石油工程岩石力学_地应力
第4讲-岩石力学-油田地应力及其确定方法概要
地下压力概念图示
什么是孔隙压力
静水压力与地表自由水位沟通
• 海上—海平面 • 陆上—潜水面
静水压力取决于流体密度
-地层水密度随溶解固体（主要为盐）浓度的变化而变化。 -盐度受以下因素影响：原生水史、温度、成岩作用、靠近盐体、渗透性
地层孔隙压力状态分类表(据杜栩，1995)
压力系数 <0.75 0.75-0.9 0.9-1.1 1.1-1.5 >1.5
地应力及其确定方法
提纲
一、油田地应力的定义及组成 二、油田地应力的确定方法 三、分层地应力 四、区域地应力预测
一、油田地应力的定义及组成
什么神秘的力量造成的满目疮痍，惨不忍睹 造成了地貌沧海桑田的巨变
一、油田地应力的定义及组成
盐膏层
套管 水泥环
套损区
什么原因导致深部盐层套管被挤毁？
一、油田地应力的定义及组成
地层压力预测方法
Eaton法求取地层压力
Eaton原始方法（Eaton,1972）利用的是孔隙压力和地震波旅行时间等参数 的幂指数关系，这种关系并不随岩性或深度的变化而变化：
n
pp
po
( po
ph )
tn to
式中，pp-预测的孔隙压力； pob-静岩压力； ph-正常的静水压力； Δtn-地震波在正常的泥岩中的旅行时间； Δto-实测的地震波在泥岩中的旅行时间； n-Eaton指数。
(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.
石油工程岩石力学-地应力
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而 线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构 造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
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；
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；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2
5、地应力
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
水平主应力的测量：
测量的对象：水平地应力的大小和方向
地应力方向的测量方法：井壁崩落椭圆法 地质力学方法 压裂裂缝监测法 地应力大小的测量方法：水力压裂试验 声发射Kaiser效应
岩心差应变实验法
一、井壁崩落椭圆法判断水平地应力方向
水平最大主应力方向
一般情况下，井壁坍
塌形成的椭圆形井眼，
长轴与最大水平主地 应力方向垂直
（理论依据是什么？）
水平最小主应力方向
井壁发生坍塌后的井眼形状与井眼钻开后应力的重分布有关井眼坍塌破坏形状σ Nhomakorabeah
σ
H
σ
H
σ
h
井眼坍塌长轴方向的变化
水平最小主应力 节理破碎地层塌块 大，井眼长轴在最 大水平地应力方位 水平最小主应力
水平最大主应力
完整地层塌块小， 井眼长轴在最小水 平地应力方位
井壁崩落椭圆资料的获取与识别
应力
取心方式与实验设备
加载装臵
声信号接收设备
实验步骤：
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；记录下加载过程 中岩样内部微破坏所发出的声发射信号 将向载荷卸致零，进行第二次加载； 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲线。
石油工程岩石力学-地应力知识讲解
Kaiser效应试验结果的解释
σV σαPpKPc
σH
σ0σ 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
αPpKPc
σh
σ0σ90 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
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
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
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
走滑断层（拗断层）与地应力
《岩石力学》 地应力及其测量
1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。
自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。
2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。
答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。
3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σℎ=σv=γH金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。
他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：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、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。
5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。
关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。
土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。
6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。
答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。
地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。
重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。
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。
岩石力学-地应力的测量 直接测量法
测量步骤
3.2直接测量法(水压致裂法)
优缺点
水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最 小主应力的大小和方向，所以从原理上讲，它是一种二维应力测量方 法。
原理
3.2直接测量法(水压致裂法)
从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受
到无穷远处二维应力场( 1 ， 2)的作用时，离开钻孔端部
一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周 边的应力为
1 2 2(1 2 ) cos 2 r 0
式中， 和 r分别为钻孔周边的切向应力和径向应力； 为周边一点与 1轴的夹角。
Pi 3 2 1 T
原理
3.2直接测量法(水压致裂法)
P
3
水压致裂应力测量原理
如果继续向封隔段注入高压
水，使裂隙进一步扩展，当
裂隙深度达到3倍钻孔直径
时，此处已接近原岩应力状
态，停止加压，保持压力恒
定，将该恒定压力记为Ps,Ps 应和原岩应力相平衡， 即
3.2直接测量法(水压致裂法)
1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将钻 孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径 与所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一 般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用 气体。
2）向二个封隔器的隔离段注射高压水，不 断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始 开裂压力；然后继续施加水压以扩张裂隙， 当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压 系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭 压力，记为；最后卸压，使裂隙闭合。在整 个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图 和流量-时间曲线图，确定Pi，Ps值。
石油钻井工程中的岩石力学应用研究
石油钻井工程中的岩石力学应用研究石油钻井工程是石油勘探及开发的重要环节，其中岩石力学的应用研究起着非常关键的作用。
岩石力学是研究岩石与力学相互作用的学科，通过分析岩石的物理力学性质，为石油钻井工程的设计和施工提供科学依据。
本文将介绍岩石力学在石油钻井工程中的应用及相关研究进展。
一、岩石力学的基本概念岩石力学是研究岩石在地壳应力下的变形与破裂规律的学科。
岩石在受到外力作用时，会发生各种变形，包括弹性变形、塑性变形和破坏变形等。
岩石力学研究的主要内容包括岩石力学性质的测试与评价、岩石力学参数的确定、岩石结构及其力学特性的分析等。
二、岩石力学在石油钻井中的应用1. 井壁稳定性分析在石油钻井过程中，井壁的稳定性对于钻井安全和石油开采效益具有重要影响。
岩石力学可以通过对井壁岩石性质及其对地应力的响应进行研究，评估井壁的稳定性，并提供相应的支护设计建议。
通过合理控制钻井液的性质和加强井壁支护措施，可以减少井壁垮塌和漏失等问题，提高钻井的顺利进行。
2. 钻井液的设计与优化钻井液在石油钻井工程中起着冷却钻头、清洁井孔等重要作用。
岩石力学可以通过分析岩石的物理力学性质和井壁稳定性需求，推断钻井液的性质要求，并根据具体情况进行设计与优化。
合理选择钻井液的成分和浓度，可以提高钻井液的性能，降低钻井风险，提高钻井效率。
3. 孔隙压力分析在石油钻井过程中，岩石的孔隙压力是衡量油气储层性质和钻井安全性的重要指标。
岩石力学可以通过分析地层中的孔隙结构和孔隙流动规律，推断孔隙压力的分布及其变化趋势，并根据这些数据制定合理施工方案。
合理控制孔隙压力可以减少井喷和井探等钻井事故的发生，为石油勘探开发提供有力的支持。
三、岩石力学在石油钻井领域的研究进展随着石油钻井工程的不断发展，对岩石力学的研究需求也在不断增加。
当前，岩石力学在石油钻井领域的研究主要集中在以下几个方面：1. 岩石力学参数测试方法的改进岩石力学参数的测试是岩石力学研究的基础，其准确性和可靠性直接影响到工程设计的可行性和钻井安全。
地应力测量及应用-中石化江汉油田测录井公司
即，侧压力系数λ= σH/ σv＞1 侧压力系数λ=
原地应力的三个方向的主应力σ 原地应力的三个方向的主应力σv、 σH、σh均随深度的增加而增大。 均随深度的增加而增大。
主要内容
一、概述 二、原地应力分布的基本规律 三、原地应力的测量及计算 四、地应力研究在油田开发中的应用
中国石化江汉石油管理局测录井工程公司
Well Logging Engineering Company Jianghan Petroleum Administration SINOPEC
原地应力的分布基本规律
中国石化江汉石油管理局测录井工程公司
Well Logging Engineering Company Jianghan Petroleum Administr测录井工程公司
Well Logging Engineering Company Jianghan Petroleum Administration SINOPEC
Well Logging Engineering Company Jianghan Petroleum Administration SINOPEC
井壁崩落法
在不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度，根据脆性破裂理 在不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度， 论，当作用应力差超过该处岩石的破裂强度时，就会产生井壁崩落现象，形成 当作用应力差超过该处岩石的破裂强度时，就会产生井壁崩落现象， 井壁崩落椭圆，其长轴方向与最小水平主应力平行。 井壁崩落椭圆，其长轴方向与最小水平主应力平行。 确定井壁崩落的基本准则： 确定井壁崩落的基本准则： a）井眼崩落井段必须超过一定长度； ）井眼崩落井段必须超过一定长度； b）两条井径中，其中较小的井径数值必须接近钻井的钻头尺寸； ）两条井径中，其中较小的井径数值必须接近钻井的钻头尺寸； C）当井斜时，扩径的长轴方向不能与井眼的高边方位一致。 ）当井斜时，扩径的长轴方向不能与井眼的高边方位一致。
地应力计算
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
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
1
6.1 概 述
一、基本概念
原地应力(in site stresses )：指钻井（drilling ）、油气开采
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
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。
地应力计算公式
地应力计算公式地应力是指地壳内部由于板块运动和岩石变形所引起的应力状态。
地应力的计算可以基于地球物理观测、实验室试验以及地质构造分析等多种方法。
下面我们将介绍一些常见的地应力计算公式及其相关参考内容。
1. 斯德文斯贝克公式：斯德文斯贝克公式是基于岩石强度理论推导出的地应力计算公式。
它表达了地应力与岩石密度、深度以及大地水平应力的关系。
该公式为：σz = ρgz + K (σh - ρgz)其中，σz代表垂直应力，σh代表水平应力，ρ代表岩石密度，g代表重力加速度，z代表深度，K为斯德文斯贝克常数。
参考内容：Zhu, W. and Dormieux, L., "A micromechanical homogenization model for estimating the elastic properties of porous rocks," International Journal of Solids and Structures,42(13), 2005, pp. 3649-3668.2. 多道条件准则公式：多道条件准则公式考虑了多个力学条件，包括强度准则、劈裂准则以及破碎准则等。
该公式通过辅助面的概念来描述地应力状态。
公式示例如下：F = σ1 - σ3 - 2C0tanφ其中，F为多道条件准则函数，σ1和σ3分别为主压应力和主拉应力，C0为岩石内聚力，φ为内摩擦角。
参考内容：Jaeger, J.C., Cook, N.G.W. and Zimmerman, R.W., "Fundamentals of Rock Mechanics," 4th ed., Blackwell Publishing Ltd., 2007.3. 岩石力学模型：岩石力学模型是通过试验室测试岩石样本的物理力学性质得出的地应力计算方法。
这些模型包括弹性模型、弹塑性模型以及塑性模型等。
岩石力学课件第三章 地应力测量.ppt
11
岩石力学
二、地应力认识的历史
哈斯特地应力实测
20世纪50年代，哈斯特最先在斯堪的纳维 亚半岛开展了地应力测量工作。
哈斯特发现存在于地壳上部的最大水平主 应力一般为垂直应力的1～2倍，其至更多； 在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa， 从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和 以垂直应力为主的观点。
12
岩石力学
三、地应力的成因
(1)、大陆板块边界受压引起的应力场
13
岩石力学
三、地应力的成因
(2)、地成因
地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）
15
岩石力学
三、地应力的成因
(3)、由地心引力引起的应力场 (4)、地温梯度引起的应力场
16
岩石力学
三、地应力的成因
1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静
水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力
等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应
力)是泊松效应的结果，其值应为γH乘以
一个修正系数λ（侧压力系数）。他根据
弹性力学理论，认为：
1
v
H , h
H
1
H
9
岩石力学
二、地应力认识的历史
朗金假设
朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆
岩层的重量，而侧向应力(水平应力) 应为
γH乘以一个修正系数λ（侧压力系数）。
他根据松散介质理论，认为：
tg 2 ( )
42
v
H , h
H
tg2 (
4
)
2
H
10
岩石力学
二、地应力认识的历史
地质学家李四光
本世纪20年代，我国地质学家李四光指出， “在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚 度的情况下，水平应力分量的重要性远远超 过垂直应力分量” 。
石油工程岩石力学期末考试之名词解释
石油工程岩石力学期末考试之名词解释1.岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的一门新兴科学。
—建筑世界《岩石力学研究的现状和未来》 岩石力学是运用力学和物理学的原理研究岩石的力学和物理性质的一门科学，目的在于充分掌握和利用岩石的固有性质，解决和解释生产建设中的实际问题—《中国大百科全书－力学卷》岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用科学，探讨岩石对周围物理环境中力场的反应的力学分支—美国科学院岩石力学委员会2.粘性元件：简称牛顿体（N 体），它是应力与应变率服从粘性牛顿定律的线性粘性体。
塑性元件：简称圣维南体（S 体），其特性是：当应力小于屈服应力时，介质完全不产生变形；当应力大于屈服应力时，则产生塑性流动。
弹性元件：简称虎克体（H 体），它是应力应变服从虎克定量的弹性体。
可用一个弹簧来模拟。
（弹性元件、粘性元件、塑性元件都是基本变形单元）3.蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
4.孔隙度：岩石单元中孔隙体积V φ与实体骨架体积Vs 之间的比率5.渗透性：岩石中的多数孔隙是相互连通的，在一定压差作用下，岩石可以让流体在孔隙中流动的性质。
s V V ϕφ=6.渗透率：用于表征岩石渗透能力的一个参数。
绝对渗透率K：岩石完全为某种流体所饱和时，岩石与流体不发生物理化学反应，在压力作用下岩石允许该流体所通过能力的大小。
有效渗透率Ke：当岩石为两种或多种流体饱和时，岩石允许其中某种流体渗透能力的大小，不论此时其流体流动与否。
相对渗透率Kr：岩石的有效渗透率与绝对渗透率的比值。
7.原生孔隙：是在成岩过程中产生的孔隙。
次生孔隙：由于内、外力作用产生的孔隙。
8.孔隙压力：孔隙中的液体对颗粒产生的压力，这种压力与颗粒表面垂直，称为孔隙压力。
正常孔隙压力：岩石沉积速度和排流速度相平衡。
异常孔隙压力：岩石沉积速度大于排流速度9.有效围压：围压与孔隙液压之差。
（多孔岩石的强度取决于有效围压）10.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。
地应力在石油工业中的研究现状
第15卷 第57期大 自 然 探 索V o l.15,Sum N o.57 1996年 第3期EXPLO RA T I ON O F NA TU R E N o.3,1996地应力在石油工业中的研究现状王越之 李自俊(江汉石油学院石油工程系,湖北荆沙434102)摘 要 石油勘探与开发的全过程都与地壳岩石的应力状态及其变化密切相关。
本文系统地介绍了地应力的力学分析、检测方法以及在石油工业中各领域的应用等方面的历史与现状。
关键词 地应力,历史,现状,石油工业地应力即地壳岩石应力,它是地壳岩石中广泛存在着的一种自然力,是在地球物理学、岩石力学、渗流力学与地质学等多学科的基础上发展起来的边缘学科。
任何与地壳岩石接触的工程都受到它的影响和制约。
诸如地震活动的规律及其预报,板块的运移与变迁,隧道的凿进,大坝的选址与安全以及油气的勘探与开发等都与地应力的状况及其变化规律有着密切的联系。
地应力的研究包括理论与应用两部分,其中理论研究又包括以岩石内部特征为基础,研究描述岩石所处应力状态的力学分析和以岩石所表现的外部应变特征,研究检测岩石应力的方法与技术。
理论研究是检测技术的基础。
1 地应力的力学分析地应力是地壳岩石所承受的应力,与其他应力一样,它是由于外因(力、温度变化等)引起物体变形时,在其内部任一截面单位面积上的作用力。
根据广义虎克定律,对于地壳岩石任意一个六面体来说,微元上的应力Ρij与应变Εij的关系可表示为Ρij=C ijk lΕk l(1)式中C ijk l为待定系数,它有34=81个,它们都是与岩石性质有关的常数。
111 地应力的力学简化分析由于上式中系数太多无法确定,在应用时将其简化。
假设岩石为各向同性,均匀一致,满足线弹性规律,且岩石在垂直方向上可以自由变形,水平方向上地应力相等〔1〕。
基于上述假设条件,安德森(R.A.A nderson)〔2〕等人于1973年首先推导出地应力的计算式Ρx=Ρy=ΛΡz(2)1-Λ大自然探索1996年第3期(总第57期)式中Ρx,Ρy和Ρz分别为两个水平方向(x和y)和垂直方向的地应力,Λ为岩石泊松比。
06地应力测量及计算
06地应力测量及计算地应力是指地壳内部的应力状态。
测量和计算地应力是地下工程设计、开采矿山和岩石力学研究的重要内容之一、本文将介绍地应力的测量方法和计算方法。
地应力测量方法主要有三种：地应力测量仪、孔隙压力测量仪和地关锚力计。
地应力测量仪是一种常用的测量地应力的方法。
它通过在地下埋设一根压力计，测量地应力的大小和方向。
常用的地应力测量仪有压力孔测量仪、普鲁茨钻杆测量仪和磁性差压计。
压力孔测量仪是一种通过安装于孔底的支撑杆和压力计来测量地应力的方法。
普鲁茨钻杆测量仪是一种通过在孔内装置一个强弹簧的测量仪器，通过测量弹簧的变形来推断地应力的大小和方向。
磁性差压计是一种通过测量磁场的变化来推断地应力的方法。
另一种常用的地应力测量方法是孔隙压力测量仪。
它是一种通过在井孔内测量孔隙压力变化来推断地应力的大小和方向的方法。
这种测量方法一般适用于石油地质勘探和地震地质研究。
它通过在井孔内安装一根测井电缆和压力传感器来测量孔隙压力变化，然后通过杨氏模量和泊松比等参数来计算地应力的大小和方向。
地关锚力计是一种通过测量地下锚杆的受力情况来推断地应力的大小和方向的方法。
它通过在地下锚杆上安装应变测量装置和载荷传感器来测量地区承受的力的大小和方向。
地关锚力计主要用于矿山、隧道和岩土工程领域。
地应力的计算方法有两种：经验计算法和数值计算法。
经验计算法是根据经验公式和经验数据来计算地应力的大小和方向。
常用的经验公式有Kirsch公式、帕斯卡公式和修正Bjerrum公式。
这些公式基于土岩力学理论和实际工程经验推导出来，可以快速计算地应力的大小和方向。
数值计算法是通过建立地应力的数值模型来计算地应力的大小和方向。
常用的数值计算方法有有限元法、有限差分法和边界元法。
这些方法可以利用计算机进行计算，通过建立地下的有限元网格或差分网格来模拟地下结构和地应力，从而计算地应力的大小和方向。
综上所述，地应力的测量和计算是地下工程设计、开采矿山和岩石力学研究的重要内容之一、地应力的测量方法主要包括地应力测量仪、孔隙压力测量仪和地关锚力计。
地应力及其原理
▪ 6.3 地应力的变化规律 ▪ 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基
本规律：
▪ （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。 ▪ 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着时间和
设钻孔壁发生初始开裂时的水压为则有原理如果继续向封隔段注入高压水使裂隙进一步扩展当裂隙深度达到3倍钻孔直径时此处已接近原岩应力状态停止加压保持压力恒定将该恒定压力记为p应和原岩应力相平衡原理在钻孔中存在裂隙水的情况下如封隔段处的裂隙水压在初始裂隙产生后将水压卸除使裂隙闭合然后再重新向封隔段加压使裂隙重新打开记裂隙重开时的压力为p原理由以上两式求就无须知道岩石的抗拉强度
应力或原岩应力。
▪ 6 地应力及其测量 ▪ 6.1概述 ▪ 6.1.1 基本概念 ▪ 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱
发应力。 ▪ 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
6.1 概论
▪ 一、 地应力测量的必要性 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力，地质作用残存的应力。
论）， ▪ 认为这个测压系数等于 ，即：
▪ 式中： —上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围为0.15~0.30。
1
v H,h 1H
▪ ▪
此同期时的，当其他一些时人，主要关心，0的即.5也海是姆如假何说用只一是些h金数尼学克v公假式说H 来的定一量个地特计例算。地应力的大小，并且也都认
岩石力学-地应力的测量
实测地点
斯勘的纳维亚等 地
统计数 目
51
h,min/h,max (%)
1.0~0.7 0.75~0.5 0.50~0.2 0.25~ 合
5
0
5
0计
14
67
13
6 100
北美
222
22
46
23
9 100
中国
25
12
56
24
8 100
中国华北地区
18
6
61
22
11 100
课堂习题
已知5000m深处某岩体侧压力系λ=0.8，泊 松比μ=0.25，在岩体被剥蚀2000m后，侧 压力系数为多少？
h v H
式中，为水平应力；为垂直应力；为上覆岩层容重；为深度。
3.1 概论
3.1.1 地应力测量的必要性
c 地应力分布理论：
金尼克假设：（弹性力学假设）
v H
h
H 1
式中， 为上覆岩层的柏松比。
3.1 概论
3.1.1 地应力测量的必要性
c 地应力分布理论： 李四光：在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情
b.一般地温梯度：
3 C
岩体的体膨胀系
/100m
数：
，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力
10-5
约为：
T zE 0.03105 104 zMPa 0.003zMPa
z--深度/m。 温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。
3.1 概论
况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力 分量。 哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的最大主应力几 乎处处是水平或接近水平的，从根本上动摇了地 应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。
岩石力学基础教程教学课件侯公羽第6章地应力
地应力测量的原理
岩石力学性质
地应力的测量依赖于对岩石力学 性质的充分了解，包括岩石的弹 性模量、泊松比、抗剪强度等参 数。
应变平衡方程
根据岩石中的应变平衡方程，通 过测量岩石中的位移和应变，结 合岩石的力学性质，可以推算出 地应力的大小和方向。
测量误差分析
地应力的测量存在误差，包括测 量设备的误差、岩石力学性质的 误差以及数据处理和分析的误差 等，需要进行误差分析和修正。
地应力的利用
地应力用于能源开发
地应力可以用于石油、天然气的开采，通过分析地应力分布，可 以提高开采效率。
地应力用于地下工程
在地下工程中，可以利用地应力进行支护和稳定，例如隧道、矿山 的开挖。
地应力用于地质灾害防控
通过分析地应力分布，可以预测地质灾害的发生，如滑坡、泥石流 等，从而采取相应的防控措施。
要点一
边坡工程中的地应力分布
边坡工程中的地应力分布受到地形、地质构造、地下水等 因素的影响。
要点二
地应力对边坡工程稳定性的影响
地应力的大小和方向对边坡工程的稳定性有着重要影响。 在边坡工程设计和施工过程中，需要对地应力进行测量和 评估，以确保边坡的稳定性和安全性。
05 地应力在工程中的利用与 控制
地应力测量的应用
岩土工程设计
在岩土工程设计中，地应力是重 要的设计参数，通过地应力测量 可以了解工程区域的地应力状态，
为工程设计和施工提供依据。
地质灾害防治
地应力测量可以帮助了解地质灾害 发生区域的地应力状态，为地质灾 害防治提供科学依据。
矿产资源开发
在矿产资源开发中，地应力测量可 以帮助了解矿体的应力状态，为矿 产资源的开采提供技术支持。
04 地应力对工程的影响
石油工程领域常用地应力计算模型统计
地应力计算公式（一）、井中应力场的计算及应用 主应力计算根据泊松比μ、地层孔隙压力贡献系数V 、孔隙压力0P 及密度测井值b ρ可以计算三个主应力值：()001H v A VP VP μσσμ⎡⎤=+-+⎢⎥-⎣⎦()001h v B VP VP μσσμ⎡⎤=+-+⎢⎥-⎣⎦Hv b dh σρ=⋅⎰相关系数计算：应用密度声波全波测井资料的纵波、横波时差（p t ∆、s t ∆）及测井的泥质含量sh V 可以计算泊松比μ、地层孔隙压力贡献系数V 、岩石弹性模量E 及岩石抗拉强度T S 。
① 泊松比22220.52()s p spt t t t μ∆-∆=∆-∆② 地层孔隙压力贡献系数 22222(34)12()b s s p m ms mp t t t V t t ρρ∆∆-∆=-∆-∆ ③ 岩石弹性模量 2222234s pb ss pt t E tt tρ∆-∆=⋅∆∆-∆④ 岩石抗拉强度 22(34)[(1)]T b s p sh sh S a t t b E V c E V ρ=⋅⋅∆-∆⋅⋅⋅-+⋅⋅注：,,,m ms mp t t ρρ∆∆分别为密度测井值，地层骨架密度，横波时差和纵波时差值。
,,a b c 为地区试验常数。
其它参数不同地区岩石抗压强度参数是参照岩石抗拉强度数值确定,一般是8～12倍,也可以通过岩心测试获得。
岩石内摩擦系数及岩石内聚力是岩石本身固有特性参数,可以通过测试分析获得。
地层孔隙压力由地层水密度针对深度积分求取,或者用重复地层测试器RFT 测量。
也可以通过地层压裂测试获得,测试时,当井孔压力下降至不再变化时,为储层的孔隙压力。
（二）、一种基于测井信息的山前挤压构造区地应力分析新方法基于弹性力学的测井地应力分析以弹性力学理论为基础,经过一定的假设条件和边界条件可以推演出用于计算地下原地应力的数学模型,用地球物理测井信息(包括声波全波列和密度等)确定模型参数,对地应力进行连续计算与分析。
第2讲-岩石力学-岩石力学及其在石油工程中的应用
垂直应力
Pp
孔隙压力
最大主应力 • 孔隙压力
岩石机械力学性质
最小主应力
C0
岩石外载-上覆岩层压力
岩石外载-上覆岩层压力
• 密度反演：当没有密度测井数据时，可以通过声波、电阻 率测井等数据进行反演。
The Rock Physics Handbook. Mavko et al., 2003
开发过程中地应力动态变化
二、岩石力学研究的系统性问题
工程角度：井筒的概念，小尺度、静载到动载、弹性塑性粘性、多场耦 合；研究钻头动载破碎力学和三维钻速方程，多场耦合组合岩性的井壁失稳 问题，非平面水力裂缝起裂、扩展机理，测试完井过程的井筒稳定力学；解 决高效钻头设计或优选、钻井液性能设计与工程对策、钻井井身结构和套管 强度设计、水平井压裂和深井压裂有利缝（网）的形成的方法与工程对策； 测试安全与完井井筒完整性。
根据应力应变曲线可确定抗压强度、杨 氏模量及泊松比
应力应变曲线
岩石力学性质-杨氏模量、泊松比
杨氏模量 ：岩石每增加单位 应变所需增加的应力
E /
式中：E－弹性模量； －应力；－应变
泊松比：压缩应力作用下岩石
横向应变与纵向应变之比
横 纵
应力应变曲线
岩石力学性质
工程地质学
现代地质力学特点 成分 微结构 深部地质体 宏观结构
岩石力学
未来力学行为
强度力学行为 变形力学行为
地应力场
渗流场
温度场
破碎岩石 保持稳定
二、岩石力学研究的系统性问题
尺度：地质物探的大尺度；油藏开发的中等尺度；钻测录试的小尺度和细观 尺度；目前主要后者为主。
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Kaiser效应试验结果的解释
σ V = σ ⊥ + αPp − KPc
1 σ 0° + σ 90° σ 0° − σ 90° σH = + 1 + tg 2 2φ 2 + αPp − KPc 2 2 1 σ 0° + σ 90° σ 0° − σ 90° σh = − 1 + tg 2 2φ 2 + αPp − KPc 2 2
主应力
τmax planes
σa = σ1
slip planes
σr
三轴试验 应力状态
z
原地应力
在石油工程中， 我们通常假设： σv 为主应力之 一
Anderson理论 理论——断层类型与主应力关系 理论 断层类型与主应力关系
正断层与地应力
σv = σ1 σhmin = σ3
地垒－地堑结构
σHMAX = σ2
(
)
(
)
现场水压致裂法： 现场水压致裂法：
根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发， 根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发， 通过测出地层破裂压力，裂隙重张压力， 通过测出地层破裂压力，裂隙重张压力，裂隙闭合压 力，可求出最大、最小水平主地应力。 可求出最大、最小水平主地应力。 水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。 水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。 测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度、渗透率、 测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度、渗透率、 孔隙连通性影响较大。
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 天然应力：人类工程活动之前，天然状态下， 天然应力 体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体 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。 初始应力，有时也称为地应力。 地应力 2.重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内 重布应力： 重布应力 岩体初始应力的改变， 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。 应力称为重布应力或二次应力。 重布应力或二次应力
A Borehole in a Stress Field
Here, σv = σ2, σHMAX = σ1, σhmin = σ3, and σ1 > σ2 > σ3 Φ
Hole inclination parameters
Ψ
σ2 σ1 σ3 p
Principal stresses Coordinates parallel to earth’s surface
是所有地质力学问题中重要的初始条件； 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； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；
利用水力压裂试验数据计算地应力： 利用水力压裂试验数据计算地应力：
σ =P
Hmin
FCP
σ Hmax = 3σ Hmin −αPp − Pf + St
St = Pf − P r
井壁崩落椭圆法确定主应力方向
构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位。 构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位。在地 层倾角测井记录上， 层倾角测井记录上，一条井径曲线比较平直或等于钻头直 径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多，而非应力孔 而另一条井径曲线则比钻头直径大得多， 眼井径曲线上表现为，钻头孔截面没有明显的长轴方向。 眼井径曲线上表现为，钻头孔截面没有明显的长轴方向。 由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地 应力方向一致，即与最大水平地应力方向垂直， 应力方向一致，即与最大水平地应力方向垂直，因此可借 用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向。 用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向。
拉伸 拉伸
θ
倾角
典型应力状态： σv = σ1 >σHMAX = σ2>σHmin = σ3
走滑断层（拗断层）与地应力
σv = σ2 σhmin = σ3
锐角
σHMAX
σHMAX = σ1 σhmin
几乎垂直的断层面
σHMAX
伴生正断层
典型应力状态： σHMAX = σ1> σv = σ2 > σHmin = σ3
井周地层应力状态
(σ H + σ h ) (σ H − σ h ) R2 R2 3R 4 (1 + 2 ) − (1 + 4 ) cos 2θ σθ = − 2 P + 2 2 r r r R2 α (1 − 2ν ) + δ[ (1 + 2 ) − φ ]( P − Pp ) 2(1 − ν ) r
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 我国从 年代末开始天然应力量测
东部：太平洋板块向W俯冲 东部：太平洋板块向 俯冲 东部：太平洋板块向W俯冲 东部：太平洋板块向 俯冲
北部： 北部：西伯利亚板块阻挡
南部：菲律宾板块向 俯冲 南部：菲律宾板块向N俯冲
区块分布特征
σ1 > σ2 > σ3 σ1 σ3 σ2 σ1 σr = σ3 σ2 σ3 σv σH > σh σh σH σa
σv
σHMAX ~ σv >> σhmin
σHMAX σhmin
σv >> σHMAX > σhmin
σhmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
σHMAX σv σHMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
σhmin
σHMAX >> σv > σhmin
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）； 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： 在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力： 密度×重力加速度×深度） σv = ρgz （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； 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； 在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；
x
y
Effective stresses: σ1 ’ = σ1 - p σ2 ’ = σ2 - p σ3 ’ = σ3 - p p = pore pressure
z
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
逆掩断层与地应力
σv = σ3 σHMAX = σ1
hinge points
overthrust sheet
B A
highly fractured zone
C largely unfractured shale
high-p shale
static basal sheet
compression
四、进行地应力研究的意义：
第一节 概 述
+ + + + + +
+ + + + + +
++++++
天然应力
→ ← ↓ σθ ↑
σθ σ θ
∧
重分布应力
概 述
一般情况下主地应力表示方法
地表 垂直主应力σ 垂直主应力σv
H
水平最小主应力σ 水平最小主应力σh
水平最大主应力σ 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
水平主应力的求取： 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： 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： 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
AE Counts
Kaiser effect point
Load
室内岩心试验法：
MTS岩石力学 MTS岩石力学 实验装置
中国石油大学 （北京）岩石 北京） 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备，能 仪器设备， 够完成凯塞尔 效应、单轴/ 效应、单轴/三 轴抗压试验、 轴抗压试验、 水力压裂室内
SAMOS多通道声 SAMOS多通道声 发射装置
Favored hole orientation
σv
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis 60° cone
σh min
A
σθA
σh max
典型的水力压裂试验曲线
Hale Waihona Puke 监测裂缝扩展和关井后的压 力，准确确定最小主应力
volume
(after Gaarenstroom et al., 1993)
典型的水力压裂试验曲线