《地应力与裂缝预测》PPT课件
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裂缝预测讲座PPT
20
碳酸盐储层裂缝的预测
威远气田寒武系气藏洗象池组属于碳酸盐岩气藏，它的储集 空间主要是孔隙、构造缝以及在构造缝基础上改造形成的裂缝等 ，其中构造变形是储集层形成裂缝的主要因素。影响裂缝发育的 因素有很多，如岩层的厚度、脆性成分含量、孔隙度、构造变形 等，但是影响裂缝发育的关键因素还是构造变形程度。因此，当 储层在纵向上变化不大时，选用构造主曲率法对碳酸盐岩油气藏 裂缝发育及分布期次进行预测是可行的，计算结果主要反映现今 构造裂缝的展布情况。
三、海西旋回
在该旋回中影响到四川盆地范围的运动主要有泥盆纪末的柳江运动、石 炭纪末的云南运动和早、晚二叠世之间的东吴运动。其性质皆属升降运动， 造成地层缺失和上下地层间呈假整合接触。
四、印支旋回
早印支运动以拾升为主，早中三叠世闭塞海结束，海水退出上扬子地台， 从此大规模海侵基本结束，代之以四川盆地为主体的大型内陆湖盆开始出 现，是区内由海相沉积转为内陆湖相沉积的重要转折时期。早印支运动还 在盆地内出现了北东向的大型隆起和坳陷。
二、加里东旋回
加里东运动有三期：第一期在震旦纪末(桐湾运动)，表现为大规模抬升， 灯影组上部广遭剥蚀，与寒武系间为假整合接触；
第二期在中晚奥陶世之间，但在四川盆地表现不明显； 第三期在志留纪末(晚加里东运动)，是一次涉及范围广而且影响深远的地 壳运动。大型的隆起和坳陷以及断块的升降活动还是比较突出的，如贵州黔 中隆起和四川乐山－龙女寺隆起。
397.8 -580.7
215.7
168.2
90.8 -785.7
233.3 -667.7
242.6 -682.9
-909.7
-1133.7 -1024.7
-1098.7
-1182.7 -1037.7
碳酸盐储层裂缝的预测
威远气田寒武系气藏洗象池组属于碳酸盐岩气藏，它的储集 空间主要是孔隙、构造缝以及在构造缝基础上改造形成的裂缝等 ，其中构造变形是储集层形成裂缝的主要因素。影响裂缝发育的 因素有很多，如岩层的厚度、脆性成分含量、孔隙度、构造变形 等，但是影响裂缝发育的关键因素还是构造变形程度。因此，当 储层在纵向上变化不大时，选用构造主曲率法对碳酸盐岩油气藏 裂缝发育及分布期次进行预测是可行的，计算结果主要反映现今 构造裂缝的展布情况。
三、海西旋回
在该旋回中影响到四川盆地范围的运动主要有泥盆纪末的柳江运动、石 炭纪末的云南运动和早、晚二叠世之间的东吴运动。其性质皆属升降运动， 造成地层缺失和上下地层间呈假整合接触。
四、印支旋回
早印支运动以拾升为主，早中三叠世闭塞海结束，海水退出上扬子地台， 从此大规模海侵基本结束，代之以四川盆地为主体的大型内陆湖盆开始出 现，是区内由海相沉积转为内陆湖相沉积的重要转折时期。早印支运动还 在盆地内出现了北东向的大型隆起和坳陷。
二、加里东旋回
加里东运动有三期：第一期在震旦纪末(桐湾运动)，表现为大规模抬升， 灯影组上部广遭剥蚀，与寒武系间为假整合接触；
第二期在中晚奥陶世之间，但在四川盆地表现不明显； 第三期在志留纪末(晚加里东运动)，是一次涉及范围广而且影响深远的地 壳运动。大型的隆起和坳陷以及断块的升降活动还是比较突出的，如贵州黔 中隆起和四川乐山－龙女寺隆起。
397.8 -580.7
215.7
168.2
90.8 -785.7
233.3 -667.7
242.6 -682.9
-909.7
-1133.7 -1024.7
-1098.7
-1182.7 -1037.7
地应力及其测量原理PPT精品文档
3
❖在20世纪50年代，瑞典人哈斯特(Hast)采用应力解 除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。 1958年首次公布了他于1952-1953年在瑞典拉伊斯瓦 尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地 应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高 于垂直应力，引起了人们的关注。
3 地应力及其测量原理
3.1 概 述
3.1.1 地应力概念
a 地层未受到扰动时，存 在于地层内各点的应力称为 原岩应力，或称为原始应力， 或称为初始地应力（in situ stress）。它是地下工程围 岩变形、破坏、支护结构受 力的根本渊源。
1
b 当地层被开挖 后，存在于开挖空间 周围岩体中重新分布 的应力称为次生应力， 也叫诱发应力 （induced stress）。
而主要在0.25~0.43之间。
11
3.2.2 构造应力
1 古构造应力：是地质史上由于构造运动残 留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。
2 新构造运动应力是现今正在形成某种构造 体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和 最新地壳变形的应力。
3 封闭应力是在各种地质因素长期作用下 残存于结构内部的应力。
❖地应力实测工作从上个世纪60年代初开始， 1962~1964年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力 测量成果。
❖1964年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉
岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力
解除测量，测量深度为80m。
5ห้องสมุดไป่ตู้
❖1966年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北 省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，
2
3.1.2 地应力研究国内外情况
1 国外发展情况
❖在20世纪50年代，瑞典人哈斯特(Hast)采用应力解 除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。 1958年首次公布了他于1952-1953年在瑞典拉伊斯瓦 尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地 应力测量结果，首次测得近地表地层中的水平应力高 于垂直应力，引起了人们的关注。
3 地应力及其测量原理
3.1 概 述
3.1.1 地应力概念
a 地层未受到扰动时，存 在于地层内各点的应力称为 原岩应力，或称为原始应力， 或称为初始地应力（in situ stress）。它是地下工程围 岩变形、破坏、支护结构受 力的根本渊源。
1
b 当地层被开挖 后，存在于开挖空间 周围岩体中重新分布 的应力称为次生应力， 也叫诱发应力 （induced stress）。
而主要在0.25~0.43之间。
11
3.2.2 构造应力
1 古构造应力：是地质史上由于构造运动残 留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。
2 新构造运动应力是现今正在形成某种构造 体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和 最新地壳变形的应力。
3 封闭应力是在各种地质因素长期作用下 残存于结构内部的应力。
❖地应力实测工作从上个世纪60年代初开始， 1962~1964年在三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力 测量成果。
❖1964年，在陈宗基院士的带领下，中国科学院武汉
岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应力
解除测量，测量深度为80m。
5ห้องสมุดไป่ตู้
❖1966年开展了地应力对地震预报的研究，并在河北 省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站，
2
3.1.2 地应力研究国内外情况
1 国外发展情况
建筑工程施工地基基础之地应力介绍ppt
➢ 基底压力的大小和分 布状况，对地基内部的附加 应力有着直接的影响。
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第四章 地基中的应力
§4-2基底压力
➢ 基底压力一般呈非线性分布。
➢ 柱下单独基础、墙下条形基础等刚性基础，基底压力呈马 鞍形分布。
➢ 根据弹性理论中圣维南原理，在基础底面下一定深度所引 起的地基附加应力与基底荷载分布形态无关，只与其合力的大小 与作用点位置有关。
若是条形基础，F,G取 单位长度基底面积计 算（长度方向取1m长）
p F G A
G一般取20kN/m3，地下水位以下取10kN/m3。
23
第四章 地基中的应力
一、基底压力的简化计算
F+G
e e b
l
§4-2基底压力
2、偏心荷载作用下的基底Leabharlann 力作用于基础底面形心上 的力矩
M=(F+G)∙e
pmax F G M
2h2
在地下水位以下 如埋藏有不透水层 （例如完整的岩层或 坚硬粘土层等），由 于不透水层中不存在 水的浮力，所以不透 水层顶面及层面以下 的自重应力应按上覆 土层的水土总重计算。
1 h1 + 2h2 + 3h3
h4 4、4
不透水层
4
上： 1 h1 + 2h2 + 3h3 +4h4
下： 1 h1 + 2h2 + 3h3 +4h4
pmin=0
25
第四章 地基中的应力
一、基底压力的简化计算
§4-2基底压力
2、偏心荷载作用下的基底压力
➢ 在工程实用中，对于具有一定刚度以及尺寸较小的柱下单 独基础、墙下条形基础等扩展基础，其基底压力当作近似直线分 布，按材料力学公式进行简化计算。
2019年最新-岩石力学ppt课件第4章 地应力及其测量-PPT精选文档-精选文档
2. 研究地应力的重要性
地应力是各种岩石工程变形和破坏的根本作用力； 是影响 岩石开挖工程稳定性的最重要最根本的因素之一；是进行 大规模科学计算分析，实现开挖设计和决策科学化的必要 前提条件。
同时，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。
§4.2 地应力的成因
(1)大陆板块边界受压引起的应力场 (2)由地心引力引起的应力场 (3)地幔热对流引起的应力场 (4)岩浆侵入引起的应力场 (5)地温梯度引起的应力场 (6)地表剥蚀产生的应力场
地应力主要成分：
自重应力和构造应力
地应力主要成分
(1)自重应力场 竖直方向、普遍存在，可以计量(与深度成线性关系)
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。
§4.4 地应力的测量方法
直接测量法 间接测量法
直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿 应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相 互关系，通过计算获得原岩应力值。
扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测 量法。
间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中 某些与应力有关的间接物理量的变化，然后通过已知的换算公式 计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体 的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。
套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是 常用的间接测量法，其中套孔应力解除法应用最为普遍且发展较为成熟。
后期研究进一步表明：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其 中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。
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” 。
第五章地应力分析 PPT
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 ゜
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
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
岩石力学ppt课件第4章 地应力及其测量
向时，采用本方法较为方便。
(2)基本原理：在与所测应力σ1
垂直方向上开应力解除槽，槽上下 附近周围应力得到部分解除，重新 分布。若把槽看作一条缝，根据 H.N穆斯海里什维理论，则槽中垂 线OA上的应力状态为：
1x
21
4 42 1 ( 2 1)3
2
1y 1
2021/8/17
6
3 4 3 2 ( 2 1)3
(2) 主应力方向定得不准，适用于完整脆性岩体二维地应力测量（P145蔡）
2 声发射法
（1）测试原理
弹性材波料，在从受而到发外出荷声载响作，用称发为生破坏声时。发，1射9其50内年部，贮德存国的人应凯变泽能(J快．速Ka释ise放r)产发生现 多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前 最则声发大 大射应 量的力 产转值 生折时声点，发称很射为少，有这声 一发 现射 象，产叫该生做点，对而应当的应应。力力从达即很到为少和材凯产超料泽生凯过先点声泽历前发效史受射应最到到高的大水最量平大产后应生，力。
扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测 量法。
间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中 某些与应力有关的间接物理量的变化，然后通过已知的换算公式 计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体 的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。
套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是 常用的间接测量法，其中套孔应力解除法应用最为普遍且发展较为成熟。
v H
h v 1 H
其中，λ为侧压系数
1
υ－上覆岩层泊松比
早在20世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“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。”
(2)基本原理：在与所测应力σ1
垂直方向上开应力解除槽，槽上下 附近周围应力得到部分解除，重新 分布。若把槽看作一条缝，根据 H.N穆斯海里什维理论，则槽中垂 线OA上的应力状态为：
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4 42 1 ( 2 1)3
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2021/8/17
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3 4 3 2 ( 2 1)3
(2) 主应力方向定得不准，适用于完整脆性岩体二维地应力测量（P145蔡）
2 声发射法
（1）测试原理
弹性材波料，在从受而到发外出荷声载响作，用称发为生破坏声时。发，1射9其50内年部，贮德存国的人应凯变泽能(J快．速Ka释ise放r)产发生现 多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前 最则声发大 大射应 量的力 产转值 生折时声点，发称很射为少，有这声 一发 现射 象，产叫该生做点，对而应当的应应。力力从达即很到为少和材凯产超料泽生凯过先点声泽历前发效史受射应最到到高的大水最量平大产后应生，力。
扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测 量法。
间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中 某些与应力有关的间接物理量的变化，然后通过已知的换算公式 计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体 的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。
套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是 常用的间接测量法，其中套孔应力解除法应用最为普遍且发展较为成熟。
v H
h v 1 H
其中，λ为侧压系数
1
υ－上覆岩层泊松比
早在20世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“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。”
岩石力学地应力PPT课件
σ0 σ90 2
1 tan 2 2
1
2 αPp KPc
tan 2 σ0 σ90 2 σ45
σ0 σ90
四、现场水压致裂法测量地应力大小
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，裂隙闭合压力，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。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。
岩石力学
Rock Mechanics
地应力
主要内容
第一节 概 述 第二节 地应力的测量方法 第三节 地应力纵横向分布的计算
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。
F82 N1b
F81
WZ12-1-B5
WZ12-1-6
N1a
F3
WZ12-1-5
F2
最大水平主应 力
FA
F2A
F1
南
块
2305000 20°50′
20°50′ 2305000
2304000
2304000
2303000 20°49′
20°49′ 2303000
2302000
2302000
108°52′ 278000
Principal stresses are
z
usually parallel and normal to the surface.
地应力及其原理PPT课件
层重量，而水平应力是泊松效应的结果。
第十九页，共110页。
▪ 我国的地质学家李四光：
▪ 20年代指出“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”。
第二十页，共110页。
▪ 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地 壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接 近水平的，而且最大水平应力主应力一般 为垂直应力的1～2倍。
第三十六页，共110页。
▪ 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空间而 变化的，因而它是一个非稳定的应力场，
▪我国大陆板块发 生变形，产生水平 压应力场，其主应 力迹线如图4-1所 示。
第二十六页，共110页。
（2）地幔热对流引起的应力场 由硅镁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，就分为两股 方向相反的平流，经一定流程 直到与令一对流圈的反向平流 相遇，一起转为下降流回到地球 深处，形成封闭的循环体系。地 幔热对流引起地壳下面的水平
第二十三页，共110页。
▪ 6.2 地应力的成因 ▪ 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不
是十分清楚。 ▪ 近30多年来的实测和理论分析表明，地应力
的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，
第二十四页，共110页。
▪ 6.2地应力的成因
▪ 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、岩浆侵入和地球非 均匀扩容等。
第十九页，共110页。
▪ 我国的地质学家李四光：
▪ 20年代指出“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”。
第二十页，共110页。
▪ 50年代，哈斯特在测试地应力时也发现地 壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接 近水平的，而且最大水平应力主应力一般 为垂直应力的1～2倍。
第三十六页，共110页。
▪ 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空间而 变化的，因而它是一个非稳定的应力场，
▪我国大陆板块发 生变形，产生水平 压应力场，其主应 力迹线如图4-1所 示。
第二十六页，共110页。
（2）地幔热对流引起的应力场 由硅镁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，就分为两股 方向相反的平流，经一定流程 直到与令一对流圈的反向平流 相遇，一起转为下降流回到地球 深处，形成封闭的循环体系。地 幔热对流引起地壳下面的水平
第二十三页，共110页。
▪ 6.2 地应力的成因 ▪ 产生地应力的原因是十分复杂的，至今也不
是十分清楚。 ▪ 近30多年来的实测和理论分析表明，地应力
的形成主要与地球的各种运动过程密切相关，
第二十四页，共110页。
▪ 6.2地应力的成因
▪ 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、岩浆侵入和地球非 均匀扩容等。
地质灾害(地面塌陷、地面沉降、地裂缝)课件PPT
2021/3/10
7
4.2 地面塌陷分类 根据地面塌陷成因的主要原因可分为：
①自然地面塌陷；②人为地面塌陷；③复合型（自 然——人为）塌陷。
根据塌陷区是否在喀斯特地区的岩溶发育地段分为：
①岩溶地面塌陷；②非岩溶地面塌陷。
按塌陷坑数量分为：塌陷坑大于100个者为巨型塌陷、 50～100个者为大型塌陷、10～50个者为中型塌陷、小于 10个者为小型塌陷。
地质灾害概述（二）
地面塌陷、地面沉降、地裂缝
主讲人：赵其华
成都理工大学环境与土木工程学院
2021/3/10
1
四. 地面塌陷
地面塌陷指在人为和自然地质因素作用下，地表岩、土 体中洞穴顶部向下断错坍塌，形成塌陷坑、塌陷洞、塌陷槽 的一种地质现象。
4.1 地面塌陷成因
地面塌陷，实质上是岩、土体内洞穴的抗塌力(洞穴顶 部支撑力)小于致塌力的结果。
广西都安县位于红水河岸的一段公路，由于受河水涨 落影响，公路路面上发生了塌陷。
4．振动致地面塌陷
振动可引起砂质土的液化和粘质土由凝结状态发生液 化而成为溶胶或悬液(即触变现象)与失去液化能力(即失去 原有触变性的陈化现象)，土体强度降低、抗塌力减弱， 在振动产生的波动、冲击波的破坏作用下，可导致潜伏洞 穴的塌陷。
1986年．广西忻城大塘乡遭遇春旱，地下水位下降 产生了40多个塌陷，4月底一场大雨后，塌陷增至140多 个，使两幢房屋倾倒，地面多处裂缝。村舍变电所场地 开挖后，雨水蓄积渗入，也导致地面塌陷。
2021/3/10
5
3．河水涨落致地面塌陷
岩溶裂隙、洞穴管道中的地下水与附近河水相通时， 随着河水位的升降，横向发育的岩溶裂隙、管道中的地下 水位也随之升降，这种作用也可导致地面的塌陷。
地应力测量方法PPT课件
4.2.3 水压致裂法
P
3
水压致裂应力测量原理
Ps 2
Pr 3 2 1 P0
由以上两式求σ1和σ2就无须 知道岩石的抗拉强度。因此， 由水压致裂法测量原岩应力 将不涉及岩石的物理力学性 质，而完全由测量和记录的 压力值来决定。
4.2.3 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。
裂压力 ④Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗
透性大，该压力将逐渐衰减 ⑤Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力
4.2.3 水压致裂法
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。
水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位， 亦即平行于最大主应力的方向，这是基于岩石为连续、均质和各 向同性的假设。水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。
4.3.1 应力解除法的基本原理
一、应力解除法
（一）基本原理
地下某点的岩体处于三向 压缩状态，如用人为的方法 解除其应力，必然发生弹性 恢复，测定其恢复的应变， 利用弹性力学公式则可算出 岩体初始应力。
破坏联系，解除应力； 弹性恢复，测出变形；
x
x x
, y
y y
,z
z z
根据变形，转求应力。
4.3.1 应力解除法的基本原理
4.3.1 应力解除法的基本原理
3、应变花种类
为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的 形式。 即：等角应变花、直角应变花
第1112次课 第6章 地应力及其测量PPT课件
原理
6.2直接测量法(三、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)的作2 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 )c2 o s
r 0
式中， 和 分r 别为钻孔周边的切向应力和径向应力；为
测量方法：
1）测量手段的不同划分： 构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。
2）测量原理的不同划分： 应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、 声发射法、X射线法、重力法
3）测量基本原理不同划分：
直接测量法：由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，通过计算获得原岩应力值。
储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等具有重 要意义。
一、 地应力测量的必要性
c 地应力分布理论： 1）海姆假设：（首次提出了地应力的概念，静水
压力假设）h v H
海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成 正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
2）金尼克假设：（弹性力学假设）
周边一点与 轴 1的夹角。
当 ＝0º时， 取得极小值，此时
321
原理
6.2直接测量法(三、水压致裂法)
P
3
水压致裂应力测量原理
如果采用图所示的水压致裂 系统将钻孔某段封隔起来， 并向该段钻孔注入高压水，
当水压超过 32 和1岩石抗
拉强度T之和后，在 ＝0º处，
也即所在方位将发生孔壁开 裂。设钻孔壁发生初始开裂 时的水压为 ，则P i 有
130
力
150
170
190
岩石力学基本教程 教学PPT 第6章 地应力综述.资料
18
2．高地应力现象
（3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在 中等强度以下的岩体中开挖探洞或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈， 洞壁岩体产生剥离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有嘶哑 声。在软质岩体中洞体则产生较大的变形，位移显著，持续时间长、洞径明 显缩小。
（1）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。
➢ 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空间而变化的，因而它是一个非均匀的应力 场。
➢ 地应力在空间上的变化，从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的， 但就某个地区整体而言，其变化并不大。
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：
斯蒂芬森（O. Stephansson）等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平 主应力和最小水平主应力随深度变化的线性方程：
最大水平主应力
h ， m a x 6 .7 0 .0 4 4 4 H （ M P a ）
最小水平主应力
h ， m i n 0 .8 0 .0 3 2 9 H （ M P a ）
a.共性 ➢ h=（1/4-1/5）φ； ➢ 钻进过程差异卸荷回弹，破裂主要发生在一定高度的岩芯根部； ➢ 拉张和剪切复合机制； b.产生条件： ✓ 弹性高，储能条件好的岩性条件，如火成岩； ✓ 整体块状; ✓ 高地应力条件， max ≥ 30MPa。
2．高地应力现象
（3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离，岩体锤击为嘶哑声并有较大变形，在 中等强度以下的岩体中开挖探洞或隧洞，高地应力状况不会像岩爆那样剧烈， 洞壁岩体产生剥离现象，有时裂缝一直延伸到岩体浅层内部，锤击时有嘶哑 声。在软质岩体中洞体则产生较大的变形，位移显著，持续时间长、洞径明 显缩小。
（1）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。
➢ 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空间而变化的，因而它是一个非均匀的应力 场。
➢ 地应力在空间上的变化，从小范围来看，它在空间上的变化是比较明显的， 但就某个地区整体而言，其变化并不大。
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：
斯蒂芬森（O. Stephansson）等人根据实测结果给出了芬诺斯堪的亚古陆最大水平 主应力和最小水平主应力随深度变化的线性方程：
最大水平主应力
h ， m a x 6 .7 0 .0 4 4 4 H （ M P a ）
最小水平主应力
h ， m i n 0 .8 0 .0 3 2 9 H （ M P a ）
a.共性 ➢ h=（1/4-1/5）φ； ➢ 钻进过程差异卸荷回弹，破裂主要发生在一定高度的岩芯根部； ➢ 拉张和剪切复合机制； b.产生条件： ✓ 弹性高，储能条件好的岩性条件，如火成岩； ✓ 整体块状; ✓ 高地应力条件， max ≥ 30MPa。
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地 应 力 场 有 限 元 数 值 模 拟
地应力测井解释
计算模式的选择
垂向应力： 单轴应变：
V
H
(h)gdh
0
H
h
1
V
黄氏模式：
h
PP
1
(V
PP )
1(V
PP )
H
PP
1
(V
PP ) 2 (V
PP )
2. 储层裂缝预测
•微裂纹、裂隙、裂缝、断层 •裂缝普遍存在
V 0.021 D
地
H 0.7 0.023 D
应 大港油田( 0─4000m) h 0.5 0.018 D
力
V 0.021D
随
H 10.5 0.03D
深 华北油田(1500─3200m) h 5.87 0.021 D
度
V 0.021 D
的 变 化
胜利油田(1300─3300m)
构造变形对裂缝形成的主导作用
构造变形的大小＋岩石塑脆性
•岩性 •构造曲率大的部位（背斜轴部） •埋深增大，裂缝密度减小 •岩层厚度越大、裂缝密度越小 •断层附近裂缝发育较强
（拌生缝、应力集中区、断层上盘比下盘发育）
储层裂缝探测方法
•野外露头观测 •岩心观测 •测井（FMS、FMI、BHTV） •试井 •注采试验 •S波分裂
H h
22.58 0.034 D 11.65 0.022 D
V (0.021 - - - 0.022 )D
H 27.1 0.036 D 中原油田(1830─3881m) h 16.6 0.024 D
V 0.022 0.026 D
区域构造应力的作用
断层的作用
– 构造应力较弱时，软地层中水平应力大 – – 构造应力较强时，硬地层中水平应力大
• 地应力分布规律
– 深度、区域构造应力、断层 – 泊松比与杨氏模量 – 孔隙压力
• 地应力测试方法
– 岩心测试（差应变、滞弹性应变、声发射） – 矿场测试（微压裂、井壁崩落、钻井中测试）
• 地应力计算方法
– 地应力场有限元数值模拟 – 地应力测井解释
辽河油田( 497─3473m)
H h
2.34 0.0266 D 0.777 0.0182 D
储层裂缝预测方法
任务：预测裂缝发育区、发育方位、发育程度 一、地质学方法（变形曲率） 二、构造应力场模拟
古构造应力场、现今构造应力场 准则：应力值、断裂准则、应变能密度 三、分形几何 分形插值、分形描述和分形渗流模型 四、综合判别 统计判别、灰色判别、神经网络、模糊聚类分析
谢谢大家！
（灰岩、火山喷发岩、泥岩岩、低渗透砂岩等）
•预测裂缝分布规律、评价裂缝对流体渗流的贡献 •探测裂缝 •裂缝成因：成岩缝、风化缝、构造缝 •裂缝力学性质：张性、剪切缝
裂缝特点
•渗透率各向异性 •油藏非均质性 •裂缝对应力的敏感性 •裂缝网络的复杂性 •裂缝网络、裂缝系统的共同作用
储层裂缝发育规律
•泥页岩（构造变形、异常高孔隙压力） •碳酸盐岩（构造变形、溶蚀） •火山岩（构造变形、成岩）
地应力与储层裂缝预测
葛洪魁
石油大学（华东）石油工程系
一、地应力分布规律及测试方法 二、储层裂缝预测
一、地应力
•地应力－－赋存于地层岩石中的内力 •来源－－－上覆岩层重力、构造应力 •意义－－水力压裂裂缝方位、油水井布置
• 水力压裂缝高预测 •井壁稳定及定向井方位设计 •套管载荷、产层出砂预测及定向射孔防砂 •天然裂缝发育规律预测 •成藏期油气运移规律