《应力场分析与裂缝预测》第5章-2天然裂缝与人工裂缝的识别
裂缝识别与评价
4.地层倾角测井
(1)FIL 微电阻率曲线与方位曲线：
地层倾角测井仪有多个极板，探测到垂直裂缝的机会较少，只 有当极板位于裂缝前面时，才能根据微电阻率曲线的下降来判断 裂缝。
如果井眼的椭圆是裂缝引起的，可以根据在椭圆长铀方向上电 阻率的下降，在与这—长轴方向垂直方位上相对较高的电阻率值 来判断可能裂缝。
N——岩心单元内观测到的裂缝总数；
四、基本概念
1．裂缝孔隙度：裂缝孔隙体积/岩石总体积；
2．基质孔隙度：岩石基质孔隙/岩石基块体符号
基块孔隙度：岩石基块孔隙/岩石总体积
3．总孔隙度：总孔隙体积/岩石总体积
4．裂缝孔隙度分布指数（基块孔隙度分布指数）
（1）A型孔隙度分布（Vf =10-15%）：裂缝孔隙储藏能力低，而 原生的基块孔隙储油能力高，总它的储量大，产量高，产量不降 慢，稳产时间长，但采收率较低。
叫裂缝率、裂缝频率或线性裂缝率。 裂缝孔隙度：裂缝总体积与岩石总体积的比值。
计算方法
1)基于理想模型的裂缝孔隙度和裂缝密度的估算(T．D．范高 尔夫—拉特，1989)
2)基于岩心模型的裂缝孔隙度和裂缝密度计算
并假设：(1)计算段内岩心柱铅直；
(2)岩心柱内裂缝面为一平面；
(3)裂缝宽度可测，宽度不可测的隐含裂缝不在计算范围 内。
将相邻两极板的电阻率曲线进行重迭，根据重迭曲线的幅度差 的大小来判断裂缝存在的可能性。
另—种显示裂缝的电导率异常检测程序DCA
电导率异常检测处理图
A.电导率超 过某一值
B.各电导率 之间有足够 的幅度差
C.反映电导 率异常的深 度段大于某 一值
1号极板方位与井径：当仪器上提时，由于电缆扭力的缘故，仪器 要旋转。仪器旋轴速度变慢、停止或反向旋转，常表示可能存 在裂缝。仪器走过裂缝段。将加速旋转一段路程以释放在裂缝 段电缆累积的扭力。
《应力场分析与裂缝预测》第5章-1储层裂缝及其预测
（二）经济潜力评价 目的：估算储量、渗透性，确定储集层潜在价值 资料:（1）压力测试资料
（2）专门针对裂缝探测的测井资料 （3）三维岩心渗透率分析资料 （4）基质与裂缝相互影响的实验资料 研究重点： （1）裂缝密度与地下张开度的估算 （2）了解裂缝孔隙度与基质孔隙度相互影响 （3）裂缝和基质之间相对流动实验估计
第一节 概 论 一、裂缝作用与裂缝性储层分类 二、储层裂缝研究内容、研究方法
与研究意义 三、储层裂缝的识别
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储层裂缝的识别
（1）地表相似露头的裂缝识别； （2）岩心裂缝识别； （3）薄片的微观裂缝识别； （4）测井资料识别（常规、成像测井） （5）钻井资料识别（泥浆漏失、试油） （6）动态（产能、含水、压力、示踪剂、 试井）
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（三）开发设计和油藏数模 目的：评价几种开发方案，以达到最佳采收率
需要进行油藏数值模拟 资料:（1）详细的构造图
（2）岩心描述资料 （3）三维岩心分析资料（定向取心） （4）岩石力学数据 （5）试井资料 （6）裂缝探测测井（如成像测井系例） （7）储层地应力测试资料 （8）基质和裂缝性质的实验室资料 （9）基质和裂缝相互影响实验资料 研究重点:（1）裂缝定量研究与三维空间分布
日期
30m/d 30m/d 30m/d
60m/d 150m/d 33.3m/d
含水变化（%）
100
80
60
40 20 7
12
15.4
18
0
4
2001.5
6
7
99.9
裂缝表征与建模
H1378
H1398 H1483
H1377 H1465 H1472
H1389 H1473 H1481 H065 H1480 H1486 火2
H1488
H1487 H1492 H1491 H233
4981000
H1482
4979000
H1343
H1357
4983000
4985000
H1462
渗流介质
特低渗 裂缝类 孔隙类
H2413井FMI成像测井成果图
(2) 常规测井响应特征
基本思路：利用成像测井+岩心观察 标定常规测井对裂缝发育井段 的响应特征，从而定性识别裂缝发育井段。
裂缝发育井段常规测井的响应 特征:
深浅双测向电阻率出现明 显幅度差;声波时差变高幅度 不大. H2油藏裂缝发育段深浅双侧向 比值大于1.5时，为储层裂缝 发育井段。
井数据
- 岩心观察 - 成像测井 - 常规测井
露头描述 精细地质模型
岩相, 孔隙度, 基质渗透率.
裂 缝 分 析
技术路线
裂 缝 建 模
地应力模拟 构造曲率研究 构造滤波分析
生产动态
-示踪剂 -注水井 -采油井
质量控制
裂缝性储层等效渗透率的获得
XX油田XX层裂缝表征与建模技术路线图
H002井裂缝分析
15656000 15658000
H216 H1110 H1111 H1112 H1015 H1105 H1113
H1149
4985000
火16 H1117 H1116 H1091 火西2 H1074 H1089 火西1 H1128 H1129 H1122 H1131 H217 H1144 H1124
利用裂缝参数指示法识别大牛地气田下古生界天然裂缝
1251 研究区内裂缝特征大牛地气田位于陕—蒙鄂尔多斯盆地北部塔巴庙区块内，对其马家沟组16口取心井的86条裂缝产状进行统计：主要为垂直裂缝和高角度斜交裂缝，水平裂缝和低角度斜交裂缝较少。
其中垂直裂缝（大于75o）51条，占70.83%；斜交裂缝21条，占29.17%。
垂直裂缝较平直，见到有平面“X”型剪破裂，裂缝面可见水平方向擦痕；斜交裂缝缝面可以见到擦痕、阶步等缝面构造，缝面擦痕的方向主要沿顺缝面方向，为剖面“X”型剪破裂。
充填裂缝主要为高角度裂缝、垂直裂缝、网状裂缝，以方解石、白云石和泥质充填。
2 裂缝参数指示法2.1 裂缝张开度利用泥浆电阻率随温度变化的关系式，可得到井底条件下的泥浆电阻率，最终取两个公式计算结果的平均值，经计算得到研究区马家沟组井底泥浆电阻率为1.53Ω·m。
利用井径测井资料确定井筒半径，以双井径测井的平均值为本次研究取值。
从测井仪使用手册查得地层深侧向、浅侧向、侧向测井的厚度分别为2.63，0.8，0.7m。
根据研究区分析，利用岩心资料统计确定裂缝倾角，统计工区马家沟组岩心裂缝裂缝倾角高角度裂缝占到72.23%，低角度裂缝占总的27.77%。
总体以高角度裂缝为主，低角度次之。
2.2 裂缝参数计算对16口取心井所计算裂缝参数的统计表明：裂缝宽度集中在1.591～2970.75µm范围内，其中大92井附近裂缝宽度最大，在288.624～2970.75µm范围之间，平均为1097.6932µm；大48井附近裂缝宽度相对小，在1.591～521.41µm内，平均为272.488µm。
对应岩心上对裂缝宽度的测量来看，二者之间相差1～2个数量级，测井计算结果偏小，岩心测量结果偏大，这与裂缝出露地表后应力释放，缝面张开度扩大有关。
裂缝孔隙度的计算结果及统计表明：裂缝孔隙度计算结果一般小于0.2%，主要分布在0.003%～0.147%范围内，裂缝孔隙度值均较低，为0.04189%。
裂缝的识别
裂缝的识别裂缝的识别裂缝是指岩石的断裂，即岩石中因失去岩石内聚力而发生的各种破裂或断裂面，但岩石通常是那些两个未表现出相对移动的断裂面。
其成因归纳为：（1）形成褶皱和断层的构造作用；（2）通过岩层弱面形成的反差作用；（3）页岩和泥质砂岩由于失水引起的体积收缩；（4）火成岩在温度变化时的收缩。
从FMI图像上，我们可以总结出裂缝的类型：（1）高角度缝：裂缝面与井轴的夹角为0~15度；（2）低角度缝：裂缝面与井轴的夹角为70~90度；（3）斜交缝：裂缝面与井轴的夹角为15~70度。
在某些特定的地区，我们可以从FMI图像上观察出网状缝，弥合缝和一些小断层。
第一节地层真假裂缝的识别方法在微电阻率扫描成像测井图FMI上，与裂缝相似的地质事件有许多，但它们与裂缝有本质的区别。
一、层界面与裂缝前者常常表现为一组相互平行或接近平行的高电导率异常，且异常宽度窄而均匀；但裂缝由于总是与构造运动和溶蚀相伴生，因而高电导率异常一般既不平行，又不规则。
二、缝合线与裂缝缝合线是压溶作用的结果，因而一般平行于层界面，但两侧有近垂直的细微的高电导率异常，通常它们不具有渗透性。
裂缝主要受构造运动压溶作用的影响，因此与缝合线的形状不一样，并且与裂缝也不相关。
三、断层面与裂缝断层面处总是有地层的错动，使裂缝易于鉴别。
四、泥质条带与裂缝泥质条带的高电导率异常一般平行于层面且较规则，仅当构造运动强烈而发生柔性变形才出现剧烈弯曲，但宽窄变化仍不会很大；而裂缝则不然，其中总常有溶蚀孔洞串在一起，使电导率异常宽窄变化较大。
五、黄铁矿条带与裂缝黄铁矿条带成像测井特征与泥质条带的特征混相似，但其密度明显增大，可作为鉴别特征。
总之，如图3—1所示，除断层面以外，其他地质现象基本平行于层理面，而裂缝的产状各异。
无论怎样弯曲变形，相似的这些地质现象的导电截面的宽度却相对稳定，相反裂缝的宽度通常因岩溶与充填作用变化较大。
第二节地层中天然裂缝和诱导裂缝的鉴别方法要鉴别天然裂缝和诱导裂缝，就须搞清诱导缝产生的机理和相应的特征。
裂缝储层评价
高角度裂缝储层 Swb、Swf 均低，不易误判。
Swb明显低于Swf ，易误判为油气 层而产水。
③裂缝性储层的性质
B、裂缝-孔隙型储层
第四、钻井液侵入为切割式侵入特征，即裂缝为深侵入，而岩块为 浅侵入，甚至不侵入。
第五、测井响应取决于裂缝的产状、发育程度、孔隙度的大小及孔 隙结构等因素。
③裂缝性储层的性质
A、低孔裂缝型储层 第一、储层中的储集空间与渗滤空间均为裂缝，孔隙所占比例很小。 第二、产出特征为双孔单渗，即只有裂缝向井内产出流体。 第三、储层中地层流体分布基本为非油（气）即水的状态。 第四、钻井液侵入为深侵入特征。 第五、测井响应主要取决于裂缝的产状。
单组系裂缝模型
未封闭的多组垂直裂缝模型
封闭的网状裂缝模型
WZ6—1油田２井流三段砾岩中的砾间裂缝
E、水力破裂缝
这种天然水力破裂缝是指由盆地地层中，流体压力作用于岩石发生破裂而形成的 裂缝。它们主要发育于超压烃源岩地层压力的条件下，当地层压力大于岩层的抗 张强度与综合水平地应力之代数和时，就可以形成天然水力破裂缝。 水力破裂缝的形状比较规则，相似于构造缝，但却无明显组系性和方向性，因此 又像溶蚀裂缝。
剪裂缝：有两组剪裂缝，一组与断层钝夹 角相交，通常不太发育；另一组与断层锐夹角 相交，一般小于15度（内摩擦角的一半），与 断层所夹锐角指示本盘运动方向，但由于太接 近断层面，故常遭破坏，难于用作两盘相对运 动的标志。一般与断层相关的剪裂缝不如张裂 缝稳定。
断层伴生裂缝的平面分布
F 主断层 T 张裂缝 S1、 S2 剪 裂缝 D 小褶皱轴面 A 最大 应变轴 C 最小应变轴
（1）常规测井识别方法 ①有无裂缝发育的识别方法-----第一层次的裂缝识别
恒泰艾普软件培训系列教材-应力场模拟和裂缝预测
恒泰艾普软件培训系列教材Stress Field Modeling应力场模拟和裂缝预测恒泰艾普石油勘探开发技术有限公司目录一、 模块功能二、 原理和方法三、 参数和使用说明四、 应用关键和应用技巧一、模块功能利用地质、钻井和测井资料，计算拉梅常数和剪切模量等参数，建立地质模型、力学模型及数学模型，运用三维有限差分数值模拟方法对应力场进行模拟，研究构造、断层、地层厚度、区域应力场等地质因素与裂缝分布的关系，预测与构造有关的裂缝分布及发育程度。
二、原理和方法（一）应力场的概念地壳中或地球体内，应力状态随空间点的变化，称为应力场，或构造应力场。
应力场一般随时间变化，但在一定地质阶段相对比较稳定。
研究应力场，就是研究应力分布的规律性，确定地壳上某一点或某一地区，在特定地质时代和条件下，受力作用所引起的应力方向、性质、大小以及发展演化等特征。
随着地质演化，一个地区常常经受多次不同方式的地壳运动，导致同一地区内，呈现出受不同时期不同形式地应力场作用所形成的各种构造极其叠加或改造的复杂景观。
因此，只有最近一期地质构造事件，未经破坏或改造，才能确切地反映这个时期的应力场。
应力场可按空间区分为全球、区域和局部地应力场；按时间区分为古地应力场和今地应力场；按主应力作用方式区分为挤压、拉张和剪切地应力场。
（二）地质模型和应力场关系地支模型的建立是做好应力场模拟的先决条件，首先将储层的目的层连同上下盖层和覆盖层作为一个岩石块体的隔离体来计算，然后从地质的角度提出构造成因，构造裂缝的特征，构造应力场的宏观特征及断层发育史。
我们现在研究的构造应力场主要在早白垩世构造伸展期与晚白垩世构造反转期形成，因此研究的地质体应为相应时期的古构造图。
对于挤压构造，应取受挤压之前的古构造作为地质体；而对于伸展构造，考虑到伸展作用的长期性及伸展对构造缝所形成的控制作用，应取伸展之后的古构造作为地质体。
在此基础上，恢复古构造剖面图，推断地质隔离体的受力方向及大小，设定边界条件并提出反演应力场及裂缝的地质标准。
综合方法识别与预测裂缝
溶蚀杏仁 Corrosion amygdaloid 裂缝充填 Fissure filling 高角度缝 High dip fissure 方解石充填 Calcite filling
自碎 Cataclasis by itself 粒间孔 Interparticle pore 晶间孔 Intercrystal porosity 超微剪节理 ultramicro shear joint 超微张裂缝 ultramicro tension joint 溶蚀孔 Corrosion pore Photograph of electron microscope
基本原理
物体在变形过程中，应变和转动同时存在，其中 转动是导致物体破裂的决定性因素。用和分解的方法 可以有效地把地质构造的转动和应变分离出来。 应变转动的和分解是将一个物理上可能的变形函 数F分解为一个对称子变换和一个正交子变换的和。
F = R +S
i j i j
i j
S ij =
1 2
(
i j + i
岩层曲率法
岩层受力变形，在岩层弯曲部位会 产生张裂缝，曲率值与裂缝发育程 度存在密切的相关性。用曲率法可 计算裂缝岩石的孔隙度。
分形分维法
物体具有自相似性，即局部是整体 的成比例缩小。通过岩心微观裂缝的 研究能够计算断块的宏观裂缝。同样 在一个地区断层研究的基础上能够计 算断块中的裂缝。
下的度量数量。 a =常数；D=分（数）维
ε —度量尺度；N—该度量尺
N = a ε
D
ln N D= ln ε
分维的大小是物体不规则性 或复杂性的一种度量，分维 越大，物体越不规则。
影响裂缝研究的主要因素
1.岩心定向 2.单一方法的局限性 3.现今地应力
《应力场分析与裂缝预测》第5章-4、构造曲率预测方法
第四节储层裂缝的定量预测方法一、构造曲率预测方法二、有限元预测方法三、其它预测方法构造主曲率法的基本思路：把在一定地质时期内的古构造应力场看作是稳定应力场，于是，可根据目的层的古构造形态，用一确定的曲面z＝ｕ(x，y)来计算其构造挠度。
由微分几何得，曲面上每点的最大和最小主曲率半径ｒ１和ｒ２满足方程：(ab－c)２r２＋[2dec－(１＋d２)b－(１＋e２)a]tr＋ｔ４＝0其中：ａ＝, ｂ＝, ｃ＝, ｄ＝, ｅ＝，ｔ＝对于某一油层，通常平面上的尺寸大于垂向上的尺寸，因此，可以将目的层当作薄板型，视为虎克弹性体处理。
在求出上述方程根ｒ１和ｒ２以后，可按平面应力问题计算出各处的主应力分布：)11()1(22121r r Eh µµσ+−=)11()1(21222r r Eh µµσ+−=其中，ｈ为目的层作为板模型的厚度，Ｅ为岩石弹性模量，μ为岩石泊松比。
在求出各点主应力在平面上的以后，根据应力可分析其裂缝分布。
王场油田构造图某层顶面应变和曲率对比图曲率法预测的裂缝密度分布用去褶皱恢复的应变预测裂缝分布图地震相干属性预测裂缝分布图构造主曲率法的应用前提条件是：假设裂缝的发育程度与构造主曲率成正比关系。
因此，它主要适用于由于岩层弯曲变形派生的拉张应力所形成的张性裂缝，即与褶皱构造派生的纵张裂缝。
这种方法的优点是计算简便，人为干扰少，不需考虑岩石物性变化及地质体的边界条件，但其使用范围非常局限，不适应于断块油藏和其它成因的构造裂缝预测。
对于单个背斜构造，可用趋势面法；对于多个构造，可用差分法效果比较好。
第四章储层裂缝的定量预测方法一、构造曲率预测方法二、有限元预测方法1、基本原理与岩石破裂准则2、模型建立3、实例三、其它预测方法P）t t1、格里菲斯准则：这种准则适合于脆性材料的张破裂，准则的基础是认为脆性物体的破坏是由于存在随机分布的微裂缝，当外载增加时，在裂缝的末端会产生应力集中而导致裂缝的扩展。
人工压裂裂缝的检测
人工压裂裂缝的检测人工压裂直接关系到压裂效果。
压后产量及其稳产效果等都决定于人工裂缝的几何尺寸和裂缝方位，而裂缝方位有直接关系到井区的井网布置和开发政策。
压裂后对所产生裂缝的几何形态的检测是压裂施工的一项重要工作。
对目前国内外广泛采用几种不同的检测方法来综合分析。
裂缝高度的检测目前对水力压裂裂缝高度的检测技术中，效果比较好的有油井温度测量法和放射性同位素示踪法。
油井温度测量法是在压裂前先测出地层基准温度剖面，然后在压裂时将冷或热的压裂液压入裂缝中，在压裂结束后测的井温曲线在裂缝段会发生温度异常，根据井温曲线上的温度异常范围来确定裂缝的高度。
放射形同位素示踪法又分为两种方法，一是在支撑剂中加入示踪剂，压裂结束后用伽玛射线测井法测量裂缝中的放射形示踪剂确定裂缝的高度。
二是在施工的最后，在压裂液中加入示踪剂，再进行伽玛射线测井。
裂缝方位和几何尺寸的检测目前检测裂缝的方位和几何尺寸的主要方法是在裸眼井中用下井下电视测量、微地震测量、无线电脉冲测量等方法对裂缝进行探测，通过传送系统在地面进行实时显示，根据图象观察和分析裂缝的方位和几何形态。
地层人工裂缝监测方法有诸多，其中以微地震方法最为及时、直接、可靠。
当压裂井实施压裂形成人工裂缝时，沿裂缝面必然出现微震，微震震源的分布反映了人工裂缝的轮廓。
根据监测结果可以汇出裂缝的形态、方位、高度、产状，从而弄清油田地应力方向。
井温测井可用来评估水力裂缝高度，通常可根据压裂作业后很短时间进行的关井测井曲线上的高温异常或低温异常来确定。
挤入的压裂液一般比被压裂地层的的温度低，在压裂过程中，低温压裂液被挤入裂缝，而井周未被压裂的地层散热从而降温。
关井后，对应着未压开地层的井眼部位，通过非稳态的辐射热传导方式，温度逐渐转回至地热温度;在被压开地层段，主要以热传导方式升温。
由于辐射热交换比热传导交换的速度快，因此被压开地层的升温相对慢，所以在相应的井温曲线上呈现低温异常。
利用动态资料识别裂缝油藏注水后，注入水很容易沿裂缝窜进，使沿裂缝方向上的采油井见水快，油藏含水上升快，可能在很短的时间内就进入高含水阶段，而位于裂缝两侧的油井见效慢，压力恢复慢。
第五章 裂缝识别与评价详解
二、裂缝系统的分类
成因分类 产状和几何形态分类 破裂性质分类 Stearns、Friedman、Nelson将裂缝具体分为成因分类和地质分类。 成因分类分为剪切裂缝、扩张裂缝和拉张裂缝； 地质分类分为构造裂缝、区域裂缝、收缩裂缝、与表面有关裂缝。
他们三人的裂缝分类方法，构成了裂缝分类的基础。 范高尔夫一拉特根据裂缝的外貌和形态、尺度和开度以及可测量
第五章 裂缝识别与评价
裂缝性储层的岩石力学研究 裂缝识别与评价
裂缝型储层 高角度 低角度 网状 裂缝—孔隙型储层 裂缝—洞穴型储层
裂缝性储层的岩石力学研究
一、储层裂缝系统的成因
岩石破裂归因于各种地质因素，概括起来可以分为两种： 构造因素与非构造因素。 (1)形成褶皱和断层时的地壳变形； (2)在区域应力场作用下产生局部构造差异应力； (3)由于失水引起页岩和泥质砂岩岩石体积收缩；
1)裂缝几何参数的统计 参数统计，掌握其变化的范围及其分布特征 通常采用频率直方图的形式。 2)裂缝几何参数间的相关性分析
2．岩心裂缝密度和裂缝孔隙度的统计与分析 裂缝密度：说明岩石破裂的程度。 体积裂缝密度：体积裂缝密度指裂缝总表面积与基质总体积的比值； 面积裂缝密度：裂缝累计长度与流动横截面上基质总面积的比值； 线性裂缝密度：指与一直线相交的裂缝数目对该直线的长度的比值，也
究岩性与围压对裂缝发育的影响，探讨油藏覆盖层厚度与储集层
裂缝发育的关系，有助于研究油藏裂缝发育的特征。
三、岩心裂缝观测与分析
1．岩心裂缝几何参数的相关分析 裂缝几何参数：裂缝长度、宽度(即张开度)、倾角和方
位)，从岩心裂缝观测研究裂缝的发育特征，包括两 项基本工作内容： (1)直接统计裂缝的几何参数； (2)研究裂缝几何参数间的相互关系。
应力开裂裂纹特征
应力开裂裂纹特征一、应力开裂裂纹的概念和分类应力开裂是指物体在受到外部作用力时，由于其内部存在一定的应力集中，导致物体表面出现开裂现象。
这种开裂现象被称为应力开裂。
而在应力开裂中，如果出现了明显的断口，则称为应力开裂断口或者是应力腐蚀断口。
根据不同的应力来源和作用方式，可以将应力开裂分为以下几类：1. 静态载荷下的静态强度破坏2. 动态载荷下的疲劳破坏3. 热载荷下的热疲劳破坏4. 腐蚀环境下的腐蚀开裂二、应力开裂裂纹形貌特征在实际工程中，由于材料本身质量和制造工艺等因素影响，会导致材料内部存在缺陷或者是微小孔洞等缺陷。
当外部作用力引起局部应变时，这些缺陷就可能会成为损伤生长源并形成微小的裂纹。
随着外部作用力不断增加，这些裂纹就会逐渐扩展并形成明显的应力开裂裂纹。
应力开裂裂纹的形貌特征主要包括以下几个方面：1. 裂纹起始点：应力开裂裂纹通常都是从材料表面或者是内部的缺陷处开始发生，这个位置被称为裂纹起始点。
在金属材料中，通常都会出现一些微小孔洞或者是夹杂物等缺陷，这些缺陷就是应力开裂的最常见起始点。
2. 裂纹扩展方向：应力开裂裂纹的扩展方向与外部作用力的方向有关。
如果外部作用力垂直于材料表面，则裂纹扩展方向通常也是垂直于表面；如果外部作用力与材料表面夹角较小，则裂纹扩展方向可能会呈现出一定的倾斜。
3. 裂纹长度和深度：随着外部作用力不断增加，应力开裂裂纹会逐渐扩展并加深。
如果不及时处理，则可能导致整个构件失效。
因此，在实际工程中需要通过对应力集中区域进行加强或者是采取其他措施来防止裂纹的扩展。
4. 裂纹形状：应力开裂裂纹的形状通常都是不规则的。
这是由于材料内部存在着各种不同形状和大小的缺陷，而这些缺陷会对应力集中区域产生影响，导致裂纹形状不规则。
三、应力开裂裂纹的危害和预防措施应力开裂裂纹对工程构件的危害非常大。
一旦出现了明显的断口或者是材料表面出现了明显的开裂现象，则说明该构件已经处于严重损伤状态。
裂缝预测原理
裂缝预测原理裂缝预测原理是地质学、地理学、工程学等多学科的交叉研究领域，通过对地质构造、地震活动等因素的综合分析，预测地表岩体或土壤的裂缝形成和发展趋势，为工程建设、地质灾害防治等提供科学参考。
一、裂缝的形成原因1.地球自然因素：地震、火山活动等；2.生物因素：演替、树根活动、地貌变化等；3.人为因素：工程施工、水利工程、采矿、地下盗采等。
二、裂缝预测方法1.地面形貌分析法：根据地表形貌、岩石构造等分析裂缝的存在可能性；2.地球物理探测法：如电法、磁法、重力法等对地下岩体结构进行探测；3.地震学方法：根据地震活动预测裂缝的产生，如震源破裂、地震前兆等；4.地质测量和水文地质方法：以地质构造和水文格局为依据，分析地下水的流向和压力分布，预测裂缝的形成。
三、裂缝预测原理裂缝预测的基本原理就是根据地质构造、地下水的流向、地震等因素的影响分析裂缝形成的可能性及发展趋势。
裂缝的形成与地质构造、岩性、断裂带等密切相关，对于不同地区裂缝预测的建立都会针对其具体情况而开展，指导地质环境下的施工、水利工程建设、矿产勘探等。
四、裂缝预测的应用裂缝预测不仅仅是一种科学研究，也是一种实际应用。
它在地质灾害防治、工程设计和施工等方面都有着广泛的应用。
首先在地质灾害防治方面，及早预测裂缝的形成可有效地预防地质灾害的发生；其次在工程建设方面，裂缝的形成会对工程结构造成严重威胁，预测出裂缝的形成轨迹及时采取措施，可以最大限度减小工程建设的风险；最后，裂缝的形成会对地下水资源的利用带来影响，因此能及早预测裂缝的产生，有助于合理利用水资源，保护水源环境。
综上所述，裂缝预测原理是一种交叉学科的科学研究和实际应用，它对地球科学和工程技术领域都有着深远的影响。
随着现代科技的发展和研究方法的日益完善，裂缝预测定会向着更为精准、便捷和实用化的方向发展。
木材裂纹尖端应力场的有限元分析和开裂方向预测
第!"卷第#$期%$#$年#$月林业科学&’()*+(,&(-.,)&(*(’,)./01!"!*/1#$2345!%$#$木材裂纹尖端应力场的有限元分析和开裂方向预测邵卓平#6童永耀%6盛宏玉%6牛忠荣%6董宏敢#"#1安徽农业大学林学与园林学院6合肥%8$$8"&%1合肥工业大学土木工程学院6合肥%8$$$7#摘6要!6以鱼鳞云杉木材三点弯曲试件为例!应用,F ,B b &有限元软件分析裂纹体与木材顺纹向倾角分别为7$n !"$n !8$n !$n 时的应力场!并采用)切向比正应力准则*对裂纹的启始开裂方向进行预测$结果表明%##以裂尖为中心作径向平面!!种裂纹体试件的最大X HP M P 应力所在的径向线均沿着木材的顺纹理方向&%#在除去裂尖奇异点以外的一个较大区域中!垂直裂纹表面的拉应力/X 和平行裂纹表面的拉应力/K 的比值/X Z /K 几乎是一个常数!在#‘A 之间&8#无论初始裂纹与木材顺纹向的夹角如何!其裂尖处的切向比正应力1!均在顺纹方向上最大!理论预测和试验结果均表明裂纹将折向顺纹方向启裂$最后讨论木细胞间的低界面强度对木材的增韧作用$关键词%6木材断裂&有限元&应力场&开裂方向预测中图分类号!&?@#1%7666文献标识码!,666文章编号!#$$#=?!@@"%$#$##$=$#$@=$"收稿日期%%$$7=$8=#8&修回日期%%$#$=$"=8$$基金项目%国家自然科学基金项目"8$A?#!A%#!安徽农业大学创新团队资助$;/&*0$-$#4)’5($$Z -(*3](&5I 5&<^B -%e $-/9Z -/-’(Q *(6(/’M(’"#3&/3!5(3-<’-#/#4I 5&<^-/9Y -5(<’-#/4#57##3)&6%*(>-’"I 5&<^&L9/l LJ/RH N<#6+/N<O /N<V 9/%6&LM N<\/N<V J %6*H J l L/N<S /N<%6D /N<\/N<<9N#"#MF&’--6-./-%"#*%0$)?E$)?#&$:"2%&’+*"&*,%"!2)’,+25%+&,6*,%$6I )+G "%#+*06V "."+%8$$8"&%MF&’--6-.1+G +6<)5+)""%+)5!V "."+I )+G "%#+*0-.U "&’)-6-506V 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!#7??&邵卓平等!%$$%#$横向弯曲是木构件最常见的承载和变形形式!横向断裂则是指木构件因制造缺陷或天然缺陷在横6第#$期邵卓平等%木材裂纹尖端应力场的有限元分析和开裂方向预测向载荷作用时所发生的破坏方式!其断裂机制复杂!主要特征表现在启裂后裂纹不一定再沿原裂纹面内作自相似扩展$如同大多数复合材料!裂纹扩展的方向主要取决于裂尖高应力区材料的各向异性程度和原裂纹取向!虽然许多试验都表明含横纹理裂纹缺陷的木粱构件在横向载荷作用下裂纹常沿顺纹方向启裂"邵卓平等!%$$8&%$$7#!但至今尚未见有报道对这一现象从理论上给予分析与证实&另外!对于更一般情况!即当原裂纹方向与顺纹理方向成任意角度时的裂纹体在(型断裂模式下!如何预测裂纹体的启裂方向也未见有报道$为此!本文以鱼鳞云杉"J +&"$$#:"%$*$#木材的三点弯曲试件为例!应用,F ,B b &有限元软件对其裂纹尖端附近的应力场和开裂方向进行数值分析!并讨论了木材界面强度与韧性之间的关系$#6材料与方法?@?A 材料与基础数据试验用材为鱼鳞云杉气干材!含水率为#8_$在对裂纹尖端应力场和开裂方向分析前!需要先测试木材的弹性系数以及顺纹和横纹方向的拉伸强度$试材的#%个弹性系数可以通过如图#所示切取的矩形试样用电测法获得$将测得的弹性系数作适度修正使其满足正交各向异性!修正后的弹性系数为%<-f #%W :9!<I f #1%W :9!<+f $1"W :9!--I f $1!!--+f $1!!-I +f $1!A !-I -f $1$!!-+I f $1%8!-+-f$1$%!>I -f!7A X :9!>+-f%$7X :9!W I +f @A X :9$图#6测试木材弹性常数的"种试样a H <5#6&H Q P 9;R0M P />Z //U >/S 4M P 4H N<M 09P 4H 3;/UJ0JP66鱼鳞云杉木材的顺纹抗拉强度"/-#和横纹抗拉强度"/+#分别按照国家标准W F#78@=7#和W F h +#!$#?=7%"国家标准局!#77#9M#T #测试!测试结果见表#!/-Z /++%A $表?A 鱼鳞云杉木材的拉伸强度B &,C ?AB (/$-*($’5(/9’"#4/-%&""*,&("7"指标(NUM Q 试件数*J;TM S 平均值X M 9N h X :9标准差&49NU9S U UM [H 94H /N h X :9标准误差&49NU9S UM S S /S hX :9变异系数.9S H 94H /N 3/M >>H 3H M N4h _准确指数*H 3M 4VH NUM Q h_/-%$7A1A!##1A%%1A##%1$A A1%"/+#?81@$188$1$@@1"%!1#@@DA 断裂分析模型木材断裂试件选用图%所示的标准三点弯曲"&)F #试样"国家标准局!#7@!#!试件尺寸F f #"$;;!N f !$;;!3f %$;;!$f %$;;!两端简支!裂纹体位于中间!裂纹方向与顺纹向倾角分别取’f 7$n "横纹理裂纹或-+型裂纹体#!’f "$n !’f 8$n !’f$n "顺纹理裂纹或+-型裂纹体#$有限元分析模型的单元划分采取八结点双向二次平面应变四边形单元!在裂纹尖端采用退化的#h !奇异等参元!奇异元半径取为$1$A ;;!围绕裂尖分为8"等分"每#$n 一个单元#$用于有限元分析的图%6&)F 试件的裂纹体与纤维方向a H <5%6’S 93^9NU >H TM S /S H M N494H /N />&)FP 9;R0M图86用于有限元分析的裂尖#h !奇异单元网格a H <586,S S 9N<M ;M N4/>4LM ]J9S 4M S R/H N4M 0M ;M N4P 944LM 3S 93^4H R JP M U H N 4LM >H NH 4M M 0M ;M N4P H ;J094H /N7$#林业科学!"卷6裂尖奇异单元网格如图8所示!在近裂尖处网格稠密(远离裂纹处网格稀疏$施加荷载假设为#$$*$%6结果与分析D@?A 裂纹尖端M-$($应力场在平面应变条件下!考虑裂尖处三向应力状态对断裂过程的影响!可以采用X H P M P 应力分析裂尖处的应力分布!X H P M P 应力值不仅综合反映了8个主应力的作用效果!也表征了形变能密度的大小$图!是采用,F ,B b &有限元软件对!种裂纹体与木材顺纹理成不同’角度的&)F 试件裂纹尖端处的X H P M P 应力场云图!可以看到%如果以裂尖为中心作径向平面!!种裂纹体试件的最大X H P M P 应力所在的径向线均沿着木材的顺纹理方向$由于平行原裂纹面的应力/K 较垂直原裂纹面应力/X 要小!因此/X 应力场云图的形貌和趋势与X H P M P 应力场相近$图!6!种裂纹试件的裂尖附近的X H P M P 应力场云"’为裂纹与顺纹向的夹角#a H <5!6+LM X H P M P P 4S M P P NM RL/<S 9;9S /JNU 3S 93^4H R />>/JS &)FP RM 3H M P "’H P 9N<0M TM 4Z M M N 3S 93^9NU >H TS M #D@DA 开裂方向预测木材属胞体生物复合材料!在一定承载范围内可近似视为正交各向异性弹性材料$木材的断裂总是始于裂纹前端的微区!它既是高应力发生区也是微结构起决定影响的地方!这个微区域称为断裂过程区$W S M </S V 等"#7@"#在预测复合材料开裂方向的研究中发现!在距离裂纹尖端一定范围以内"指D 主导区范围内#的任一圆周上!裂纹将沿着圆周上)切向比正应力*最大的方向开裂$按照W S M </S V 等"#7@"#的假定!在任一角度)处沿圆周切线方向的材料强度为%U ))OKP H N %"’P )#SX 3/P %"’P )#&"##切向正应力为%/))O/K S /X %S /K P /X%3/P %)P 1K XP H N%)$"%#式中%K !X 分别为#!%主方向上的材料强度!’为裂纹与第#主方向夹角"图A #!则)切向比正应力*定义为切向正应力与该方向材料强度之比!即%1!O /))U ))!"8#开裂方向即为1!取最大值时的)角方向$图A6裂纹尖端附近的切向正应力示意a H <5A6(00JP 4S 94H /N />4S 9N<M N4H 90N/S ;90P 4S M M P JS S /JNUH N<4LM 3S 93^4H R$##6第#$期邵卓平等%木材裂纹尖端应力场的有限元分析和开裂方向预测裂纹沿着裂尖圆周上)切向比正应力*最大的方向开裂的假说在复合材料中应用得比较成功!因而也被称之为预测复合材料开裂方向的)切向比正应力准则*$这一准则应该也能够适用于近似正交各向异性的木材!为证实这一点!仍取&)F试件在裂纹尖端处奇异单元上各结点"图8#作应力分析!在假设#$$*的荷载作用下!!种试件裂尖奇异元上各结点的应力如表%所示!再按照式"##!"%#和"8#!分别计算得到奇异元上各点处沿圆周切线方向的云杉材料强度U))(切向应力/))以及切向比正应力1!$表DAF种裂纹试件的裂尖奇异元上结点的应力值"载荷为?bb]#和切向比正应力2GB&,C DA)’5($$&/3’&/9(/’-&*/#56&*$’5($$-/’(/$-’04&<’#55&’-#"2G##4$-/9+*&5-’0(*(6(/’&5#+/3<5&<^’-%#44#+5)Q N$&6%*($"H f?bb]#’$n#$n%$n8$n!$n A$n"$n?$n@$n7$n#$$n##$n#%$n#8$n#!$n#A$n#"$n#?$n#@$n /K h X:9#81!@#81"!#!1###!1@7#"1$##?1A7#71@8%81%?%@1@$%71"%##1!#A1#@!1"!A1?%"1!7"1#"!1A8%18%=$1!8 /X h X:981%?81#@%17?%1?$%1!!%1#7#17A#1?%#1!A#18@#1A!#1"$#1A?#1!7#18"#1%$$17"$1"!$1!"1K X h X:9$1$$$1%?$1!7$1"%$1?$$1?#$1""$1!?=$1#"=%1!@=%17"=%1$?=#188=$1@7=$1"7=$1"$=$1A8=$1!A=$18@ 7$n U))7A1A!7%1?@@!1@%?%1"%A?1"A!#1?%%"1?A#!1A!"1A?81@$"1A"#!1A%%"1?%!#1"7A?1"%?%1A7@!1@$7%1??7A1A!/))#81!@#81%8#%1A$##18$71?%?1@A A1@A8178%188#18@$1@%$1"7#1#7%18"81"7!18781??%1#%=$1!8 !$1#!$1#!$1#A$1#"$1#?$1#7$1%%$1%?$18A 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U))%"1??#!1A""1A@81@$"1AA#!1A#%"1?$!#1"?A?1"$?%1A?@!1?@7%1?"7A1A!7%1?7@!1@8?%1"!A?1"?!#1?!%"1??/))8#18"8?1%$!A1!#!71A#%@1$!#@1@7#A1"8#!17@#!1"%#!1""#!1@?#!1""#81A!##18!@1##!1@$%1"@#178!1#% !#1#?%1A""17$?E@bE!1%@#18$$1A7$18"$1%A$1%$$1#@$1#"$1#!$1#%$1#$$1$?$1$A$1$A$1#A /K h X:9"818A!817#8$1A!%!1"?%%1$?%$1A##@17$#"1@%#!1?@#81!A#%1"A#%1$!#%1#$#8187#A1@A#71##%%18#%81#A81"$ /X h X:9#!1!8#!1@@#A1!!#"1$%#"1"8#?1%##?1""#?1?A#?1#8#A1A##81#$#$1A!@18!"1"#A1#"81@#%1!A#1$A$1@"1K X h X:9$1$$=%1??=%1!$=#1A!=$1"%$18%#187%1"7!1%#A1?$"1???1%@?18@?1%""177"1!@A1A?81@A#1%A $n U))81@$"1A?#!1A8%"1?!!#1?$A?1"!?%1"#@!1@#7%1??7A1A!7%1??@!1@#?%1"#A?1"!!#1?$%"1?!#!1A8"1A?81@$ /))"818A!81778$18%%81@!%$1!!#@1%"#"1??#A17%#A1"%#A1A##A1!$#A187#A1"?#"1A?#@18%%$17$%81A?%81@$81"$ !?S@ST"1?$%1$7$1@7$1!7$18%$1%8$1#7$1#?$1#"$1#?$1#@$1%%$1%7$1!!$1?@#1"%81"%$17A66由表%的分析结果可知%无论试件所含裂纹与木材顺纹向成多大的角度!裂尖处的切向比正应力1!值"当载荷f#$$*时#均在沿木材顺纹理的径向线上最大!因此!按照W S M</S V等"#7@"#的)切向比正应力准则*!可以判断出含有垂直纹理裂纹的木构件!在承载过程中裂纹将沿顺纹方向启裂$通过对含有!种裂纹角的鱼鳞云杉&)X试件的试验结果表明!开裂预测方向与实际开裂方向一致$86对木材界面强度与强韧性的讨论树木经过数亿年的进化形成了特殊的构造!这种构造主要与树冠因受风或雪而引起的弯曲载荷相对应!使树干具有很高的抗横向弯折能力$木材是高度各向异性生物材料!木材组织大部分是轴向排列!其一级细观结构为多胞管状结构!二级细观结构则为纤维增强的多层胞壁结构!彼此间依靠存在于木材中的各种非纤维素成分!以相当有效(但还不是非常有效的方式粘合在一起!使这些界面的强度要比木材在轴向上的强度低得多$这并不是树木经历了数亿年的进化竟然仍不能把它们适当地粘合在一起!而正是这种弱化的界面!使树干增强并具有韧性"邵卓平等!%$$8#$有限元分析表明%不管试件所含裂纹体与木材顺纹理方向夹角如何!在裂尖断裂过程区中同时存在与裂纹表面垂直和平行的拉应力/X!/K!而且在除去裂尖奇异点以外!;;范围内的一个较大区域中!它们的比值/XZ/K几乎是一个常数"表8#!在#‘A之间!这一结果与’//^等"#7"!#的报道一致$再向外!虽然应力比值会增大!但应力值已经很小$不同树种木材裂尖附近区域的/XZ/K比值会因各向异性程度不同而略有变化!但变化不大$本次试验还选择落叶松"E$%+=59"6+)++#和"="7杨"J-:,6,#?"6*-+?##%种木材!在实测了弹性系数后!对其裂尖应力场作相同的有限元分析证实了这一点$为了能更形象地说明木材界面强度与韧性之间###林业科学!"卷6的关系!以含有垂直纹理裂纹的木材试件为例!从裂尖沿裂纹方向向前A ;;的范围内!垂直裂纹方向的拉应力/X 与平行裂纹方向的拉应力/K 的变化趋势如图"所示$由裂纹尖端向外!应力衰减很快!达到一定值后变化平缓!但其比值/X Z /K 几乎是一个常数"除去裂尖奇异点#!在!‘A 之间"表8#$于是!当裂纹尖端前方的拉应力区到达界面时!如果木材的界面强度"横纹拉伸强度#大于轴向强度的#h A !界面就不会裂开!这时裂纹就会穿过界面!木材的力学行为就会和普通脆性固体一样而发生脆断&相反!如果木材的横向强度小于轴向强度的#h A !则由于这个平行裂纹表面的拉应力/K 使界面被拉开!形成一个和原有裂纹相互垂直的新裂纹"图?#$钝化后的裂纹能够消除应力集中!阻止了原裂纹向前扩展!避免了失稳断裂的发生$实际上木材的横纹抗拉强度通常只是顺纹抗拉强度的#h !$‘#h %$"例如云杉木材为#h %A #!所以含裂纹的承载木构件其裂纹通常都是沿顺纹理方向启裂$活体树木在水的渗透下界面间的结合力较干材低!界面间也更易相互滑移!这也是为什么活的树干具有较好的柔韧性并在受到野兽啃咬或刀斧砍伤后仍具有很高的抗折断能力的原因$图"6裂尖正前方与垂直裂纹面张应力/X 和平行裂纹面张应力/K 的分布趋势a H <5"6+LM UH P 4S H TJ4H /N />4M NP H 0M P 4S M P P RM S RM NUH 3J09S 4/3S 93^"/X #9NU 4M NP H 0M P 4S M P P R9S 900M 04/3S 93^"/K #>S /;3S 93^4H R 4/JR 图?6木材界面阻止裂纹横纹扩展示意a H <5?6(00JP 4S 94H /N />Z //U H N4M S >93M 9S S M P 43S 93^P RS M 9UH N<93S /P P 4LM <S 9H N66通过界面控制来提高材料强韧性能的原理已在人工复合材料的设计中得到很好的应用$复合材料中的界面结构与性质直接影响着材料的整体性能!研究指出"许金泉!%$$"&沈观林等!%$$"#!要提高复合材料的强度与韧性!应采用低结合力(易解离以及塑性好的界面!因为低结合应力有利界面的滑移而使复合材料整体表现出较好的塑性!并有利裂纹沿界面扩展而不向基体中扩展!而塑性好的界面有利于消除应力集中$所以!研究界面的形成过程(界面性质(应力传递行为对宏观性能的影响规律!从而有效地进行控制!是获得高性能复合材料的关键$目前!关于界面的脱粘和失效的数值模拟是材料学科中的重点研究内容!而且绝大部分工作是在细观力学有限元的基础上展开的$表EA 裂尖正前方F 66范围内的应力比"!I J !>#B &,C EAB "($’5($$5&’-#"!I J !>##4&5(&>-’"-/F 6645#6<5&<^’-%’#+%裂尖距D H P 49N3M >S /;3S 93^4H R h ;;$$1$$?8$1$A $1#$$1#A $1%$$1%A $18$$18A $1!$$1!A $1A$$1AA $1"$$1"A 7$n71@#!18!!1#%!1%8!1%"!1%"!1%?!1%?!1%?!1%?!1%?!1%?!1%@!1%@!1%@’"$n A1##%1?A %1"A %1"$%1A@%1A"%1A!%1A%%1A$%1!@%1!"%1!!%1!%%1!#%1878$n 81A@%18@%1!8%18?%18!%18!%18%%18#%18$%1%7%1%@%1%?%1%"%1%A %1%!$n%1?881"#!187!1A$!1A$!1A%!1A8!1A!!1AA !1A?!1A@!1A7!1"#!1"%!1"8裂尖距D H P 49N3M >S /;3S 93^4H R h ;;$1?$$1?A $1@$$1@A $17$$17A #1$$#1%$#1!$#1"$#1@$%1$$%1A$81$$!1$$7$n!1%@!1%7!1%7!1%7!1%7!18$!18$!18%!18!!18"!18@!1!#!1A$!1"%A1$!’"$n %18?%18A %188%18%%18$%1%@%1%"%1#7%1#%%1$A #17@#17##1?%#1A%#1$78$n %1%8%1%#%1%$%1#7%1#@%1#?%1#"%1##%1$"%1$%#17?#17%#1?7#1""#187$n!1"A!1""!1"?!1"@!1?$!1?#!1?%!1??!1@8!1@@!17!A1$$A1#?A18?A1@7%##6第#$期邵卓平等%木材裂纹尖端应力场的有限元分析和开裂方向预测!6结论通过对裂纹体与木材纹理成不同角度的&)F试件的有限元分析可知%##无论裂纹体方向如何!在除去裂尖奇异点以外的一个较大区域中!垂直原裂纹面的拉应力/X 与和平行原裂纹面的拉应力/K的比值/X Z/K几乎是一个常数!在#‘A之间&%#若以裂尖为中心作径向平面!裂纹体试件的最大X H P M P应力所在的径向线均沿着木材的顺纹理方向& 8#裂尖附近任一圆周上的切向比正应力1!均在顺纹方向上最大!理论预测和试验均表明裂纹将沿顺纹方向启裂&!#木材的强韧性与其弱界面强度有关$参考文献国家标准局5#7@!5金属材料平面应变断裂韧度D(’试验方法"W F !#"#=@!#5北京%中国标准出版社5国家标准局5#77#95木材顺纹抗拉强度试验方法"W F#78@=7##5北京%中国标准出版社5国家标准局5#77#T5木材横纹抗拉强度试验方法"W F h+#!$#?= 7%#5北京%中国标准出版社5邵卓平!江泽慧!任海青5%$$%5线弹性断裂力学原理在木材中应用的特殊性及木材顺纹理断裂5林业科学!8@""#%##$=##A5邵卓平!任海青!江泽慧5%$$85木材横纹理断裂及强度准则5林业科学!87"##%##7=#%A5邵卓平!陈6品!查朝生!等5%$$75木材损伤断裂过程的声发射特征与a M0H3H4V效应5林业科学!!A"%#%@"=7#5沈观林!胡更开5%$$"5复合材料力学5北京%清华大学出版社5许金泉5%$$"5界面力学5北京%科学出版社5’//^G!W/S U/N G)!)[9NP’’!"*$65#7"!5,;M3L9NH P;>/S4LM 3/N4S/0/>3S93^RS/R9<94H/N H N900Y TS H440MP V P4M;P5:S/3I/V&/3!,%@%%A$@=A%$5W S M</S V X,!\M S9^/[H3L’+5#7@"5:S M UH34H N<3S93^<S/Z4L UH S M34H/NH N JNH UH S M34H/N903/;R/P H4M P5G’/;R X94M S!%$"##%"?=@A5E9NNH NM N X a!I V TH3^H)a!F S H NP/N\a5#7??5,3S H4H3900//^94 3JS S M N49RR0H394H/NP/>;M3L9NH3P4/4LM>9H0JS M/>>H TS M Y S M H N>/S3U 3/;R/P H4M P5’/;R/P H4M P!@"##%#?=%%5E/00;9NN a a:!’94Mi,5#7"@5:S H3H R0M P/>Z//U P3H M N3M9NU 4M3LN/0/<V5(5&/0H U Z//U5&RS H N<M S Y.M S09<M*M ZO/S^5&H L W’!:S9H P:’!(S Z H N W I5#7"A52N3S93^PH N S M34H0H NM9S0V 9NH P/4S/RH3T/UH M P5(N4M S N94H/N90G/JS N90/>a S934JS M!#"8#%#@7 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对碳酸盐岩地层中基质_天然裂缝及人工裂缝的应力相关性渗透率的认识
对碳酸盐岩地层中基质、天然裂缝及人工裂缝的应力相关性渗透率的认识 编译:李勇明 陈勇(油气藏地质及开发工程国家重点实验室・西南石油大学)审校:郭建春(西南石油大学) 摘要 引用一个巴西人的实验来模拟张性天然裂缝,该实验主要是通过把岩心置于强张力状态下来使整个岩心起缝,然后在不同的有效应力状态下,通过模拟油藏衰竭情况来估算应力相关性渗透率。
实验结果表明天然张性裂缝的导流能力比剪切裂缝的导流能力低得多,而剪切裂缝的导流能力又比支撑剂裂缝的导流能力低。
岩石基质中的有效应力的概念与天然裂缝中的概念完全不同。
因此,在任何模拟研究中对岩石基质与天然裂缝中的有效应力都应该分别加以估算,这样才能获得具有代表性的数值。
张性裂缝在油藏能量衰竭前期就已失去了导流能力,为了提高油藏的采收率,就要对张性裂缝进行处理。
该研究的主要成果有:理解怎样有效地控制天然裂缝来增大油井的产能;定量分析在基质和裂缝系统中有效应力的概念;为模拟研究提供应力相关性关系。
关键词 碳酸盐岩 天然裂缝 应力敏感性 压裂DOI:1013969/j.iss n.10022641X1200911210081 引言致密碳酸盐岩油藏在岩石基质与天然裂缝、人工裂缝系统中都表现出双孔渗特征,使得原油、天然气以一种非常复杂的方式运移。
油藏能量的衰竭会造成有效应力的增加,从而使渗透率降低,最后将导致油藏累积采收率的锐减。
如果裂缝性油藏的渗透率对有效应力的变化具有高度敏感性,那么由地层应力与孔隙压力引起的有效应力的增加就可能会大大降低油藏的渗透率。
该渗透率对应力变化的高敏感性在致密、高压、天然裂缝油藏中表现得相当突出,并且在这种油藏中天然裂缝对油藏能量衰竭造成的闭合压力的变化非常敏感。
建立实验模型必须与油藏流体性质、地质力学特征保持一致,并且能够将由各种技术方法测得的地层流体和岩石信息(例如:流动/存储性质、岩石的力学性质、油层流体压力及压力水平)衔接在一起,以便对油藏进行准确的动态预测。
2天然裂缝的开启压力确定
2天然裂缝的开启压力确定储层裂隙岩体中存在着大量的孔隙或裂隙，这些缺陷不但大大地改变了岩体的力学性质，也严重影响着岩体的渗透特性。
在油田开发工程中，确定天然裂缝的开启压力是十分必要的。
水力裂缝的扩展准则目前研究的比较多，而对天然裂缝扩展研究较少。
目前应用较多的有如下几种判断天然裂缝开启压力的方法：1）．基于岩石力学理论，以天然裂缝面为研究对象，在考虑孔隙压力作用下建立力的平衡方程得到的裂缝的张开压力。
设最大主应力与天然裂缝面法线夹角为β，则裂缝面与最大主应力之间的夹角为2πϕβ=+，作用在天然裂缝面上的正应力n σ为：1313cos 222n σσσσσβ+-=-图1 共线多天然裂纹天然裂缝张开压力[]： f n f p P S P σ=+-式中，f P 为天然裂缝张开压力；f S 为天然裂缝抗张拉强度；p P 为油层孔隙压力。
2）．在注水开发中裂缝开启顺序及能力决定于裂缝走向与最大主应力之间的夹角，最小主应力越小，夹角越小，裂缝开启压力越小，反映注水压力越低。
天然裂缝反之，天然裂缝不易开启，注水压力越高。
其裂缝开启压力公式如下：[]max min min ()sin P H F F F χ=-+式中：P 为裂缝开启压力；H 为油层某一深度；χ为裂缝与最大水平应力夹角；maxFσ1为最大水平应力梯度；min F 为最小水平应力梯度。
3）．压降分析方法。
绘制以无因次时间函数G 为横坐标、井底压力w P 为纵坐标的压降曲线，/w dPdG 持续不变时，此时水力裂缝还处于闭合阶段，天然裂纹未开启。
在/w GdP dG 与G 的关系图中，当/w GdP dG 为直线时，通常认为此时无因次时间G 对应的压力为天然裂缝的闭合压力，即近似认为为天然裂缝的开启压力。
[]诸如Griffith 准则，Nolte 方法等在。
经实践证明，Nolte 方法计算结果偏大；Griffith 准则在受拉断裂较准确，而压剪作用下的计算结果偏差较大；岩石力学计算方法相对比较精确，但需要知道天然裂缝的角度，对于一般的矿场运用不是十分方便；压降分析方法结果大体准确，运用十分方便，但是整个曲线的获得是在压裂后形成的，在压裂前无法做到预测，因此工程应用具有一定的局限性。
储层古构造应力场模拟预测裂缝技术及其应用
储层古构造应力场模拟预测裂缝技术及其应用蔡泽训【摘要】According to the area structural evolution from geologic and seismic data analysis, the numerical simulation conversion outcome for palaeotectonic stress field is presented, further it is restored, thus the formation fracture prediction can be obtained, on basis of the systematic core observation and fracture discrimination by well logging. In terms of origin, the fracture prediction has been undertaken by means of establishing geological model for palaeotectonic stress calculation, taking the Dayi structure in Chuanxi sag and the Xinchang tectonics Xuer section for example. The comprehensive analysis indicates that this method is quite effective after the forecast results are compared with the actual data.%根据地质及地震资料分析区域构造演化,在系统的野外岩心观测及测井裂缝识别的基础上,通过古构造应力场数值模拟反演,恢复古构造应力场,从而进行储层裂缝预测.以川西坳陷大邑构造、新场构造须二段为例,通过建立地质模型进行古构造应力计算,从裂缝的成因着手进行裂缝预测.将预测结果与实际资料进行对比,综合分析认为,这是一套行之有效的裂缝预测方法.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)002【总页数】5页(P446-449,456)【关键词】古构造应力场;裂缝预测;储层;川西坳陷【作者】蔡泽训【作者单位】中石化西南石油局地质录井公司,绵阳621000【正文语种】中文【中图分类】TE122.23近年来，在石油地质领域，碎屑岩储层中寻找裂缝发育规律，碳酸盐岩中识别裂缝、孔洞是目前攻关的难题和重点。
裂缝性油气藏表征与预测
储层裂缝表征与预测摘要：裂缝是油气储层特别是裂缝性储层的重要储集空间，更是良好的渗流通道。
系统的研究研究裂缝类型、性质、分布规律等对于裂缝性油气田的勘探和开发具有十分重要的意义。
关键词：裂缝、裂缝参数、探测方法与预测1、裂缝的成因类型及分布规律裂缝，是指岩石发生破裂作用而形成的不连续面，或者说裂缝是由于岩石受力而发生破裂作用的结果。
同一时期、相同应力作用产生的方向大体一致的多条裂缝称为一个裂缝组;同一时期、相同应力作用产生的两组和两组以上的裂缝组则称为裂缝系；多套裂缝组系联通在一起称为裂缝网络。
1.1、裂缝的力学成因类型在三维空间中，应力状态可用三个相互正交的法向变量（即主应力）来表示，以分量σ1、σ2、σ3分别代表最大主应力、中间主应力、最小主应力，如图1-1，在实验室破裂（1）、剪裂缝成因：三个主应力都为挤压应力时，派生的剪切应力大于岩石的抗剪强度时所形成的裂缝。
特征：位移方向与破裂面平行；破裂面与σ1- σ2面锐角相交；一般为闭合缝；破裂面上可见擦痕和阶步；两组剪切缝共轭。
（2）、张裂缝成因：三个主应力派生的张应力大于岩石的抗张强度时所形成的裂缝。
特征：位移方向与破裂面垂直；破裂面与σ1- σ2面平行；一般为张开缝；（3）、张剪缝成因：派生的剪应力和张应力先后作用于岩石所形成的裂缝。
特征：介于两者之间。
1.2、裂缝的地质成因类型及分布规律（1）、构造裂缝构造裂缝指由局部构造作用所形成或与局部构造作用相伴生的裂缝，主要是与断层和褶曲有关的裂缝。
①与褶皱想伴生的裂缝裂缝发育程度主要取决与应力强度、岩性变化的不均匀性、地层厚度以及裂缝形成的多次性。
②与断层有关裂缝断层和裂缝的形成机理一致，裂缝是断层形成的雏形。
对于正断层可形成高角度或垂直的张裂缝以及平行于断层和断层共轭的剪裂缝。
与逆断层相伴生的主要为近于水平的张裂缝以及平行于断层和与断层共轭的剪裂缝。
（2）、非构造裂缝①区域裂缝指的就是那些在区域上大面积内切割所有局部构造的裂缝。
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天然裂缝
人工裂缝
裂缝面常有矿物充填
裂缝位于岩心内（裂缝终止于岩心 内，不与岩心边缘相交）
形状很不规则或呈贝壳状（细粒岩 石更如此）
在长距离内平行于某一划痕或定向 沟；
具有一个至多个平行组系出现，且 尽管层理倾角随深度变化，但裂缝
分布规则
面始终平行于岩心轴；
具有擦痕面,其指示天然断裂作用 与层面一致； 过程中剪切和最大应力方向
80
16308000
4776000 4775000 4774000
Qd4
Qd8
Qd1
Qd21
Dsh1
Dsh2 Qd7 Qd22
Qd3 Qd25
Qd9
16310000
Qd6
16312000
Qd5
4778000
4777000
4776000
4775000
4774000
柳中示踪迹解释结果
4773000
4772000 16304000
= DI ( 1 + 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + 1 + ⋅ ⋅ ⋅ + 1 )
T1 T2
Ti
Tn
(1)
∑ = DI n 1
T i =1 i
其均方差或标准差等43; P2 (1− P2 ) + ⋅⋅⋅ + Pi (1− Pi ) + ⋅⋅⋅ + Pn (1− Pn )
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风化裂缝分布特征： • 发育在风化壳中，常呈蜂窝状，具有含氧化 物的粘土物质（红色）充填
溶蚀裂缝分布特征： • 宽度大，形状不规则，在垂向渗虑带产状近 直立，在横向潜流带呈水平状，常沿构造裂 缝或成岩裂缝进一步溶蚀
Te
=
T sin θ
(4)
θ为层面与岩芯轴夹角。有效裂缝间距指数(Ie)为：
Ie
=
T Se
=
I sinθ sinθ cos β − I sin β cos β
(5)
标准差为： σ = σ e cos β
(6)
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在一般情况下，通过I在某一区间内的变化，即可根 据(1)～(6)式绘制某一口井岩芯上裂缝间距指数(I)与期望 裂缝层数(E)的关系曲线及其标准差，在I-E理论曲线图上， 根据实测的裂缝层数，可求出相应的裂缝间距指数I值，或 者通过(1)式的迭代收敛法求解I值。
30
E
20
10
0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
第二节 储层裂缝研究的地质方法
一、天然裂缝与人工裂缝的识别 二、裂缝的野外研究方法 三、裂缝的岩心研究方法 四、裂缝的实验研究方法 五、影响裂缝发育的因素 六、裂缝形成的几种模式
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天然裂缝与人工裂缝的区别
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构造裂缝分布特征： 1、分布广泛，延伸长，产状比较稳定（剪裂缝比张 裂缝延伸更稳定）； 2、规律性和方向性明显，裂缝走向与构造线有关； 3、裂缝常见有方解石、石英等矿物充填； 4、裂缝面常见有擦痕、阶步等缝面特征（张裂缝缝 面比较粗糙，剪裂缝平整光滑）； 5、呈雁列排列，或具菱形结环、尾折等端部特征； 6、裂缝发育于不同岩性的岩石中。
（1）裂缝参数的观察与统计（裂缝组系、 力学性质、走向、倾向、倾角、形态、延伸 长度、间距或密度、高度、充填性）；
（2）裂缝发育的控制因素（裂缝与岩性、 层厚、构造部位的关系）；
（3）分析裂缝形成时期的构造主应力方位 和裂缝的形成机制；
（4）类比性分析
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区域裂缝分布特征： • 发育在在没有变形（断层和褶皱不发育的弱 变形地区）的地层中，发育范围广、分布规 则、规模大、延伸长、间距宽、等距性好、 产状稳定、与层面垂直等特征。
收缩裂缝分布特征： • 裂缝规模小、张开度大、规律性差，在垂向 上常表现为“V”字型
裂缝的方位：D±δ
2、岩芯微层面定向
岩心上存在许多微层面，其 产状在地层倾角矢量图上细致地 反映了出来，在构造比较完整、 地层产状比较稳定的沉积区，其 层面产状与油层构造图上所反映 的产状也一致。因此，将岩芯上 所确定的微层面倾向和相应井段 地层倾角测井所反映的微层面倾 向或油层构造图上所反映的构造 倾向对应，即可将岩芯定向，然 后在赤平投影图上求解裂缝产状。
野野外外调调查查
剪切裂缝（含砾砂岩）
区域裂缝（砂岩）
剖面裂缝（砂岩）
追踪张裂缝
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第二章 储层裂缝研究的地质方法
一、天然裂缝与人工裂缝的识别 二、裂缝的野外研究方法 三、裂缝的岩心研究方法 四、裂缝的实验研究方法 五、影响裂缝发育的因素 六、裂缝形成的几种模式
地应力、实验室分析样品）。
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裂缝组系与方位的确定
—开发井网部署的基础与依据
1、地磁定向方法 ：
岩石中的铁磁矿物具记录和保存地磁方向的能力，在实验 室内，通过热退磁和交变退磁处理，可获得原生剩磁、天然 剩磁和次生剩磁等矢量。现代地磁场作用下叠加的粘滞剩磁 （VRM）属于次生剩磁，其水平分量与现代地理北极之间关 系清楚，可直接对岩芯定向。
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16306000
4773000
丘东气田裂缝方位
4772000
16308000
16310000
16312000
不同组系裂缝的密度计算
—评价裂缝发育程度的指标
• 通常用裂缝视线密度（即单位岩心上裂缝的条数）
同样，假设在露头区样品上测量天然剩磁或原生剩磁相对 于地理北极的磁偏角为D′，岩芯上样品坐标系中天然剩磁或 原生剩磁相对于标志线的磁偏角为D0，则岩芯上标志线相对于 地理北极的方位为D=D′－D。
在求得岩芯上标志线方位后，根据裂缝走向与标志线的夹 角，可用赤平投影的方法确定裂缝的方向。
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函数，即：
Pi
=
D S
=
DI Ti
D S
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在Ｉ和Ｄ不变时，某一取芯井岩芯上所期望的裂缝层
数(Ｅ)是各个层与裂缝相交的概率(Ｐi) 和，即：
E = P1 + P2 + ⋅ ⋅ ⋅ + Pi + ⋅ ⋅ ⋅ + Pn
表 示 ， 两 个 不 足 ： (1) 不 能 反 映 分 组 裂 缝 的 发 育 程 度；(2)构造裂缝常以高角度为主，当裂缝间距大于 岩芯直径时，岩心钻遇裂缝具有很大的随机性，反映 不了裂缝在地下的真实分布情况。
• 裂缝间距指数法计算地下岩芯上分组裂缝密度 • 分形几何方法计算裂缝的发育程度及连通性
岩石在沉积和成岩过程中记录的原生剩磁以及在叠加次生 剩磁后的综合天然剩磁（NRM）亦可定向。但由于它们与现 代地理北极之间关系不明，在用此两种磁化矢量进行定向 时，首先需测量相邻露头区相同层位的岩样，在现代坐标系 中的磁偏角。由于露头区与岩芯样品的原生剩磁或天然剩磁 矢量方向一致，据此可将岩芯归位。
第二章 储层裂缝研究的地质方法
一、天然裂缝与人工裂缝的识别 二、裂缝的野外研究方法 三、裂缝的岩心研究方法 四、裂缝的实验研究方法 五、影响裂缝发育的因素 六、裂缝形成的几种模式
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裂缝的相似野外研究方法
(2)
n
∑ = Pi (1− Pi ) i=1
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在钻孔和岩层不垂直的一般情况下，有效裂缝间距 (Se)与真实裂缝间距(Ｓ)的关系为：
S e = S cos β − Te sin β cos β
(3)
β为裂缝与岩芯轴夹角；Te为岩芯轴线方向岩层的视 厚度，它与真厚度关系为：
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岩心裂缝的研究方法
（1）裂缝的组系与方位； （2）裂缝的倾角（与岩心轴夹角）； （3）裂缝的垂向延伸高度或范围； （4）裂缝分布与岩性和深度的关系； （5）裂缝的宽度及变化规律； （6）裂缝的充填性与含油性； （7）裂缝的成因分析； （8）裂缝的孔、渗性(确定裂缝性储层类型)； （9）样品的测试分析（如岩石力学性质、
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在实验室里，首先建立样品坐标系oxyz ，测量样品的天 然剩磁。然后进行交变场退磁或热退磁，测量样品在不同温度 或不同磁场强度时的磁偏角、磁倾角及其磁化强度。再用差矢 量分析法或主矢量分析法求取在样品坐标系中滞粘剩磁和原生 剩磁的磁偏角(D0)与磁倾角(Ｉ0)。现代地磁偏角（D’）与粘滞 剩磁的平均磁偏角（D）之差（D=D’-D0）即为岩芯上标志线相 对于地理北的方位角。取顺时针为正，逆时针为负。
I
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