第九讲 原岩应力与测试

Y
X450Y
Z Z450－X
Z X450Z
Y450Z Y
O
X X450－Y
O
X
O Y450－Z
优点：该方法原理简单，试验测试方便。 存在的问题：在进行地应力测试时理论上存在重大缺陷： 由于地质构造运动，地壳应力状态可能发生过多次变化，因 此可能通过此法测得的地应力不是当前的地应力值；另外， 在岩样的取样、加工过程中，加工应力也有可能对结果产生 直接的影响。
3. 孔壁应力解除法：
① 孔壁应变传感器直接粘贴测量法：该方法是 最早的孔壁应力测量方法，是将三组应变花 直接粘贴到钻孔壁上。其缺点是粘贴应变片 困难，遇有裂隙缺陷时难以保证质量，不防 水等。 ② 空芯包体应变计：澳大利亚联邦科学和工业 研究组织（CSIRO）的罗特基尼等人，针对 上述方法的缺陷，研究出空芯包体应变计， 即把三组应变片粘贴到如下图所示的专门设 计的应变计上，然后利用这个应变计进行地 应力的测量。其地应力的计算方法还是利用 无限体中孔洞应力的弹性力学分析方法。 ③ 实芯包体应变计（不讲，自学）：也是澳大 利亚学者设计出的测试设备。
• 空芯包体应变计及应变花的粘贴：
• 空芯包体应变计地应力测量的解除过程：
钻大孔 传感器安装
磨平孔底
应力解除过程
导向角
取出岩芯
传感器安装孔
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• 安装结构图：
• 解除套取的岩芯
–2000年，国家十 五攻关项目。
800 应变(微应变) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20
第九讲
地应力测量 地质力学原理
4.4 地应力测量
• 水压致裂： • 应力解除：
– 孔底应力解除： – 孔壁应力解除：
• 表面应力测量（应力恢复法） • 声发射凯萨效应法：
1. 水压致裂：
– 1947年为了从旧的油井中二次采油，有人提出了水压致裂 方法。60年代，又开始利用该方法进行地应力绝对值测量， 并在理论上和室内试验方面取得很大进展。70年代以来， 包括我国在内的许多国家广泛开展了水压致裂测量工作。 1977年，美国威斯康星大学的海姆森发表了他在北美洲深 达5.1公里处测得的应力资料，这也体现了该方法在大深度 地应力测量方面的优越性。 水压致裂的原理：选择有代表性 的基岩裸露井孔段，用可膨胀的橡 胶封隔器将某一井孔段封闭，由地 表泵入压裂液并加压，压力逐渐升 高直至钻孔围岩破裂，这时液压突 然降低。根据记录的“液压－时间” 关系曲线及岩石的有关参数，可求 出主应力值，用“压印帕克”测量 出破裂方位，从而定出破裂方位。
F m 2
m为地壳上任意点的质量，γ 为自转轴至该点的距离。
F可分解为与地壳垂直的分力f1和水平分力f2，f1的方向与 重力的方向相反且被重力抵消。而f2的方向则沿着子午线 的切线方向，在北半球和南半球均指向赤道，其大小为：
f 2 F sin F ( R / r ) cos sin m R 2 cos sin
• 6通道AE测试系统
–美国物理声学公司（PAC）产品，6个通道携带6 个单通道加速度传感器，AE频率范围：
数据采集仪
前置放大器
前置放大器
地应力的地质力学解释
• 近代地质力学观点：认为从全球范围来看，构造应力的 总规律是以水平应力为主，其主要方向为南北和东西。 理由如下三点： 1. 地球离心力作用 地球是一个绕南北极旋转的扁椭球体，球面上一点的 离心力F为：
在钻孔壁上，θ ＝0°时， σθ取得极小值：
（4-10）
3 2 1
（4-12）
那么，在钻孔壁上，岩石发生张破的条件是克服孔壁环向最小 应力值和岩石的抗拉强度T，即为：
Pi 3 2 1 T
（4-13）
当井壁开裂后，关闭加压泵，井壁裂隙进一步向前扩展，压力 曲线下降。当裂隙扩展到孔周边应力集中区以外（即原岩应力 区，3-5倍的钻孔直径）时，压力下降至一个恒定值Ps，此时的 Ps即为σ2：
3. 沿纬度线上的水平挤压力f3
当地球的自转角速度发生变化时，产生沿纬度圈切线方 向的纬向惯性力f3，在它的作用下形成南北向构造带。由于 地壳各部分与基底粘着的牢固程度不同，当地球产生角加速 度而转快时，粘结不牢的地块在纬向惯性力的作用下向后滑 移，与它前面粘结较牢的地块产生张裂，形成南北向的张性 断裂带；又与它后面粘结较牢固的地块互相靠近，产生由东 向西的挤压力，形成南北向的挤压构造带。我国的燕山山脉、 喜玛拉雅山脉等是典型的南北向的构造。 国外俄罗斯的北乌拉尔山脉、南美的安第斯山脉、美国的阿 巴拉契亚山脉等，都是典型的南北走向的山脉
• 地球自转引起的内动力地质作用力分析图：
Z ω
F为离心力，自转引起；
f1 r
P
o f3 θ
F
f‘1 R λ f2
f1为与地面垂直的分力， 万有引力之反作用力； f’1为地心引力，万有引力；
o
φ
赤道
f2为离心力沿子午线的切 向分力；
Y
X
子午线
f3为沿纬度线方向的切向 力，地球加减速旋转引起 的惯性力； F为f1和f2的合力。
最大主应力σ 测点 深度m 中间主应力σ 最小主应力σ
1
2
3
数值 (MPa)
方向 （º ）
倾角 （º ）
数值 (MPa)
方向 （º ）
倾角 （º ）
数值 (MPa)
方向 （º ）
倾角 （º ）
-550中段
680.420
21.9
227.87
1.35
20.5
-44.52 -60.51
14.9
138.64
4.
Kaiser’ Effect 方法： – 什么是声发射？ – Kaiser效应的基本原理：
• 1950年，德国的J.Kaiser发现多晶金属材料进行加卸载试验时， 在未加载到先前所受的最大应力时几乎不发生声发射（或很少声 发射），在加载超过先前加载最大应力水平时，声发射事件产生 急剧增加，这种现象称为Kaiser效应。这种对于具有应力履历的 材料进行再加载时所具有的声发射特性，可用来进行地应力测试。 Kaiser效应的记忆性：也就是有记住先前作用的最大应力点的记 忆性。
2.沿经线水平线方向的挤压力
当角速度发生变化时，ω 有一个增量Δω，则各质点上的 离心力增加为：
F ' m ( ) 2
与原来的离心力相比，其增量为：
F F ' F m (2 )
2 f mR (2 ) cos sin m ( ) R sin 2 曾经有人计算过，如果地球转速每年变化0.0012秒， 其能量比全年地震能量的总和还要大两倍。这充分说 明较小的角速度的变化完全可以引起地壳的运动。
-29.46
-650中段
779.841
31.2
174.10
1.10
18.8
84.16
-3.31
17.3
245.83
-86.50
4. 应力恢复法（同学们自学）
– 该法实际上是测试岩体表面应力的方法，不 适合进行大深度的现场测量。由于围岩表层 受到开挖所致的应力集中作用，实际测量的 应力为二次应力值，而不是原岩体中的应力 值。
• 水压致裂工作程序如下图所示：
–1钻孔→ 2压裂→ 3瞬时封井压力Ps→4测量裂隙方位。
• 水压致裂时封闭段的压力－时间测试曲线
压力 Pi
Ps
加压
封井
• 水压致裂分析方法：
– 无限平面内圆孔周围应力计算公式：
对于在钻孔壁上，r＝R时，σrθ ＝0，σr＝0，从而得到：
1 2 2(1 2 ) cos2
' 2
于是，离心力增量ΔF的水平分量为：
• 由上式可见：当r＝0 （两极）和λ＝0（赤道） 处，f2’都等于零；而在中间纬度地带（λ＝450） 时 f2’取得最大值。这充分说明构成地球表层的 物质在总体上被水平力推向赤道，而水平力的分 布规律为：自两极开始到南北纬450处（李四光教 授计算得出最大处在44057’04’’），水平力逐渐增 大至最大，之后又向赤道方向逐渐减小。 • 在上述经向水平构造应力作用下，地球上必然产 生与赤道平行的长条山脉，并且应在中纬度地区 最为发育。事实证实了这一点：全球性的东西构 造带主要出现在纬度250～500之间。 • 我国的阴山－天山东西向构造带、秦岭－昆仑东 西向构造带、南岭东西向构造带就是这种南北向 水平挤压应力造成的。国际上的实例请同学们到 世界地图上去查证。
Ps 2
（4-14）
由于在式（4-13）和式（4-14）中，Pi，Ps为已知测试压力， 只要知道测试段的岩石的抗拉强度，就可以求得σ1、σ2的 大小。
反复加压封井，可以提高测试的精度，同时可以避免求岩石的 抗拉强度的困难，见下图所示：
Pr 3 2 1 P0
压力 Pi Pr Ps
1号测点应力解除曲线
应变片1 应变片2 应变片3 应变片4 应变片5 应变片6 应变片7 应变片8 应变片9 应变片10 应变片11 应变片12 套孔解除深度(cm)
30
40
50
60
• 解除测试结 果图。 • 2000年，地 下780m深处。 国家十五攻 关项目。
700 600 500 400 300 200 100 0 0
• 缺点：
– 精度不高； – 主应力方向测不准。
2. 孔底应力解除：
– 孔底应力解除法是在钻取的钻孔孔底粘贴上 电阻应变片，再套取孔底岩芯使之产生应力 释放和变形恢复。根据应变恢复时所测得的 数据，采用弹性力学方法计算应力值的大小 和方向。
• • 直接在孔底壁上黏贴电阻应变片：安装工艺复杂、 易失败。 制作成专门的孔底应变计：将应变片黏贴在应变 计的底部，然后将孔底应变计安装黏贴在钻孔的 底部。这种方法克服了直接在孔底壁上黏贴电阻 应变片的困难。 如南非科学与工业研究委员会研 制的门塞式孔底应变计。
P0 2 R2 E K1 R 2 r 2
z
岩芯率定曲线见下图，2000年，国家十五攻关项目
300 应变(微应变) 200
100 围压值(兆帕) 0 0 -100 1 2 3 4 5 6 7 8 9
-200
-300
-400
实测地应力的分析结果：2000年，国家十五攻关项目。
• 岩石声发射的测试原理
– 单通道声发射测试装置组成图 – 多通道声发射测试装置组成图
• Kaiser效应测定地应力时的地应力方向的确定：
–方向的确定是该方法的一个难点，为了便于计算空间 主应力方向，应按如下九个方向钻取岩芯，即X、Y、Z； X450Y、Y450Z、Z450X； X450－Y、Y450－Z、Z450 －X九个方向钻取岩芯。
σ
•
σ1
一次加载的AE
二次加载的AE事件数（率）
ε
• Kaiser效应测试地应力的原理
–岩体在地壳中经历过的历次应力作用后，根据 Kaiser效应原理，其历史上最大一次应力作用 点就被记忆下来。那么，通过岩石室内Kaiser 效应试验，就可以确定最大一次地应力的大小。 –存在的问题：历史最大应力未必是当前的地应 力。这是该方法存在的致命问题。
（4-16）
P0 加压 封井 加压 封井
反复加压测试过程曲线
• 开裂面方位的确定
–垂直应力是最小主应力时： • 只要增加泵入的水压力P，使得P减去垂直主应力的 差值大于等于岩石的抗张拉强度，岩石就会产生破 裂。由于张拉破裂面一定与最小主应力方向垂直， 所以张破裂面是水平的。 –当垂直方向不是最小主应力时： • 此时最小主应力一定为水平方向，由于张拉破裂面 一定与最小主应力方向垂直，所以张破裂面是也一 定是铅直的。
应变(微应变)
2号测点应力解除曲线
应变片1 应变片2 应变片3 应变片4 应变片5 应变片6 应变片7 应变片8 应变片9 应变片10 应变片11 应变片12 套孔解除深度(cm)
10
20
30
40
50
• 率定试验是为了测量岩芯的弹性模量E和泊松比μ。 率定机相对轻便，能携带到现场直接测量地应力测 点的岩芯弹性模量、泊松比，计算测点弹性模量的 泊松比的公式如下，率定装置见下图所示 。
• 封隔段的开裂方位可以采用井下摄影机、井下电 视、压印帕克（印模器）等技术来确定，最常用 的就是印模器（简单介绍一下即可）。
• 水压致裂的优点：
– 设备简单： – 操作方便： – 理论原理简单，测值直观： – 适应性强：无需电磁类传感器，不怕水、不怕 潮湿，不怕电磁干扰； – 大深度地应力监测：可进行大深度的、人员不 能达到的岩层地应力监测。