第4讲-岩石力学-油田地应力及其确定方法
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.
地应力方向及大小确认的方法
地应力方向及大小确认的方法嘿，朋友们！今天咱来聊聊地应力方向及大小确认的那些事儿。
这可真是个有意思的话题啊！你想想看，地应力就像是大地的“脾气”，咱得搞清楚它到底往哪儿使性子，劲儿有多大，不然可就麻烦啦！那怎么确认呢？咱先说个类比吧，就好比你要知道一阵风从哪儿吹来，风力有多大。
你得去观察周围的东西被吹成啥样了，对吧？地应力也一样，咱们得通过一些迹象和方法去探寻它。
比如说，可以通过地质构造来判断。
那些岩石的纹路、断层啥的，就像是大地留下的“线索”。
你看那断层歪歪扭扭的样子，不就像是地应力作用的结果嘛！这不就有点像你看到地上的树叶被吹得七零八落，就知道风不小一样。
还有啊，咱可以通过一些专门的仪器来测量。
这就好比你拿个温度计去量体温，能精确地知道度数。
这些仪器可神奇了，能把地应力的大小和方向给测出来。
不过可别小瞧了操作这些仪器，那也是个技术活儿呢！咱再想想，要是咱盖房子，不搞清楚地应力，那房子能稳当吗？说不定哪天就歪了倒了，那多吓人呀！所以说，确认地应力方向及大小真的太重要啦！而且，这事儿可不是随便糊弄一下就行的。
就像你做饭，调料放多放少味道可就差远了。
确认地应力也得细致入微，一点差错都不能有。
还有哦，在不同的地方，地应力可能完全不一样呢！就跟不同地方的风俗似的，千差万别。
这就得咱更加用心地去研究，去了解每一个地方的特点。
你说，要是咱能准确地知道地应力的方向和大小，那得多厉害呀！盖房子不用担心，挖隧道也心里有底，这不是很好嘛！总之，地应力方向及大小确认可不是小事，咱得认真对待，用各种方法去探索，去发现。
只有这样，咱才能和大地的“脾气”好好相处，让我们的生活和工作更加安全、顺利呀！这就是我对地应力方向及大小确认的看法，你们觉得呢？原创不易，请尊重原创，谢谢!。
精品课程《岩石力学》PPT课件
岩石力学
二、岩石力学学科的形成及定义
1951年，J. Stini 和 L. Müller等在 Salzburg发起和举行了以岩体力 学为主题的第一次国际岩石力学讨论会，为把工程地质与力 学相结合、为建立岩石力学这门边缘学科跨出了重要的一步， 并创办了《Geologie und Bauwesen》，1962年改名为《Rock Mechanics & Rock Engineering》 1956年4月，在美国的科罗拉多矿业学院举行的一次专业会议上， 开始使用“岩石力学”这一名词，并由该学院汇编了“岩石 力学论文集”。在论文集的序言中说：“它是与过去作为一 门学科而发展起来的土力学，有着相似的概念的一门学科， 对这种有关岩石的力学方面的学科，现取名为岩石力学”。 1957年在巴黎出版的塔洛布尔（J. Talobre）的专著“岩石力学”是 这方面较早的一本较系统的著作。其后，开始形成了不同的 岩石力学学派（如法国学派，偏重于从弹塑性理论方面来研 究；奥地利学派，偏重于地质构造方面来研究）。
断层 （Fault）
褶皱 (Drape)
层理 (Lamina)
岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。由 于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩石的强度。
4. 岩体结构
岩体结构：包括结构面和结构体两个基本要素。
结构面：岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状
地质界面，包括物质的分界面和不连续面。
（3）数学力学分析方法
力学模型：刚体、弹性、塑性、流变、细观、损伤、 断裂、块体力学 数值分析：有限差分法、有限元法、边界元法、离 散元法、无单元法、流形元法、不连续变形分析、 和反演分析法等 模糊聚类和概率分析：随机分析、可靠度分析、灵 敏度分析、趋势分析、时间序列分析和灰色系统分 析等 模拟分析：光弹应力分析、相似材料模型试验、离 心模型试验
石油工程岩石力学-地应力知识讲解
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
岩石力学与工程地应力测量方法共35页
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
谢谢
11、越是没有本领的就越 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
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
地应力及岩石强度课件
岩石的强度参数，如单轴抗压强度、抗拉强度和剪切强度，会随着地应力的变化而变化。
在高地应力区域，岩石的强度参数通常较低，而在低地应力区域则较高。
岩石的强度参数还与其岩性、结构和构造等因素有关，这些因素在地应力场中也会发生变化。
在地下工程中，地应力和岩石强度是影响工程稳定性的重要因素。
地应力可能导致岩石的变形和破坏，从而影响工程的稳定性。
岩石强度则决定了工程结构的承载能力和稳定性，同时也影响着地应力的分布和变化。
CHAPTER
地应力与岩石强度的应用
04
岩石地基承载力分析
根据岩石的抗压、抗拉和抗剪强度，分析岩石地基的承载能力，确保建筑物安全稳定。
通过地应力和岩石强度的监测，及时发现岩石工程的变形、位移和破坏迹象，保障工程安全。
岩石强度与损伤演化关系研究
岩石在受力过程中会发生损伤演化，研究岩石强度与损伤演化之间的关系有助于深入了解岩石破坏的机理和预测岩石的稳定性。
岩石强度与化学作用关系研究
化学作用对岩石强度的影响也是当前研究的热点之一，例如水对岩石的侵蚀作用、酸性气体对岩石的腐蚀作用等，这些研究有助于提高岩石工程的稳定性。
地应力和岩石强度研究涉及到地质学、力学、物理学等多个学科，未来需要加强跨学科合作，综合各学科的优势进行深入研究。
跨学科合作
随着传感器技术和数据处理技术的发展，智能化监测技术在地应力和岩石强度研究中将发挥越来越重要的作用，能够提高监测精度和效率。
智能化监测技术
数值模拟和虚拟现实技术能够模拟地应力和岩石强度的复杂环境和过程，为研究提供更直观和深入的手段。
地应力及岩石强度课件
目录
contents
地应力与地应力测量方法简介
地应力与地应力测量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。
在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。
主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。
地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。
而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。
地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。
地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。
地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。
随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。
查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。
地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。
准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。
采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起严重的事故，造成人员伤亡和财产的重大损失。
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
简明石油工程岩石力学
简明石油工程岩石力学（讲义）金衍陈勉中国石油大学（北京）2007年8月目 录绪论-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 第一章岩石的基本性质和变形特征----------------------------------------------------------------------5 §1.1 岩石力学性质室内试验-----------------------------------------------------------------------------6 §1.2 岩石的变形与强度-----------------------------------------------------------------------------------16 第二章弹性理论-----------------------------------------------------------------------------------------------25 §2.1 应力分析-----------------------------------------------------------------------------------------------25 §2.2 应变分析---------------------------------------------------------------------------------------------42 §2.3 弹性模型-----------------------------------------------------------------------------------------------49 第三章岩石中的流固耦合问题--------------------------------------------------------------------------51 §3.1 孔隙度和渗透率------------------------------------------------------------------------------------51 §3.2 通过孔隙介质流体的流动------------------------------------------------------------------------52 §3.3 体积变形---------------------------------------------------------------------------------------------54 §3.4 Biot静态孔隙弹性理论---------------------------------------------------------------------------54 §3.5 有效应力的概念------------------------------------------------------------------------------------58 第四章井壁围岩的应力状态-----------------------------------------------------------------------------60 §4.1 垂井井壁围岩应力分布---------------------------------------------------------------------------60 §4.2 大斜度井、水平井的井壁围岩应力分布------------------------------------------------------62 第五章油田地应力及确定方法--------------------------------------------------------------------------66 §5.1 地应力的概念---------------------------------------------------------------------------------------66 §5.2 水力压裂法测地应力-------------------------------------------------------------------------------68 §5.3 分层地应力解释方法------------------------------------------------------------------------------71 第六章钻井过程中的井壁稳定问题--------------------------------------------------------------------74 §6.1 井壁力学失稳的形式与原因---------------------------------------------------------------------74 §6.2 井壁坍塌剥落---------------------------------------------------------------------------------------75 §6.3 井壁破裂---------------------------------------------------------------------------------------------80 §6.4 安全钻井液密度窗口------------------------------------------------------------------------------81 第七章水力压裂--------------------------------------------------------------------------------------------83 §7.1 裂缝几何形状---------------------------------------------------------------------------------------83 §7.2 裂缝延伸模型---------------------------------------------------------------------------------------84 第八章出砂问题--------------------------------------------------------------------------------------------92 §8.1 固相产出---------------------------------------------------------------------------------------------92 §8.2 防砂方法的分类------------------------------------------------------------------------------------93 §8.3 预测出砂机理---------------------------------------------------------------------------------------95 §8.4 数学模型---------------------------------------------------------------------------------------------97 第九章油藏固结问题-------------------------------------------------------------------------------------101第十章岩石动力学与应用----------------------------------------------------------------------------111 §10.1 弹性介质中的纵、横波------------------------------------------------------------------------111 §10.2 利用声波测井确定岩石的弹性和强度参数------------------------------------------------112 §10.3 声波测井在石油工程中的应用---------------------------------------------------------------117 §10.4 地震资料的工程预测理论---------------------------------------------------------------------121绪论1绪论一、岩石力学及其发展历史岩石力学是力学的一个分支。
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。
体力学-第4讲-岩体地应力及其测量方法
以围岩强度比为指标的地应力分级基准
法国隧道协会 我国工程岩体分级基准 日本新奥法指南（1996 年） 日本仲野分级
极高地应力 < 2 < 4 > 2 < 2
地应力 2～4 4～7 4～6 2～4
一般地应力 > 4 > 7 > 6 > 4
高地应力现象
•
•
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 同样获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是 高地应力产物。从岩石力学破裂成因来分析， 岩芯饼化是剪张破裂产物。 除此以外，还能发现钻孔缩径现象。
1
H
• 1958年，瑞典，N.Hast的纳维亚半岛实测
• 最大主应力几乎处处是水平或接近水平的 • 最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍以上
地应力的成因
•
•
大陆板块边界受压引起的应力场
构造地应力有明显方向性
中国板块主应力迹线图
地应力的成因
• 地幔热对流引起的应力场
• 由硅镁质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 二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一 对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流，回 到地球深处，形成一个封闭的循环体系。 • 地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。
主要内容
地应力的基本概念 地应力场分布规律 高地应力区特征 地应力测量方法
地应力场分布规律
•
• • •
地应力是一个具有相对稳定性的非稳定 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。 就某个地区整体而言，地应力的变化是不大 的。 在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小 和方向随时间的变化是很明显的。
地应力测量方法PPT课件
4.2.3 水压致裂法
P
3
水压致裂应力测量原理
Ps 2
Pr 3 2 1 P0
由以上两式求σ1和σ2就无须 知道岩石的抗拉强度。因此， 由水压致裂法测量原岩应力 将不涉及岩石的物理力学性 质，而完全由测量和记录的 压力值来决定。
4.2.3 水压致裂法
1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将 钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻 孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。 封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用 液体，也可用气体。
裂压力 ④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗
透性大，该压力将逐渐衰减 ⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力
4.2.3 水压致裂法
水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力 和最小主应力的大小和方向，所以从原理上讲，它是一种二维应 力测量方法。
水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位， 亦即平行于最大主应力的方向，这是基于岩石为连续、均质和各 向同性的假设。水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。
4.3.1 应力解除法的基本原理
一、应力解除法
（一）基本原理
地下某点的岩体处于三向 压缩状态，如用人为的方法 解除其应力，必然发生弹性 恢复，测定其恢复的应变， 利用弹性力学公式则可算出 岩体初始应力。
破坏联系，解除应力； 弹性恢复，测出变形；
x
x x
, y
y y
,z
z z
根据变形，转求应力。
4.3.1 应力解除法的基本原理
4.3.1 应力解除法的基本原理
3、应变花种类
为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的 形式。 即：等角应变花、直角应变花
第四章岩体地应力及其测量方法_岩石力学
H
0.8 ~ 1.2
v 27H MPa
实测垂直应力随深度的变化
15
第4章 岩体地应力及其测量方法
•3.平均水平应力随深度而增加 水平应力普遍大于垂直应力。
16
第4章 岩体地应力及其测量方法 的比值随深度增加而减小
K
平均水平应力 垂直应力
K
1500 0.5 H
K
100 0 .3 H
• 研究高地应力本身就是岩石力学的基本任务。 • 岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要受到地 应力大小的变化而变化。 • 随着采矿深度的增加，我国中西部的开发，尤其是水电工程建 设，在高地应力地区出现特殊的地压现象，给岩体工程稳定问题
提出了新课题。
28
第4章 岩体地应力及其测量方法
4.3.1 高地应力判别准则和高地应力现象
22
雅山形成示意图
第4章 岩体地应力及其测量方法
23
地形三级阶梯
第4章 岩体地应力及其测量方法
24
第4章 岩体地应力及其测量方法
我国可分为三类基本反映构造应力场状态的地区： （ 1 ）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； （ 2 ）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； （ 3 ）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、吉林及内蒙的大部分。 同一类地区，其构造应力仍是不均匀分布，与小的地质 构造运动（地壳变形）有关，有的地段强、有的地段弱。
h
在斜坡附近，应力方向发生偏转
地形对初应力的影响： 山峰处地应力低 沟谷处地应力高
第四章地应力及其原理(2016介绍
小结
地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静 h v H 水压力假设）
海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重 量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
2）金尼克假设：（弹性力学假设）
1 修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中垂直应力等于上 覆岩层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
• 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力 平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力。
• 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
4.2 地应力概论
• 一、 地应力 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活 动与变化的应力，地质作用残存的应力。
• （5）地温梯度引起的应力场
• • 地层的温度随着深度的增加而升高，一般的温度梯度 为每百米3℃。 由于温度梯度而引起地层中不同深度不同的膨胀，从
而引起地层中的局部压应力产生。
随埋深增加，地温增高，岩体性质改变产生附加应力。
3 C / 100m 岩体的体膨胀系 一般地温梯度： 4MPa； -5 数： ，岩体弹模 E=10 10 地温梯度引起的温度应力约为：
岩体力学
2018/10/21
1
第四章 岩体地应力及其测量方法
学习指导：
Ø 主要介绍岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，
初始应力的量测方法及原理，扁千斤顶法和应力解除法等。 重 点
• 岩体的初始应力概念
• 岩体初始应力的测量方法
• 4 岩体地应力及其测量方法
• 4.1概述 • 4.1.1 基本概念 • 地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力 状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力。
4、岩体地应力及其测量方法
4.3高应力区特征-11
p
1、高应力区判别准则和高地应力现象
①高应力判别准则 高应力为一相对概念，埋深大不一定存在高应力问题，埋 深小可能存在高应力问题。当围岩内部最大应力与围岩强 度比值达到一定水平时，才能称为高应力，即：
Rb 围岩强度比 = σ max
极高地应力 法国隧道协会 <2 <4 >2 <2 高地应力 2-4 4-7 4-6 2-4 一般地应力 >4 >7 >6 >4
4.4地应力测量方法-21
p
1、地应力测量基本原理
①地应力的种类 岩体中的应力可分为原始应力和二次应力。岩体中一点的 三维应力状态可以用 (σ x , σ y , σ z ,τ xy ,τ yz ,τ zx ) 来表示，坐标系可 根据实际需要任意选择。 ②地应力测量方法 开挖硐室后，进入硐室测量； 在地表或硐室表面打洞进行测量； 直接测量法：测量值和原岩应力的相互关系，进行转换。 间接测量法：测量某些物理量通过间接物理计算。
4.1地应力成因组成及影响因素-1
p
1、地应力基本概念
存在于岩体中的未受扰动的自然应力，或称原岩应力。工 程进行后应力受到影响而产生二次分布，重新分布后的应 力为二次应力或诱导应力。
p
2、地应力的成因、组成影响因素
①地应力成因 1878年瑞典地质学家海姆提出静水压力概念； 1926年前苏联学者金尼克修正了海姆静水压力公式，提 出侧压力与正压力的关系为：
4.3高应力区特征-14
p
2、岩爆及其防治措施
①概述 围岩处于高应力条件下所产生的岩片飞射抛散，以及洞壁 片状剥落等现象。我国岩爆事故在煤矿及水电工程中都有 发生，特别是矿井工程中岩爆现象突出。 岩爆现象机理复杂，至今人们仍未形成统一认识。 ②岩爆类型、性质及特点 根据现场调查的岩爆特征，将其分为：破裂松脱型、爆裂 弹射型、爆炸抛射型。 破裂松脱型：围岩成块状、板状、鳞片状，弹射距离短， 岩壁上形成破裂坑。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
地应力及其确定方法
提 纲 一、油田地应力的定义及组成
1.2
1.2
电导率：
地层压力预测方法
利用测井资料计算欠压实泥岩异常高压简易方法
Vp a kPe be Pp Po Pe
dPe
V -声波速度；P -有效应力； P-上覆压力；P -孔隙压力； a、k、b、d-与地层有关的模型参数
p e t p
a、k、b、d参数的确定方法:
◆ 可以根据上部正常压实段的声波速度V和正常孔隙压力
都需要建立正常压实趋势线，且假定半对数坐标系中为直线;
因建立经验图版的压力来源于渗透性地层，反过来预测泥岩地
层，结果往往偏低；
在定量化方面是经验和半经验的方法，缺乏理论基础。
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：
tn p p po ( po ph ) t o
式中，pp-预测的孔隙压力； pob-静岩压力； ph-正常的静水压力；
n
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。
地层压力预测方法
该方法的前提是给出一个假定的沉积压实条件，即该方法只适用 于砂泥岩层序。指数幂n随不同地区变化而变化。在墨西哥湾n值通 常为3.0。Eaton(1975年)又给出了利用其他资料的压力计算公式：
注意：超压似乎受限于破裂 压力（如LOT），为什么？
什么是孔隙压力
模型中假设相邻盖层（泥岩）和封隔 箱（砂岩）的压力保持平衡。这种假设 正确吗？
超压产生机制
应力产生：欠压实、构造挤压 热产生：水热作用、成岩作用 渗透层内流体再分布：浮力、重心、横向迁移、水力压头、渗透性
超压产生机制
2、随钻监测方法(Detection of pore pressure)：Dc指数法，σ法 、随钻 测井资料(LWD)法、随钻地震(SWD)法； 3、钻后测井评估(Eveluation of pore pressure)：测井资料( 声 波 、电阻率、密度)等； 4、实测地层压力：MDT等(电缆地层测试)、钻杆测试(中途测试 )、完井测试。
超压产生机制
(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
石膏都被作为碳酸盐岩中产生异常压力的可能机制
超压产生机制
(9)流体密度差异
烃类密度的差异，尤其是水 - 气之间的密度差异，能在烃 类聚集的顶部产生异常压力。烃柱越长，烃类与周围水的密度 相差越大，超压也就越大。一般说来，浮力差异能使压力上升 到几百psi这一数量级。
超压产生机制
水/盐水密度：0.99/1.25 水/盐水梯度：0.01MPa/m、0.12MPa/m 油梯度：0.007-0.009MPa/m 气梯度：0.0009-0.003MPa/m
Pf-裂缝传播压力；
Po-上覆岩层压力 Pex-剩余压力；
Pf Pp Pex Ph
Pev-垂直有效应力；
Pehmin-最小水平有效应力
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
层的欠压实与异常高压，最为典型的例子是“复合盐层”中与岩盐层拌生的 软泥岩地层。
不平衡压实作用常见于陆地边缘的三角洲地区，这些地区沉积速率大，
在沉积剖面中泥页岩含量远高于其它岩性，因此极易形成异常高压，如我国 东部地区的某些中新生代地层。大多数研究者认为，泥质沉积物的压实不平
衡（欠压实）是下第三系沉积盆地中遇到大多数异常高压的主要原因。
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
分类
超低压
低压
常压
高压
超高压
什么是孔隙压力
许多含油气盆地的浅层孔隙 压力均为静水压力。为什么？ 盆地深处通常可观察到异常 高压，为什么？
在埋深中等的层段，超压发 育更为多变，为什么？
正常压实趋势线（NCT）为蓝色 拟合线 当岩石类型相同时，若偏离趋 势线，则表明出现超压现象。
适用于任何地层孔隙度数据
绘制正常压实趋势线（NCT）的可能 误区是什么？
地层压力预测方法
传统方法的缺陷 仅适用于“不平衡压实过程导致的地层欠压实”高压情况; 绝大部分方法仅限于在纯泥页岩中使用;
地层压力预测方法
传统声波时差法求取地层压力
由Willie公式
t tma t f tma
式中，Φ-孔隙度 ；Δt-时差，us/m， Δtma-骨架时差，us/m；Δtf-孔隙流体时差，us/m。
若岩性已知，地层水变化不大的剖面，Δtma、Δtf基本不变， t f ( ) 为正比关系: 正常压实地层：
土脱水过程，相应的埋深称为蒙脱土脱水深度。释放
到孔隙中的束缚水因发生膨胀，体积远远超过晶格破 坏所减少的体积。若排水通畅，则地层进一步压实，
地层孔隙压力为静液压力。如果地层是封闭的，将产
生高于静液压力的地层孔隙压力。若存在钾离子，吸 附钾离子，蒙脱土向伊利石转化。
超压产生机制
(6)浓差作用 浓差作用是盐度较低的水体通过半渗 透隔膜向盐度较高水体的物质迁移。只要 粘土或页岩两侧的盐浓度由明显的差别，
DF111井地层压力检测图
DB1井地层压力检测图
地层压力预测方法
简易方法的评述
不用建立正常趋势线，且主要利用声波测井资料，因此使用起 来比较方便，易于推广。实践证明这种方法对泥岩为主的砂泥岩 剖面适用性良好，精度较传统的正常趋势线方法高。 缺点是对于泥岩以外其它岩性及非欠压实机制形成的异常高压
情况不太适用。
应用效果表明，若测井资料质量较好，且有校正过的岩屑录井
分层岩性资料来区分岩性，该方法的检测精度是非常高的。
地层压力预测方法
等效深度法
欠压实粘土中的每个点（ A）均与一个正常压实点（B
）相联系。A点和B点的压实
作用相同，但是上覆岩层应
力增大，因此：
PA GG A ZB (GG B PB ) ZA
超压产生机制
排出水 原始体积 填隙水 原始体积 固体 原始体积
受应力影响而发生脱水作用
超压产生机制
均为页岩 为什么同为页岩， 压实曲线的差异这么大呢？
超压产生机制
0.75 沙 &砂岩
孔隙度
泥 粘土 泥岩
粘土 &页岩， “正常”线
页岩 超压对孔隙度的影响
埋深
+T 板岩 (深)
超压产生机制
另外一种常见的欠压实情况是一非渗透致密盖层的快速沉积导致其下地
t t0e ch
式中，Δt -h处的时差，us/m；Δt0 -地表时差，us/m；c -系数。
若将上式在半对数坐标 (Δt为对数、 h 为常规坐标 ) ，则Δt与 h 成直线。
在非正常压实地层，Δt偏离(大于)正常趋势线，意味着高压地层。
地层压力预测方法
正常压实（正常压力）至3000m
致密盖层
超压产生机制
(2)构造挤压 在构造变形地区，由于地层的剧烈升降，产生构造挤压应 力，如果正常的排水速率跟不上附加压力（构造挤压力）所产生 的附加压实作用，将会引起地层孔隙压力增加，产生异常高压。 例如，在某些情况下，断层可能起着流体通道作用，但在另外一 些情况下，却可能起到封闭作用，而引起异常高压。所以，同样 是断块盆地，有的可能是异常高压层，有的可能不是。
粘土或页岩便起着半渗透膜的作用，产生
渗透压力。渗透压差与浓度差成正比，浓 度差越大，渗透压差也越大。浓差流动可
以在一个封闭区内产生高压。浓差作用引
起的异常高压远比压实作用和水热作用引 起的高压小得多。
超压产生机制
(7)逆浓差作用 逆浓差作用现象的研究已有文献刊载，逆浓差作用也就是水 从高压、高盐度区流向低压、低盐度区的过程。当水从高压区流 入时，在低盐度区的压力就会升高（高于正常压力），而这种机 制同样不能用于解释有效封存箱中产生的异常压力。 (8)石膏/硬石膏转化 无论是石膏脱水转化成硬石膏，还是硬石膏在深部再水化成
(1)不平衡压实作用
①沉积速率；②孔隙空间减小速率；③地层渗透率的大小；④流体排出情况 ; 平衡压实形成正常压力，平衡压实形成异常高压。 快速沉积是造成不平衡压实的主要原因之一，由于沉积速率过快，造成沉积 颗粒排列不规则(没有足够的时间)，排水能力减弱，继续增加的上覆沉积载荷部 分由孔隙流体承担，形成异常高压，同时造成地层的欠压实。
孔隙压力、地应力确定方法
卢运虎
学习目标 1.说明至少两种异常高压的成因。 2.利用标准趋势线方法，计算孔隙压力。 3.地应力的成因。 4.地应力的解释方法。
提纲 地层孔隙压力 地应力及其确定方法
什么是孔隙压力
什么是孔隙压力
地下压力
Pehmin Po Pev
深 度
Ph-静液压力； Pp-地层孔隙压力；
条件下计算的相应的有效应力Pe数据；
◆ 利用实测的地层压力数据及相应的声波时差测井或VSP