5、地应力

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；
A Borehole in a Stress Field
Here, v = 2, HMAX = 1, hmin = 3, and 1 > 2 > 3
Hole inclination parameters
中国地应力分区特点
据陈宗基的分析，可按行政区域划分，大致将我国 分成三类地区： 强烈构造应力区：包括台湾、西藏、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。 较弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、 河南、贵州、四川东部、黑龙江、吉林及内蒙古的 大部分地区。
适用条件：地质构造简单、地层平缓 均质各向同性岩体 水平层状岩体 垂直层状岩体
利用成像测井判断地应力方向
拉伸裂缝方向为水平最大主 应力方向
拉伸裂缝
井壁坍塌方向为水平最小主
应力方向
二者相差90°
坍塌
井周地层应力状态
( H h ) ( H h ) R2 R2 3R 4 2 P (1 2 ) (1 4 ) cos 2 2 2 r r r (1 2 ) R2 [ (1 2 ) ](P Pp ) 2(1 ) r
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
v
HMAX ~ v >> hmin
HMAX
hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
HMAX v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
体应力称为重布应力或二次应力。
第一节 概 述
原地应力（天然应力）
在天然状态下，岩体内部存在的应力，或人类工
+ + + + + +
+ + + + + +
天然应力
+ + + + + + 程活动之前存在于岩体中的应力。 又称地应力、初始
应力等。
重分布应力（扰动应力）
人类进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应

2
1
3 p
Principal stresses Coordinates parallel to earth’s surface
x
y
Effective stresses: 1 ’ = 1 - p 2 ’ = 2 - p 3 ’ = 3 - p p = pore pressure
z
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
利用水力压裂试验数据计算地应力：

H min
P
FCP
H max 3 H min Pp Pf St
St Pf Pr
水平最小主应力与裂缝闭合压力近似相等。
地层抗拉强度等于破裂压力与地层重张压力的差值。
四、地应力计算的理论及经验公式
根据自重应力理论确定岩体中的天然应力
井壁崩落椭圆资料的获取：
地层倾角测井数据（双井径资料），成像测井数据
井壁崩落椭圆的识别：(双井径测井原理)
(1) 一个方向的井径近似等于钻头直径，另一个方向的 井径有明显扩大。 (2) 井壁崩落椭圆段必须有一定长度。 (3) 在长度范围内崩落椭圆的长轴方位基本一致。
根据上述方法确定地应力引起的井壁崩落椭圆井段，进而确定主应力方向。
石油工程岩石力学
Petroleum Engineering Rock Mechanics
教
师：李相臣
电子邮箱：li_xiangchen@126.com
主要内容
第一节 概 述
第二节
第三节
地应力的测量方法
地应力纵横向分布的计算
第一节 概 述
应力（stress）：受力物体截面上内力的集度，即
单位面积上的内力。
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）
二、天然应力的构成及起源
自重引起的天然应力场
V gh h1 h 2 1
二、天然应力的构成及起源
Drilling Direction and Stress
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis 60° cone
潜在正断型 垂向应力为最大主应力，即:σv>σH1>σH2
潜在逆断型
垂向应力为最小主应力，即:σH1>σH2>σv 潜在走滑型 垂向应力为中间主应力，即:σH1>σv>σH2
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；
高天然应力标志主要有：
地下工程活动，常产生岩爆、剥离、崩落 收敛变形大，使井眼等断面变小 软弱夹层内的物质被挤出，节理闭合 饼状岩心
Anderson理论——断层类型与主应力关系
正断层与地应力
v = 1 hmin = 3
地垒－地堑结构
HMAX = 2
拉伸 拉伸

倾角
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。
东非大裂谷，由于地
壳断裂运动，形成于
大约3000万年前。
我国西部山前构造，由 于板块挤压，形成高陡
地层。
地球自转速度的变化
长期减慢 周期性变化
v = 3 HMAX = 1
hinge points
overthrust sheet
B A
highly fractured zone
C
largely unfractured shale
high-p shale
static basal sheet
compression
地层中地应力状态存在三种类型：
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；
（理论依据是什么？）
水平最小主应力方向
井壁发生坍塌后的井眼形状与井眼钻开后应力的重分布有关
井眼坍塌破坏形状
σ
h
σ
H
σ
H
σ
h
井眼坍塌长轴方向的变化
水平最小主应力 节理破碎地层塌块 大，井眼长轴在最 大水平地应力方位Байду номын сангаас水平最小主应力
水平最大主应力
完整地层塌块小， 井眼长轴在最小水 平地应力方位
井壁崩落椭圆资料的获取与识别
典型应力状态： sv = s1 >sHmax = s2>sHmin = s3
走滑断层与地应力
v = 2 hmin = 3
锐角
HMAX
HMAX = 1
hmin
几乎垂直的断层面
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
问题：施加围压的目的是什么？
Kaiser效应试验结果的解释
σ V σ αPp KPc
1 σ 0 σ90 σ 0 σ90 2 σH 1 tan 2 2 αPp KPc 2 2 1 σ 0 σ90 σ 0 σ90 2 σh 1 tan 2 2 αPp KPc 2 2 σ 0 σ90 2 σ 45 tan 2 σ 0 σ90
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、井壁崩落椭圆法判断水平地应力方向
水平最大主应力方向
一般情况下，井壁坍
塌形成的椭圆形井眼，
长轴与最大水平主地 应力方向垂直
应变：当材料在外力作用下不能产生位移时，它
的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为
应变（Strain）。
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，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
典型的水力压裂试验曲线
破裂漏失
井 口 压 力
停泵
裂缝重张
裂缝闭合
时间
利用水力压裂试验数据计算地应力：
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力。 裂缝重张压力（Pr）：使一个已存在的裂缝重新张开时的井底 压力。 裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小 井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最 小水平主地应力。 瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大 于PFcp，两者之间的差别一般在0.1～7MPa之间变化，它取决压 裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等。
现场水力压裂试验法是目前 进行深部绝对应力测量的最 直接方法。这种方法根据试 验测定地层破裂压力、瞬时 停泵压力、裂缝重张压力， 采用上述压力值反算水平地
应力。
典型的水力压裂试验曲线
监测裂缝扩展和关井后的压 力，准确确定最小主应力
volume
(after Gaarenstroom et al., 1993)
h min
A
A
h max
二、声发射Kaiser效应法测定地应力大小
岩石在施加载荷过程中，岩 石微单元破坏而发出声波信
号，当载荷超过岩心曾受到
的最大应力状态时，其发射 的这种信号会明显增大，用 专用仪器可以监测出这种信 号的变化，由此可测出岩石
声 发 射 信 号 数
凯塞尔效应点
在地下时所受的应力。
→ ← ↓ ↑ 力的改变，工程建设扰动后的岩体应力称为重分布应力，
或二次分布应力。

∧
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
三、现场水压致裂法测量地应力大小
根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发，通
过测出地层破裂压力，裂隙重张压力，裂隙闭合压力，
可求出最大、最小水平主地应力。
水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。
测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度、渗透率、
孔隙连通性影响较大。
现场水压致裂法
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 ”。
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
应力
取心方式与实验设备
加载装臵
声信号接收设备
实验步骤：
加工好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中；
加围压至设定值，并使之保持恒定；
以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载过程 中岩样内部微破坏所发出的声发射信号 将向载荷卸致零，进行第二次加载； 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲线。