地应力
石油工程岩石力学-地应力
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而 线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构 造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
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；
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；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2
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地应力什么是地应力？地应力（Geostress）指的是地球内部的应力状态。
地应力影响着地下岩石的变形和破裂，对地下工程和地震活动有重要影响。
地应力的研究对于地质灾害的预测和工程设计具有重要意义。
地应力的成因地应力的形成和分布受多种因素影响，主要包括地壳运动、地质构造变形和岩石的物理性质。
地壳运动地壳运动是地应力形成的基础。
地壳运动引起了岩石的变形和应力的积累。
常见的地壳运动包括板块运动、地震和火山活动。
这些地壳运动导致了应力在岩石体内的传递和积累，形成了地应力。
地质构造变形地质构造变形是地应力形成的重要原因。
地球内部存在着各种各样的构造，如断裂带、褶皱带、剪切带等。
这些构造的形成和变形会导致地应力的分布和变化。
地质构造变形的程度和方式对地应力的大小和方向有着重要影响。
岩石的物理性质岩石的物理性质对地应力的形成和传递也有重要影响。
岩石的弹性模量、剪切模量和泊松比等物理参数决定了岩石的应力特性。
不同的岩石类型具有不同的物理性质，因此地应力的大小和方向也会有所不同。
地应力的测量方法为了研究地应力，科学家们发展了多种地应力测量方法。
下面介绍几种常见的地应力测量方法：岩石力学试验岩石力学试验是直接测定地应力的一种常用方法。
通过测定岩石样品在不同应力下的变形情况，可以推断出地应力的分布和大小。
这是一种比较准确的地应力测量方法，但需要进行大量的实验工作。
岩石应力释放法岩石应力释放法是通过测量岩石体内的应力释放情况来推断地应力的方法。
通过测量岩石样品在加载和卸载过程中的变形情况，可以推算出地应力的大小和方向。
这种方法适用于室内实验和野外观测。
地震测井法地震测井法使用地震波测量地下的地应力。
通过检测地震波在岩石体内的传播速度和方向变化，可以推断出地应力的分布和大小。
这种方法适用于地下深部地应力的研究。
地应力的应用地应力的研究对于地质灾害的预测和工程设计具有重要意义。
以下是地应力应用的几个方面：地下工程地下工程是地应力的主要应用领域之一。
地应力分析
108°56′
278000
280000
282000
284000
286000
108°55′
WZ12-1-6
WZ12-1-5
中块3井区
南 块
中块4井区
北
ILN2490
XLN1955
F2
F82
F4
F5
F1
F3
N3
N1
N
N2
F9
F81
F10
块
F11
F2A
FA
WZ12-1-B5
N1a
N1b
最大水平主地应力方向N100E左右
h
v
H
最大水平主地应力
WZ12-1-6井壁崩落椭圆长轴方位
WZ12－1北油田地应力方向分析
非均匀地应力作用下井壁坍塌将形成椭圆形井眼，椭圆井眼长轴为最小水平主地应力方向 双井径测井数据: WZ12-1-6井下部8.5"井 眼段(MD:2380～2980m) 井眼椭圆长轴方位 N120°E 是由非均匀地应力造成的井壁坍塌而形成的椭圆井眼吗？
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：
地应力相对大小： 最大水平地应力大致方位：N600-750E
BZ25-1-2井地应力方位频率图 最大水平主地应力方位N65-70E
N
E
最大水平主应力方位
4-地应力及其测量解析
e) 对地应力的传统认识有误。
1912年A.Heim h v H
1926年A.H.Динник
h
H 1
20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳 上部的最大主应力方向接近水平的，而且 最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍， 甚至更多。
6
4.1.3 地应力的成因
1）地幔热对流
• 硅镁质组成的地幔因高温，上 下对流、蠕动，深部地幔上升 到顶部时变成2股方向相反的 平流：与反向平流相遇，转为 下降流进入深部，形成封闭的 循环体系。
Pb0 Pb0
Ps
Ps
Ps0
Ps
Ps0
Ps
P0
P0 ④Ps0-关闭压力
⑤Pb0-重张压力
图 压裂过程泵压变化及特征压力
36
• 各特征压力的物理意义 ①P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力 ②Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力 ③Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开
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
y 1 sin
z 1 sin
17
（4）当松散介质有一定粘聚力时 (c>0 )
侧压力为：
x
H
1 sin 1 sin
2c cos 1 sin
18
注：当 x 0
说明无侧压力
x 0
无侧压力深度
HO
2C cos
1 sin
19
5)地质构造应力
20
5)地质构造应力
Fujianshanghang，
平均水平应力 K 垂直应力
K 1500 0.5 Z
K 100 0.3 Z
4.4 高地应力地区的主要岩石力学问题
3地应力及其测量原理解析
3地应力及其测量原理解析地应力是指地球内部岩石受到的力。
地应力是大地构造活动的重要因素，它对岩石变形、断裂产生重要影响。
了解地应力的分布及其大小对地质灾害预测和地下工程设计具有重要意义。
本文将探讨地应力及其测量原理。
地球内部的岩石受到的力主要有三个方向的应力，即水平应力、垂直应力和剪切应力。
水平应力是指岩石受到的平行于地表面的力，可以分为水平主应力和水平次应力。
垂直应力是指岩石受到的垂直于地表面的力，也称为垂向应力或竖向应力。
剪切应力是指岩石受到的平行于地表面的剪切力，它是水平主应力和水平次应力的合成力。
测量地应力的方法有很多种，常见的方法有直接法、间接法和综合法。
直接法是指在地下开展实地观测和实验，测量地应力的大小和分布。
这种方法需要精密的仪器设备和专业的人员，成本较高。
直接法主要有压力封、应力计和杨氏圆及其变形规律三类。
压力封是将传感器封装在地下岩石中，通过监测传感器的变形来获得地应力信息。
应力计是一种用于测量地应力的仪器，它通过应用压力给传感器的晶体，在晶体上产生电压信号来测量地应力的大小。
杨氏圆及其变形规律是一种通过岩石的弹性性质和材料参数来推导地应力的方法，它主要通过岩石的横向应变和纵向应变的关系来计算地应力的大小。
间接法是指通过间接测量来推断地应力的大小和分布。
这种方法通过测量岩石的应力释放和地震活动来判断地应力的情况。
间接法主要有岩层位移法、地震法和微观破裂法。
岩层位移法是通过测量岩层的位移来推断地应力，它主要通过岩石剪切带和断层的破碎及位移来判断地应力的大小。
地震法是通过测量地震波的传播速度和波峰时间来推断地应力的情况，它主要通过地震波在地下传播的路径和速度来判断地应力的方向和大小。
微观破裂法是通过观察岩石微观裂纹和破碎情况来推断地应力的大小和方向，它主要通过观测岩石的细微结构和断口来判断地应力的情况。
综合法是指将直接法和间接法相结合来测量地应力。
这种方法利用不同的测量技术和方法相互补充，可以提高地应力的准确性和可靠性。
地应力计算公式
地应力计算公式地应力计算公式地应力计算是地质工程中的重要计算工作，需要根据地质条件和力学参数进行准确的计算。
以下是几种常用的地应力计算公式：1. 等效重力法•公式：σz′=γ⋅z•其中，σz′为垂直深度为z处的地应力，γ为岩石的单位体重。
例如：若岩石的单位体重γ为kN/m³，要计算深度为100 m处的地应力，则根据等效重力法可知σz′=×100=250 kPa。
2. 克劳森公式•公式：σz′=σv+2α⋅H•其中，σz′为垂直深度为H处的地应力，σv为地表面的垂直应力，α为地层的水平应力系数。
例如：已知地表面的垂直应力σv为200 kPa，地层的水平应力系数α为，要计算深度为200 m处的地应力，则根据克劳森公式可知σz′=200+2××200=400 kPa。
3. 莫尔-库仑准则•公式：σz′=σℎ+ΔP•其中，σz′为垂直深度为H处的地应力，σℎ为水平地应力，ΔP为地下水压力。
例如：已知水平地应力σℎ为400 kPa，地下水压力ΔP为100 kPa，要计算深度为300 m处的地应力，则根据莫尔-库仑准则可知σz′=400+100=500 kPa。
总结以上是几种常用的地应力计算公式，根据具体情况选择相应的公式进行计算可以得到准确的地应力结果。
4. 斯威特公式•公式：σz′=σv+αs⋅H+ΔP•其中，σz′为垂直深度为H处的地应力，σv为地表面的垂直应力，αs为地层的垂直应力系数，ΔP为地下水压力。
例如：已知地表面的垂直应力σv为500 kPa，地层的垂直应力系数αs为，地下水压力ΔP为150 kPa，要计算深度为500 m处的地应力，则根据斯威特公式可知σz′=500+×500+150=700 kPa。
5. 针对特定地质条件的公式•对于一些特定的地质条件，可以根据实地勘察和试验数据推导出适用于该地质条件的地应力计算公式。
例如：某个区域的地质条件独特，经过实地勘察和试验数据分析得出如下地应力计算公式：σz′=β⋅H2+γ⋅H+σv。
地应力计算公式(一)
地应力计算公式(一)地应力计算公式1.水平地应力公式–张力应力公式：Sℎ=P+U•其中，Sℎ为水平地应力，P为地表载荷，U为地壳对地表的单向挠曲曲率半径对应的张力应力–应力平衡公式：Sℎ=S v+qπarctan2zr+C•其中，S v为垂直地应力，q为压应力差，z为深度，r为水平范围，C为常数2.垂直地应力公式–正压应力公式：S v=PA•其中，P为地表载荷，A为地表受力区域面积–自由地应力公式：S v=ρgzA•其中，ρ为地壳密度，g为重力加速度，z为深度地应力计算示例1.计算水平地应力：–已知：地表载荷P=1000 kN/m2，地壳对地表的单向挠曲曲率半径对应的张力应力U=500 kN/m2–则水平地应力Sℎ=P+U=1000+500=1500 kN/m2 2.计算垂直地应力：–已知：地表载荷P=1000 kN/m2，地表受力区域面积A= 100 m2–则垂直地应力S v=PA =1000100=10 kN/m23.计算水平地应力和垂直地应力：–已知：地表载荷P=500 kN/m2，压应力差q=200 kN/m2，深度z=10 m，水平范围r=5 m，常数C=50 kN/m2–应力平衡公式：Sℎ=S v+qπarctan2zr+C–代入已知值：Sℎ=S v+200πarctan2×105+50–计算得到水平地应力Sℎ≈ kN/m2，垂直地应力S v≈ kN/m2以上是地应力的计算公式和示例。
可以根据具体情况选择合适的公式进行计算，以求得正确的地应力值。
地应力知识
地应力知识简介地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。
一地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。
30多年来的实测和理论分析表明，地应力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、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。
1大陆板块边界受压引起的应力场以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。
在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。
2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。
地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。
3由地心引力引起的应力场（也称为重力场）重力场，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，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是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均会引起垂直方向应力变化。
4岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。
熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。
岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。
4章 地应力计算
4.5 地应力计算模式
1.以单轴应变为基础的最大和最小地应力 金尼克公式
σH =σh =
µ
1− µ
σv
马特威耳-凯利 等人计算式
µ (σ v − Pp ) σ H − Pp = σ h − Pp = 1− µ
2.考虑有效应力系数的最大和最小地应力
µ (σ v −αPp ) + σt σ H − αPp = σ h − αPp = 1− µ
4.4 地应力分布规律和我国的分区特点 一、地壳浅部地应力分布的主要规律
1.地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场， 1.地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是 地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 时间和空间的函数。 时间和空间的函数。 2.垂直应力随深度的变化规律 2.垂直应力随深度的变化规律
垂直应力 随深度线 性增加。 平均密度 约为 27KN/m3
4.4 地应力分布规律和我国的分区特点
3.水平应力普遍大于垂直应力 3.水平应力普遍大于垂直应力 4.平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小 平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小， 4.平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小， 且趋近于1 且趋近于1
4.2 原地应力应力状态及应力张量 一、原地应力的基本构成
上覆岩层压力
σ v = ∫ ρb g (h)dh
0
H
构造应力
σ x = ωx ×σ v σ y = ωy ×σ v
温度产生的附加应力
σ
2 x、 v
1+ µ = 2G ⋅ α ⋅ (T − T0 ) 1 − 2µ
4.2 原地应力应力状态及应力张量 二、地下岩石某点的应力状态和应力张量的分解
4.3地应力测量技术 4.3地应力测量技术
地应力及其测量
一、概述－研究地应力的重要性
地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是 确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现开挖设 计和决策科学化的必要前提条件.
地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油 井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究 以及地球动力学的研究等也具有重要意义.
当θ＝0°时, σθ取得极小值, σθ＝3 σ2－ σ1
当水压达到 P i 32 1T 孔壁发生初始开裂
当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时,此处已接近原岩应力状态
停止加压,保持压力恒定,记此时压力为Ps
Ps 2
21
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时,则初始开裂压力Pi
原岩应力基础知识
1
本章内容
概述 地应力场的分布规律 地应力测量方法
2
一、概述
原岩： 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体. 原岩应力亦称初始应力或地应力：
定义一：原岩中存在的应力. 定义二：岩体在天然状态下所存在的内应力.
次生应力或诱发应力受工程扰动之后的天然应力状 态,J.Hudson:由于受井巷开挖、矿产资源开采等工 程影响,原岩应力平衡状态被破坏后的应力. 这一转换过程称为应力重分布.
无限体——圆形钻孔 平面应变受力状态
几点假定
三、地应力测量方法－a 水压致裂法
由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷 远处二维应力场σ1最大水平应力, σ2最小水平应力 , 其钻孔周边的切向应力σθ和径向应力σr为：
1 2 2 1 2 c2 os
3 2 1
r 0
周边一点与σ1轴的夹角
6
一、概述－地应力的成因
岩体力学05-地应力及其测量
2、原岩应力是涉及地壳问题各个学科领域最基础性的原始资 料。 • 1）在地球物理领域，科学家们汇集了全球陆地与海底大量 的地应力测量资料，编制了地壳应力分布图，并用于建立地 壳构造模型和研究地壳运动规律，这项工程促进了地球动力 学，包括地震机制研究的发展。 • 2）在采矿工程领域，原岩应力的大小和方向是井巷断面形 状优化设计、方位的合理选择以及井巷支护、采场矿山压力 控制的最主要依据之一。 • 3）在其它领域，如水利水电坝基选择和大坝稳定性，石油 钻孔孔壁稳定性和增加采油率的裂井工程，核废料处理中防 止泄露和污染、地热利用工程以及地质灾害防治工程等等， 都要用到地应力这个基本参数。
2、构造应力起源： •地幔热对流——板块运动 •地球自转速度变化——地质力学
中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤 压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。
•西南：印度板块向NNE挤 压（5mm/a） •东：太平洋板块向W俯冲 （1cm/a） •南：菲律宾板块向N俯冲 •北：西伯利亚板块阻挡 •1迹线：N-NE-SSE
+
+
+
+
+
+ + + + + +
++++++
天然应力
→ ← ↓ ↑
∧
→ ← ↓ ↑
∧
重分布应力
相对于第2洞 室的天然应力
二、地应力的研究意义 1、天然应力是引起岩土工程变形和破坏的根本作用 力，其地位相当于工程习惯中所理解的外部荷载， 但又与材料力学、弹性力学中泛指的外荷载又有不 同。地下工程是在原岩应力作用下开挖的，即地下 工程是先受力、后开挖，并且地应力从开挖前到最 终一直对围岩起作用。
第五章地应力分析 PPT
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 ゜
2500-2849m，倾角6-8 ゜，南偏东25 ゜
断点位置：1632m、2350m、2444m
N2d:506m N1t:1250m N1s:1812m
E2-3a:3067m E1-2z:4128m
K2d:4360m
506-1854m倾角52-55゜，南倾
1854-2170m倾角50-60゜，南倾 2170-2200m倾角40゜，南偏北 2200-2440m倾角40-50゜，南倾 2440-2470m倾角50-60゜，南倾 2470-2636m倾角50-60゜，南倾
NDS-PERFORM钻井 系统
地应力测定方法
❖ 应用构造地质力学方法研究地应力的相对大 小及大致方位
❖ 应用成像测井确定地应力的方位 ❖ 应用水力压裂资料确定地应力大小 ❖ Kaiser 效应试验测定地应力大小
根据断层特点及走向确定地应力的大小及方向
根据断层特点确定地应力分布规律及地应力方向： 最大水平主地应力方向平行断层延伸方向 上覆地层压力v >最大水平主地应力H> 最小水平主地应力h
W3Ⅲ
W3Ⅲ (TVD:2812.57m)
(TVD:3120.00m)
例
？
0
500
1000 m
T
干 层 可能油层
正断层
剖面位置示意图
T′
6
地应力概念与其测量方法
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地 壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量， 这就是构造应力。
构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造 应力场。
地应力概念和其测量方法
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。
地应力概念和其测量方法
地应力概念和其测量方法
本章内容：
§5-1 概述 §5-2 地应力成因 §5-4 岩体初始应力分布状态 §5-5 岩体初始应力场测定
地应力概念和其测量方法
§5-1 概述
1 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， 称为围岩。
目前，原岩应力的实测深度达3000m。在这一深度内，原岩应力变 化规律大致可归纳为以下几点：
一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场；
二、水平应力σH普遍大于垂直应力σv ,即 侧压力系数λ＝σH/σv >1;
三、原岩应力三个主应力σHmax，σHmin，σv均随深度增加而增大； 1、平均水平应力σH与垂直应力σv 的比值随深度增加而减小。
断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力 集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。
地应力概念和其测量方法
5.4 岩体初始应力状态的现场量测方法 一、岩体应力现场量测方法概述 1.目的： （1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护
及岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力 工具
地应力及其原理
▪ 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
设钻孔壁发生初始开裂时的水压为则有原理如果继续向封隔段注入高压水使裂隙进一步扩展当裂隙深度达到3倍钻孔直径时此处已接近原岩应力状态停止加压保持压力恒定将该恒定压力记为p应和原岩应力相平衡原理在钻孔中存在裂隙水的情况下如封隔段处的裂隙水压在初始裂隙产生后将水压卸除使裂隙闭合然后再重新向封隔段加压使裂隙重新打开记裂隙重开时的压力为p原理由以上两式求就无须知道岩石的抗拉强度
应力或原岩应力。
▪ 6 地应力及其测量 ▪ 6.1概述 ▪ 6.1.1 基本概念 ▪ 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。
6.1 概论
▪ 一、 地应力测量的必要性 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。
论）， ▪ 认为这个测压系数等于 ，即：
▪ 式中： —上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围为0.15~0.30。
1
v H,h 1H
▪ ▪
此同期时的，当其他一些时人，主要关心，0的即.5也海是姆如假何说用只一是些h金数尼学克v公假式说H 来的定一量个地特计例算。地应力的大小，并且也都认
地应力知识
地应力知识简介地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。
一地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。
30多年来的实测和理论分析表明，地应力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、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。
1大陆板块边界受压引起的应力场以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。
在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。
2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。
地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。
3由地心引力引起的应力场（也称为重力场）重力场，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，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是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均会引起垂直方向应力变化。
4岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。
熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。
岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。
地应力系数
地应力系数
摘要：
1.地应力系数的定义
2.地应力系数的影响因素
3.地应力系数的计算方法
4.地应力系数在工程中的应用
5.地应力系数的重要性
正文：
地应力系数是地壳内部岩石受到的地球引力和构造运动等因素的影响所产生的应力状态的一种度量。
地应力系数可以反映岩石在地壳内部的应力分布情况，对于研究地壳构造、地质灾害以及地下工程的设计和施工具有重要的意义。
地应力系数的影响因素主要有地壳构造、岩石的物理性质、地球引力、地下水的作用等。
其中，地壳构造是影响地应力系数的主要因素，不同的构造类型和构造活动程度会导致不同的地应力系数。
岩石的物理性质也会对地应力系数产生影响，例如岩石的密度、强度等。
地球引力是产生地应力的主要因素，其变化会影响地应力系数。
地下水的作用也会对地应力系数产生影响，地下水的存在或抽取会导致地应力系数的变化。
地应力系数的计算方法主要有两种，一种是基于理论的计算方法，另一种是基于实测数据的计算方法。
基于理论的计算方法主要是根据地壳构造和岩石的物理性质等因素，运用弹性力学理论计算地应力系数。
基于实测数据的计算
方法主要是通过地下应力测量和地震波探测等手段获取实测数据，然后根据这些数据计算地应力系数。
地应力系数在工程中的应用非常广泛，例如在地下工程的设计和施工中，需要根据地应力系数来确定岩石的承载能力和稳定性，以保证工程的安全。
在地质灾害的预测和防治中，地应力系数也是一个重要的参考因素，可以通过分析地应力系数的变化来预测地质灾害的发生可能性。
总的来说，地应力系数是研究地壳构造和地质灾害等问题的重要参数，对于地下工程的设计和施工也具有重要的指导意义。
地应力及其分布规律
地应力及其分布规律————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:ﻩ地应力及其分布规律1 、地应力的基本概念地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
广义上也指地球体内的应力。
它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。
此外地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。
２、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的,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、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。
另外,温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。
其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。
当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。
由于亿万年来,地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外,地应力场还受到其他多种因素的影响,造成地应力状态的复杂性和多变性,地应力成因之一:地幔热对流（图1、图２）地应力成因之一：板块边界受压（图3）地应力成因之一:岩浆浸入(图4)3、地应力的影响因素地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响,但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。
1)岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体自重,研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。
但在初始地应力的研究中人们发现,岩体初始应力场的形成因素众多,剥蚀作用难以合理考虑,在常规的反演分析中,通常只考虑岩体自重和地质构造运动2)地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响是复杂的,剥蚀作用对地应力也有显著的影响,剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。
5-地应力
第五章地应力Chapter 5 Geostress学习提示学习对象→岩石应力场、垂直应力、水平地应力、海姆假说以及岩体应力测量。
学习内容→垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说，岩体天然应力与地下、地面工程的关系和影响，应力解除法、恢复法、水压致裂法。
学习目的→理解和掌握有关概念，特别是掌握应力解除法、恢复法、水压致裂裂法。
掌握垂直应力与水平地应力的特征，自重应力与海姆假说等。
5.1.1 概念☐天然应力把赋存于原岩中的、由各种地质作用、构造运动、岩体自重、水、温度、地震等引起的应力场称为岩体中的天然应力或原岩应力或初始应力（Initial Stress ）或地应力（Geostress ）当人类岩体表面或岩体内进行工程活动时，如开挖、填方、上部建筑物的修建等，必然对原岩中一定范围内的天然应力产生扰动，这种因人类活动而改变的应力称为重分布应力或二次应力或次生应力。
☐二次应力☐原岩一般来说，把未经人类活动扰动与影响且仍处于自然平衡状态的岩体成为原岩。
无论地应力或是二次应力，它们在岩体空间中有规律的分布形态称为应力场。
5.1.1 概念自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。
它是由岩体自重引起的。
自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态称为自重应力场。
构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。
或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。
构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。
5.1.1 概念 （天然）应力的表示{}{}3213210ααασσσσ={}{}xz yz xy z y x τττσσσσ=05.1.2 天然应力的形成因素影响岩体天然应力大小和分布规律的因素很多，主要有岩体自重（自重应力）、地质构造运动（构造应力）等；此外，成岩过程中的物理化学变化、地形地貌、地温梯度岩体特性的等均对岩体天然应力有不同程度的影响。
第六章-地应力
洞壁片状剥落等现象。它是岩石被挤压到弹性限度，岩体内积聚的能 量突然释放所造成的一种岩石破坏现象。
岩爆：围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛撒，以及
4.3 高应力区特征
4.3.2 岩爆及其防治措施
岩爆产生的条件：
地下工程开挖，洞室空间的形成是诱发岩爆的几何条件； 围岩应力重分布和集中导致围岩积累大量弹性变形能，这是诱发岩爆 的动力条件； 岩体承受极限应力产生初始破裂后的剩余弹性变形能的集中释放量决 定岩爆的弹射程度； 岩爆通过何种方式出现，这取决于围岩的岩性、岩体结构特征、弹性 变形能的积累和释放时间长短。
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
板块运动的驱动力
地幔对流
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
4.1 概 述
4.1 概 述
4.1.2
地应力的成因、组成影响因素
地应力分布理论
海姆（A.Heim)静水应力假设（1878，瑞士）：地壳中任意一点的 应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即
岩爆及其防治措施
岩爆的防治：
围岩加固：对已开挖硐室周边进行加固或在掌子面前方实 行超前加固。
改善应力条件：选择合理路线；设计合理断面；进行合理
施工；应力解除。 改善围岩性质：通过注水改善煤岩动力性质。 施工安全：岩爆发生时间多在爆破施工后1h内比较激烈。
4.3 高应力区特征
4.3.2
岩爆及其防治措施
岩爆发生的判据：
我国工程岩体采取以下的判据：
当 Rc / max 时，无岩爆； 7
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分层地应力分析评价技术用于油气田开发分层地应力分析评价技术可有效地指导压裂设计、注水方案设计等工作,有重要的研究意义。
目前,人们已提出了多种地应力模式,本文在理论分析和资料调研的基础上,提出了一新的地应力模式。
利用理论研究成果,开发了分层地应力分析评价软件,介绍了软件的主要功能模块,软件的计算精度满足了工程设计的需要,与测试结果吻合程度较高,对方案设计具有一定的指导意义。
地应力的研究与分析分析地应力的成因和确定的方法,确保重大土木工程前期和施工的安全进行。
地质力学模型试验技术的进展根据长江科学院2 0多年来地质力学模型试验的经验和国内外的发展现状,分别从相似原理、模型材料选择、关键模拟技术和在不同工程地质问题中的应用等方面介绍了地质力学模型试验技术的特点及发展趋势。
认为地质力学模型试验技术应向深度(即模拟和量测技术)和广度方向发展,在发现新的力学机理和验证数学模型等方面有广泛的应用前景。
地质力学模型试验技术的进展根据长江科学院2 0多年来地质力学模型试验的经验和国内外的发展现状,分别从相似原理、模型材料选择、关键模拟技术和在不同工程地质问题中的应用等方面介绍了地质力学模型试验技术的特点及发展趋势。
认为地质力学模型试验技术应向深度(即模拟和量测技术)和广度方向发展,在发现新的力学机理和验证数学模型等方面有广泛的应用前景。
地应力测量方法研究综述对于深埋岩石工程,岩体的地应力状态直接关系到工程和区域的稳定性.通过收集大量的国内外有关地应力的研究资料,回顾了地应力测量的发展历程,总结了各种地应力测量方法的适用范围,基于今后岩石工程所呈现的新特点和新问题,探讨了地应力测量的发展趋势.岩体地应力及其测量方法综述岩体中的地应力场是一个具有三维空间的复杂应力场,它的大小和分布规律受岩体自重、地质构造运动、地形地貌及剥蚀作用等多种因素的影响,选择合理有效的地应力测量方法对地应力场的测量至关重要。
作者对地应力的分布规律、影响因素、地应力测量前后应考虑的问题进行分析,对几种常用的地应力测量方法进行对比,对地应力测量研究中的主要问题进行分析。
在关键地域建立地应力监测系统,进行长期的地应力实时监测,同时重点研究开展深部地应力测量和构造应力场研究。
初始地应力场分析方法的研究岩体初始地应力场是地震预测和岩体工程设计的重要依据之一,根据实测地应力资料,采取一定的数值分析方法,反演出整个计算区的初始地应力场。
本文综述了国内外地应力场的研究现状,介绍并分类归纳了几种典型的地应力场研究方法,并对每个方法的适用范围进行了评价,对以后地应力研究的发展方向提出了建议。
不同地质成因岩石地应力分布规律的统计分析通过收集我国大陆地区大量的实测地应力资料,筛选出了受局部影响小的实测数据,建立了岩浆岩、沉积岩和变质岩地应力随埋深分布的散点图,并根据各自的分布规律进行了相应的回归分析。
结果发现,三大类岩石的地应力分布规律存在差异,其主要与岩石地质成因相关。
三大类岩石的垂直应力总体上随埋深呈线性增大,量值接近各自上覆岩层自重;最大水平主应力随埋深均呈线性增大,相同埋深条件下,火成岩量值最大,变质岩次之,沉积岩最小;而沉积岩浅部最小水平应力大于岩浆岩;三大类岩石的水平差应力总体上随埋深也呈线性关系,相同埋深条件下,火成岩较大,而沉积岩较小;浅部岩浆岩平均水平主应力与垂直应力之比最大,而沉积岩较小。
岩体初始地应力场分析方法研究初始地应力场是影响岩土工程稳定性的重要因素之一,如何合理地模拟初始地应力场一直是岩体力学中的重要研究课题。
以国内某大型水利水电工程构筑区域实测空间地应力资料为基础,以边界位移为控制对象,采用有限元(无界元)方法对工程区大范围内的岩体初始地应力场进行了分析和研究。
尝试在实际边界上满足无穷远处位移为0的模型边界上引入了无界单元,实测点上的应力拟合结果有较明显的改善,这表明所采用的方法是切实可行和有效的。
岩体初始地应力场计算模型自动生成与快速反演对AutoCAD进行了面向对象二次开发,利用程序自动读取CAD地形图地面高程并快速生成反映地表起伏变化的三维有限元计算网格模型.采用三维非线性有限元反演回归分析计算方法,提出了三维应力侧压系数函数拟合法,通过三维有限元开挖模拟反演岩体初始地应力场.对蒲石河抽水蓄能电站地下厂房区域初始地应力场进行了反演回归分析,结果表明:实测点地应力拟合较好,该方法计算快速准确,较合理地反映了地形地貌对初始地应力场规律的影响.初始地应力与围岩时间效应性态参数粘弹性反演计算的边界单元法<正> 引言继续建立确定初始地应力和围岩参数的新方法,是目前岩石力学研究的课题之一。
本文研究这类课题的粘弹性问题,建立的方法除可得到在围岩中的初始地应力以外,还可得到弹性参数,以及描述杨氏模量随时间而变化的规律的参数。
为了描述岩体变形的时间效应,假设围岩的性态符合三单元粘弹性模型。
围岩破坏特征与地应力方向关系研究结合实际工程需要,建立片帮分级标准,在此基础上提出由片帮发育部位和发育程度推测主应力方向的相关方法;同时,结合室内试验、切片扫描等手段,深入研究片帮面上拉张裂纹的成因机制,给出由拉张裂纹延伸方向确定初始地应力方向的方法。
最后以我国西南一水电工程为例,基于坝址区片帮和拉张裂纹的调研结果,推测坝址区大主应力方向及其变化规律,对地应力测试工作形成有效补充,为后期工程设计提供支撑。
基于遗传算法的岩体初始应力场反演基于遗传算法,根据巷道开挖后变形收敛观测资料,建立了岩体初始应力场非线性反演方法,解决了传统线性化反演解的不唯一性问题和迭代发散问题 .根据不同观测仪器的分辨率和精度,建立了目标函数的权矩阵和迭代终止准则 .数值计算结果表明,所提出的非线性反演方法具有全局收敛特性和良好的抗观测噪音能力 .井眼应力分布模拟及井壁稳定性研究须家河组气藏地处四川盆地西部川西深坳陷,油气富集,且近期滚动勘探开发取得了重大进展,展现出良好的增储上产前景,是西南油气分公司勘探开发研究院未来几年开发上主攻阵地。
但是该地区地质条件复杂,地层温度高,属于深层异常高温、高压、低孔致密—超致密储层。
地层岩性差异明显,砂泥岩频繁互层,天然裂缝发育,前期实钻资料显示该区钻井过程中复杂事故频发,常出现漏、塌、涌、卡等异常情况,影响钻进效率。
同时针对储层非均质性强的特点,为提高裂缝钻遇率,该地区已经并正在进行水平井的试验开发,由于处于初期,井下复杂情况基本处于未知数,了解井壁失稳的影响因素,从而更好地掌握井壁稳定性技术,防止或预测井下复杂事故,是整个须家河组气藏勘探开发中非常重要的环节。
鉴于此,本文以川西须家河组气藏为例,以数学、地球物理科学、地质学、力学、建筑学等多学科知识为理论指导,以数值模拟技术、计算机技术为手段,综合利用地震勘探、油气地质、油气钻井、地球物理测井等资料,深入分析工区岩石力学参数特征的基础上,较系统深入地开展研究区域地应力场模拟、直井和水平井在完整井壁及非完整井壁情况下井壁应力分布特征模拟及井壁稳定性分析研究,取得的研究成果及认识如下: (1...塔河1区三叠系底水油藏精细地质建模及治水措施研究底水油藏是油田开发过程中难度较大的油藏类型之一。
该类油藏同国内外的常规油藏相比,在地质、油藏工程和开采特征等方面存在显著差异。
塔河1区三叠系下油组是典型的大底水小油顶的块状底水油藏,塔河1区三叠系下油组是长轴近SW-NE向的低幅背斜,沉积物源方向主要来自北东向,为一套辫状三角洲-滨浅湖沉积相。
储层岩性为灰、灰白色粗、中、细粒长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩,局部含砾,储层非均质性强,渗透率变化大,分布有隔夹层,开发过程中水体活跃,生产见水快。
本文从开发地质、储层地质模型、夹层的成因、类型、厚度和分布、断层的封堵性、油藏工程、目前开发方案的实施情况和治水措施等方面系统阐述了含夹层底水油藏的有效开发技术。
在研究中,充分吸收前人的研究成果和认识,应用最小二乘支持向量机原理与方法,对塔河1区三叠系下油组油藏物性参数进行测井二次解释,得到与实际相吻合的孔隙度和渗透率。
在此基础之上进行油藏地质建模,利用测井二次解释的物性参数以及隔夹层的展布,重点考虑底水对油藏的影响,建立起塔河1区三叠系下油组三维精细地质模型。
通过对单井隔夹层的识别,结合该地区沉积相特征,对整个区块的隔夹层分布进行评价,建立水侵地质模型,进行单井水侵...塔河油田2区三叠系油藏类型初步探讨塔河油田2区三叠系油藏是西北分公司开发较早的碎屑岩油藏之一,开发层系有上油组、中油组,油柱高度在15～20m,储层为辫状三角洲相辫状三角洲前缘亚相水下分流河道、河口坝、分流间湾微相沉积,非均质性严重。
本区上油组砂体厚度40～0m,中油组25～35m,分布较稳定,物性为中孔、中高渗储层,原油属低粘度轻质油。
但2区三叠系油藏实钻变化大,见水快、产量递减快、含水上升快、采出程度低,开发效果较差,经过多次调整虽有一定程度改善,仍存在一些问题。
本文认为2区三叠系油藏开发效果较差的原因之一是对本区油藏类型的认识上存在问题:即2区三叠系油藏是以断裂控制的断块油藏而非背斜油藏,并延伸分析正在投入开发评价的S96-T901井区、TK232-T453井区及T206-T208井区等都为断块(断背斜)油藏。
应用断块油藏的观点对塔河地区三叠系油藏勘探开发有重要指导意义。
塔河油田三叠系岩性圈闭识别与评价技术塔河油田近年在岩性油气藏勘探中取得了重大的突破,发现并落实了阿克亚苏2号上油组复合圈闭、塔河南中油组河道砂体岩性圈闭等,在其上部署的AT2、YT2等井都喜获工业油气流,展示了三叠系岩性油气藏领域的良好勘探前景。
在层序地层学和沉积微相研究的基础上,采用层序地层学方法、岩性体的岩石物理特征与模型正演技术、地震属性提取与综合分析、波形分析技术、全三维可视化地震解释、基于模式的地震反演技术、砂岩厚度预测技术和油气检测技术对塔河油田三叠系岩性圈闭进行了识别和评价。
岩土工程反分析方法研究现状与若干问题探讨详细回顾了岩土工程反分析方法的发展历史,介绍了研究现状与进展,在此基础上对当前反分析方法存在的问题进行了剖析与探讨,并进一步提出了解决问题的思路。
用测井资料计算地层应力系统总结了计算水平地层应力的多孔弹性水平应变模型法、双轴应变模型法、莫尔库仑应力模型法、一级压实模型、单轴应变经验关系模型、组合弹簧经验关系模型、葛氏地层应力经验关系模型和应力速度关系模型。
阐述了交叉偶极声波测井、地层倾角和微电阻率扫描双井径法确定水平主地应力方向的方法和应用时应注意的问题。
列举了在石油勘探开发中的应用,指出了今后努力的方向塔中奥陶系地层应力计算方法研究分析塔中工区奥陶系地层多口井的压裂施工资料,发现其压裂施工时记录的压力-时间曲线包含的地层应力信息能够真实地反映实际地层的地层应力大小,将该地层应力信息提取和分析后,较为准确地计算地层最小水平主应力;将该计算结果用于标定摩尔-库仑准则的地层应力测井计算结果,可确定摩尔-库仑准则的地层应力测井计算模型中内摩擦角参数,求得了塔中奥陶系地层岩石平均内摩擦角为21.25°。