接 近水平的，而且最大水平应力主应力一般 为垂直应力的1～2倍。
第三十六页，共110页。
▪ 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空间而 变化的，因而它是一个非稳定的应力场，
▪我国大陆板块发 生变形，产生水平 压应力场，其主应 力迹线如图4-1所 示。
第二十六页，共110页。
（2）地幔热对流引起的应力场 由硅镁组成的地幔因温度很高
，具有可塑性，并可以上下对流 和蠕动。当地幔深处的上升流 到达地幔顶部时，就分为两股 方向相反的平流，经一定流程 直到与令一对流圈的反向平流 相遇，一起转为下降流回到地球 深处，形成封闭的循环体系。地 幔热对流引起地壳下面的水平
第二十三页，共110页。
▪ 6.2 地应力的成因 ▪ 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不
是十分清楚。 ▪ 近30多年来的实测和理论分析表明，地应力
的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，
第二十四页，共110页。
▪ 6.2地应力的成因
▪ 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、岩浆侵入和地球非 均匀扩容等。
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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）。
胡佛水坝：
位于美国科罗 拉多河上，坝 高221.4m
三、天然应力的研究历史
我国从50年代末开始天然 应力量测
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 ”。
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；
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis
60° cone
走滑断层与地应力
hmin = 3 HMAX
锐角
v = 2 HMAX = 1
几乎垂直的断层面
hmin
HMAX
伴生正断层
典型应力状态： HMAX = 1> v = 2 > Hmin = 3
逆断层与地应力
hinge points
high-p shale
v = 3 HMAX = 1
overthrust sheet highly fractured zone
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
岩石力学-地应力
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。
பைடு நூலகம்
第一节 概 述
++++++
++++++
++++++
天然应力
∧
→ ←
↓↑
重分布应力
概述
一般情况下主地应力表示方法
地表
H
垂直主应力σv
水平最小主应力σh
水平最大主应力σH
主应力空间
概述
地应力是场函数 地应力又称为地应力场 有大小和方向
水平最小地应力 水平最大地应力
二、天然应力的构成及起源
1.构成：
• 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）
水平主应力的测量：
测量的对象：水平地应力的大小和方向
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
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
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。
走滑断层：水平最大主应 力与断层走向平行。
逆断层：水平最大主应力 与断层走向垂直。
分析实例
海拔（m）
-2200 F4
-2300
-2400
-2500
W2Ⅵ
-2600
F9 F82
W2Ⅳ
W
Ⅴ 2
W
Ⅵ 2
B5井 F3
-2700 -2800
W
Ⅲ 3
-2900 -3000
图
例
油层 水层 干层
0
250
500 m
5井
SSE
F2
W2Ⅳ W2Ⅴ
W2Ⅵ
W3Ⅲ
A Borehole in a Stress Field
Here, v = 2, HMAX = 1, hmin = 3,
and 1 > 2 > 3
Hole inclination parameters
y
Effective stresses:
1’ = 1 - p
2’ = 2 - p
3’ = 3 - p p = pore pressure
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；
东非大裂谷，由于地 壳断裂运动，形成于 大约3000万年前。
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。
三、天然应力的研究历史
1.研究历史
1878年海姆提出天然应力（静水应力说） 1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地
HMAX hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
v HMAX ~ v
>> hmin
HMAX
v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
地质学家—李四光教授
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——断层类型与主应力关系
正断层与地应力
v = 1
HMAX = 2
拉伸
hmin = 3
地垒－地堑结构
倾角 拉伸
典型应力状态： sv = s1 >sHmax = s2>sHmin = s3
二、天然应力的构成及起源
自重引起的天然应力场
gh
V
h1
h2
1
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
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。
我国西部山前构造，由 于板块挤压，形成高陡 地层。
大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂 法）。
胡佛水坝：
位于美国科罗 拉多河上，坝 高221.4m
三、天然应力的研究历史
我国从50年代末开始天然 应力量测
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 ”。
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；
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis
60° cone
走滑断层与地应力
hmin = 3 HMAX
锐角
v = 2 HMAX = 1
几乎垂直的断层面
hmin
HMAX
伴生正断层
典型应力状态： HMAX = 1> v = 2 > Hmin = 3
逆断层与地应力
hinge points
high-p shale
v = 3 HMAX = 1
overthrust sheet highly fractured zone
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
岩石力学-地应力
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。
பைடு நூலகம்
第一节 概 述
++++++
++++++
++++++
天然应力
∧
→ ←
↓↑
重分布应力
概述
一般情况下主地应力表示方法
地表
H
垂直主应力σv
水平最小主应力σh
水平最大主应力σH
主应力空间
概述
地应力是场函数 地应力又称为地应力场 有大小和方向
水平最小地应力 水平最大地应力
二、天然应力的构成及起源
1.构成：
• 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）
水平主应力的测量：
测量的对象：水平地应力的大小和方向
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
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
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。
走滑断层：水平最大主应 力与断层走向平行。
逆断层：水平最大主应力 与断层走向垂直。
分析实例
海拔（m）
-2200 F4
-2300
-2400
-2500
W2Ⅵ
-2600
F9 F82
W2Ⅳ
W
Ⅴ 2
W
Ⅵ 2
B5井 F3
-2700 -2800
W
Ⅲ 3
-2900 -3000
图
例
油层 水层 干层
0
250
500 m
5井
SSE
F2
W2Ⅳ W2Ⅴ
W2Ⅵ
W3Ⅲ
A Borehole in a Stress Field
Here, v = 2, HMAX = 1, hmin = 3,
and 1 > 2 > 3
Hole inclination parameters
y
Effective stresses:
1’ = 1 - p
2’ = 2 - p
3’ = 3 - p p = pore pressure
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；
东非大裂谷，由于地 壳断裂运动，形成于 大约3000万年前。
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。
三、天然应力的研究历史
1.研究历史
1878年海姆提出天然应力（静水应力说） 1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地
HMAX hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
v HMAX ~ v
>> hmin
HMAX
v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
地质学家—李四光教授
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——断层类型与主应力关系
正断层与地应力
v = 1
HMAX = 2
拉伸
hmin = 3
地垒－地堑结构
倾角 拉伸
典型应力状态： sv = s1 >sHmax = s2>sHmin = s3
二、天然应力的构成及起源
自重引起的天然应力场
gh
V
h1
h2
1
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
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。
我国西部山前构造，由 于板块挤压，形成高陡 地层。