岩石力学-地应力说课材料

合集下载

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.

岩体力学05-地应力及其测量讲述

ub

uc

1 2
(ua

ub)2

(ub

uc)2

(uc

ua)2

tg2

2ua
3(ub uc） (ub uc）
③测量步骤：选点、钻孔：130mm ，深
度一般小于30m ; 在孔底打一测量孔：36mm，
深度一般50cm，并洗干净；安装应变计：并与应变仪连接，
h min
A
A
h max
假设：
天然应力为水平应力场，其铅直应力v=gz
假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中的一
个小圆孔。作用应力为h,max、h,min，根据弹性理论中的柯西解，未加水压力时，A点的应力为：
A=3h,min-h,max
在水压力作用下，孔壁产生拉裂破坏的条件为:
第六章地应力及其测量
一、地应力的概念及研究意义二、地应力成因及分布的一般规律三、地应力测量的基本原理及方法
地应力确定方
法
自重应力理论
天然应力测量大地水准测量
地变形量测
三角网测量
GPS测量地震震源机制解
一、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力适用于：地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面稳定
以东经100～105o为界分东西两区。强度上：西强东弱（西高东低）方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。
3．实测垂直应力V基本上等于上覆岩层的重量
• 对全世界实测垂直应力资料的统计分析，在深度 25~2700m的范围内，垂直应力呈线性增长，大致相当于按平均重度27kN/m3计算的应力值H。

石油工程岩石力学-地应力知识讲解

线
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

岩石力学第五讲、地应力

5、地温梯度3℃/100m--热膨胀、收缩– 压应力
6、地表剥蚀的影响：松弛的速度、封闭应力
←大陆板快的推挤中国板块的主应力迹线
地幔对流机制→ 上升流与下降流
第二节自重应力与构造应力
1、原岩应力的地位与重要性：力学研究的基本问题岩体的荷载与材料力学的荷载研究原岩应力的意义。 2、自重应力：上覆岩体的重力引起的应力。研究时将岩体视为半无限体的均匀、连续、各向同性的弹性体。垂直应力：σz = γH 水平应力：横向约束不变形，
第五节地应力实测方法2
三、三孔交汇实测方法为得到三维主应力的大小和方向，将三个孔的实测资料汇总在一起。 1、孔径变形法：测量应力解除后钻孔直径的变化量，在完整岩体内适用。按弹性力学平面问题，圆孔孔径的变化： △d = f（E，μ，P x，P y，P x y，θ）故至少应有三个不同方向的孔径变化才能计算出P x，P y，P x y，一般在钻孔变形计中安排4个孔径变化测头。一般不测量沿钻孔轴线方向的应变，而用三个孔的测量结果计算三维地应力
第三节
地应力的一般规律
一、重力应力场与构造应力场的分布特点： 1、重力应力场： ☆以垂直应力为主，垂直应力大于水平应力； ☆应力为压应力 ☆应力随深度增加而增加在构造不发育地区、第四纪冲积层、裂隙发育地区、岩性较软的塑性岩体地区，其应力场基本符合重力应力场的分布规律。 2、构造应力场： ☆应力有压应力，也可有拉应力 ☆以水平应力为主，水平应力大于垂直应力 ☆分布很不均匀，通常以地壳浅部为主。原岩应力基本由重力应力场和构造应力场叠加。构造应力是复杂多变的，难以有定量的规律。
一、应力解除法实测的基本原理 1、岩体内有原岩应力 2、原岩应力已使岩体产生变形 3、将岩块从岩体母体分离出来，原岩应力得到解除，变形将恢复 4、测量恢复的变形值，根据应力应变关系，计算引起变形的应力值。二、应力解除法的步骤： 1、钻大孔至测点，避开二次应力影响； 2、磨平孔底，钻同心小孔（测量孔），一次扰动； 3、在测量孔安装测应变和位移的元件； 4、大孔套取岩芯，二次扰动，测量本次扰动时应力解除后的应变。 5、用弹性力学中关于圆孔问题的解析解建立观测方程。

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

第一节岩体及地应力概念

岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体
厚层状沉积岩，块状岩浆岩和变质岩
多韵律薄层、中厚层状沉积岩，副变质岩构造影响严重的破碎岩层断层破碎带、强风化及全风化带
块状柱状
有少量贯穿性节理裂隙，结构面间距0.7~1.5m，一般为2~3 组，有少量分离体
局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩结构面互相牵制，岩体爆基本稳定，接近弹性各向同性体变形和强度受层面控制可沿结构面滑塌，可视为各向异性弹塑，软岩可产生塑性体，稳定性较差性变形整体强度很低，并受软易发生规模较大弱结构面控制，呈弹塑的岩体失稳，地性体，稳定性很差下水加剧失稳完整性遭极大破坏，稳易发生规模较大定性极差，接近松散体的岩体失稳，地介质下水加剧失稳
5. 岩体破坏情况：
切破坏硬岩：主要沿结构面剪不足而破坏软岩：主要是整体强度
第一节岩体、岩体结构及地应力的概念
二. 地应力 1. 定义：指存在于地壳岩体中未经人为扰动的天然状态下所具有的原始应力。又叫天然应力。 2. 类型：应力主要：自重应力、构造水压力、结晶应力等次要：地温应力、地下一般情况下，地应力主要是指构造应力和自重应力。从实测地应力结果中减去岩体自重应力，便可用来评价地质构造应力。构造应力多出现在新构造运动比较强烈的地区。根据国内外实测地应力资料，最大测深已超过 3千米。
一般情况下，硬岩岩体主要为脆性破坏，软岩岩体主要为塑性破坏，硬岩岩体破坏强度大大高于软岩岩体。通常，在硬岩岩体中，结构面力学强度大大低于结构体力学强度，因此，硬岩岩体的变形破坏首先是沿结构面的变形破坏，岩体工程性质主要取决于结构面的工程性质，见图63。在软岩岩体中，因结构体力学强度较低，有时与结构面强度相差无几，甚至低于结构面强度，所以软岩岩体的工程性质常常取决于结构体的工程性质。

第4章地应力

2 地形地貌和剥蚀作用的影响

地形地貌的影响复杂俄罗斯某河谷地区左右岸地应力完全不同，而且从河谷斜坡表面到山体内部分为应力降低带、应力升高带和应力平衡带剥蚀作用的影响显著由于剥蚀前存在一定数量的铅垂应力和水平应力，在剥蚀后来不及释放，造成实际应力比现有地层厚度引起的自重应力要大很多
4 水对地应力的影响
岩体中水的存在形成孔隙水压力，与岩石骨架承受的应力共同组成岩体的的地应力。三峡深孔压力测量结果表明孔隙压力大体相当于静水压力。
5 温度对地应力的影响

温度对地应力的影响表现在两个方面：地温梯度
σt = HαβE
岩体温度应力为静水压力场，温度应力随着深度增加而增大。相同深度时，温度应力为铅垂自重应力的1/9左右。岩体局部受温度影响岩体局部冷热不均，产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力。
4.4.1 水压致裂法地应力测量技术
水压致裂法是非套钻孔应力解除测量法，是迄今深部地应力测量最有效的手段。优点：测量深度很深，可达5km以上不需要岩石弹性参数参与计算岩壁受力范围广

现有地质勘探钻孔，无需套钻解除和精密仪器，测试周期短
1、水压致裂法的基本原理
水压致裂法是利用一对可膨胀的橡胶分隔器，在预定测量深度上下分隔一段钻孔，然后泵入液体对这段钻孔施压直至压裂，根据压裂参数计算地应力。测量原理建立在弹性力学平面问题的理论基础上，以三个假设条件为前提：围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体围岩为多孔介质时，注入的液体按达西定律在岩石孔隙中流动
（2）钻孔孔壁应变测量法常用的钻孔孔壁应变计有两种：一般的钻孔三向应变计将测量元件电阻丝直接粘在钻孔壁上。对被测岩体完整性要求高，测量成功率低。空心包体式钻孔三向应变计将测量元件电阻丝应变片粘在预制的环氧树脂薄筒上，再浇注一层薄的环氧树脂层制成的应变计。操作方便，适应性好，测量成功率高。

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

岩石力学基本教程教学PPT 第6章地应力综述.资料

表6.4 高初始地应力岩体在开挖中出现的主要现象
表6.5 不同围岩强度比开挖中出现的现象·
2021/8/17
教材配套课件
16
2．高地应力现象
（1）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）用实验验证的方法获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是高地应力的产物。从岩石力学破裂成因来分析，饼状岩芯是剪胀破裂产物。
相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 x y 0 。而相邻岩体的阻挡就相当于对单元体施加了侧向应力 x 及 y ，考虑广义虎克定律则有：
xE 1[x (yz)]0
（6.3a）
由此可得
yE 1[y (zx)]0 x y1 z1 H
（6.3b）（6.4）
式中，E为岩体的弹性模量，为岩体的泊松比。令 (1) ，则有：
地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。
由地心引力引起的应力场称为自重应力场，自重应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。
由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。
（5）地温梯度引起的应力场
（6）地表剥蚀产生的应力场
2021/8/17
教材配套课件
2
图6.1 中国板块主应力迹线图
2021/8/17
教材配套课件
式中，H为深度，单位为m。
（6）最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。
/ h， m in h， m ax一般为0.2~0.8，多数情况下为0.4~0.8，参见表6.2。
表6.2 世界部分国家和地区两个水平主应力的比值统计表
（7）地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。

地应力及其原理PPT课件

层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
第十九页，共110页。
▪ 我国的地质学家李四光：
▪ 20年代指出“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量”。
第二十页，共110页。
▪ 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平应力主应力一般为垂直应力的1～2倍。
第三十六页，共110页。
▪ 6.3 地应力的变化规律 ▪ 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分
析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律： ▪ （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，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。三个主应力的大小和方向是随着时间和空间而变化的，因而它是一个非稳定的应力场，
▪我国大陆板块发生变形，产生水平压应力场，其主应力迹线如图4-1所示。
第二十六页，共110页。
（2）地幔热对流引起的应力场由硅镁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，就分为两股方向相反的平流，经一定流程直到与令一对流圈的反向平流相遇，一起转为下降流回到地球深处，形成封闭的循环体系。地幔热对流引起地壳下面的水平
第二十三页，共110页。
▪ 6.2 地应力的成因 ▪ 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不
是十分清楚。 ▪ 近30多年来的实测和理论分析表明，地应力
的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，
第二十四页，共110页。
▪ 6.2地应力的成因
▪ 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、岩浆侵入和地球非均匀扩容等。

岩石力学教案

岩石力学(rock mechenics)备课讲稿绪论一岩石力学的研究对象:岩体中由于地质构造，重力地热等作用而形成的内应力（地应力）由于岩石工程的开挖而以变形位移等方式重新分布，从而引起岩石工程发生变形，失稳及破坏，对这一过程进行研究，构成岩石力学的研究对象。

二岩石力学的发展状况:（1）初始阶段（19世纪末-----20世纪初）三向应力相等，皆为γH。

（2）经验理论阶段（20世纪初----20世纪30年代）自然平衡理论，并开始利用材料力学和结构力学方法分析支护结构。

（3）经典理论阶段（20世纪30年代——20世纪60年代）弹力和塑性力学初步引入岩石力学，认为围岩和支护共同形成稳定机制，并开始考虑机构面对岩体力学稳定的影响，形成两大学派：连续介质理论和地质力学理论。

（4）现代发展阶段（20世纪60年代——现在）流变力学，断裂力学，模糊数学，计算机技术，人工智能等现代数学力学理论引入岩石力学。

三岩石力学的基本研究内容和研究方法1 研究内容：岩石和岩体；岩石物质组成和结构特征，岩石的物理、水理、热力学性质，岩石的基本力学性质；岩体的力学性质及现场测试技术；原岩应力的分布规律及测量技术；岩体机构面的力学性质；岩体的工程分类；岩体的稳定性的研究。

2 理论，实验及工程经验总结相结合的方法①工程地质研究方法②室内实验和现场实验的方法③数学力学分析方法④综合系统分析方法四岩石力学研究的主要问题按工程分类①水利水电工程②采矿工程③交通工程（公路和铁路）④土木建筑工程⑤石油，海洋勘探，地震预报第一章岩石物理力学性质1.1岩石的主要物质成分及对岩石抗风化性能的影响（见P13表）1.2岩石的主要结构类型。

结晶结构：主要发生在火成岩，变质岩及部分沉积岩中，强度较大，一般晶粒愈细，愈均匀，则强度愈高。

胶结结构：主要发生于部分沉积岩中，像灰岩，粘土岩等。

1.3 岩石的容重（γ）一般而言，容重愈大，强度愈高，质量愈好。

1.4 岩石的孔隙率（n ） v v n p=1.5 岩石的含水率 (w) w=烘干后的质量水的质量1.6 岩石的吸水率（a W ） a W =烘干后的质量吸入水的质量1.7 岩石的透水性：用透水系数定量衡量，见P 29表。

岩石力学基础教程教学课件侯公羽第6章地应力

地应力测量的原理
岩石力学性质
地应力的测量依赖于对岩石力学性质的充分了解，包括岩石的弹性模量、泊松比、抗剪强度等参数。
应变平衡方程
根据岩石中的应变平衡方程，通过测量岩石中的位移和应变，结合岩石的力学性质，可以推算出地应力的大小和方向。
测量误差分析
地应力的测量存在误差，包括测量设备的误差、岩石力学性质的误差以及数据处理和分析的误差等，需要进行误差分析和修正。
地应力的利用
地应力用于能源开发
地应力可以用于石油、天然气的开采，通过分析地应力分布，可以提高开采效率。
地应力用于地下工程
在地下工程中，可以利用地应力进行支护和稳定，例如隧道、矿山的开挖。
地应力用于地质灾害防控
通过分析地应力分布，可以预测地质灾害的发生，如滑坡、泥石流等，从而采取相应的防控措施。
要点一
边坡工程中的地应力分布
边坡工程中的地应力分布受到地形、地质构造、地下水等因素的影响。
要点二
地应力对边坡工程稳定性的影响
地应力的大小和方向对边坡工程的稳定性有着重要影响。在边坡工程设计和施工过程中，需要对地应力进行测量和评估，以确保边坡的稳定性和安全性。
05 地应力在工程中的利用与控制
地应力测量的应用
岩土工程设计
在岩土工程设计中，地应力是重要的设计参数，通过地应力测量可以了解工程区域的地应力状态，
为工程设计和施工提供依据。
地质灾害防治
地应力测量可以帮助了解地质灾害发生区域的地应力状态，为地质灾害防治提供科学依据。
矿产资源开发
在矿产资源开发中，地应力测量可以帮助了解矿体的应力状态，为矿产资源的开采提供技术支持。
04 地应力对工程的影响

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

地应力分析讲课文档

度很低。
1530-1632m，倾角55 ゜，倾向南偏东5゜ 1632-1642m，倾角54↘4゜，倾向南偏东5 ゜ 1676-1900m，倾角56-58 ゜，倾向南偏东4 ゜ 1900-2350m，倾角56 ゜，倾向南
2350-2444m，倾角18-20 ゜，倾向南偏东45 ゜ 2444-2500m，倾角40 ゜，南偏东25 ゜
C1-3臂井径方位角
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 2380
9
8.8
W12-1-6井双井径测井C1-3臂井径方位
2480
W Z251802 - 1 - 6 井双井 268径 0 测井曲线 2780
斜深（米）
C1-3臂井径 C2-4臂井径钻头直径
井径（英寸）
8.6
8.4
8.2
8 2380
2480
C2-4臂井径>钻头直径
2580
2680
斜深（米）
2780
C1-3臂井径<钻头直径
椭圆井眼短轴方位（C1-3臂）：N30°E
第四十四页，共71页。
2880
2880
2980
2980
第四十五页，共71页。
键槽
C2-4 C1-3
井眼
井眼椭圆长轴方位 N120°E，与井眼方位（N118°E）一致，且短轴小于钻头直径，键槽。
第十一页，共71页。
第十二页，共71页。
第十三页，共71页。
第十四页，共71页。
倾角测井界面1:1960-1980m 倾角测井界面2:2240-2290m
N2d:502m N1t:1136m N1s:1820m
E2-3a:2858m E1-2z:3484m

高等岩石力学第四讲-2017

z H
在半无限体中任一微元体上的正应力均为主应力，且有
x y, x y 0 xy yz zx 0
2 自重应力和构造应力
（1）岩体的自重应力
根据虎克定律：
x
y
1 E
(
x
( y
z)
0
得：
x
y
1
z
z
其中λ为岩体静止侧压力系数。是用来描述
地应力状态的一个物理量，它是指某点水平主应力和垂直应力的比值。
2
(1 3 r 4 )cos 2 4
1
2
2
(1
r2
2 )(1
3
r
2 2
)
sin
2
孔壁（r=ρ)应力分量： 0, 0
1 2 2( 1 2 )cos 2
式中：φ为周边一点与σ1的夹角。
当φ＝0o时，σφ取极小值，此时 3 2 1
（1）
4 地应力测量方法
4 地应力测量方法
直接测量法--水压致裂法
得到一个能反映裂缝沿钻孔轴向产生和延伸的情况的试验曲线。
岩体中的孔隙水压力为
P0，加压至时Pic1，孔壁岩石破裂，压力逐渐下
降至Ps，然后卸压，压力逐步回落至孔隙水压力
P0，裂缝闭合。再进行第二循环的加压，压力升
至Pic2时，裂缝又张开，压力又逐渐降至Ps，卸除压力，压力回落至孔隙
本章内容CONTENTS
1 地应力基本概念 2 自重应力和构造应力 3 地应力分布规律 4 地应力测量方法
1 地应力基本概念
原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡
状态的岩体，称为原岩。
围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为

石油工程岩石力学-地应力

B A
C
largely unfractured shale
static basal sheet
compression
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；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；
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
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，它取决于压裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等
由上覆地层产生的水平地应力，可根据弹性变形力学理论，假设在水平方向的变形受到限制，即（εx）V=（εy）V =0，由此可得到：
H
v
h
v 1 v Pp
Pp
该部分地应力在水平方向相同，为均匀分布的
地应力纵向分布规律计算模式
由构造运动产生的地应力，由于构造运动的方向性，使得在水平方向产生的地应力不同。假设构造运动可分解为沿相互垂直的两个主方向（H方向和h方向）的向前平推运动，在两个方向的构造运动变形量分别为εH、εh；并假设在构造运动过程中各地层保持连续（不产生相互错动），根据广义虎克定律有：

第四章地应力及其原理(2016

n
x y
x
E //
//
y
E //

z
E
0
x y
则有：
E // x y z 1 // E
岩体自重应力的特点：
（a）水平应力σx、σy小于垂直应力σz ；
（b） σx、σy、σz均为压应力；
（c） σz只与岩体容重和深度有关，而 σx、
（2）地幔热对流引起的应力场由硅镁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，就分为两股方向相反的平流，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，形成封闭的循环体系。地幔热对流引起地壳下面的水平切向力。
• （3）由地心引力引起的应力场
σy还同时与岩体弹性常数E、μ有关；（d）结构面影响岩体自重应力分布。
• 4.4. 地应力的成因
• 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不是十分清楚。 • 近 30 多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种运动过程密切相关。
• 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、岩浆侵入和地球非均匀扩容等。
x y

1
z z
xy yz zx 0
对于均质成层岩体：
z i hi
i 1
n
n x y n z 1 n
h
i 1
n
i i
对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：
z i hi
i 1
•
• •
由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力
应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度等，均会引起垂直方向应力的变化。