06地应力测量及计算

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6.1 概述
通常认为原地应力状态产生的原因有二： 一是上覆岩层（overburden ）的重力； 二是由构造运动（ structural movement ）产生的构造应力
(tectonic stresses ) 。
假设构造运动不影响垂向原地应力，只产生水平方向的原 地应力分量 ，则原应力状态可描述为： 铅垂主应力（上覆岩层压力） 最大水平主应力
汇交的方式对断层周围的应力有较大影响，断层汇而不交的地区和端点附
近尤其是汇而不交的区域应力值较高，同时应力的大小及方向变化较大。
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6.2 地应力的成因及分布特点
3、断层有使最大水平地应力方向垂直于断层走向的趋
势。
根据统计，断层的存在可使应力场方向发生转向，并 有使最大水平地应力垂直于断层走向的趋势。这是由于断 层面上不能承受大的剪应力，地应力在断层走向上的分力 容易被释放，导致地应力与断层走向垂直。
是随时间演化的、非稳定应力场。 按时期，构造应力场可划分为古构造应力场和现今构造应力场。
就其研究范围而言，构造应力场又可分为局部构造应力场（某一构造
单元的应力分布规律）、区域构造应力场（某一地区的应力分布规律）及 全球构造应力场。
由于构造应力的作用，使得原地应力状态发生很大的变化，最大水平
地应力有可能超过上覆岩层压力。
H
u 1 ( v aP p ) ap p 1 u
u h 2 ( v aP p ) ap p 1 u
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6.1 概述
表6-1
分类 依据
地质 年代 分 类
地应力分类(据李志明，张金珠)
定 义
古地应力 现今地应力 重力应力
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6.2 地应力的成因及分布特点
二 ）断层对地应力的影响
断层的形成是地层在地应力作用下发生破裂和滑动的结果，在一定的 应力场作用下，所形成的断层类型是基本固定的。 假定：断层所在地点的主应力方向之一是垂直的；在断层形成之前， 岩石是完整的，产生断层的岩石破裂过程遵循库伦准则，则可以由断层类 型推断三向地应力的相对大小。 正 断 层：垂向应力是最大主应力 1 ，断层走向即为中等主应力 2 的方向。 逆 断 层：垂向应力是最小主应力 ，断层走向为中等主应力 3 2 的方向 走向滑动断层：垂向应力是中等主应力 2 ，断层走向与最大(水平) 主应力方向交角小于45°
析，可按行政区域划分，大致将我国分成三类地区：
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6.2 地应力的成因及分布特点
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较弱构造应力区：包括江苏、浙江、湖南、湖北、河南、贵州、 四川东部、黑龙江、吉林及内蒙古的大部分地区。 根据李方全的分析，我国华北地区，以太行山为界，东西两个区域 有较大的差别。太行山以东的华北平原及其周边地区，其主压应力轴方 向为近东西向，太行山以西的山西地堑区，其主压应力方向则发生了急 骤变化，表现为近南北向。 太行山以东的平原地区显然与太平洋板块向西俯冲有关，而太行山 以西的山西地堑区虽地处华北，但看来受印度板块向北运动和青藏隆起 的影响较大，可以说是东部与西部地区的过渡地带。
v ( z ) gdz
u H 1 v 1 u u h 2 v 1 u
最小水平主应力
其中， (z ) 为埋深为z处的岩石密度，g为重力加速度。
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6.1 概述
考虑孔隙压力的影响，原地应力状态表示为：
v ( z ) gdz
这一认识对于结合区域构造应力方向和断层发育情况
判断断块油气田内部最大水平地应力方向具有重要意义。
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6.2 地应力的成因及分布特点
三）地应力与地质构造形态之间的关系
高水平应力往往出现在区域平面图上的地壳隆升带；而在地
壳沉降区，水平应力一般小于垂直应力。
通常，最大水平地应力在背斜轴部较低，向翼部逐渐升高， 最大水平应力的变化是在背斜轴部较快，在翼部变化较为平缓。
尤其是东部油田按上覆岩层重量计算垂向应力，是可以普
遍接受的。随深度的增加,构造应力不断加大，水平应力差 增大，应力方向趋于一致。
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6.2 地应力的成因及分布特点
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6.2 地应力的成因及分布特点
2 、 三大类岩石中地应力的分布存在较大差异
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6.2 地应力的成因及分布特点
当然，仅对正在发生断裂或发生过微断裂的地区，滑移方向与主应力 方向才有这种简单的关系。 在统一的构造应力场作用下，引起平面上地应力方位变化的主要原因
是地层力学性质的非均匀性，其中断层的存在影响最大。
1 、平均来看，断层上的绝对应力值比外围地层低。 岩体断裂本质是一种能量耗散和应力重新分布的过程，水平主应力和 最大水平剪应力随离断层距离的增加而增加，断层上的绝对应力值比外围 地层低。 2 、断层周围产生应力集中，使断层附加应力分布发生较大改变。 每条断层不仅影响各自周围的应力分布，而且彼此还互相影响。断层
古地应力：古地应力指某一地质时期或某一重要地质事件以前的地应
力。 现今地应力：现今地应力是目前存在的或正在活动的地应力。分析构
造形迹形成机理主要涉及古地应力，而石油工程则主要关心现今地应力。
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6.1 概述
残余应力（residual stress ）：残余应力指除去外力作用以后，尚 残存在岩石中的应力。这种残余应力很小，往往只有零点几兆帕，所以常 忽略不计。 重力应力（gravity stress ）：指由于上覆岩层（overburden ）的 重量引起的地应力分量，特别指由于上覆岩层的重量产生的水平应力 （horizontal stress ）大小。 热应力：热应力是指由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增 量，热应力主要与温度的变化和岩石刚度和热学性质有关。
构造应力 成 因 原地 应力 热应力
扰动应力 垂向主应力 水平主应力
应力 方向
6.2 地应力的成因及分布特点
一）残余应力（residual stress ）
由于岩体的非均匀冷却，或者岩体虽然是均匀冷却的，但与其 相邻的岩石单元的热膨胀系数却不相同，于是在岩体内部就会产生 残余应力（residual stress ） 。 岩石介质中各种局部的矿物变化也会引起残余应力的产生。岩 体中的局部再结晶过程可能产生体积应变。矿物集合体含水量的变 化，也会产生应变（strain ）和残余应力。 要全面掌握岩层各组成部分的热力学历史和细微的地质进化过
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Hale Waihona Puke Baidu
6.2 地应力的成因及分布特点
太行山构造带，正是一条在其东西两侧深部地壳结构和组成上有显著差 别的构造分界。秦岭东西构造带以南的华南地区，其主压应力方向相当一致， 为北西西至北西向。地应力绝对值在我国东、西部是不同的。东部相对较小， 而西部相对较大。 油田断块处于板块内部，其应力场受到板块构造运动的控制，这种由
破碎后的应力状态可以由保持破裂面平衡条件的要求来确定， 它与断裂前的应力状态（stress state ）没有什么关系。即 从初始状态出发估计岩体周围应力状态是极其困难的。要成 功地确定原地应力状态就必须有一个确定局部应力张量的方
法。
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6.2 地应力的成因及分布特点
二、 地应力的分布规律
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地应力分布图
分层地应力：是指按地层分层分别给出不同层位的地应力值，非常重
要的是给出相邻地层的应力差。 地应力场：地应力在空间的分布情况。
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6.1 概述
二、地应力的分类
1971年加拿大第七届岩石力学讨论会上，对地应力从矿山应用的角度进行了分类
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6.1 概述
三、地应力的描述方法 由于岩石经历了漫长的地质时期，并经受了多次复杂的 构造运动（structural movement ），使得岩石的原地应 力状态变得十分复杂。 为满足工程需要，一般认为原地应力状态由上覆岩层压 力 （ overburden pressure ） 和 两 个 水 平 方 向 的 主 应 力 （principal stress ）组成。
6.2 地应力的成因及分布特点
地应力是在漫长的地质历史时期形成的，其影响因素较多，分布规 律比较复杂。在我国，依据已积累的资料，对油田地应力的分布规律有 以下认识。
一）地质构造对地应力的影响
1 、局部应力场与区域构造应力场的关系
中国大陆板块受到外部两个板块的推挤，即印度板块每年以5cm的速
度推挤和太平洋板块每年以数厘米的速度推挤，同时受到西伯利亚和菲 律宾板块的约束。在这样的边界条件下，板块发生变形。据陈宗基的分
程，在目前实际是不可能的，因此残余应力问题仍然构成一种制约
因素，使得基本力学原理或详尽的地质调查都无法对岩体中的应力 状态做出准确预报。
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6.2 地应力的成因及分布特点
二）构造应力(tectonic stresses )
多次复杂的地壳运动，使地下产生了极其复杂的不同形态、不同方位、
不同性质、不同等级以及不同次序的构造形迹，就是说构造应力场实质上
（oil and gas production ）等活动进行之前，地层中地应力的原始
大小。
研究的 目的意义
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6.1 概述
涉及到的一些重要概念：
扰动应力：指钻井、油气开采等活动在地层中产生的地应力改变。
构造应力(structural
stresses )：由构造运动在岩体中引起的应
力叫构造应力。在地质力学中常把构造应力叫做地应力，是指导致构造运 动、形成各种构造形迹的那部分应力。
而向斜的轴部（低点部位）则常常有较高应力。构造的陡带、倾
伏端、鞍部或鼻状构造，往往产生应力集中，应力主方向随构造 等高线的变化而发生扭转。
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6.2 地应力的成因及分布特点
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6.2 地应力的成因及分布特点
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6.2 地应力的成因及分布特点
1 、地应力随深度增大
在地层倾角不大的情况下，岩体中有一个主应力基本 上是垂直的，另外两个主应力是水平的。在倾斜地层中， 垂直主应力往往与垂直方向呈一夹角，但夹角大小一般不 超过30°。在沉积岩中垂向应力与上覆岩层重量近似相等，
泛指燕山运动以前的地应力，有时也特指某一地质时期以前的地应 力 目前存在或正在变化的地应力
指由于上覆岩层的重力引起的地应力分量，特别指由于上覆岩层的 重力所产生的应力
在构造地质学研究中，构造应力是指导构造运动、产生构造变形、 形成各种构造行迹的那部分应力；在油田应力场的研究中，构造应 力常指由于构造运动引起的地应力的增量。构造应力是导致水平方 向两个主应力不相等的根本原因 由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量，热应力主要与 温度的变化和岩石热学的性质有关 是指由于地表和地下加载或减载及开挖等，引起原地应力发生改变 所产生的应力。在油田应力场的研究中，是指钻井、油气开采、注 水、注气等在地层中产生的地应力增量 地壳中主要由重力应力构成、基本上呈垂直向的主应力 主要由地壳中岩石侧向应力和水平向构造应力构成，基本上呈水平 9 向的主应力
第6章 地应力测量及计算
6.1 概述 6.1 地应力的成因及分布特点
6.2 地应力的测量
6.3 地应力场的模拟计算
6.4 孔隙压力的变化对对地应力的影响
6.5 油田开发动态应力场的模拟方法
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6.1 概 述
一、基本概念
原地应力(in site stresses )：指钻井（drilling ）、油气开采
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6.2 地应力的成因及分布特点
构造应力的作用效果
高构造应力环境
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6.2 地应力的成因及分布特点
图6-3b
构造应力的作用效果
高构造应力环境
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6.2 地应力的成因及分布特点
三、裂隙组及不连续面 裂隙的存在影响着介质中应力的平衡状态，使得岩体的 应力分布变得更加复杂。
岩体断裂本质上是一种能量耗散与应力重新分布的过程。
区域构造运动产生和控制的应力场称之为区域构造应力场。区域构造运动具
有较强的方向性，并以产生水平附加应力为主，它使大范围的应力场的方向 趋于一致并增大两水平应力之间的差值。
构造运动越强烈，平面应力场的分布规律性越强，方向越稳定。同时，
局部地质构造可对区域构造应力场产生较大的改造作用，局部地质构造的作 用越强,局部应力场与区域应力场之间的差异越大，方向变化也越大。