第1章构造应力场
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地震预报、 油田压裂和井壁稳定性评价
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（二）应力场研究概况 1．40年代为提出和创立阶段：
我国由李四光教授40年代首先提出，从区域构造 形迹的成因出发，提出了用构造形迹反推构造应力 场的地质分析方法。
苏联格佐夫斯基也提出了研究构造应力场，并提 出用赤平投影求解主应力轴产状的方法。 2．50－60年代为地质方法分析阶段
g
z
−
αE 1−υ
(T
−T
0)
−
p
式中，Δx、Δy、Δz分别是三个方向的有效应力；ρ是上覆 地层密度；g是重力加速度；T和T分别是地表和地下z深度的 温度；P是流体压力；E、υ和α分别是岩石的弹性模量、泊 松比和热膨胀系数；e和e分别是x和y方向上的应变。地壳的应 力状态可以通过减少重力、增加构造作用、温度和流体压力 等力源来改变。
2．差应力值从构造活动强烈的板块边缘向内部明 显减弱。
3．现今地应力的主应力为压应力，一个主应力基本 垂直，另外两个主应力基本水平。
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4．垂直应力随深度呈线性增加，垂直应力和水平 应力大小关系存在一个临界深度，在这个深度以 下，水平应力不再大于垂直应力。
研究范围：涉及板块、大陆、大洋等地区，尤其是 地壳上部区域，探讨现今地应力和古应力状态，研 究岩石圈动力学（包括大陆动力学及盆地动力学）。
研究技术与手段：现今应力测量和古构造应力场方 向、大小的研究技术方法和手段越来越多，日趋先 进，使应力场研究由定性推向半定量化阶段。
古构造应力场研究处于地表二维半定量水平。研究 领域多集中在活动动构造带、地块边缘。
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二、应力场的主要研究内容
应力场的定时、定向和定量 定时：分期、存在的时代 定向：三个主应力方向 定量：三个主应力大小
应力场的分布规律与地应力剖面 应力场在油气勘探和找矿中的应用 地应力在油气田开发和地质工程中的应用
大 港 油 田 （ 0-4000m ） ： σv =0.021H ； σH =0.7+0.023H；σh =0.5+0.018H 5．全球5700个现今地应力测量结果反映，板块内 绝大部分地区为压缩变形状态，最大水平主应力大 于另一水平主应力或垂直应力；只在局部地区（大 洋高部位）处于拉张应力状态，垂直应力大于水平 应力。
4．国家973项目《中国典型叠合盆地油气形成富集 与分布预测》课题《中国典型叠合盆地应力场分析 与构造变形三维解析》
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应力场的主要研究进展
1．构造应力主要集中在岩石圈内。在岩石圈（尤 其是上地壳），差应力达100-200MPa；在地下5060km处，在大陆裂谷带降至8MPa，在大陆拉张带 从45MPa降至5MPa；在地下100-200km处，差应力 降至15-5MPa，而围压达到2700-5500 MPa，差应力 可忽略。差应力在岩石圈之下急剧变小，非渐变。
学时 3 2 5 3 9 5 2 32
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第一章 概 论
一、应力场的基本概念 二、应力场的主要研究内容 三、应力场的主要研究方法 四、应力场的研究现状与主要进展 五、应力场的研究意义 六、储层裂缝的相关概念 七、储层裂缝研究的内容与方法 八、储层裂缝的研究意义
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几个基本概念
1、应力（Stress）：单位面积上的内力 2、地应力（In-Situ Stress）：地壳中的应力总称为 地应力，由地壳中的构造运动力及其它因素的力而 引起岩石内部单位面积上的作用力。
构造应力（Tectonic Stress）：∆σ=σ1-σ3 静岩应力(重力） 热应力 孔隙流体压力
6.应力积累 (构造稳定期) 时间为几千万年(n×107a) 至上亿年,应力释放 (构造活动期、变形期、岩浆活 动和变质作用期)时间一般小于应力积累时间的1/10 （即nMa）。
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90年代初国家地震局在渤海湾地区开展现今地 应力场实测和综合研究，并将结果开始应用于油 田开发方案部署中；
2．八五期间总公司开展《储层裂缝识别与定量预 测技术》储备技术研究；
九五期间在《中国油气成藏模式定量研究》项 目中，提出从三场（应力场、渗流场、温度场） 研究油气运移与聚集分布；
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应力场分析与裂缝预测
课程编号：011056 课程性质：学位课
学分：2.0
学时：32
适应专业：构造地质学、地质工程、
矿产普查与勘探、油气田开发工程
主讲教师：曾联波 教授
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课程内容 第一章 概 论 第二章 现今地应力测量技术 第三章 古构造应力场分析 第四章 应力场在油气勘探中的应用 第五章 储层裂缝及其预测 第六章 地应力与裂缝在油气田开发中的应用 讨论 合计
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三、应力场的主要研究方法 现场应力实测方法（现今应力） 古构造分析法（节理、断层、褶皱和其
它中小型构造等） 显微与超显微组构分析法（如石英、方
解石等矿物的光轴方位等） 实验方法（如岩石声发射） 数值分析方法 物理模拟方法（如光弹模拟） 数值模拟方法（如有限元模拟）
盆地内部古构造应力场研究较少，尤其是盆地内部 三维空间古构造应力场研究几乎空白。
研究时代：新生代应力场研究比较详细，中生代以 前古应力场几乎还是空白
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（三）地应力在油田中的应用概况
1．七五期间在大庆油田针对套管变形和断裂现象 开展井壁稳定性评价；
4．80年代以来为构造应力场定量研究和在矿产、 油气勘探中广泛应用阶段：
80年代以来，随着计算机技术、物理模拟技术和 数值方法的发展，促进了构造应力场物理模拟和数 值模拟开展，使应力场达到定量化，应力分析结果 更接近于复杂的地质情况。
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3．1994-1997年开展《地应力测量技术及其在油田 勘探开发中的应用》全国性攻关研究：
（1）多种地应力测量、计算、模拟、解释技术方 法（地震局、地质力学所、北大）；
（2）储层裂缝延伸方位、密度测量技术与方法 （石油大学）；
（3）地应力场演化与油气运移、聚集（石油大学、 地震局、地质力学所）；
（4）地应力与油田开发（辽河、北京院、廊坊分 院、石油大学、大庆石油学院、胜利）。
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理论性学科
流体力学 弹性力学 断裂力学 热力学 数学
技术性学科
计算机技术 数值模拟技术 物理模拟技术 最优化方法
基础性学科
构造地质学 地下水动力学 水文地质学 渗流力学 土力学 地质力学 岩石力学
构造流体动力学
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6、应力状态：地壳中某一瞬间某一点三个主应力 的方向和大小
σv >σH >σh （深部） σH >σh >σv （浅部） σH >σv >σh （中部） 7、应力场：某一时间在一个空间范围内应力的分布。 应力场在空间是势场，在时间上是不稳定场，在类 型上是变形应力场。 8、古应力场和现今应力场 （中更新世，0.7Ma） 燕山运动以来
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五、应力场的研究意义 理论意义：探讨岩石圈构造动力学机制 预测地下构造的分布规律 构造流体动力学 （Structure Fluid Dynamics) 实际意义：地质工程稳定性评价、地震预报、
矿山设计、找矿（水）探矿、石油勘探与开发、钻 井工程稳定性评价等
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3、有效应力：岩石骨架承受的应力 σ=S-P
4、原地应力（初始应力和固有应力）： 扰动应力：人工活动或构造（断层）活动引
起原地应力发生改变所产生的应力。 残余应力：指去掉外力作用以后，尚残存于
岩石中的应力，一般可以忽略不计。 5、垂直应力和水平应力
提出了运用节理、断层和褶轴等构造变形形迹， 恢复构造应力场的地质方法。
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3．70年代为显微分析大发展阶段：
70年代，随着显微测试技术的发展，提出了许多 构造应力场研究的显微技术方法，使构造应力场的 研究逐渐深入半定量阶段。
地震预报学 石油地质学 环境地质学
工程地质学 找矿学
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应力场在油气勘探与开发中的作用： 1.控制含油气盆地的建造与改造(包括盆地及构
造的形成演化、有利的生储盖组合与沉积相带分 布、保存条件等)；
2．影响油气的运移和聚集； 3．影响断层与裂缝的开闭史； 4．控制裂缝性储层的分布规律； 5．影响低渗透油藏的渗透率各向异性（渗流 规律）与井网部署； 6．影响钻采工艺（压裂、注水、提高采收率、 水平井设计、套管设计、井壁稳定性等方面）。
7．关于应力起源： 过去：地球膨胀假说、地球自转速度变化假说；
近年：地幔对流（传送带模式）、板块边界作用力 （俯冲带上的负浮力，可达1000 MPa左右，地幔对 流牵引力约3 MPa，洋脊的推力小于30 MPa）、地 形起伏的负载作用（对现今应力影响明显）、天体 因素（陨石撞击）等。
8．近20年对现应力场研究取得了全球性的成果，根 据震源机制、水压致裂和井径崩落等大量资料，确 定了全球各板块现今应力场的主应力方向和大小。 在部分地区对中新生代应力场进行了定性和半定量 研究。至于更老的应力场研究，目前几乎处于空白 状态，尚处于探索阶段。
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地壳中岩石的应力状态表示为：
∆x
=
1
υ −υ
ρ
g
z
+
1
E −υ
2
(e x
+υ
e
y)
−
αE 1−υ
(T
−
T
0)
−
p
∆y
=
1
υ −υ
ρ
g
z
+
E 1−υ
2
(e
y
+υ
பைடு நூலகம்
e x)
−
αE 1−υ
(T
−
T
0)
−
p
∆z = ρ
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四、应力场的研究历史与现状
（一）现今地应力研究概况（工程和岩石力学） 1．20-30年代为提出和创立阶段： 1912年瑞士Ham提出地应力概念（相当于静岩应力）； 1932年美国首次用解除法在鲍尔德水坝建设中大胆实测。 2．50-70年代为各测试方法发展阶段（目前近20种方法）： 1964年南非Leeman提出井径崩落法； 1977年美国Haimson提出水力压裂法； 70年代Shlumberge测井公司提出测井解释方法； 3．80年代中期以来为广泛应用阶段： 矿山设计（甘肃金川金矿）、水坝、电站（二滩、三峡）、
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（二）应力场研究概况 1．40年代为提出和创立阶段：
我国由李四光教授40年代首先提出，从区域构造 形迹的成因出发，提出了用构造形迹反推构造应力 场的地质分析方法。
苏联格佐夫斯基也提出了研究构造应力场，并提 出用赤平投影求解主应力轴产状的方法。 2．50－60年代为地质方法分析阶段
g
z
−
αE 1−υ
(T
−T
0)
−
p
式中，Δx、Δy、Δz分别是三个方向的有效应力；ρ是上覆 地层密度；g是重力加速度；T和T分别是地表和地下z深度的 温度；P是流体压力；E、υ和α分别是岩石的弹性模量、泊 松比和热膨胀系数；e和e分别是x和y方向上的应变。地壳的应 力状态可以通过减少重力、增加构造作用、温度和流体压力 等力源来改变。
2．差应力值从构造活动强烈的板块边缘向内部明 显减弱。
3．现今地应力的主应力为压应力，一个主应力基本 垂直，另外两个主应力基本水平。
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4．垂直应力随深度呈线性增加，垂直应力和水平 应力大小关系存在一个临界深度，在这个深度以 下，水平应力不再大于垂直应力。
研究范围：涉及板块、大陆、大洋等地区，尤其是 地壳上部区域，探讨现今地应力和古应力状态，研 究岩石圈动力学（包括大陆动力学及盆地动力学）。
研究技术与手段：现今应力测量和古构造应力场方 向、大小的研究技术方法和手段越来越多，日趋先 进，使应力场研究由定性推向半定量化阶段。
古构造应力场研究处于地表二维半定量水平。研究 领域多集中在活动动构造带、地块边缘。
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二、应力场的主要研究内容
应力场的定时、定向和定量 定时：分期、存在的时代 定向：三个主应力方向 定量：三个主应力大小
应力场的分布规律与地应力剖面 应力场在油气勘探和找矿中的应用 地应力在油气田开发和地质工程中的应用
大 港 油 田 （ 0-4000m ） ： σv =0.021H ； σH =0.7+0.023H；σh =0.5+0.018H 5．全球5700个现今地应力测量结果反映，板块内 绝大部分地区为压缩变形状态，最大水平主应力大 于另一水平主应力或垂直应力；只在局部地区（大 洋高部位）处于拉张应力状态，垂直应力大于水平 应力。
4．国家973项目《中国典型叠合盆地油气形成富集 与分布预测》课题《中国典型叠合盆地应力场分析 与构造变形三维解析》
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应力场的主要研究进展
1．构造应力主要集中在岩石圈内。在岩石圈（尤 其是上地壳），差应力达100-200MPa；在地下5060km处，在大陆裂谷带降至8MPa，在大陆拉张带 从45MPa降至5MPa；在地下100-200km处，差应力 降至15-5MPa，而围压达到2700-5500 MPa，差应力 可忽略。差应力在岩石圈之下急剧变小，非渐变。
学时 3 2 5 3 9 5 2 32
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第一章 概 论
一、应力场的基本概念 二、应力场的主要研究内容 三、应力场的主要研究方法 四、应力场的研究现状与主要进展 五、应力场的研究意义 六、储层裂缝的相关概念 七、储层裂缝研究的内容与方法 八、储层裂缝的研究意义
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几个基本概念
1、应力（Stress）：单位面积上的内力 2、地应力（In-Situ Stress）：地壳中的应力总称为 地应力，由地壳中的构造运动力及其它因素的力而 引起岩石内部单位面积上的作用力。
构造应力（Tectonic Stress）：∆σ=σ1-σ3 静岩应力(重力） 热应力 孔隙流体压力
6.应力积累 (构造稳定期) 时间为几千万年(n×107a) 至上亿年,应力释放 (构造活动期、变形期、岩浆活 动和变质作用期)时间一般小于应力积累时间的1/10 （即nMa）。
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90年代初国家地震局在渤海湾地区开展现今地 应力场实测和综合研究，并将结果开始应用于油 田开发方案部署中；
2．八五期间总公司开展《储层裂缝识别与定量预 测技术》储备技术研究；
九五期间在《中国油气成藏模式定量研究》项 目中，提出从三场（应力场、渗流场、温度场） 研究油气运移与聚集分布；
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应力场分析与裂缝预测
课程编号：011056 课程性质：学位课
学分：2.0
学时：32
适应专业：构造地质学、地质工程、
矿产普查与勘探、油气田开发工程
主讲教师：曾联波 教授
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课程内容 第一章 概 论 第二章 现今地应力测量技术 第三章 古构造应力场分析 第四章 应力场在油气勘探中的应用 第五章 储层裂缝及其预测 第六章 地应力与裂缝在油气田开发中的应用 讨论 合计
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三、应力场的主要研究方法 现场应力实测方法（现今应力） 古构造分析法（节理、断层、褶皱和其
它中小型构造等） 显微与超显微组构分析法（如石英、方
解石等矿物的光轴方位等） 实验方法（如岩石声发射） 数值分析方法 物理模拟方法（如光弹模拟） 数值模拟方法（如有限元模拟）
盆地内部古构造应力场研究较少，尤其是盆地内部 三维空间古构造应力场研究几乎空白。
研究时代：新生代应力场研究比较详细，中生代以 前古应力场几乎还是空白
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（三）地应力在油田中的应用概况
1．七五期间在大庆油田针对套管变形和断裂现象 开展井壁稳定性评价；
4．80年代以来为构造应力场定量研究和在矿产、 油气勘探中广泛应用阶段：
80年代以来，随着计算机技术、物理模拟技术和 数值方法的发展，促进了构造应力场物理模拟和数 值模拟开展，使应力场达到定量化，应力分析结果 更接近于复杂的地质情况。
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3．1994-1997年开展《地应力测量技术及其在油田 勘探开发中的应用》全国性攻关研究：
（1）多种地应力测量、计算、模拟、解释技术方 法（地震局、地质力学所、北大）；
（2）储层裂缝延伸方位、密度测量技术与方法 （石油大学）；
（3）地应力场演化与油气运移、聚集（石油大学、 地震局、地质力学所）；
（4）地应力与油田开发（辽河、北京院、廊坊分 院、石油大学、大庆石油学院、胜利）。
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理论性学科
流体力学 弹性力学 断裂力学 热力学 数学
技术性学科
计算机技术 数值模拟技术 物理模拟技术 最优化方法
基础性学科
构造地质学 地下水动力学 水文地质学 渗流力学 土力学 地质力学 岩石力学
构造流体动力学
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6、应力状态：地壳中某一瞬间某一点三个主应力 的方向和大小
σv >σH >σh （深部） σH >σh >σv （浅部） σH >σv >σh （中部） 7、应力场：某一时间在一个空间范围内应力的分布。 应力场在空间是势场，在时间上是不稳定场，在类 型上是变形应力场。 8、古应力场和现今应力场 （中更新世，0.7Ma） 燕山运动以来
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五、应力场的研究意义 理论意义：探讨岩石圈构造动力学机制 预测地下构造的分布规律 构造流体动力学 （Structure Fluid Dynamics) 实际意义：地质工程稳定性评价、地震预报、
矿山设计、找矿（水）探矿、石油勘探与开发、钻 井工程稳定性评价等
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3、有效应力：岩石骨架承受的应力 σ=S-P
4、原地应力（初始应力和固有应力）： 扰动应力：人工活动或构造（断层）活动引
起原地应力发生改变所产生的应力。 残余应力：指去掉外力作用以后，尚残存于
岩石中的应力，一般可以忽略不计。 5、垂直应力和水平应力
提出了运用节理、断层和褶轴等构造变形形迹， 恢复构造应力场的地质方法。
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3．70年代为显微分析大发展阶段：
70年代，随着显微测试技术的发展，提出了许多 构造应力场研究的显微技术方法，使构造应力场的 研究逐渐深入半定量阶段。
地震预报学 石油地质学 环境地质学
工程地质学 找矿学
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应力场在油气勘探与开发中的作用： 1.控制含油气盆地的建造与改造(包括盆地及构
造的形成演化、有利的生储盖组合与沉积相带分 布、保存条件等)；
2．影响油气的运移和聚集； 3．影响断层与裂缝的开闭史； 4．控制裂缝性储层的分布规律； 5．影响低渗透油藏的渗透率各向异性（渗流 规律）与井网部署； 6．影响钻采工艺（压裂、注水、提高采收率、 水平井设计、套管设计、井壁稳定性等方面）。
7．关于应力起源： 过去：地球膨胀假说、地球自转速度变化假说；
近年：地幔对流（传送带模式）、板块边界作用力 （俯冲带上的负浮力，可达1000 MPa左右，地幔对 流牵引力约3 MPa，洋脊的推力小于30 MPa）、地 形起伏的负载作用（对现今应力影响明显）、天体 因素（陨石撞击）等。
8．近20年对现应力场研究取得了全球性的成果，根 据震源机制、水压致裂和井径崩落等大量资料，确 定了全球各板块现今应力场的主应力方向和大小。 在部分地区对中新生代应力场进行了定性和半定量 研究。至于更老的应力场研究，目前几乎处于空白 状态，尚处于探索阶段。
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地壳中岩石的应力状态表示为：
∆x
=
1
υ −υ
ρ
g
z
+
1
E −υ
2
(e x
+υ
e
y)
−
αE 1−υ
(T
−
T
0)
−
p
∆y
=
1
υ −υ
ρ
g
z
+
E 1−υ
2
(e
y
+υ
பைடு நூலகம்
e x)
−
αE 1−υ
(T
−
T
0)
−
p
∆z = ρ
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四、应力场的研究历史与现状
（一）现今地应力研究概况（工程和岩石力学） 1．20-30年代为提出和创立阶段： 1912年瑞士Ham提出地应力概念（相当于静岩应力）； 1932年美国首次用解除法在鲍尔德水坝建设中大胆实测。 2．50-70年代为各测试方法发展阶段（目前近20种方法）： 1964年南非Leeman提出井径崩落法； 1977年美国Haimson提出水力压裂法； 70年代Shlumberge测井公司提出测井解释方法； 3．80年代中期以来为广泛应用阶段： 矿山设计（甘肃金川金矿）、水坝、电站（二滩、三峡）、