第五章地应力分析
第五章地应力分析
W
Ⅲ 3
T
剖面位置示意图
6
B5
5
T′
2308000
2308000
2307000 20°51′
20°51′ 2307000
278000 108°52′
涠洲12-1油田区块划分位置图
280000 108°53′
108°54′
282000
108°55′
284000
10地应力
裂缝闭合点（B点）确定方法： 利用裂缝闭合前后压力降低速度不同来确 定。主要确定方法为：作出曲线的切线， 其交点即为裂缝的开始闭合点。此外还 有其它方法。
如：（1）最大曲率点法 （2）P---Log（t）图 （3）Log（P）----Log（t）图
声发射数
凯塞尔效应法测定地应力的原理图
凯塞尔效应点
压应力
凯塞尔效应测定地应力取芯方法
45 度 45 度
岩样尺寸 2550 mm
试验装置及试验步骤
微机
Locan AT 声发射仪
声发射探头
MTS 伺服 增压器
压力 排量 伺服控制
MTS 控制器
供液 反馈
MTS 液压源
海拔（m）
-2100
F10
-2200 -2300 -2400 -2500 -2600 -2700 -2800 -2900 -3000 -3100
Φ508mm ×150 m
Φ339.73mm ×1650m
Φ244.48mm ×3180m
Φ140mm ×3500m
N2d：582 N1t:1182 N1s:1612
E2-3a:3127 E1-2z:3500
-
2 管理上 0 0 3 1 技术上 5 0
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。
地应力_精品文档
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。
第五章地应力资料重点
NNW
图 水层
涠洲12-1油田北块6井~B5井油藏剖面图
6井
B5井
F5
F81
W
Ⅳ 2
12mm 日产油:175m3 日产气:3039m3
W
Ⅴ 2
19mm
日产油:675m3
F3
日产气:52722m3
10mm 日产油:211m3 日产气:28187m3
WⅥ
F4
W2Ⅵ W3Ⅲ
F11
Φ508mm ×150 m
Φ339.73mm ×1650m
Φ244.48mm ×3180m
Φ140mm ×3500m
N2d：582 N1t:1182 N1s:1612
E2-3a:3127 E1-2z:3500
-
2 管理上 0 0 3 1 技术上 5 0
全日制日费监督制
旋转导向垂直钻 井 – PowerV
E2-3a:2858m E1-2z:3484m
倾角:1700-1820m，60° 倾角:1820-1980m,50-55°
倾角:1980-2240m,50° 倾角:2240-2390m,40° 倾角:2390m以下,30-40°
中完位置2442m
N2d:200m N1t:720m N1s:1398m E2-3a:2837m E1-2z:3876m K2d:4200m
地应力测量技术及分布规律
有关地应力的内容
地应力的概念 地应力的来源 地应力的测量方法 地应力区域分布规律的数值模拟 地应力纵向分布规律
地应力的概念:
地应力：地下某深度处岩石受到的周围岩体对它的 挤压力。
一般在深度H处和岩体所受到的地应力可用三个主地 应力来表示，一个为垂直向主地应力；另二个为相 互垂直的二个水平主地应力。大多数情况下三个主 地应力值是不相等的。
第5章-地应力及岩石强度
C p H
t ma (1 e
C p H
)
利用该式，作出埋深 与声波时差的交会图，建 立正常压实趋势线，进而 利用等效深度法预测地层 压力。
H (lnto lnt L ) / C p
四、地层孔隙压力预测
2、利用等效深度法预测异常地层压力
地应力和岩石强度
地应力是指存在于地壳岩体中的内应力。它是由 地壳内部垂直运动和水平运动的力及其它因素的 力引起的介质内部单位面积上的作用力。 垂向应力 最大水平主应力 最小水平主应力
v
H1
H2
由于岩石的变形和破坏取决于其所受到的有 效应力的大小，因此，常常也把地层孔隙压力作 为地应力的一个重要组成部分。
原地最大水平主应力方向，因此，通过对这两 种类型裂缝的研究可以确定地应力的方向。
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
2、利用钻井诱导缝确定地应力方向
与天然裂缝相比，与应力相关的钻井诱导缝在成像图上具 有如下显著特点： （ 1 ）呈 180 。 对称出现，天然裂缝根据产状不同，在成像图上 的表现特征不同，但出现方位不对称是天然裂缝最显著的特点。 垂直的天然裂缝通常单个出现，而斜切井眼的天然裂缝在图像 上一般为完整的正弦线，随裂缝倾角降低，正弦线逐渐变得平 缓; （2）开度较稳定，缝面较平直；天然裂缝的开度不稳定，缝宽 变化较大； （3）重泥浆压裂缝能够直接切穿不同岩石，在砾石层中可以直 接切穿砾石；天然开启缝一般则绕砾石而过。 （4）诱导缝的延伸都不大，深侧向电阻率值下降不很明显。
四、地层孔隙压力预测
1、异常压力地层的测井显示特征
异常高压地层：孔隙流体压力比正常压力高，使得颗粒间有效 应力减小，地层的孔隙度将增大，密度、电阻率、自然伽马射 线强度减小，而中子孔隙度、声波时差则增大； 异常低压地层：孔隙度、中子孔隙度、声波时差减小，而密度、
51岩体中的地应力19页PPT
要点：
1、安置三个应变计，读初始读数
槽
2、挖槽，应力被解除，应变计有变化
3、扁千斤顶装于槽中加压，直到应变
岩
计恢复，
应
体
变
片
4、这时扁千斤顶的压力为槽壁上原
有的应力
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。— —裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
地壳浅部（3000m以内）地应力的变化规律：
（一）属不稳定应力场，是时间和空间的函数 1、地应力场是三向不等压的空间应力场。 2、三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的。
（二）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量
v H
世界各国垂直应力σv与随深度H的变化规律图
v H
该图是霍克（E.Hoek）和布朗（E.T.Brown）总结出的
H
H为深度，单位为m
二、自重应力与海姆假说
（一）自重应力
假定岩体为均匀、连续且各向同性 的弹性体，将岩体视为半无限体， 则岩体中某点的自重应力为：
z z
因岩体视为各向同性的弹性体，由于岩体单元在各个方向都 受到与其相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即：
x y 0
考虑广义虎克定律，则有：
x E1x (y z) 0 y E1y (z x) 0
5.2 洞室周边应力分布规律
5.1 岩体中的地应力及量测方法
自重应力
天然应力（初 始应力）
构造应力
岩
体
地震应力
中
的
地应力测试方法分析
地应力主要测试方法总结摘要：本文总结了目前使用较为广泛的26种地应力测试，并对这些方法的基本原理做了简要介绍。
这26种方法按照数据源途径可以分为5大类，分别为基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理学方法以及基于地下空间的方法。
最后文章对这些方法进行了的优缺点和适用范围进行了分析对比。
蓄存在岩体内部未受到扰动的应力称之为地应力，地应力可以分为两类，原地应力和诱发应力，而原地应力主要来自五个方面:岩体自重、地质构造活动、万有引力、封闭应力和外部荷载。
地应力具有多来源性且受到多种因素的影响，因此地壳岩体地应力分布复杂多变。
从海姆假说认为“岩体中赋存的应力近似为静水压力状态，且等于上覆岩体自重”到金尼克假说认为“垂直应力等于上覆岩体自重，水平应力等于岩体泊松效应产生的应力”，人们对岩体应力的认识逐步提高，并利用实测数据否定了以上两种假说。
社会发展的需求直接催生了大量地应力测试和估算方法，而这些方法的发展又进一步促进了人类社会的基础设施建设、资源和能源开发。
随着人类对能源和矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部矿产资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开发状态，而深部开采中遇到的“三高”问题(高地应力、高地温、高水压) 将成为深部开采岩体力学研究中的焦点和难点问题。
准确确定深部开发空间区域的原地应力状态是解决以上难题的必要途径之一，这就需要进行地应力测试方法和技术的研究。
从地应力概念提出至今，各国科学家提出了数十种地应力测试方法，将其按照数据来源进行归类，大概可以分为五大类:基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理方法( 或地震学方法)、基于地下空间的方法。
下面将对各种方法的测试原理和方法发展的脉络作一些简要介绍，表1包括了目前认可程度和使用范围较广的各种方法.表1 原地应力测试和估算方法汇总1 基于岩心的方法1.1 非弹性应变恢复法非弹性应变恢复法(ASR)是通过测量现场从井孔取得的定向岩芯与时间相关的应变松弛变形来反演原地应力场方向和量值的一种方法。
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。
第5章 地应力及其测量
四、研究原岩应力的意义 在岩体内或在岩基上修造建筑物时，由于施工开挖，改变 了岩体的边界条件，从而引起岩体应力的重分布，形成新 的应力状态，这会产生岩体的变形或破坏。在岩体应力重 分布的新情况下，再加上建筑物的各种荷载（如自重、水 压力等），岩体内各质点的应力必然会随之而发生变化， 这会导致新的破坏因素的出现。因此在工程实践中，进行 岩体工程稳定性分析时，原岩应力是必需的基本资料。 原岩应力是客观存在的，问题在于工程设计中如何正确地 认识它、适应它、甚至利用它，从而使工程达到既安全又 经济的效果。
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。当地幔深处的上升流到达地幔顶部时，就 分为二股方向相反的平流，经一定流程直到与另一对流圈 的反向平流相遇，一起转为下降流，回到地球深处，形成 一个封闭的循环体系 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，它是一个有 拉伸特点的带状区 我国从西昌、攀枝花到昆明的裂谷正位于这一地区，该裂 谷区有一个以西藏中部为中心的上升流的大对流环。在华 北—山西地堑有一个下降流，由于地幔物质的下降，引起 很大的水平挤压应力
坚硬完整的岩体，如果天然应力很高，聚集着大量的能量。在地下 洞室开挖过程中，围岩应力较大的部位被挤压到超过岩石的弹性限 度，积聚的能量会突然释放出来，先是撕裂声，随即就是爆炸声， 石片飞散，体积大者就地坠落，体积小者，则弹射出来，这就是岩 爆现象。强大的原岩应力是构成岩爆现象的决定性因素，因此，埋 深较大的地下洞室，在设计和施工中应慎重对待，并采取一些防治 措施。例如，注意导坑和洞室的断面形状，以避免强烈的应力集中 区；衬砌以采用混凝土为宜，而不用砌石圬工和装配式结构；加强 临时支护和危石的清理，认真观察围岩动态，如发现撕裂声，应立 即撤离人员与机具，目前已有一些工程采用声发射仪进行探测。岩 爆地段在开挖完成后，应立即进行衬砌浇筑，围岩不宜暴露时间过 长，并尽可能采用早强混凝土和适当延迟拆模。 （二）原岩应力对地面工程的影响 在岩基上修筑大坝，由于基坑开挖的减荷作用，将会引起坑底岩体 发生回弹隆起或坑壁岩层移动。这种岩体变形，在水平主应力较大， 岩体中存在着接近于水平产状的软弱面时特别显著。这不仅使岩体 的工程性质恶化，而且还会影响未来建筑物的受力状态和稳定。
地应力及其分布规律
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地应力及其测量
间接测量法中，测量和统计岩体中某些与应力有关旳间接物理量旳变化， 经过已知旳公式计算岩体中旳应力值。套孔应力解除法和其他旳应力或应 变解除措施以及地球物理措施等是间接法中较常用旳，其中套孔应力解除 法是目前国内外最普遍采用旳发展较为成熟旳一种地应力测量措施。
地应力测量措施一览表
应力恢复法
应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小旳一种测试措施，目前此法仅 用于岩体表层，当已知某岩体中旳主应力方向时，采用本措施较为以便 。
7、原岩应力旳分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、 岩体构造特征、岩体力学性质、温度、地下水等原因旳 影响，尤其是地形和断层旳扰动影响最大。
地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或 河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致 与坡面平行；
断层和构造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。
z--深度/m。
温度应力是同深度旳垂直应力旳1/9，并呈静水压力状态。
3、天然应力旳研究历史与研究意义 (1)研究历史
①世界上 :
1878年海姆提出天然应力
1932年，在美国胡佛水坝下旳隧道中，首次成 功地测定了岩体中旳天然应力
到目前天然应力测点遍及全球，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）。
4）岩体自重应力场
垂直应力： z H
侧压力： x y z
—平均密度，KN/m3
—侧压力系数
H—总深度（m）
图 岩体自重垂直应力
5)地质构造应力
6）地形、地表剥蚀对地应力影响
7）水压力、热应力
a.孔隙水压力、流动水压力(影响小)、静水压力（悬浮作用）
b.一般地温梯度： 3 C /100m 岩体旳体膨胀系 数： 10-，5 岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起旳温度应力 约为： T zE 0.03 105 104 zMPa 0.003zMPa
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
工程地质学-第五章 地壳岩体的天然应力状态-2-地壳应力状态复杂性
影响地应力的因素很多： 岩体自重和构造作用力控制（主要的）； 各种地质构造、地形、岩性、剥蚀作用、岩石的物理化学作用： 人类工程活动等。 多种因素的影响，使地壳表层地应力状态显得异常复杂。
5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
5.4.1垂向卸荷
区域性的垂向剥蚀卸荷作用在增大岩体内的水平应力方面有着重要的作用。 例如：对于未受明显构造扰动的侵入体内应力状态的形成，一般经历了两个阶 段： 首先是侵入阶段，由于岩体呈熔融状态侵入地下一定深处，故岩体中的应力呈 静水应力式分布。 假定图中AB为原始地面， 则岩体内任一深度h0+h处P点 的应为： σh= σv=γ(h0+h)
二次应力分布区 –
1方向与坡面近于平行； 3与坡面近于垂直； 2与坡面走向基本平行。 在峡谷地区，河谷谷底往往也有明显的
应力集中区，形成囊状的“高应力包”。
河谷高边坡应力分布模式(据黄润秋，2001)
5.4 地壳表层岩体应力状态的源自杂性5.4.3地壳表层高地应力区及其地质地貌标志
在近地表处的水平应力明显偏高地区，常见到一系列因应力释放而产 生的岩体力学现象，这些现象可作为高地应力的地质、地貌标志。
铜街子水电站坝基岩体结构示意图
5.4 地壳表层岩体应力状态的复杂性
上述变形断裂结构不同于隆爆，是高地应力条件下宽阔河谷下切过程 中垂直卸荷所导致的“应力释放型”浅生时效变形构造。
（1）量级较大的NWW向水平主应力和原始背斜构 造，是这类时效变形构造生成的前提条件。
河谷形成前，岩体虽已处于较高的水平承载状态， 因有足够大的竖向荷载与之相抗衡--保持总体稳定性。
与上述隆爆现象类似的浅生时效变形 -- 大渡河铜街子电站坝址区。 坝基岩体 -- 二叠系峨嵋山玄武岩，两次喷溢旋回的间歇面上，堆积了 一套火山碎屑，岩性软弱。 构造 -- NNE向短轴背斜轴部，岩层被层间错动和缓倾角对冲断层（F3 及F6）切割。 （1）层间错动带具有张扭性特征，错动方向指向河谷中部。 （2）两条对冲断层均为逆断层，却表现出张性特征，断距及倾角都有 由浅部向深部逐渐减小乃至尖灭及 变平的趋势。 （3）断裂形成于Q1，距今约 22~33万年的Q2中晚期已基本完成 其发展过程。 断层在河流深槽形成 后仍有微量活动
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
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。
地应力分析技术及其应用
GNT International Inc.地应力分析技术及其应用阳光杰科科技责任有限公司何汉漪1.概述2.GMI地应力分析关键技术•地应力建模及模型检验•三压力剖面及优化设计•井筒稳定性定量分析•出砂分析•裂缝渗透性分析3.应用实例建立三压力剖面，优化泥浆比重和套管设计，井筒稳定性分析适用地区：•构造运动活动带钻井•深水区钻井•高度开发区钻井等发生产难题防止注水引起套损Sand freeSad producing射孔方向Drilled along S Hmaxhorizontal 15o 30o 45o 60o 75overtical适当的钻井方向和射孔方向防止出砂防止断层重新活动破坏油藏钻井方位、压裂效果预测、天然裂缝渗透性分析等裂缝渗透性与钻井方向地应力对压裂效果的影响Northeast USRockies / Canada FoothillsShmin<Sv<SHmaxBarnettShmin~SHmax<<SvCotton ValleyShmin<<SHmax~SvLow Stress…High Stress…SPE 2007RutledgeGMI ∙SFIB ™GMI ∙MohrFracs ™GMI ∙Imager ™成像测井交互分析软件，确定天然裂缝和断层的分布、方向和形态。
交互钻井设计软件，优化泥浆比重、钻井方向和套管系列设计。
确定斜井的地应力，优化设计井轨迹，井壁稳定性评价。
识别控制储层内流体流动的临界应力的断层和裂缝。
GMI ∙WellCheck ™GMI ∙Caliper ™快速分析4臂或6臂井径资料，确定应力引起的井壁垮塌的方向和程度。
GMI ∙PressCheck ™利用测井资料计算上覆地层压力、孔隙压力、岩石强度、孔隙度等。
美国为石油工业地应力应用主要软件。
阳光杰科公司是中国独家代理（GMI 公司几乎垄断了国外地应力研究服务市场Wellbore Stability Fracture Permeability Fault Seal Pore Pressure Sand ProductionLEGENDGMI HoustonGMI Menlo ParkGMI MainzGMI DubaiGMI PerthGMI Aberdeen对储层地应力模型的描述应包括下列详细信息•应力的方向•应力的大小•孔隙压力•岩石机械力学性质其他应考虑的因素：泥浆的化学性质、薄弱地层、裂缝、地热等的影响P p 最大主应力垂直应力最小主应力孔隙压力C 0垂直应力Sv：密度测井积分孔隙压力Pp：实测（RFT、DST、PWD)用声波、电阻率测井求取用地震速度求取最小主应力SHmin：破裂压力试验、泥浆漏失等最大主应力SHmax：分析井筒垮塌、偶极子声波、（方向和大小）构造运动分析岩石机械性质：岩芯试验、测井、岩屑、井垮塌分析垮塌N TensilecrackEWSBreakoutReverse FaultingS.S.N.F.Strike-Slip Faulting Normal Faulting关键技术：模拟最大水平主应力大小N.F ：Sv>SH>Sh S.S: SH>Sv>Sh R.F: SH>Sh>SvTimor Sea由垮塌宽度计算Zoback 指出，垮塌会逐渐加深，但宽度是随应力大小变化的；Haimson 等通过室内实验做出σH —θb 经验曲线，与理论曲线基本吻合。
最新第五章 1 岩体应力与围岩应力分布资料
精品文档精品文档第五章岩体应力与围岩应力分布岩石变形和破坏都是在应力作用下的结果。
岩体中的应力有多大，又是怎样分布的呢？地下洞室开挖及建筑物作用，又会使岩体中的应力发生什么样的变化呢？因此，对岩体的稳定性分析，首先要掌握岩体中的应力状态和分布规律。
精品文档一、岩体应力种类和分布1．岩体应力种类1）．自重应力由岩体的自重所引起的应力称为岩体的自重应力。
2）．构造应力由地壳构造运动在岩体中所引起的应力称为构造应力3）．温度应力由岩体内地温梯度的影响而产生的应力称温度应力精品文档精品文档4）．成岩应力岩石生成过程中在成岩作用下所产生的应力。
如结晶作用，变质作用，沉积作用，固结作用，脱水作用等。
5）．渗流荷载地下水在岩体中运动所产生的荷载。
渗流荷载一般作为外荷载6）．附加应力由建筑物在岩基中所引起的应力。
精品文档精品文档精品文档7）．围岩应力①应力重分布：地下洞室开挖后，使岩体中原来的应力发生改变，把应力的这种变化称为应力重分布。
②围岩：把应力重分布影响范围内的岩体称为围岩。
③围岩应力：围岩内的应力叫围岩应力。
围 岩精品文档2、地应力概念1）. 地应力岩体中各种应力的总称（一般不包括渗流荷载）2）. 应力场应力在空间有规律的分布状态称为应力场。
如自重应力场，构造应力场。
3）. 天然应力（或初始应力）指工程施工前就存在于岩体中的应力，如自重应力、构造应力、温度应力、渗流荷载。
精品文档精品文档在天然应力中，成岩应力仅在岩石生成过程中起作用，温度应力在地表浅部作用较小，所以，岩体中天然应力主要是构造应力和自重应力，两者构成了天然应力场的主要部分。
岩体在长期的地质作用过程中，已处于一种天然的平衡状态，但在工程建设中，不仅会施加附加应力，还会引起应力重分布，正是由于工程建筑，岩体的天然稳定状态将随之改变。
精品文档精品文档3、天然地应力分布岩体中的天然应力状态：非常复杂。
影响因素：地质构造、岩性、地形、地貌等。
岩体中的天然应力大小及分布规律的认识仍是初步的。
5.1.2地应力的分布规律
（1）原岩应力场是相对稳定的非稳定场
地应力一般是以水平应力为主的三向不等压应力场。 主应力随空间和时间而变化，是非均匀应力场。 在空间上从小范围来看，应力空间分布不均。 整个区域而言，在长时间序列下相对稳定。
深度H/m
垂直应力σv/MPa
0
10
20
30
40
Hale Waihona Puke 506070
500 1000 1500 2000 2500 3000
各国垂直应力σv分布图
（2）实测垂直应力σv基本等于上覆岩层的重力
E.Hoek和E.T.Brown总结出的实测垂直应力随深 度H变化的规律，如下：
在25m～2700m深度内，垂直应力σv 随深度线性 增加，大致等于按平均重度γ=27kN/m3计算出来的重
平均水平应力与垂直应力的比值
（3）实测的水平应力普遍大于垂直应力
侧压力系数 λ＝σh/σv >1（构造应力起控制作用）
（4）平均水平应力σh与垂直应力σv的比值随 深度增加而减小
（5）最大、最小水平主应力随深度线性增加 σHmax＝6.7＋0.0444H (MPa) σHmin＝0.8＋0.0329H (MPa) （6）两个水平应力的关系一般相差较大
力γH,即：σv＝27H
在埋深小于1000m时，测量值与预测值可能差别 很大，有的甚至相差达到5倍。
深度H/m
平均水平应力与垂直应力的比值σh,av/σv
0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
3.0 3.5
500 1000
k=1500/H+0.5
1500
2000
2500 3000
k=100/H+0.3
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A
35
水力压裂法测定地应力
裂缝闭合点（B点）确定方法： 利用裂缝闭合前后压力降低速度不同来确 定。主要确定方法为：作出曲线的切线， 其交点即为裂缝的开始闭合点。此外还 有其它方法。
不同构造区域、不同性质地层地应力大小不同。
A
3
地应力大小表示方法
H
v
hmin
A
地表
hmax
4
地应力的来源：
❖ 上覆岩体的自重； ❖ 地质构造运动产生的构造应力； ❖地温梯度的不均匀性和地层中的水压梯
度。
A
5
A
6
A
7
A
8
A
9
A
10
A
11
A
12
A
13
A
14
N2d:502m N1t:1136m N1s:1820m
1530-1632m，倾角55 ゜，倾向南偏东5゜ 1632-1642m，倾角54↘4゜，倾向南偏东5 ゜ 1676-1900m，倾角56-58 ゜，倾向南偏东4 ゜
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 ゜
F5
F81
W
Ⅳ 2
12mm 日产油:175m3 日产气:3039m3
W
Ⅴ 2
19mm
日产油:675m3
F3
日产气:52722m3
10mm 日产油:211m3 日产气:28187m3
W2Ⅳ
W2Ⅴ
？ ？
？ ？
W2Ⅵ
F4
W2Ⅵ
～
W3Ⅲ
F11
W3Ⅲ
W3Ⅲ (TVD:2812.57m)
(TVD:3120.00m)
A
29
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
v
最大地应力方向
H
h
A
30
成像测井测定地应力方向
椭圆形井眼的长轴方向即为最小水平主地应力方向
最小水平主 地应力方向
最大水平主地应力方向
A
31
井眼坍塌破坏形状
如：（1）最大曲率点法 （2）P---Log（t）图 （3）Log（P）----Log（t）图
A
36
凯塞尔效应法测定地应力的原理图
声发射数
凯塞尔效应点
A 压应力
37
凯塞尔效应测定地应力取芯方法
45 度 45 度
岩样尺寸
2550 mm
A
38
试验装置及试验步骤
微机
Locan AT 声发射仪
声发射探头
A
18
A
19
A
20
A
21
A
22
A
23
A
24
A
25
A
26
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
A
27
A
28
根据断层特点及走向确定地应力的大小及方向
σh
σH
σH
A σh
32
地应力测定方法
上覆岩层压力由密度测井曲线经积
分求出。
水平主地应力测定方法主要有：
1、现场水力压裂试验法；
2、室内凯塞尔效应法
3、岩芯差应变试验法；
A
ห้องสมุดไป่ตู้
33
典型的水力压裂试验曲线
破裂漏失
井 口
出现剪切 裂缝
停泵
压
力
裂缝重张
裂缝闭合
时间
A
34
利用水力压裂试验数据计算地应力：
P
地应力测量技术及分布规律
A
1
有关地应力的内容
地应力的概念 地应力的来源 地应力的测量方法 地应力区域分布规律的数值模拟 地应力纵向分布规律
A
2
地应力的概念:
地应力：地下某深度处岩石受到的周围岩体对它的 挤压力。
一般在深度H处和岩体所受到的地应力可用三个主地 应力来表示，一个为垂直向主地应力；另二个为相 互垂直的二个水平主地应力。大多数情况下三个主 地应力值是不相等的。
2500-2849m，倾角6-8 ゜，南偏东25 ゜
断点位置：1632m、2350m、2444m
A
16
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
H min
FCP
H max 3 H min Pp Pf St
St Pf Pr
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力
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。
倾角测井界面1:1960-1980m 倾角测井界面2:2240-2290m
E2-3a:2858m E1-2z:3484m
倾角:1700-1820m，60° 倾角:1820-1980m,50-55°
倾角:1980-2240m,50° 倾角:2240-2390m,40° 倾角:2390m以下,30-40°
MTS 伺服 增压器
A
压力 排量 伺服控制
MTS 控制器
供液 反馈
MTS 液压源
39
海拔（m）
-2100
F10
-2200 -2300 -2400 -2500 -2600 -2700 -2800 -2900 -3000 -3100
油层
NNW
图 水层
涠洲12-1油田北块6井~B5井油藏剖面图
6井
B5井
中完位置2442m
A
15
N2d:200m N1t:720m N1s:1398m E2-3a:2837m E1-2z:3876m K2d:4200m
本井1490米以上测量段，地层倾角因井眼等影响因素造成 5401490米 层段,基本为空白点， 370-540米段也仅有极零星资料点 （倾角60度/南倾180度），且可信度很低。
A
17
Φ508mm ×150 m
Φ339.73mm ×1650m
Φ244.48mm ×3180m
Φ140mm ×3500m
N2d：582 N1t:1182 N1s:1612
E2-3a:3127 E1-2z:3500
-
2
管理上
0
0
3
1
技术上
5
0
全日制日费监督制
旋转导向垂直钻 井 – PowerV
NDS-PERFORM钻井 系统