地应力及其确定方法综述

地应力及其确定方法综述
【摘要】通过对比通过地应力测量方法、计算方法的分析和对比，为以后利用常规测井资料和成像测井资料计算地应力的多种方法奠定基础，进而从不同的角度对地应力进行了研究，不仅有助于提高地应力的计算准确率，而且可以多角度对地应力的形成过程进行因素分析。

【关键词】地应力；测量；水力压裂；凯瑟效应实验
1.地应力
地应力主要由垂力应力、构造应力、孔隙压力等组合而成。

在油田应力场研究中，孔隙压力对地应力的影响是非常重要的，实际上，由于地层岩石力学性质的非线性特征，地应力的各种成因分量间不是独立的，人们只是从其成因和研究分析问题的方便才对地应力进行分类的。

构造应力与上覆岩层压力构成了地应力，它作用于整个地质体上。

对于某一特定的地质体来说，将作用于其单位表面上的法向地应力定义为主应力。

在主应力方向上剪切应力为零，这样就可以把复杂的地应力归结为三个相互垂直的主应力，即三轴向应力（图1）。

通常其中一个基本上是垂直的，叫做垂向应力（Sv）；另外两个主应力基本上是水平的，称为最大、最小水平应力（SH、Sh）。

垂向应力由重力应力（上覆岩层压力）所构成，水平应力则主要由构造应力所构成。

在三个主应力中，垂向应力是比较容易确定的，其大小可由密度测井曲线确定，其方向是垂直的。

对于水平应力的方向，现在有许多方法，在油田中广泛采用井壁崩落法确定水平应力的方向，取得了良好的效果，测量水平应力大小的方法有水力压裂法、凯瑟效应实验、差应变法等。

2.地应力测量方法
2.1水力压裂法
用水力压裂法确定最小水平应力是目前进行深部绝对应力测量最精确的方法，在国内外都有着广泛的应用。

1989年3月30日测井公司在川西南界石场界19井进行了地应力测量试验，整个工艺是成功的，井口密封装置可以在68MPa高压下正常工作，仪器系统工作正常，记录到了类似于标准地应力曲线形状的压力曲线，但由于水泥环窜漏及施工时开压太快，未能反映出地层破裂压力，这口井的试验为今后进行地应力测试提供了宝贵的经验。

图1 三轴向地应力
2.2凯瑟效应实验（声发射法）
另一种常用的测量地应力的方法是凯瑟效应实验（声发射法）。

凯瑟（Kaiser）效应实验可以测量岩石在野外曾经承受过的最大压应力。

地下岩层因遭受地质历史中的构造应力场作用，普遍发育有微观或隐蔽的格里菲斯微裂纹（GriffithMicrofracture）。

在进行声发射实验时，实验样品在模拟古应力场的加载过程中，当应力值达到或大于微裂纹形成时的应力强度后，微裂纹就会失稳扩展而形成不可逆的声发射效应，即所谓“Kaiser”效应，其中微裂纹初始扩展点的应力值可代表其形成时的古应力强度，即所谓Kaiser效应对古应力场强度的记忆。

如连续施加载荷力，不同期次的微裂纹就会相继扩展而形成多个Kaiser效应点，并由Kaiser效应点的个数和应力分量反映岩石所经历过的应力场期次和强度。

必须指出的是，岩石如果遭受某一期次的应力场强度高于该期之前
的应力，那么不仅形成新的微裂纹，同时前期的应力记忆随微裂纹扩展会被抹掉。

因此Kaiser效应点只能有限地记忆某个最高应力场强度及其之后的各应力场期次。

又由于Kaiser效应点对古应力强度由高到低的期次的更好的记忆力，实验是在载荷逐渐加大的过程中进行，因而在实验曲线（AE曲线）上相继出现的Kaiser效应点，与其所代表的应力场期次在顺序上恰好相反。

Kaiser效应点具有方向上的独立性，最高声发射次数（或频率）和应力分量值应出现在最大古应力方位上。

因此，只须测出某点3个或3个以上方位的同期应力分量值，即可利用应力计算公式求得该点在三维空间上的最大古应力方位及强度，这一具方位概念的实验，样品必须取自定向岩芯或露头，无方位概念的样品，仅反映应力场期次及应力强度的相对高低和变化范围。

3.地应力的测量方法与计算方法比较
地应力测试是获取地应力数据较为直接和有效的手段。

理论上讲，它应该比其它方法具有更高的精度，但是它存在以下几点不足：
（1）测量数据有限（如在四川进行的地应力测量就不多），不能得到连续的地应力剖面，对没有进行地应力实测的地层，只能大致估计其地应力范围；
（2）地应力测试成本高；
（3）并非所有地层均可进行地应力实测，如对特薄层不能用水力压裂方法测得其精确的地应力值，特别是对产层以上的覆盖层，油井生产常常不允许将其击穿，而井较深时，由于设备和管路的耐压等条件限制，可能不会将其压出裂缝。

另一种获取地应力数据的手段是通过计算得出。

岩层在几百万年的沉积过程中，受到压实、胶结、冷热以及地层构造变形、剥蚀等多种作用的影响，在如此复杂的环境下，用简单的模型来描述地下复杂的应力状态是困难的。

地应力计算比地应力测量有着不可比拟的方便性和经济性，其光明的前景吸引着人们去不断探索。

进行少量的地应力测量，用地应力实测数据去检验，标定地应力计算结果，并得到沿井深连续分布的分层地应力剖面是一种切实可行的方法。

原地应力计算主要有以下几方面的优势：
（1）可充分利用测井资料提供的大量信息，方便、迅速地得到沿井深连续分布的地应力剖面，对没有进行地应力实测的地层可计算得到较为准确的地应力数值；
（2）节省昂贵的地应力测试费用，具有很大的经济效益；
（3）对计算得到的连续地应力剖面可以进行数学分层处理；
（4）利用地应力计算可对油田开发过程中地应力场的变化规律进行分析。

迄今为止，人们在地应力计算方法上已作了许多努力，取得了显著的进展，归纳起来主要有以下四类：
（1）有限元数值模拟
有限元数值模拟可分为二维有限元数值模拟和三维有限元数值模拟，它强烈地依赖于所建立的地质模型、力学模型以及边界条件。

（2）应力历史方法
Warpinski，Parts，Narr和Currie等人都在建立沉积盆地的应力历史方面做过工作，其具有代表性的工作是由N.R.Warpinski所建立的时间—历史方法（time—historyapproach）。

在该方法中，假定现今应力是岩体全部历史的结果，而非只决定于目前的条件。

模型中考虑了下述因素，即由于天然气形成引起的孔隙压力变化、温度梯度和局部热幕、固结和成岩作用和所带来的材料特性的变化和构造作用的变化。

该方法考虑了地层的粘弹性特性，利用粘弹对应原理获得了
一完全的粘弹性解。

但是这种方法比较复杂，特别是在绝大多数情况下，人们得不到盆地沉积和构造活动的全部历史，使该方法的应用受到限制。

（3）根据相对简单的地应力计算模型利用测井资料计算地应力
根据地应力分布规律和影响地应力诸多因素的分析，建立起地应力计算的半经验公式（模型），利用测井资料计算模型中的参数，可计算得到地层的地应力数据。

这种方法的优点是比较简单、成本低，可以得到沿纵向的地应力剖面。

但到目前为止，这种方法的理论基础不是很完善，带有一定程度的经验色彩。

由于这种方法具有无可比拟的优点，尽管其理论基础还不令人满意，却得到广泛应用。

（4）根据钻井过程中井眼失稳状态反演原地应力
钻井过程中经常遇到的井眼失稳形式主要有井漏、井塌和缩径。

井眼失稳最根本的原因是地应力的作用。

因此利用井眼失稳信息反演地层的原地应力是完全可能的。

井眼失稳状态可反映地层应力的大致范围，因此这种估算地应力值的方法为解决工程问题提供了有益的信息。

地应力的测井计算方法就是把第三种和第四种方法结合起来，建立符合实际的地应力计算模型，利用测井资料计算岩石力学参数，开展地应力分布规律的研究，并给出连续的地应力剖面，编制方便、实用的计算机软件；分析井眼失稳与地应力的关系，对井眼稳定性进行分析。