第五章 地应力确定-20130605

化规律复杂
σv 垂向应力
σΗ2 水平向最小主应力
σΗ1 水平向最 大主应力
二、高地应力
有些部位岩体地应力极高，对工程作业影响极大 高地应力标志主要有
9 地下工程活动，常产生岩爆、剥离、崩落 9 收敛变形大，使井眼等断面变小 9 软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合 9 饼状岩心
三、影响天然应力的因素
差 应 变
凯 塞 效 应
速 各 向 异
性
现场获取技术
小 型 压 裂
井 壁 崩 落 法
井 璧 诱 导 缝
井点地应力状态:主应力方向和大小
二、地应力的室内岩心测试技术
岩石声发射测量法-凯塞效应
声发射：岩石受外载荷作用时，内部储存的应变能快速释 放并产生弹性波，发出声响的现象。
9 凯塞效应：1950年德国人凯塞发现多晶金属的应力从其 历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最 大应力值时，很少有声发射发生，而当应力达到和超过历 史最高水平后，则大量发生声发射的现象。
一、概 述
根据成因，可分为原始孔隙压力、后天形成压力 原始孔隙压力：地层沉积和构造形成过程中由地质作
用而形成的压力 后天形成压力：受到人类大规模生产活动引起变化后
的压力 地层孔隙压力成因不同，预测方法不同。
一、概 述
8
二、砂泥岩地层剖面孔隙压力预测方法
方法基础 (1) 随着深度的增加，孔隙度按指数规律衰减 (2) 随着深度的增加，放射性强度增加 (3) 随着深度的增加，地层水矿化度按指数规律增加 (4) 随着深度的增加，地温按线性规律增加
9 凯塞点：从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点， 该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
根据岩石组成和构造特点，凯塞效应可分为4种类型： 9 群发型：以侵入的、矿物结晶良好、中粗粒的结晶岩为主， 以花岗岩为代表。组成这类岩石的矿物强度较高。 9 集发型：以浅层侵入及喷发岩为主，矿物结晶差异性大的玢 岩为代表。 9 突发型：以喷发岩为主，隐晶质结构，以致密玄武岩为代表。 9 散发型:以沉积成因为主的砂岩、砾岩等中等强度岩石为代表。
三、地应力的矿场获取方法
当井眼内水压力为P时，井壁出现垂 直裂缝的条件时，A点上的拉应力等 于岩体的抗拉强度。
直井井壁产生垂直水力压裂缝的条件：
7
三、地应力的矿场获取方法
只要压力保持大于与拉裂面垂直 的应力，则裂缝一旦形成就会继 续扩展。
停泵后，若裂缝中的水压力小于 这个裂隙上的正应力，裂隙就会 相应的闭合；若大于，裂隙就会 张开。
地形起伏 地表剥蚀 岩体性质：硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反 地下水：产生孔隙流体压力 地温：产生温度应力
四、我国地应力的分区性
我国处在四大板块环绕中 9 西南面受印度板块向NNE挤压 9 东面受太平洋板块向W俯冲 9 南面受菲律宾板块向N俯冲 9 北面受西伯利亚板块阻挡
3
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
9 高强度的脆性岩石有较为明显的声发射凯塞效应。 9 多孔隙低强度及塑性岩体的凯塞效应不明显，疏松软岩石
的应力不宜用声发射法测定。
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
声发射监测系统框图
1、2上下压头；3、4为换能器；5、6为前置放大器；7，8为输入 鉴别单元；9为定区检测单元；
四、我国地应力的分区性
在四大板块的碰撞挤压下，形成了中国大陆的地 应力，大致可以东经100～105°为界分东西两区。
东西两区的地应力特征差别很大
9 地应力强度：西强东弱（西高东低） 9 最大水平应力方向：西区以 NNE-SSW为主，东区近
E-W方向
五、地应力的研究历史
全球范围： 9 1878年海姆提出地应力 9 l932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了 岩体中的地应力 9 目前，地应力测点遍布全球，但大部分是浅部
三、地应力的矿场获取方法
钻井诱导缝显示
¾该井段的压裂缝呈180°对称分 布，呈现出明显的钻井诱导裂 缝特征。
天然裂缝在各种成像图上的显示特征
三、地应力的矿场获取方法
钻井诱导缝显示
应力释放缝
6
三、地应力的矿场获取方法
钻井诱导缝显示
重泥浆压裂缝
二、地应力的矿场获取方法
钻井诱导缝显示
重泥浆压裂缝
三、地应力的矿场获取方法
等效深度法
9
三、有效应力 三、有效应力
三、有效应力 地层矿物颗粒对颗粒的作用力。 在多孔的连续介质中，颗粒与颗粒间的接触应力与
孔隙压力一起，支撑着外部总的应力（σ）。
σ σe Pp
本章小结
10
1
波速各向异性
3
波速各向异性 9 岩心/井壁最小波速沿原最大水平主应力方向 9 岩心/井壁最大波速沿原最小水平应力方向 9 该方法受到岩石各向异性的干扰
三、地应力的矿场获取方法
理论基础
井壁岩石发生垮塌、破裂的方向与原地应力延伸方向密切 相关
井壁岩石发生垮塌、破裂的程度则与原地应力大小以及岩 石的强度密切相关。
钻井诱导缝显示
重泥浆压裂缝
三、地应力的矿场获取方法
小型水力压裂
测定深部岩体应力，尤其最小水平主应力 的一种直接方法。
在需要测定应力的深度段用封隔器封闭隔 离，并用水压方法对被隔离井段井壁施加 压力，直至井壁岩石受拉破裂，最后根据 破裂压力、关井压力变化，确定岩体天然 主应力的大小。
封隔器
地面泵 裂缝
第五章 地应力及测试方法
第一节 概述 第二节 地应力的确定方法 第三节 孔隙压力及有效应力 本章小结
第一节 概述
一、地应力 二、高地应力 三、影响地应力的因素 四、我国地应力的分区性 五、地应力研究的历史
一、地应力
地应力（天然应力、初始应力） 9 人类工程活动之前存在于岩体中的应力 9 存在于地壳岩体中的内应力 9 由地壳内部垂直运动和水平运动的力及其它因 素的力引起的岩体内部单位面积上的作用力
一、地应力
地层中地应力状态存在三种类型： 垂向应力为最大主应力，即:σv>σH1>σH2 垂向应力为最小主应力，即:σH1>σH2>σv 垂向应力为中间主应力，即:σH1>σv>σH2
1
一、地应力
垂向应力主要来源于上覆岩层重量
水平向两个主应力主要来源于上覆岩层重量、构造运动，变
泥岩孔隙度：
二、砂泥岩地层剖面孔隙压力预测方法
方法基础
1－储层中的异常高压地层； 2－页岩；3－灰岩；4－砂岩；5－页岩 中的异常高压和异常低压地层
二、砂泥岩地层剖面孔隙压力预测方法
方法基础 1
Lf 1-Lf
二、砂泥岩地层剖面孔隙压力预测方法
方法基础
二、砂泥岩地层剖面孔隙压力预测方法
等效深度法
二、砂泥岩地层剖面孔隙压力预测方法
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
9 SH、Sh分别为最大、最小水平主应力； 9 S1、S2、S3分别为0°、45°、90°三个方向岩芯凯塞效应对应的应力值 9 α:系数 9 PP:地层孔隙压力
二、地应力的室内岩心测试技术
在岩体中，裂隙在与σ3垂直的 平面内扩展。
四、地应力其他预测方法
¾ Matthews & Kelly模型 ¾ Eaton模型 ¾ Anderson模型 ¾ Newberry模型
第四节 孔隙压力预测
一、概述 二、砂泥岩地层剖面孔隙压力预测方法 三、有效应力
一、概 述
地层孔隙压力/流体压力：地层孔隙中所含流体的压力 9孔隙压力分为正常孔Βιβλιοθήκη Baidu压力和异常孔隙压力。 9正常孔隙压力：等于地层水静液柱压力，压力变化范围 1.0～1.07g/cm3 9异常低压：低于地层水静液柱压力 9异常高压：高于地层水静液柱压力
10、11为计数控制单元；12为压机油路压力传感器； 13为压力电信号转换仪器；14为函数记录仪
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
4
二、地应力的室内测试方法
岩石声发射测量法
一、地应力
地应力组成 9 由岩体自重引起的自重应力 9 由岩体构造作用引起的岩体构造应力。 9 由流体作用引起的孔隙压力 9 其它(如地温引起的热应力、地球化学作用引起的化学 应力等)
通常，地应力场是一个三向不等压的空间应力场，主应力 大小和方向随空间与时间的变化而变化。
一、地应力
9 垂向应力（σv） 9 水平向两个主应力（σH1、σH2） 9 地层孔隙压力（PP）
中国： 9 20世纪50年代末开始地应力测量
2
第二节 地应力的确定方法
一、地应力确定方法概述 二、地应力的室内测试方法 三、地应力的矿场获取方法 四、地应力的其他预测方法
一、地应力确定方法概述
地应力方向及大小
地应力确定方法
岩心测试技术
地 质 资 料 分 析
非 弹 性 应 变 恢 复
波
古 地 磁
5
三、地应力的矿场获取方法
对直井，当井筒液柱压力不恰当时：
理论基础
¾ 井壁岩石在最小水平主应力方向呈180度对称垮塌
¾ 井壁岩石在最大水平主应力方向呈180度对称破裂
三、地应力的矿场获取方法
井壁崩落法
Zoback井壁崩落关系式：
三、地应力的矿场获取方法
井壁崩落法
井壁崩落
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
三、地应力的矿场获取方法
小型水力压裂
在注水加压过程中，井壁的某些点切向和铅直 向的有效应力可能变成拉应力。
当此拉应力达到井壁岩体的抗拉强度时，井壁 岩石将发生破裂，此时的井眼内水压力为Pf， 称为开裂压力。
如果水不停地注入，则裂缝一旦形成就会继续 扩展。裂缝深度达到3～5倍井眼直径时，此处 已接近原岩应力状态。