石油工程岩石力学地应力
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第一节 概 述
一、天然应力的概念
1.天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩 体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体 初始应力，有时也称为地应力。
2.重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内 岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体 应力称为重布应力或二次应力。
第一节 概 述
++++++
++++++
++++++
天然应力
∧
→
←
↓↑
重分布应力
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）
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。
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
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
倾角 拉伸
典型应力状态： v = 1 >HMAX = 2>Hmin = 3
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
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；
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
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
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis
60° cone
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
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；
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。
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
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
一、天然应力的概念
1.天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩 体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体 初始应力，有时也称为地应力。
2.重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内 岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体 应力称为重布应力或二次应力。
第一节 概 述
++++++
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++++++
天然应力
∧
→
←
↓↑
重分布应力
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）
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。
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
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
倾角 拉伸
典型应力状态： v = 1 >HMAX = 2>Hmin = 3
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
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；
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
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
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis
60° cone
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
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；
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。
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
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