石油工程岩石力学-地应力知识讲解
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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.
5、地应力
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
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
（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 Nhomakorabeah
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 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
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。
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。
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。
《岩石力学》 地应力及其测量
1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。
自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。
2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。
答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。
3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即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σℎ=σv=γH金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。
他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：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。
5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。
关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。
土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。
6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。
答：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惟一能够计算的应力场。
地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。
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。
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。
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
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
岩石力学课件第三章 地应力测量.ppt
11
岩石力学
二、地应力认识的历史
哈斯特地应力实测
20世纪50年代，哈斯特最先在斯堪的纳维 亚半岛开展了地应力测量工作。
哈斯特发现存在于地壳上部的最大水平主 应力一般为垂直应力的1～2倍，其至更多； 在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa， 从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和 以垂直应力为主的观点。
12
岩石力学
三、地应力的成因
(1)、大陆板块边界受压引起的应力场
13
岩石力学
三、地应力的成因
(2)、地成因
地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）
15
岩石力学
三、地应力的成因
(3)、由地心引力引起的应力场 (4)、地温梯度引起的应力场
16
岩石力学
三、地应力的成因
1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静
水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力
等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应
力)是泊松效应的结果，其值应为γH乘以
一个修正系数λ（侧压力系数）。他根据
弹性力学理论，认为：
1
v
H , h
H
1
H
9
岩石力学
二、地应力认识的历史
朗金假设
朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆
岩层的重量，而侧向应力(水平应力) 应为
γH乘以一个修正系数λ（侧压力系数）。
他根据松散介质理论，认为：
tg 2 ( )
42
v
H , h
H
tg2 (
4
)
2
H
10
岩石力学
二、地应力认识的历史
地质学家李四光
本世纪20年代，我国地质学家李四光指出， “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” 。
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：
地应力及井壁稳定机理讲课材料
V
H
h
来源 渤南井稳研究报告 王家祥 QHD32-6 研究报告 刘畅 刘建中 刘建中 刘建中 刘建中 根据破裂压力
2.1-2.2 2.32 1.96 2.23 2.10 2.10 2.10 2.10 2.25
1.8-2.2 2.92 2.19 2.35 2.59 2.97 2.59 2.74 2.10
v
H h
108°52′
278000
F2 中块3井区 F1
FA 中块4井区
F2A
20°50′ 20°49′
2305000 2304000 2303000
南
108°53′
280000
块
108°55′
282000 284000
0
0.5
1.0 km
最大水平主地应力方向N100E左右
108°54′ 108°56′
涠洲12－1－1井地层倾角测井数据统计表
井段（米） 1447 －1462 1462 －1486 1493 －1500 1560 －1567 1570 －1574 1585 －1675 1690 －1790 1947 －1950 1996 －2000 2285 －2295 2650 －2675 2805 －2890 一三臂井径 （in） 二四臂井径 （in） 井径差值（in ） 一号臂方位 （度） 12.3 12.3 12.3 12.3 12.3 12.3 12.2 14.5 16.5 17.5 14.8 14.2 14.5 13.8 14.2 14.1 14.1 15.2 14.8 12.3 12.3 12.3 12.3 12.3 2.3 1.5 1.9 1.8 1.8 2.9 2.6 2.2 4.3 5.2 2.5 1.9 230 －240 230 －250 240 －250 230 －235 230 －250 225 －235 220 －230 45 －55 50 －60 225 －235 220 －235 220 －240
H
h
来源 渤南井稳研究报告 王家祥 QHD32-6 研究报告 刘畅 刘建中 刘建中 刘建中 刘建中 根据破裂压力
2.1-2.2 2.32 1.96 2.23 2.10 2.10 2.10 2.10 2.25
1.8-2.2 2.92 2.19 2.35 2.59 2.97 2.59 2.74 2.10
v
H h
108°52′
278000
F2 中块3井区 F1
FA 中块4井区
F2A
20°50′ 20°49′
2305000 2304000 2303000
南
108°53′
280000
块
108°55′
282000 284000
0
0.5
1.0 km
最大水平主地应力方向N100E左右
108°54′ 108°56′
涠洲12－1－1井地层倾角测井数据统计表
井段（米） 1447 －1462 1462 －1486 1493 －1500 1560 －1567 1570 －1574 1585 －1675 1690 －1790 1947 －1950 1996 －2000 2285 －2295 2650 －2675 2805 －2890 一三臂井径 （in） 二四臂井径 （in） 井径差值（in ） 一号臂方位 （度） 12.3 12.3 12.3 12.3 12.3 12.3 12.2 14.5 16.5 17.5 14.8 14.2 14.5 13.8 14.2 14.1 14.1 15.2 14.8 12.3 12.3 12.3 12.3 12.3 2.3 1.5 1.9 1.8 1.8 2.9 2.6 2.2 4.3 5.2 2.5 1.9 230 －240 230 －250 240 －250 230 －235 230 －250 225 －235 220 －230 45 －55 50 －60 225 －235 220 －235 220 －240
岩石力学-地应力的测量
实测地点
斯勘的纳维亚等 地
统计数 目
51
h,min/h,max (%)
1.0~0.7 0.75~0.5 0.50~0.2 0.25~ 合
5
0
5
0计
14
67
13
6 100
北美
222
22
46
23
9 100
中国
25
12
56
24
8 100
中国华北地区
18
6
61
22
11 100
课堂习题
已知5000m深处某岩体侧压力系λ=0.8，泊 松比μ=0.25，在岩体被剥蚀2000m后，侧 压力系数为多少？
h v H
式中，为水平应力；为垂直应力；为上覆岩层容重；为深度。
3.1 概论
3.1.1 地应力测量的必要性
c 地应力分布理论：
金尼克假设：（弹性力学假设）
v H
h
H 1
式中， 为上覆岩层的柏松比。
3.1 概论
3.1.1 地应力测量的必要性
c 地应力分布理论： 李四光：在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情
b.一般地温梯度：
3 C
岩体的体膨胀系
/100m
数：
，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力
10-5
约为：
T zE 0.03105 104 zMPa 0.003zMPa
z--深度/m。 温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。
3.1 概论
况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力 分量。 哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的最大主应力几 乎处处是水平或接近水平的，从根本上动摇了地 应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。
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
4.1-2 岩石力学与工程 地应力及其测量
2014-4-21
15
6.力或应力引起的最常见的效应是产生应变和位移； 7.数据处理：它一般是一个由观测的应变到应力及分 析过程，最终获得原岩应力状态的结果。 8.直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力 量，如补偿应力、平衡应力，并由这些应力量和原 岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值； 9.间接测量法：不直接测量应力量，而是借助某些传 感器元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应 力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应 变、弹性波传播速度变化等，然后由测得的间接物 理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值；
4 地应力及其测量
4.1 地应力的基本概念
（1）定义
1.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； 2.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； 3.应力重分布 原岩应力 次生应力的转换过程；
V多为最小主应 力，少数为中间 主应力与最大主 应力
2014-4-21
9
2. 水平应力（ h）
岩体中天然应力常以水平应力为主，即h> v， 特别是 hmax> v ,据统计资料： h/v ≈0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地 区现代构造应力场的控制； 水平应力具有强烈的各向异性，即h1≠ h2 ， 我国华北hmin/ hmax≈0.2-0.8，华南hmin/ hmax≈0.3-0.75 。原 因a.岩体各向异性;b.构造 运动的方向性; 水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、 地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多 见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水 平应力为拉应力的现象。
岩石力学章专业知识讲座
一、现场测量：
对于现场测量措施，从测量措施旳原理来看，能够分为 截然不同旳两种措施:
A 采用钻孔来接近量测地点, 拟定钻孔壁旳应变或钻孔 其他变形;
B 在钻孔壁上旳特定位置测定环向正应力分量。
1 、应变测试措施 最常见旳一组措施是拟定钻孔壁旳应变或钻孔其他变形， 这些变形是因为套钻放置测量仪器旳那部分钻孔而产生旳。 假如在这个应力解除过程中测得了足够多旳应力和应变， 那么，利用弹性理论旳解法能够从实测数据直接求出场应力 张量旳六个应力分量。
2、应力测试措施
以压力枕量测和水力压裂为代表，在钻孔壁上旳特定位置 测定环向正应力分量。
在每个位置，法向应力分量经过施加在测槽上旳压力得到， 这个压力与作用在与测槽垂直方向上旳局部法向应力分量相平 衡。每个测量位置旳环向应力可能直接与测试现场在钻孔之前 旳应力状态有关。
3、水力压裂(hydraulic fracture )地应力测试措施 水力压裂法是目前最精确旳地应力测试措施(主要是指最小 水平主应力和地应力方向)，它旳成果往往作为检验其他措施精 度旳原则。 当井眼压力(borehole pressure)足够高时，井壁 (borehole wall)会劈开一条裂缝(crack)，这一过程称为水力 压裂(hydraulic fracture )。
分析水力压裂(hydraulic fracture )过程可取得许多地 层旳力学信息，尤其是地应力(in site stresses )旳大小与 方向。在利用油层压裂数据进行地应力分析时，能够用裂缝闭 合压力（crack closure pressure ）给出较为精确旳最小地 应力数据，并根据裂缝扩展（fracture propagation ）方位 拟定最大水平地应力方向。
二、残余应力（residual stress ）
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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
hmin = 3 HMAX
锐角
v = 2 HMAX = 1
几乎垂直的断层面
hmin
HMAX
伴生正断层
典型应力状态： HMAX = 1> v = 2 > Hmin = 3
逆掩断层与地应力
hinge points
high-p shale
v = 3 HMAX = 1
overthrust sheet highly fractured zone
45 度 45 度
发
射
信
号
数
凯塞尔效应点
单轴压缩应力
凯塞尔效应试验曲线示意图
凯塞尔效应试验取芯位置
试验步骤：
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
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；
石油工程岩石力学-地应力
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
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
水平最小大地应力 水平最大地应力
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→渗流应力 • 其它（地温、地球化学作用等）
大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致 裂法）。
三、天然应力的研究历史与研究意义
我国从50年代末开始天然应力量测
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
区块分布特征
3
主应力
1 > 2 > 3
2
1
1
2 3
a = 1 slip
max planes
planes
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
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 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。
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；
r = 3
r
三轴试验 应力状态
a
v H > h
h
z
H
原地应力
在石油工程中， 我们通常假设： v 为主应力之 一
Anderson理论——断层类型与主应力关系
正断层与地应力
v = 1
HMAX = 2
拉伸
hmin = 3
地垒－地堑结构
q 倾角 拉伸
典型应力状态： v = 1 >HMAX = 2>Hmin = 3
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis
60° cone
A Borehole in a Stress Field
Here, v = 2, HMAX = 1, hmin = 3,
and 1 > 2 > 3
Hole inclination parameters
y
Effective stresses:
1’ = 1 - p
2’ = 2 - p
3’ = 3 - p p = pore pressure
水平主应力的求取：
在沉积岩中，地应力的大小一般应用下述方法获得： 构造地质力学方法 水力压裂法 室内岩心试验法 建立在测井资料上的方法 地应力的方向一般用下述方法获得： 井壁崩落椭圆法 压裂井井下电视法
凯塞尔效应试验法测定地应力的原理
岩石在施加载荷后， 岩石内部产生微裂缝 而发出声波信号，当 岩石加载到曾受到的 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 岩石在井下时所受的 应力。
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
hmin = 3 HMAX
锐角
v = 2 HMAX = 1
几乎垂直的断层面
hmin
HMAX
伴生正断层
典型应力状态： HMAX = 1> v = 2 > Hmin = 3
逆掩断层与地应力
hinge points
high-p shale
v = 3 HMAX = 1
overthrust sheet highly fractured zone
45 度 45 度
发
射
信
号
数
凯塞尔效应点
单轴压缩应力
凯塞尔效应试验曲线示意图
凯塞尔效应试验取芯位置
试验步骤：
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
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；
石油工程岩石力学-地应力
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
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
水平最小大地应力 水平最大地应力
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→渗流应力 • 其它（地温、地球化学作用等）
大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致 裂法）。
三、天然应力的研究历史与研究意义
我国从50年代末开始天然应力量测
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
区块分布特征
3
主应力
1 > 2 > 3
2
1
1
2 3
a = 1 slip
max planes
planes
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
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 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。
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；
r = 3
r
三轴试验 应力状态
a
v H > h
h
z
H
原地应力
在石油工程中， 我们通常假设： v 为主应力之 一
Anderson理论——断层类型与主应力关系
正断层与地应力
v = 1
HMAX = 2
拉伸
hmin = 3
地垒－地堑结构
q 倾角 拉伸
典型应力状态： v = 1 >HMAX = 2>Hmin = 3
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis
60° cone
A Borehole in a Stress Field
Here, v = 2, HMAX = 1, hmin = 3,
and 1 > 2 > 3
Hole inclination parameters
y
Effective stresses:
1’ = 1 - p
2’ = 2 - p
3’ = 3 - p p = pore pressure
水平主应力的求取：
在沉积岩中，地应力的大小一般应用下述方法获得： 构造地质力学方法 水力压裂法 室内岩心试验法 建立在测井资料上的方法 地应力的方向一般用下述方法获得： 井壁崩落椭圆法 压裂井井下电视法
凯塞尔效应试验法测定地应力的原理
岩石在施加载荷后， 岩石内部产生微裂缝 而发出声波信号，当 岩石加载到曾受到的 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 岩石在井下时所受的 应力。