地应力及其确定方法综述
地应力方向及大小确认的方法
地应力方向及大小确认的方法嘿，朋友们！今天咱来聊聊地应力方向及大小确认的那些事儿。
这可真是个有意思的话题啊！你想想看，地应力就像是大地的“脾气”，咱得搞清楚它到底往哪儿使性子，劲儿有多大，不然可就麻烦啦！那怎么确认呢？咱先说个类比吧，就好比你要知道一阵风从哪儿吹来，风力有多大。
你得去观察周围的东西被吹成啥样了，对吧？地应力也一样，咱们得通过一些迹象和方法去探寻它。
比如说，可以通过地质构造来判断。
那些岩石的纹路、断层啥的，就像是大地留下的“线索”。
你看那断层歪歪扭扭的样子，不就像是地应力作用的结果嘛！这不就有点像你看到地上的树叶被吹得七零八落，就知道风不小一样。
还有啊，咱可以通过一些专门的仪器来测量。
这就好比你拿个温度计去量体温，能精确地知道度数。
这些仪器可神奇了，能把地应力的大小和方向给测出来。
不过可别小瞧了操作这些仪器，那也是个技术活儿呢！咱再想想，要是咱盖房子，不搞清楚地应力，那房子能稳当吗？说不定哪天就歪了倒了，那多吓人呀！所以说，确认地应力方向及大小真的太重要啦！而且，这事儿可不是随便糊弄一下就行的。
就像你做饭，调料放多放少味道可就差远了。
确认地应力也得细致入微，一点差错都不能有。
还有哦，在不同的地方，地应力可能完全不一样呢！就跟不同地方的风俗似的，千差万别。
这就得咱更加用心地去研究，去了解每一个地方的特点。
你说，要是咱能准确地知道地应力的方向和大小，那得多厉害呀！盖房子不用担心，挖隧道也心里有底，这不是很好嘛！总之，地应力方向及大小确认可不是小事，咱得认真对待，用各种方法去探索，去发现。
只有这样，咱才能和大地的“脾气”好好相处，让我们的生活和工作更加安全、顺利呀！这就是我对地应力方向及大小确认的看法，你们觉得呢？原创不易，请尊重原创，谢谢!。
地应力测量的国内外研究现状综述
地应力测量的国内外研究现状综述地应力测量（In situ stress measurement），就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态。
本文以岩石Kaiser效应为例，通过收集大量的国内外有关地应力的研究资料，回顾了地应力测量的发展历程，总结了地应力测量方法的适用范围，基于今后岩石工程所呈现的新特点和新问题，探讨了地应力测量的发展趋势。
标签：地应力测量岩石声发射凯塞尔效应1引言地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态。
岩石在外载荷的作用下产生微破裂时，一部分应变能将以弹性波的形式释放出来，称为岩石的声发射（Acoustic Emission，简称AE）[1]。
对花岗岩、大理岩、砂岩等岩石进行加载时，当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，即岩石声发射的Kaiser 效应，其为测量岩石应力提供了一个途径，即从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行声发射试验，测定Kaiser点，即可找出每个试件以前所曾受到的最大应力，并进而求出取样点的原始三维应力状态[2]。
2国外研究现状早在二十世纪三十年代，Obert 和Duvall 在发现岩石中存在声发射现象的基础上经过不懈的努力成功的将声发射技术应用到矿山岩体稳定性监测和岩爆的监测预报中（Black W，1982）。
在研究中发现岩石作为一种脆性材料，内部孔隙、微裂纹等缺陷在外荷载作用下扩展贯通直至破坏，在这一过程中内部颗粒破坏失效所产生的能量突然以应力波的形式释放，通过仪器对传至岩石表面的弹性应力波的监测和分析，探讨岩石在外部荷载作用下内部裂纹的变化和发展规律，通过研究这些规律发现矿山岩体失稳破坏的前兆特征，制订出一套适用于工程实际的预测预报机制，为安全生产和作业人员的人身安全提供了强有力的保障。
现代声发射技术的开始主要应归功于德国科学家凯塞（Kaiser）的研究工作（Kaiser J，1950）。
地应力测量方法及其需要注意的问题
地应力测量方法及其需要注意的问题地应力是指存在于地壳中的内应力。
主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。
地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。
地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用,近年来随着我国社会经济的持续快速发展,我国水电领域工程建设保持着较快增长势头,工程建设地点向江河源头、高山峡谷地带延伸,工程建设内容往往包含深埋长深隧道,大跨度、大尺度地下厂房等,在这种情况下,我国地应力测试事业也取得了长足的进步,各种试验手段、测试方法层出不穷,并取得一定的成果。
1地应力测量方法1.1 应力解除法应力解除法是以弹性理论为基础,它把一定范围内的岩体视为均质的、各向同性的完全弹性体。
这一测量方法的实质是在被测虚力场的岩体中选定测点,在测点位置安设测量元件,然后在所安装的测量元件周围掏槽或套孔,使安设有测量元件的岩石与周围岩体分离,也就是使这一部分岩石从被测应力场作用之下解脱出来。
此时,测点岩石将由于外力的消失而产生弹性恢复变形。
通过测量元件将这一变形记录下来,即可按弹性理论来确定被测应力场的3个主应力的大小、方向和倾角。
应力解除法测量地应力的方法有:孔底应变计、孔径应变计、孔壁应变计、空心包体应力计等方法,其中孔底应变计、孔径应变计只能测出二维应力,若用它测三维应力,则需要打交于一点互不平行的三个钻孔。
采用孔壁应变计和特殊制作的空心包体式孔壁的应力计只需要打1个钻孔就可测出三维应力。
1949年奥尔森(O.J.Olson)第一次将应力解除法用于岩石应力测试以来,套孔应力解除法发展为技术上比较成熟的一种原岩应力测量方法。
套孔应力解除法具有测量灵敏度高、测量结果可靠、可以在深孔中进行测量测点的三维应力状态(需要利用三孔交汇的方法)等特点。
因此,利用套孔应力解除法可以较为准确地测量矿山岩体的原岩应力。
第4讲-岩石力学-油田地应力及其确定方法概要
超压产生机制
(7)逆浓差作用 逆浓差作用现象的研究已有文献刊载，逆浓差作用也就是水
从高压、高盐度区流向低压、低盐度区的过程。当水从高压区流 入时，在低盐度区的压力就会升高（高于正常压力），而这种机 制同样不能用于解释有效封存箱中产生的异常压力。 (8)石膏/硬石膏转化
无论是石膏脱水转化成硬石膏，还是硬石膏在深部再水化成 石膏都被作为碳酸盐岩中产生异常压力的可能机制
分类 超低压 低压
常压
高压 超高压
什么是孔隙压力
许多含油气盆地的浅层孔隙 压力均为静水压力。为什么？
盆地深处通常可观察到异常 高压，为什么？
在埋深中等的层段，超压发 育更为多变，为什么？
注意：超压似乎受限于破裂 压力（如LOT），为什么？
什么是孔隙压力
模型中假设相邻盖层（泥岩）和封隔 箱（砂岩）的压力保持平衡。这种假设 正确吗？
超压产生机制
(6)浓差作用 浓差作用是盐度较低的水体通过半渗
透隔膜向盐度较高水体的物质迁移。只要 粘土或页岩两侧的盐浓度由明显的差别， 粘土或页岩便起着半渗透膜的作用，产生 渗透压力。渗透压差与浓度差成正比，浓 度差越大，渗透压差也越大。浓差流动可 以在一个封闭区内产生高压。浓差作用引 起的异常高压远比压实作用和水热作用引 起的高压小得多。
(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.
3地应力及其测量原理解析
3地应力及其测量原理解析地应力是指地球内部岩石受到的力。
地应力是大地构造活动的重要因素，它对岩石变形、断裂产生重要影响。
了解地应力的分布及其大小对地质灾害预测和地下工程设计具有重要意义。
本文将探讨地应力及其测量原理。
地球内部的岩石受到的力主要有三个方向的应力，即水平应力、垂直应力和剪切应力。
水平应力是指岩石受到的平行于地表面的力，可以分为水平主应力和水平次应力。
垂直应力是指岩石受到的垂直于地表面的力，也称为垂向应力或竖向应力。
剪切应力是指岩石受到的平行于地表面的剪切力，它是水平主应力和水平次应力的合成力。
测量地应力的方法有很多种，常见的方法有直接法、间接法和综合法。
直接法是指在地下开展实地观测和实验，测量地应力的大小和分布。
这种方法需要精密的仪器设备和专业的人员，成本较高。
直接法主要有压力封、应力计和杨氏圆及其变形规律三类。
压力封是将传感器封装在地下岩石中，通过监测传感器的变形来获得地应力信息。
应力计是一种用于测量地应力的仪器，它通过应用压力给传感器的晶体，在晶体上产生电压信号来测量地应力的大小。
杨氏圆及其变形规律是一种通过岩石的弹性性质和材料参数来推导地应力的方法，它主要通过岩石的横向应变和纵向应变的关系来计算地应力的大小。
间接法是指通过间接测量来推断地应力的大小和分布。
这种方法通过测量岩石的应力释放和地震活动来判断地应力的情况。
间接法主要有岩层位移法、地震法和微观破裂法。
岩层位移法是通过测量岩层的位移来推断地应力，它主要通过岩石剪切带和断层的破碎及位移来判断地应力的大小。
地震法是通过测量地震波的传播速度和波峰时间来推断地应力的情况，它主要通过地震波在地下传播的路径和速度来判断地应力的方向和大小。
微观破裂法是通过观察岩石微观裂纹和破碎情况来推断地应力的大小和方向，它主要通过观测岩石的细微结构和断口来判断地应力的情况。
综合法是指将直接法和间接法相结合来测量地应力。
这种方法利用不同的测量技术和方法相互补充，可以提高地应力的准确性和可靠性。
地应力基本概念及测量方法
地应力基本概念及测量方法应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。
就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。
岩体应力天然应力是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。
天然应力构成：岩体自重自重应力构造运动构造应力流体作用静水压力梯度，渗流应力其他（低温、地球化学作用）地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大，它不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响。
比如，地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。
这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖荷载通常是地下工程问题中的重要荷载。
由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖荷载，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。
已有的研究和工程实践表明，浅部地壳应力分布主要有如下的一些基本规律：地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。
实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。
水平应力普遍大于垂直应力。
平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。
最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。
最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。
地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
高应力区实践表明，在高应力区，地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作，往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件，而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害。
地应力测量方法综述
地应力测量方法综述张重远1，2，吴满路1，2，陈群策1，2，廖椿庭2，丰成君2（1．国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京100081；2．中国地质科学院地质力学研究所，北京100081）摘要：通过回顾地应力测量的起源及发展历程，对地应力测量方法进行了归类分析，明确了各种方法的基本原理、优缺点及应用范围；同时，对地应力测量的最新发展趋势以及目前我国在地应力测量方面面临的问题与挑战进行了剖析．研究成果对于采用较好的地应力测量方法以提高地应力测量精度无疑具有重要的指导意义．关键词：地应力测量；绝对应力；相对应力中图分类号：P553文献标识码：A文章编号：1673-9787（2012）03-0305-06Review of in-situ stress measurement methodsZHANG Chong-yuan1，2，WU Man-lu1，2，CHEN Qun-ce1，2，LIAO Chun-ting2，FENG Cheng-jun2（1．Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard，Ministry of Land and Resources，Beijing，100081，China；2．Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing，100081，China）Abstract：After reviewing the origin and development process of in-situ stress measurement，major present-day methods to measure in-situ stress are classified and their fundamental principles，advantages and disadvanta-ges，and applications are introduced．Meanwhile，new development trends about in-situ stress measurement as well as the problems and challenges that emerge in in-situ stress measurement in China now are analyzed in detail．The study has a guiding significance for using different methods of in-situ stress measurement and thereby improving its measuring accuracy．Key words：methods of in-situ stress measurement；absolute stress measurement；relative stress measurement0引言地应力是指客观赋存于地壳岩体内且未受工程扰动的一种自然力，亦称原岩应力．它是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用力．李四光教授认为，岩层中发生的种种变形或破裂，是应力活动的结果［1］．随着我国采矿、隧道、水利水电、地热能开发、核废料处置等工程的持续增加，岩爆、巷道变形、高边坡失稳等一系列问题愈加突出．再加上我国又是当今世界上构造活动最为强烈的国家之一，陆内地震、山体滑坡等地质灾害频频发生．因此，开展地应力测量和监测，探知地壳应力状态，不仅可以服务各类岩体的工程建设，而且还能为地球动力学研究、断裂活动性研究和地质灾害预警研究提供重要的科学依据．目前，随着地应力测量在工程建设、地质灾害预警以及断裂活动性研究等领域的广泛应用，地应力测量方法日益增多．本文在回顾地应力测量起源及发展历程的基础上，对地应力测量方法进行了系统的归纳分析，以期为地应力测量方法的第31卷第3期2012年6月河南理工大学学报（自然科学版）JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）Vol．31No．3Jun．2012收稿日期：2012-02-23基金项目：国家科技专项（SinoProbe-06-01）．作者简介：张重远（1987—），男，河南周口人，主要从事地应力测量与区域应力场稳定性研究．E-mail：zhchongyuan@126．com合理应用提供借鉴．1地应力测量的起源与发展1932年，美国人R S Lieurace率先在胡佛大坝坝底泄水隧洞采用岩体表面应力解除法测量洞壁的围岩应力状态，开辟了地应力测量的先河．20世纪50年代初，瑞典人N Hast采用压磁套芯应力解除法在斯堪的纳维亚半岛进行了大规模的地应力测量试验，首次测得近地表地层中水平应力大大超过垂直应力，证明了A Heim的静水压力假说和A H Gennik的垂直应力大于水平应力的理论不具普遍性［2］；同时，他还认为这种现象与斯堪的纳维亚半岛的缓慢地壳构造运动有关．另外，他还将地应力测量引入了地质构造分析与地壳应力场研究之中．20世纪60年代以后，地应力测量理论和方法呈现多样化发展趋势，除了套芯应力解除法和水压致裂法等主流方法外，还涌现了诸如声发射法、应变恢复法、钻孔崩落法、岩芯饼化法、地质构造分析法及应力场反演法等一系列间接测量地应力的方法．20世纪80年代以后，地应力测量受到世界各国的广泛关注，特别是一些发达国家相继开展了深部应力（应变）监测计划．如美国的板块边界计划（PBO）在美国西部圣安德森断层边界计划安装200套钻孔应变仪，以研究美国西部板块边缘地区的变形；日本在京都地区与伊豆半岛等地安装了近40套深井地壳活动综合监测装置，用于地震活动性研究及地震预警监测［3］．我国地应力测量试验和研究开始于20世纪50年代后期，是由著名地质学家李四光和陈宗基两位教授分别指导的地质力学研究所和三峡岩基专题研究组率先组织实施的．1966年邢台地震之后，在李四光教授的指导下，在河北省隆尧县建立了全国第一个、也是世界上第一个地应力监测台站．该台站发现了地应力与地震活动有密切的联系．在过去的几十年间，我国原地应力测试技术得到了迅速发展，相继成功研制了压磁应力解除法、空芯包体应力解除法、水压致裂法、声发射法地应力测试系统仪器设备．汶川地震后，我国在南北地震带及首都圈安装了最新研制的圧磁应力监测仪器，显示了良好的地震前兆及响应信息．为了提高地球深部资源勘查和灾害预警水平，我国近期启动了深部探测技术与实验研究，这为建立我国地应力测量及监测网络、提高地震预警能力提供了坚实的物质基础和技术保障［4］．2地应力测量的主要方法迄今为止，可用于地应力测量的方法虽然很多，但尚未形成统一的分类标准．根据测量数据特点的不同，地应力测量大体分为绝对应力测量和相对应力测量．前者主要是确定地壳应力背景值，即主应力的大小和方向；后者则是观测应力随时间变化的动态变化规律，通常也称为地应力监测．根据测量基本原理的不同，绝对应力测量方法又可分为直接测量法和间接测量法．所谓直接测量法就是利用测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应力量和原岩应力的相互关系直接换算得到原岩应力值．间接测量法则是借助某些传感元件或媒介，测量和记录与岩体相关物理量的变化（如密度、泊松比、弹性波速等变化），然后通过相应的公式换算间接得到原岩应力值［5］．目前，较为常用的绝对应力测量方法主要有水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法、套芯应力解除法、应变恢复法等．其中，前3种方法属于直接测量方法，后2种方法属于间接测量方法．相对应力测量方法包括压磁法、压容法、体应变法、分量应变法及差应变法等．其中，最为常用的方法是钻孔应变测量，它包括钻孔分量应变法和钻孔体积应变法．2．1套芯应力解除法套芯应力解除法既是2003年国际岩石力学测试专业委员会（ISRM）新推荐的一种地应力测量方法［6］，也是当前国内外最为常用的一种地应力测量方法．它是以平面应力状态为理论基础，假定岩体是连续、均匀、各向同性、线弹性的［7］．具体测量方法见图1．603河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷目前，主要采用的套芯应力解除法有空芯包体应力解除法和压磁应力解除法．空芯包体应力解除法采用空芯包体应变计进行测量，压磁应力解除法采用以铁磁体磁致伸缩原理为基础设计的传感器进行应力测量［7］．压磁应力解除法地应力测量技术最早起源于瑞典，经过地质力学所的长期改进和创新，该方法已在国内许多重大工程应用中取得了良好的效果［7-11］．相比较而言，空芯包体应力解除法操作简单，经济实用，精确度较高，且可测量三维应力状态，但是其测量深度较浅（仅数10m ），且多用于隧道、矿山、地下硐室安全设计等方面．压磁应力解除法是一种平面测量方法，在3个相互正交的钻孔中可测得三维应力值，其测量探头稳定性好、灵敏度高，测量深度大（可达100 200m ［10-11］），多用于对变形控制要求较高的隧道、硐室及核废料处置等工程中．2．2水压致裂法水压致裂法地应力测量是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，向封隔段注入高压流体（通常为水），并通过孔壁岩体的胀裂来确定地应力的一种方法（图2）．由于该方法可以在无需岩石力学参数的情况下直接测量应力值，特别是可以直接确定最小主应力值，再加上其具有操作简单、测量深度较大等优点，目前已被广泛应用．2003年，国际岩石力学测试专业委员会推荐了经典水压致裂法（HF ）和原生裂隙水压致裂法（HTPF ）［12］．HF 法地应力测量假设岩体为理想、非渗透性的且有一个主应力为垂直方向，大小等于上覆岩层重量．严格意义上讲，HF 法是一种平面测量方法，若要获取全应力张量，需采用三孔交汇测量．HF 法选择岩性完整的测试段，进行3 5个压裂循环试验并生成压力-时间曲线．最小水平主应力大小可从曲线中分析得到，其中关闭压力的准确判读是关键，ISRM 推荐至少用2种方法保证其可靠性［12］．孔壁的破裂方向即为最大水平主应力方向，一般用带有定位系统的印模器确定，但也可用地球物理成像技术记录裂隙方向［12-14］．当岩体中存在较多原生裂隙时，可以选用HTPF 法［12］．HTPF 法是HF 法的发展，能够估算全应力张量，且不涉及孔隙压力、钻孔方向和材料属性等参数，若裂隙间距大于50m ，需假设应力梯度，这会增加测试次数［12-16］．作为目前能完整测量深部地应力的最有效方法，水压致裂法广泛应用于水电、石油、地热及科研钻探中．2．3应变恢复法应变恢复法的原理是岩芯从周围岩体分离后即发生体积恢复（一部分是立即发生的弹性恢复，一部分是随时间缓慢发生的滞弹性恢复），且各方向的应变恢复量与之前所受压力正相关［16］．应变恢复法可分为滞弹性应变恢复法（ASR ）和微分应变曲线分析法（DSCA ）．目前，该技术在日本发展的较为成熟，并在科研及工程中取得了较好的应用效果．ASR 法通过对岩芯在径向和轴向测量应变恢复，可获得主应变方向，进而得到主应力方向，但对主应力值的估计较为困难，需要针对不同岩性建立准确的本构模型．DSCA 法认为，解除应力后，定位岩芯将随着膨胀而出现微裂隙，裂隙分布和原岩应力方向有关，裂隙密度与原岩应力大小成正比［17］．通过对试件正交面上应变片施加静水压力、记录各应变片的应变值并描绘应变-压力曲线，可以分析得到3个主应力方向及比值．若已知其中一个主应力大小（通常假设垂直应力为上覆层岩体重量），即可确定另外两个主应力大小［18-19］．ASR 法岩芯定向费用较高，且影响测量结果的因素很多［16］．DSCA 法操作复杂，仅为二维测量．但在一些大深度钻井条件下，当水压致裂法和应力解除法无法有效实施时，或者当需要其他方法的补充性数据来确保测量结果可信度时，应变恢复法具有较高的应用价值．2．4钻孔崩落法钻孔崩落指大深度的钻孔孔壁自然坍塌、掉703第3期张重远，等：地应力测量方法综述块现象［20］．同一地区井孔深部孔壁多发生塌陷，且具有相似的优势坍塌方位．钻孔孔壁挤压应力最大集中区通过剪切破碎而形成崩落，崩落的方向与最小水平主应力平行．有人认为，可利用崩落形状和岩石强度参数来确定水平主应力的大小，以及根据孔壁崩落的深度和宽度来估算应力值［21］．崩落方位可以用井下电视等辅助工具描述．钻孔崩落法的优点是速度较快，而且能在其他手段效率较低的深孔乃至超深孔获取有效信息．但也有很多不足，比如需要有崩落段的存在，岩体的各向异性会扰乱崩落方位、损害已获信息的有效性、尚无令人满意的理论与方法确定应力值的大小等［16］．钻孔崩落法广泛应用于石油工业及科研深钻中，如德国KTB深钻、日本海洋钻探计划（ODP）、中国台湾TCDP深钻和大陆科学钻探（CCSD）等［22-27］．2．5声发射法声发射（AE）是材料内部储存的应变能快速释放时所产生的弹性波现象．德国人J Kaiser研究发现，多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载时，若应力未达到先前的最大应力值，则很少有声发射产生；当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做Kaiser效应［28］．把从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称之为Kaiser点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力．据此，在实验室对岩石试件进行6个以上不同方向的单轴压缩试验，可获得6个以上不同方向的压应力，并进一步根据弹性理论确定岩石取芯点的全应力张量［28］．岩芯的定位多采用古地磁法．由于声发射与弹性波传播有关，且高强度的脆性岩石通常具有较明显的Kaiser效应，而多孔隙低强度及塑性岩体的Kaiser效应往往不明显，所以一般不建议用AE法测定比较软弱疏松及塑性岩体中的应力．不过，M Seto通过试验认为，即使脆弱的岩芯，若采用多次加载也可以较好地分辨出Kaiser点［29］，这为利用AE法测定软弱疏松岩体提供了可能．目前，AE法在矿山和油田等工程中应用较多．2．6相对地应力测量方法长期以来，相对地应力测量的主流方法是钻孔应变观测，包括钻孔分量应变监测法和钻孔体积应变监测法．当前的监测台站多使用这类方法，限于篇幅，仅简要介绍这两种方法．钻孔分量应变观测法是观测钻孔直径的相对变化量，原理上沿不同方位布设3个压磁式、振弦、电容或半导体应变片就可以测出钻孔所在的平面应变状态．我国主要使用四分量式应变仪（其4个顺次标记元件相隔45ʎ夹角），其优点是可以利用奇数与偶数元件位移量之和的相关性自行检验观测的正确性，且当其中1个元件不能正常工作时，其余3个元件仍然可以完成测量［30］．钻孔体积应变监测法是测量岩石的体积应变，测量探头为液压式或液位式传感器．该法对岩石的完整性要求相对宽松，也容易获取长期稳定的资料，而且能在土层或松软岩层中测量［31］．地壳的构造运动、地球的固体潮汐作用、气压变化、地下水位变化、温度的变化以及人类的活动等都会造成地壳中的应力（应变）变化，而钻孔应力应变监测关心的又是构造运动引起的地壳中的应力（应变）变化，因此，需要对影响观测值变化的各种因素同时进行辅助监测［30］．目前，钻孔应变监测主要用于地震预警，但也可以用于矿山安全监测．3地应力测量存在的问题与展望3．1存在的问题随着我国工程建设不断向深部发展，地应力测量及监测正面临着严峻的考验．与发达国家相比，尚存在许多问题与不足．首先，在宏观层面上存在的问题与挑战有：第一，测量和监测深度不足［3］．目前，国际上最大地应力测量深度已达5100m［32］．在德国的KTB深钻及美国的SAFOD计划中，应力测量深度一般达到2000 3000m；日本也建立了数10座深度为1000 3800m的深井观测台站［3，30］．我国的绝大部分应力测量深度仅数百米，超过1000m的深井观测极为稀少，这严重制约了测量数据在空间上的代表性．第二，缺乏合理系统的地应力监测网络［3］．我国虽然积累了大量的地应力测量数据，但数据分布不均且质量参差不齐，地应力监测台站少、布局不合理，大部分监测台站数据网络传输、数据分析处理能力也亟待加强，这些问题制约了地学领域的创新性发现．第三，统一的地应力测量规范和标准亟待解决［3］．ISRM早在1987年即发布了“确定岩石应力的建议方法”．2003年，结合地应力测量方法的最新进展，又发布了新的建议规范．然而，在这些权威的地应力测量方法技术规范起草和编写过程中，没有我国相关领域科学803河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷家的参与．其次，在技术与操作层面上存在的问题与挑战有：第一，测量深度引起的仪器设备性能问题．深部岩体的苛刻环境要求钻探设备和监测仪器具备足够的耐高压、耐高温、抗干扰、防水能力，而仪器在这种环境下，长期工作的稳定性以及与孔壁的耦合性不容忽视．第二，测量仪器和方法的精度与可重复性问题．测量的精度是确保数据可靠的关键，对此，除了改进已有仪器，更需要新技术、新材料的研发．测量过程和结果的可重复性既是测量工作科学、严谨的体现，又是测量仪器与方法广泛应用的保障，具有重要意义．第三，测量仪器及测量平台的现代化程度问题．提高测量与数据采集的质量与效率、推进测量成果网络传输与共享、建立测量方法标定平台，既需要增强地应力测量体系的现代化水平，又需要地应力测量系统向自动化、集成化、智能化方向发展．3．2展望近年来，人们逐渐认识到，由于地壳结构的高度复杂性和非均质性，加之地形等因素的影响，基于浅部及孤立测点所获得的地应力测量数据的代表性十分有限．因此，只有提高地应力测量深度，加大监测密度，才可能比较准确地认识和把握某一构造单元地质构造活动的动力学成因和内在机制．有鉴于此，在绝对应力测量方面，深部乃至超深部应力测量已成为必然趋势．同时，考虑到目前尚没有哪一种地应力测量方法能够适应和胜任所有目的和环境的测试，采用多种方法联合观测，实现不同观测方法之间的优势互补已成为提高测量结果可信度的必然举措．此外，在相对应力测量方面，高密度深井综合监测已成为未来的发展方向．这不仅是深部地质研究的客观需要，也是消除气压、温度、地下水以及地面噪音等自然和人为因素干扰的现实需要．有鉴于此，钻孔分量应力和应变监测方法无疑将成为重点发展方向．目前，地应力相对测量正朝着多元化方向迈进，钻孔地应力（应变）监测以及其他物理参数检测技术将一起作为地球物理观测的重要手段在未来深部地壳研究中发挥重要的作用．参考文献：［1］李四光．地质力学方法［M］．北京：科学出版社，1976．［2］HAST 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Abstr，1978，15（4）：167-178．（责任编辑杨玉东）013河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷。
地应力的测量方法
地应力的测量原理目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。
其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。
1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。
目前国内外地应力测量普遍采用空心包体应变计测量技术。
KX一81型空心包体应变计由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间，圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。
1.2完全温度补偿技术KX一81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大后记录下来。
电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变化，从而产生虚假的附加应变值。
因此在现场测试中必须采取温度补偿措施。
惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。
（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。
因而有I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。
测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精确。
岩石力学基本教程 教学PPT 第6章 地应力综述.资料
表6.5 不同围岩强度比开挖中出现的现象·
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2．高地应力现象
（1）岩芯饼化现象。在中等强度以下的岩体中进行勘探时，常可见到岩芯 饼化现象。美国L.Obert和D.E.Stophenson（1965年）用实验验证的方法 获得了饼状岩芯，由此认定饼状岩芯是高地应力的产物。从岩石力学破 裂成因来分析，饼状岩芯是剪胀破裂产物。
相邻岩体的约束，不可能产生横向变形，即 x y 0 。而相邻岩体的阻 挡就相当于对单元体施加了侧向应力 x 及 y ，考虑广义虎克定律则有：
xE 1[x (yz)]0
（6.3a）
由此可得
yE 1[y (zx)]0 x y1 z1 H
（6.3b） （6.4）
式中，E为岩体的弹性模量， 为岩体的泊松比。令 (1) ，则有：
地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力。
由地心引力引起的应力场称为自重应力场，自重 应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。
由岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。
（5）地温梯度引起的应力场
（6）地表剥蚀产生的应力场
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图6.1 中国板块主应力迹线图
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式中，H为深度，单位为m。
（6）最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。
/ h， m in h， m ax一般为0.2~0.8，多数情况下为0.4~0.8，参见表6.2。
表6.2 世界部分国家和地区两个水平主应力的比值统计表
（7）地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体 力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
地应力的测定方法及分层规律的数值模拟计算
σ Z = ∫ ρ ( z ) gdz
H 0
(2-1)
第一节 现场水力压裂试验法测定地应力
现场水力压裂试验法测定地应力是根据试验测得的地层破裂压力、 瞬时停泵压力及裂缝 重张压力反算地应力。 为了能较准确地求得地应力， 现场水力压裂试验应遵守以下步骤进行： (1) 下套管固井后，钻开几米裸眼井段。 (2) 用水泥车以恒定的低速度泵入泥浆，记录下井口压力随泵入时间的变化曲线，直至 地层产生破裂。 (3) 地层破裂后，继续向井内泵入流体至裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即 6 倍井眼 半径以远时(估计从破裂点起约历时 3～5min 左右，约合 300～400L 流体)，进行瞬时停泵， 记录下瞬时停泵压力。 (4) 停泵压力平稳后，重新开泵，记录下裂缝重张压力。典型的水力压裂试验曲线见图 2-2 所示。从图中可以确定以下压力值： 1)地层破裂压力 p ：为井眼所能承受的最大内压力，是地层破裂造成泥浆漏失时的井 内液体压力。 2)瞬时停泵压力 p ：瞬时停泵，裂缝不再向前扩展，但仍保持开启，此时 p 应与垂直 裂缝的最小地应力值相平衡，即有 p = σ 。 3)裂缝重张压力 p ：瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开 闭合裂缝所需的压力 p 与破裂压力 p 相比，不需要克服岩石的拉伸强度 S ，因此可以近 似地认为破裂层的拉伸强度等于这两个压力的差值，即： S = p − p
f
s
s
s
h2
r
r
f
t
t
f
r
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第二章 地应力的测定方法及分层规律的数值模拟计算
日期：1994.1.31 井深：4340m；钻井液密度：1.70g／cm³； 孔压系数：1.20g／cm ； p =19.5MPa； p =11.0 MPa； p =14.0MPa；St=5.0MPa
几种确定地应力的方法
不同构造区域、不同性质地层地应力大小不同。
地应力大小表示方法
地表
H
v hmax
hmin
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。
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WSTT确定地应力的方位
1.构造地质力学方法研究地应力
v
最大地应力方向
H
h
2.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
井眼坍塌破坏形状
σ
h
σ
H
σ
H
σ
h
最大主应力方向
井眼垮塌
3.利用WSTT交叉偶极声波确定地应力方向
利用WSTT交叉偶极快、慢横波 的各项异性确定最大主应力方向。 快横波总是沿裂缝或层界面传播， 指示最大主应力方向
几种确定地应力的方法
伊朗解释
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。（垂直主应力、最大水平主 应力、最小水平主应力）
地应力及地应力测量方法计划简介
地应力与地应力丈量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年月里，因为地质结构运动等原由产生的。
在一准时间和必定地域内，地壳中的应力状态是各样发源应力的总和。
主要由重力应力、结构应力、孔隙压力、热应力和节余应力等耦合而成 ,重力应力和结构应力是地应力的主要根源。
地应力的形成主要与地球的各样动力运动过程相关，此中包含：板块界限受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非平均扩容等。
此外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其余物理化学变化等也可惹起相应的应力场。
而重力作用和结构运动是惹起地应力的主要原由，此中尤以水平方向的结构运动对地应力的形成影响最大。
地应力丈量，就是确立拟开挖岩体及其四周地区的未受扰动的三维应力状态，这种丈量往常是经过多个点的量测来达成的。
地应力丈量是确立工程岩体力学属性、进行围岩稳固性剖析、实现岩土工程开挖设计和决议科学化的前提。
地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是目前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上很多国家均展开了地应力的丈量及应用研究工作 ,获得了众多的成就。
跟着矿区开采现代化进度的不停提升和开采深度的不停增添，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。
查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产供给更为精美靠谱的地质资料和数据，以便采纳有效技术手段和举措，防备和减少灾祸的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。
地应力是惹起采矿工程围岩、支架变形和损坏、产生矿井动力现象的根本作使劲，在诸多的影响采矿工程稳固性要素中，地应力是最重要和最根本的要素之一。
正确的地应力资料是确立工程岩体力学属性，进行围岩稳固性剖析和计算，矿井动力现象地区展望，实现采矿决议和设计科学化的必需前提条件。
采矿规模的不停扩大和开采深度的纵深展开，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工常常造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌损坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，以致矿井生产没法进行，并常常惹起严重的事故，造成人员伤亡和财富的重要损失。
岩体地应力及其测量方法综述_3
岩体地应力及其测量方法综述论文导读：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。
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。
应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。
(2)对于地表剥蚀作用对初始地应力反演的影响问题，若不能考虑剥蚀作用，仅考虑自重和构造作用进行回归分析，但重力因子也会大于1，此时，不宜用所有测点去拟合地应力场，用于各部位的分析计算，而应当进行边坡和坝肩分析，宜用近地表测值反演。
关键词：地应力，剥蚀作用，应力解除法，重力因子1 地应力的成因及其分类地应力一般是质地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆浸入等作用下形成的应力[1]。
1.1 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。
1.2 地应力的分类地应力按不同起源分为：自重应力、构造应力、剩余应力和变异应力。
值得注意的是剩余应力与残余构造应力是完全不同的：剩余应力不具有方向性，常是σx=σy；而残余应力引起的高水平应力具方向性，σx 与σy相差较大[2]。
2 岩体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。
地应力测量方法文献综述
地应力测量方法文献综述通过查阅大量的与地应力测量相关的文献，对地应力测量法进行了系统的总结归类，明确了每种方法的适用范围优缺点及工作原理;同时提出了地应力测量过程中需要注意的问题，并对我国地应力测量的发展现状做出了展望。
标签：测量方法;地应力;适用范围地应力又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于物理变化、化学变化以及侵入等原因综合作用产生的[1]。
地应力不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且对矿山开采、大型地下工程建设和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用。
地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提，所以选择合理有效的地应力测量方法意义重大。
1.国内外地应力测量的研究概况19世纪末20世纪初，瑞士著名的地质学家海姆（Heim）通过观察阿尔卑斯山大型越岭隧洞围岩的工作状态，发现隧洞在各个方向都承受着很高的压力，首次提出了地应力的概念，并于1905～1912年提出了地应力为“静水压力”的假说，即著名的Heim假说：岩体地应力的垂直分量与水平分量相等，其大小等于上覆岩体的重力γH（其中，γ为岩石的容重，H为深度）[2]。
产生地应力的原因是十分复杂的，要弄清楚所有因素尚有困难。
工程岩体中地应力的主要来源是岩体自重和各种地质构造运动，而实测地应力的工作具有直接、重要的意义。
2.应力解除法应力解除法的原理是，岩块从具有一定应力环境的岩体中取出后，岩石发生弹性变形，测量出接触后岩块的弹性变形，通过岩石力学实验测定弹性模量，有胡克定律即可计算得到解除前岩体中的应力大小及方向[3]。
操作过程是，将特制传感器安装在已施工好的待测岩体钻孔中的同心小孔内，同心套取岩心，岩心应力解除发生弹性变形，通过仪器记录应变，在实验室测量解除岩块的弹性模量，计算获得应力矢量。
目前根据测试的应变或变形，应力解除法大体上可分为孔壁、孔径、孔底应变法。
3.水力压裂法应力测量中的水压致裂法又称微型水压致裂法，微型是相对于油田压裂而言。
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
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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
地应力测量方法综述
赵亚 军 孟楠 楠 （ 内蒙古科技 大学 矿业 与煤炭学常用的地 应力测量方法的归类分析 ， 明确了各个方法基本原理 、 优 缺点 ， 阐述 目前地应 力测 量方 法的局 限性 ， 并 指 出未来地应力测量发展的发展 方向 ， 为提高地应力测 量效 率提 供了参考。 关键词 ： 地应 力 ； 适用范围 ； 测量方法
一
应 力解 除法 的基 本原 理 是 当测 定 岩 体 中的 某 点 的 地应力时 ， 就应人为地把该点岩体与周围岩体相分离， 该岩 体就会 发 生弹性 变 形 ， 此时 ， 该 点岩 体上 的应 力就
会被解除 。同时 ， 此单元体 的几何尺寸将逐 渐得到恢 复。用一定的测量仪器 ， 测定 此弹性恢复 的应 变值或 变形值 ， 并且假设岩体是连续 、 均质和各向同性 的弹性 体， 且加载和卸载时应力和应变关系是相 同的 ， 并具有 等同的函数值 ， 于是就可以借 助弹性理 论的解 答来计 算岩 体单 元所 受 的应 力状态 。 应力解除法是发展时间最长 ， 技术上 比较成熟的 地应力测量方 法， 能够客观地反映 岩体内部地应力的 状况， 测量精度 比较高 ， 可靠性 比较 高， 适用于现有矿 山的巷道 和硐 室里 。但 这 种方 法 测 量地 点 是很 有局 限 性的， 在运用技术上也存在一些困难。 根据测试方式不同 ， 应 力解 除法包括表面应力解 除法、 孔壁应力解除法、 孔底应 力解除 法， 其中孔壁应 力解除法又可分为探孔应 力解除法 、 孔底应 变解除法 和孔壁切割解除法。孔壁应变法可单孔准确测量岩体 的三维地应力 ， 但要求岩体完整性好且测量元件受温 度、 空气湿度等各方面影 响较大 ； 孔径变形法因测量元 件不与孔壁接触， 因此可以排除孔壁变形法存在的缺 点， 该方 法具 有适 应性 强 、 灵敏 度 高 、 周期短 等 优 点 ； 孔 底应 变 法对 岩 体 的 完 整 性 要求 低 、 测 试 成 功 率 高 但 在 我国的影响度较低 ， 且适合测量二维应力。 ３ 声发射法 声 发射法 （ Ａ Ｅ） 是 在 凯 瑟 效 应 的 基 础 上 来 测 定 地 应力的一种方法 ， 其原理 是材料受到外载荷作用之后 ， 材料内部会将储 存的应变就会释放 出来 ， 材料释放形 式为弹性波 ， 在应变释放 的过程中就会发出声响 ， 就可 以测量材料 内部的应力值。而 当测量岩 体破 裂时 ， 每 次的裂缝扩张 ， 就引起 能量的一次释放 ， 产生一次声 发射， 此时 的传感 器就 接 收 到一 次声 发射 信 号 ， 产 生一 个声 发射 波 ， 这就 叫一 次声 发射 事件 ］ 。 而 所谓 的凯 瑟效应 就 是 多 晶金 属 的 内部 从 最 高应 力瞬间释放后， 然后又重新对其进行加载 ， 当没有达到 先 前最 高应 力时 ， 会产 生 很小 的声 发射 ， 当达 到 或者 超
地应力测量方法综述
ｖａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ， ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎｇ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｈ ａ ｖｅ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ， ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ａ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ａ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ． ｋ ｅ ｙ ｉ ｓ ｓ ｕｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｕ ｍ ｍａ ｒ ｉ ｚ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ —ｓ ｉ ｔ ｕ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ， ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｔ ｕ ｒ ｅ
山工程建设 ， 最 早 的 原 位 地 应 力 测 量 起 始 于２ ０世 纪 ３ ０ 年代 。 １ ９ ３ ２ 年， 美 国 人 劳 伦 斯 （ Ｌｉ ｅ ｕ ｒ ａ ｃ ｅ ） 在 胡 佛 坝（ Ｈ０ ｏ ｖｅ ｒ Ｄａ ｍ） 下 面的
一
应用最 为广泛 。 ６ ０ 年 代末 ， 美 国人 费 尔 赫 斯 特 和 海 姆 森 提 出 了水 压致 裂 法 ， 成 为 和 应 力 解 除 法 并 驾 齐 驱 的 两 大 地 应 力 测 量 方法 ； 水 压 致 裂 法 的 突 出优 点 是 能 够 测 量
地应力测量方法资料
地应力测量方法资料地应力测量方法1.水压至裂法水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。
水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。
常规水压致裂法(HF法)HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。
在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水平主应力方位。
HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。
通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划(KTB)在主孔6 000 m和9 000 m处已成功获得了地应力资料。
HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。
但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。
为此，文献[7]基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验证。
原生裂隙水压致裂法(HTPF法)HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。
HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。
对于深孔三维地应力直接测量，HTPF 法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。
HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。
但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。
地应力及其确定方法综述
地应力及其确定方法综述【摘要】通过对比通过地应力测量方法、计算方法的分析和对比，为以后利用常规测井资料和成像测井资料计算地应力的多种方法奠定基础，进而从不同的角度对地应力进行了研究，不仅有助于提高地应力的计算准确率，而且可以多角度对地应力的形成过程进行因素分析。
【关键词】地应力；测量；水力压裂；凯瑟效应实验1.地应力地应力主要由垂力应力、构造应力、孔隙压力等组合而成。
在油田应力场研究中，孔隙压力对地应力的影响是非常重要的，实际上，由于地层岩石力学性质的非线性特征，地应力的各种成因分量间不是独立的，人们只是从其成因和研究分析问题的方便才对地应力进行分类的。
构造应力与上覆岩层压力构成了地应力，它作用于整个地质体上。
对于某一特定的地质体来说，将作用于其单位表面上的法向地应力定义为主应力。
在主应力方向上剪切应力为零，这样就可以把复杂的地应力归结为三个相互垂直的主应力，即三轴向应力（图1）。
通常其中一个基本上是垂直的，叫做垂向应力（Sv）；另外两个主应力基本上是水平的，称为最大、最小水平应力（SH、Sh）。
垂向应力由重力应力（上覆岩层压力）所构成，水平应力则主要由构造应力所构成。
在三个主应力中，垂向应力是比较容易确定的，其大小可由密度测井曲线确定，其方向是垂直的。
对于水平应力的方向，现在有许多方法，在油田中广泛采用井壁崩落法确定水平应力的方向，取得了良好的效果，测量水平应力大小的方法有水力压裂法、凯瑟效应实验、差应变法等。
2.地应力测量方法2.1水力压裂法用水力压裂法确定最小水平应力是目前进行深部绝对应力测量最精确的方法，在国内外都有着广泛的应用。
1989年3月30日测井公司在川西南界石场界19井进行了地应力测量试验，整个工艺是成功的，井口密封装置可以在68MPa高压下正常工作，仪器系统工作正常，记录到了类似于标准地应力曲线形状的压力曲线，但由于水泥环窜漏及施工时开压太快，未能反映出地层破裂压力，这口井的试验为今后进行地应力测试提供了宝贵的经验。
第六章 地应力确定
三、地应力大小测井研究
利用测井资料连续估算最小水平地应力
¾ Matthews & Kelly模型 σ H2 = Ki (σv − Pp ) + Pp
Ki为骨架应力系数，Pp为地层孔隙压力
¾ Eaton模型
σ
H2
=
ν 1−ν
(σ v
−
Pp )
+
Pp
¾ Anderson模型 ¾ Newberry模型
σ H2
一、地应力的确定方法
地应力方向及大小
地应力确定方法
岩心/岩体测试技术
地
质 资 料 分
微 压 裂
析
非 弹 性 应 变 恢 复
古 地 磁
差 应 变
凯 塞 效 应
波 速 各 向 异 性
测井资料分析技术
岩
芯
井
井
钻
壁
璧
孔
崩
诱
诱
落
导
导
法
缝
缝
井点地应力状态:主应力方向和大小
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
二、地应力方向测井研究
利用井下测井资料开展地应力研究-井壁应力崩落法-成像资料
井 壁 崩 落
致
密
层 崩 落 段 扩 径
致 密 层 崩 落
井 壁 崩 落
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
二、地应力方向测井研究
利用井下测井资料开展地应力研究-井壁应力崩落法-双井径资料
应力型椭园井眼在双井径曲线上的特征主要为： 9 由于水平主应力的不平衡性造成井壁在最小主应力方向
六、影响天然应力的因素
地形起伏 地表剥蚀 岩体性质：硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反 地下水：产生渗流应力 地温：产生温度应力
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地应力及其确定方法综述
【摘要】通过对比通过地应力测量方法、计算方法的分析和对比，为以后利用常规测井资料和成像测井资料计算地应力的多种方法奠定基础，进而从不同的角度对地应力进行了研究，不仅有助于提高地应力的计算准确率，而且可以多角度对地应力的形成过程进行因素分析。
【关键词】地应力；测量；水力压裂；凯瑟效应实验
1.地应力
地应力主要由垂力应力、构造应力、孔隙压力等组合而成。
在油田应力场研究中，孔隙压力对地应力的影响是非常重要的，实际上，由于地层岩石力学性质的非线性特征，地应力的各种成因分量间不是独立的，人们只是从其成因和研究分析问题的方便才对地应力进行分类的。
构造应力与上覆岩层压力构成了地应力，它作用于整个地质体上。
对于某一特定的地质体来说，将作用于其单位表面上的法向地应力定义为主应力。
在主应力方向上剪切应力为零，这样就可以把复杂的地应力归结为三个相互垂直的主应力，即三轴向应力（图1）。
通常其中一个基本上是垂直的，叫做垂向应力（Sv）；另外两个主应力基本上是水平的，称为最大、最小水平应力（SH、Sh）。
垂向应力由重力应力（上覆岩层压力）所构成，水平应力则主要由构造应力所构成。
在三个主应力中，垂向应力是比较容易确定的，其大小可由密度测井曲线确定，其方向是垂直的。
对于水平应力的方向，现在有许多方法，在油田中广泛采用井壁崩落法确定水平应力的方向，取得了良好的效果，测量水平应力大小的方法有水力压裂法、凯瑟效应实验、差应变法等。
2.地应力测量方法
2.1水力压裂法
用水力压裂法确定最小水平应力是目前进行深部绝对应力测量最精确的方法，在国内外都有着广泛的应用。
1989年3月30日测井公司在川西南界石场界19井进行了地应力测量试验，整个工艺是成功的，井口密封装置可以在68MPa高压下正常工作，仪器系统工作正常，记录到了类似于标准地应力曲线形状的压力曲线，但由于水泥环窜漏及施工时开压太快，未能反映出地层破裂压力，这口井的试验为今后进行地应力测试提供了宝贵的经验。
图1 三轴向地应力
2.2凯瑟效应实验（声发射法）
另一种常用的测量地应力的方法是凯瑟效应实验（声发射法）。
凯瑟（Kaiser）效应实验可以测量岩石在野外曾经承受过的最大压应力。
地下岩层因遭受地质历史中的构造应力场作用，普遍发育有微观或隐蔽的格里菲斯微裂纹（GriffithMicrofracture）。
在进行声发射实验时，实验样品在模拟古应力场的加载过程中，当应力值达到或大于微裂纹形成时的应力强度后，微裂纹就会失稳扩展而形成不可逆的声发射效应，即所谓“Kaiser”效应，其中微裂纹初始扩展点的应力值可代表其形成时的古应力强度，即所谓Kaiser效应对古应力场强度的记忆。
如连续施加载荷力，不同期次的微裂纹就会相继扩展而形成多个Kaiser效应点，并由Kaiser效应点的个数和应力分量反映岩石所经历过的应力场期次和强度。
必须指出的是，岩石如果遭受某一期次的应力场强度高于该期之前
的应力，那么不仅形成新的微裂纹，同时前期的应力记忆随微裂纹扩展会被抹掉。
因此Kaiser效应点只能有限地记忆某个最高应力场强度及其之后的各应力场期次。
又由于Kaiser效应点对古应力强度由高到低的期次的更好的记忆力，实验是在载荷逐渐加大的过程中进行，因而在实验曲线（AE曲线）上相继出现的Kaiser效应点，与其所代表的应力场期次在顺序上恰好相反。
Kaiser效应点具有方向上的独立性，最高声发射次数（或频率）和应力分量值应出现在最大古应力方位上。
因此，只须测出某点3个或3个以上方位的同期应力分量值，即可利用应力计算公式求得该点在三维空间上的最大古应力方位及强度，这一具方位概念的实验，样品必须取自定向岩芯或露头，无方位概念的样品，仅反映应力场期次及应力强度的相对高低和变化范围。
3.地应力的测量方法与计算方法比较
地应力测试是获取地应力数据较为直接和有效的手段。
理论上讲，它应该比其它方法具有更高的精度，但是它存在以下几点不足：
（1）测量数据有限（如在四川进行的地应力测量就不多），不能得到连续的地应力剖面，对没有进行地应力实测的地层，只能大致估计其地应力范围；
（2）地应力测试成本高；
（3）并非所有地层均可进行地应力实测，如对特薄层不能用水力压裂方法测得其精确的地应力值，特别是对产层以上的覆盖层，油井生产常常不允许将其击穿，而井较深时，由于设备和管路的耐压等条件限制，可能不会将其压出裂缝。
另一种获取地应力数据的手段是通过计算得出。
岩层在几百万年的沉积过程中，受到压实、胶结、冷热以及地层构造变形、剥蚀等多种作用的影响，在如此复杂的环境下，用简单的模型来描述地下复杂的应力状态是困难的。
地应力计算比地应力测量有着不可比拟的方便性和经济性，其光明的前景吸引着人们去不断探索。
进行少量的地应力测量，用地应力实测数据去检验，标定地应力计算结果，并得到沿井深连续分布的分层地应力剖面是一种切实可行的方法。
原地应力计算主要有以下几方面的优势：
（1）可充分利用测井资料提供的大量信息，方便、迅速地得到沿井深连续分布的地应力剖面，对没有进行地应力实测的地层可计算得到较为准确的地应力数值；
（2）节省昂贵的地应力测试费用，具有很大的经济效益；
（3）对计算得到的连续地应力剖面可以进行数学分层处理；
（4）利用地应力计算可对油田开发过程中地应力场的变化规律进行分析。
迄今为止，人们在地应力计算方法上已作了许多努力，取得了显著的进展，归纳起来主要有以下四类：
（1）有限元数值模拟
有限元数值模拟可分为二维有限元数值模拟和三维有限元数值模拟，它强烈地依赖于所建立的地质模型、力学模型以及边界条件。
（2）应力历史方法
Warpinski，Parts，Narr和Currie等人都在建立沉积盆地的应力历史方面做过工作，其具有代表性的工作是由N.R.Warpinski所建立的时间—历史方法（time—historyapproach）。
在该方法中，假定现今应力是岩体全部历史的结果，而非只决定于目前的条件。
模型中考虑了下述因素，即由于天然气形成引起的孔隙压力变化、温度梯度和局部热幕、固结和成岩作用和所带来的材料特性的变化和构造作用的变化。
该方法考虑了地层的粘弹性特性，利用粘弹对应原理获得了
一完全的粘弹性解。
但是这种方法比较复杂，特别是在绝大多数情况下，人们得不到盆地沉积和构造活动的全部历史，使该方法的应用受到限制。
（3）根据相对简单的地应力计算模型利用测井资料计算地应力
根据地应力分布规律和影响地应力诸多因素的分析，建立起地应力计算的半经验公式（模型），利用测井资料计算模型中的参数，可计算得到地层的地应力数据。
这种方法的优点是比较简单、成本低，可以得到沿纵向的地应力剖面。
但到目前为止，这种方法的理论基础不是很完善，带有一定程度的经验色彩。
由于这种方法具有无可比拟的优点，尽管其理论基础还不令人满意，却得到广泛应用。
（4）根据钻井过程中井眼失稳状态反演原地应力
钻井过程中经常遇到的井眼失稳形式主要有井漏、井塌和缩径。
井眼失稳最根本的原因是地应力的作用。
因此利用井眼失稳信息反演地层的原地应力是完全可能的。
井眼失稳状态可反映地层应力的大致范围，因此这种估算地应力值的方法为解决工程问题提供了有益的信息。
地应力的测井计算方法就是把第三种和第四种方法结合起来，建立符合实际的地应力计算模型，利用测井资料计算岩石力学参数，开展地应力分布规律的研究，并给出连续的地应力剖面，编制方便、实用的计算机软件；分析井眼失稳与地应力的关系，对井眼稳定性进行分析。