巖石力學(xué)第七章原地應(yīng)力

1、關(guān)于巖石力學(xué)第七章原地應(yīng)力第一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 構(gòu)造應(yīng)力(structural stresses )：由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖體中引起的應(yīng)力叫構(gòu)造應(yīng)力。在地質(zhì)力學(xué)中常把構(gòu)造應(yīng)力叫做地應(yīng)力，是指導(dǎo)致構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、形成各種構(gòu)造形跡的那部分應(yīng)力。第二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 古地應(yīng)力和現(xiàn)今地應(yīng)力：古地應(yīng)力指某一地質(zhì)時(shí)期或某一重要地質(zhì)事件以前的地應(yīng)力,現(xiàn)今地應(yīng)力是目前存在的或正在活動(dòng)的地應(yīng)力。分析構(gòu)造形跡形成機(jī)理主要涉及古地應(yīng)力，而石油工程則主要關(guān)心現(xiàn)今地應(yīng)力。第三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 殘余應(yīng)力（residual stress ）：殘余應(yīng)

2、力指除去外力作用以后，尚殘存在巖石中的應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力很小，往往只有零點(diǎn)幾兆帕，所以常忽略不計(jì)。 重力應(yīng)力（gravity stress ）：指由于上覆巖層（overburden ）的重量引起的地應(yīng)力分量，特別指由于上覆巖層的重量產(chǎn)生的水平應(yīng)力（horizontal stress ）大小。第四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 熱應(yīng)力：熱應(yīng)力是指由于地層溫度發(fā)生變化在其內(nèi)部引起的內(nèi)應(yīng)力增量，熱應(yīng)力主要與溫度的變化和巖石剛度和熱學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 分層地應(yīng)力：是指按地層分層分別給出不同層位的地應(yīng)力值，非常重要的是給出相鄰地層的應(yīng)力差。 地應(yīng)力場(chǎng)：地應(yīng)力在空間的分布情況。 第五張，PPT共

3、一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 二、地應(yīng)力的分類(lèi): 1971年加拿大第七屆巖石力學(xué)討論會(huì)上，對(duì)地應(yīng)力從礦山應(yīng)用的角度進(jìn)行了分類(lèi): 第六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 三、地應(yīng)力的描述方法 由于巖石經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，并經(jīng)受了多次復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（structural movement ），使得巖石的原地應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜。 為滿足工程需要，一般認(rèn)為原地應(yīng)力狀態(tài)由上覆巖層壓力（overburden pressure）和兩個(gè)水平方向的主應(yīng)力（principal stress ）組成。 如圖7-1所示建立參考坐標(biāo)系，xy構(gòu)成水平

4、面，x方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向，y方向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力方向，z方向?yàn)殂U垂方向。第八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月通常認(rèn)為原地應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的原因有二：一是上覆巖層（overburden ）的重力；二是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（ structural movement ）產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力(tectonic stresses ) 。第十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 初始應(yīng)力的組成與計(jì)算 1、巖體自重應(yīng)力場(chǎng)垂直應(yīng)力：平均密度，KN/m3側(cè)壓力：H總深度（m）側(cè)壓力系數(shù) 的取值有4種可能圖6-1 巖體自重垂直應(yīng)力第十一張，PPT共

5、一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（1）巖體假定處于彈性狀態(tài) 由推出得：巖體由多層不同性質(zhì)巖層組成時(shí)(圖6-2)第j層應(yīng)力：原始垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力：第十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖6-2自重垂直應(yīng)力分布第十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）Heim假設(shè)（塑性狀態(tài)） 當(dāng)原始應(yīng)力超過(guò)一定的極限，巖體就會(huì)處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)。（相當(dāng)于 ）（3）巖體為理想松散介質(zhì)（風(fēng)化帶、斷層帶） 由極限平衡理得第十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（4）當(dāng)松散介質(zhì)有一定粘聚力時(shí) 注：當(dāng) 說(shuō)明無(wú)側(cè)壓力 側(cè)壓力

6、為：無(wú)側(cè)壓力深度 第十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、巖體構(gòu)造應(yīng)力（判斷、測(cè)試，不能計(jì)算） 當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力存在時(shí) 。 3、影響巖體初應(yīng)力狀態(tài)的其它因素（1）地形-自重的減小或增大圖67 地形對(duì)初應(yīng)力的影響第十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）地質(zhì)條件對(duì)初應(yīng)力的影響。 圖6-8背斜褶曲對(duì)地應(yīng)力的影響圖6-9 斷層對(duì)地應(yīng)力的影響第十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 （3）水壓力、熱應(yīng)力 孔隙水壓力、流動(dòng)水壓力(影響小，可不計(jì))、靜水壓力（懸浮作用）熱膨冷縮在巖體中產(chǎn)生熱應(yīng)力。地溫升高會(huì)使巖體內(nèi)地

7、應(yīng)力增加，一般地溫梯度： 巖體的體膨脹系數(shù)： ，巖體彈模E=104MPa；地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為： z-深度/m。 溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。返回第二十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 假設(shè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不影響垂向原地應(yīng)力，只產(chǎn)生水平方向的原地應(yīng)力分量 ，則原應(yīng)力狀態(tài)可描述為：鉛垂主應(yīng)力（上覆巖層壓力）最大水平主應(yīng)力最小水平主應(yīng)力 其中 為埋深為z處的巖石密度，g為重力加速度。 第二十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月考慮孔隙壓力的影響，原地應(yīng)力狀態(tài)表示為： 第二十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 影響原地應(yīng)力狀態(tài)的因素很多

8、： 一、地表形狀 對(duì)于平坦的地表，平均鉛垂應(yīng)力分量應(yīng)當(dāng)接近深度應(yīng)力。對(duì)于形狀不規(guī)則的地表，任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（stress state ）可以認(rèn)為是由深度應(yīng)力和地表超載的不規(guī)則分布所引起的應(yīng)力分量合成的。第二節(jié) 影響原地應(yīng)力狀態(tài)的因素第二十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 例如V型槽谷底部附近的地區(qū)，這種地表形狀在這種地方可能會(huì)產(chǎn)生比鉛垂應(yīng)力分量更高的水平應(yīng)力分量。 但是，不規(guī)則的地表形狀對(duì)原地應(yīng)力狀態(tài)的影響隨著該點(diǎn)在地表下深度的增加而迅速降低，因此這一因素，只對(duì)近地表的巖土工程項(xiàng)目有意義。第二十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖7-2 地表形貌對(duì)原地應(yīng)力的影響

9、(a)不規(guī)則的地表形貌 (b)地表輪廓的線性化 (c)V形槽谷第二十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 二、殘余應(yīng)力（residual stress ） 由于巖體的非均勻冷卻，或者巖體雖然是均勻冷卻的，但與其相鄰的巖石單元的熱膨脹系數(shù)卻不相同，于是在巖體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力（residual stress ） 。 巖石介質(zhì)中各種局部的礦物變化也會(huì)引起殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。巖體中的局部再結(jié)晶過(guò)程可能產(chǎn)生體積應(yīng)變。礦物集合體含水量的變化，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變（strain ）和殘余應(yīng)力。 第二十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 要全面掌握巖層各組成部分的熱力學(xué)歷史和細(xì)微的地質(zhì)進(jìn)化過(guò)

10、程，在目前實(shí)際是不可能的，因此殘余應(yīng)力問(wèn)題仍然構(gòu)成一種制約因素，使得基本力學(xué)原理或詳盡的地質(zhì)調(diào)查都無(wú)法對(duì)巖體中的應(yīng)力狀態(tài)做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。 第二十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 三、包體 包體是在原巖巖體的層間生成的巖石單元。例如巖墻、巖床以及諸如石英、瑩石一類(lèi)礦物的礦脈。巖體中形狀近于平面的垂直包體的存在，可能以兩種方式影響原巖應(yīng)力狀態(tài)： 第一，如果包體是在抵抗圍壓的水平阻力的作用下形成的，那么在垂直于包體平面的方向上會(huì)作用一個(gè)高應(yīng)力分量；第二十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 第二，與包體與圍巖彈性模量（elastic modulus ）的差異有關(guān)。系統(tǒng)中的任

11、何載荷，在包體中產(chǎn)生的應(yīng)力都與原巖巖體的應(yīng)力值不同，較硬的包體將承受較高的應(yīng)力狀態(tài)，反之亦然。如果原巖與包體的彈性模量不同，原巖中靠近包體的地方就會(huì)出現(xiàn)很高的應(yīng)力梯度（ stress gradient ）。第二十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 四、構(gòu)造應(yīng)力(tectonic stresses ) 多次復(fù)雜的地殼運(yùn)動(dòng)，使地下產(chǎn)生了極其復(fù)雜的不同形態(tài)、不同方位、不同性質(zhì)、不同等級(jí)以及不同次序的構(gòu)造形跡，就是說(shuō)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)實(shí)質(zhì)上是隨時(shí)間演化的、非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)。 第三十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 按時(shí)期，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)可劃分為古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。 就其研究范圍而

12、言，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)又可分為局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（某一構(gòu)造單元的應(yīng)力分布規(guī)律）、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（某一地區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律）及全球構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。 由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，使得原地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生很大的變化，最大水平地應(yīng)力有可能超過(guò)上覆巖層壓力。 第三十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 五、裂隙組及不連續(xù)面 裂隙的存在影響著介質(zhì)中應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使得巖體的應(yīng)力分布變得更加復(fù)雜。 第三十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 巖體斷裂本質(zhì)上是一種能量耗散與應(yīng)力重新分布的過(guò)程。破碎后的應(yīng)力狀態(tài)可以由保持破裂面平衡條件的要求來(lái)確定，它與斷裂前的應(yīng)力狀態(tài)（stress state ）沒(méi)有什么關(guān)系。即從初

13、始狀態(tài)出發(fā)估計(jì)巖體周?chē)鷳?yīng)力狀態(tài)是極其困難的。要成功地確定原地應(yīng)力狀態(tài)就必須有一個(gè)確定局部應(yīng)力張量的方法。 第三十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 由于確定原地應(yīng)力狀態(tài)是評(píng)價(jià)地下工程穩(wěn)定與否的前提條件，所以，人們花費(fèi)了大量精力研制應(yīng)力測(cè)量設(shè)備并探討應(yīng)力測(cè)量的方法。 第三節(jié) 確定原地應(yīng)力的方法第三十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，分巖心測(cè)試和礦場(chǎng)測(cè)試兩種。 巖心測(cè)試主要有：差應(yīng)變分析 (differential strain analysis )、滯彈性應(yīng)變分析 、波速(acoustic velocity)各向異性(anisotropic)分析 、

14、聲發(fā)射(Kaiser效應(yīng)) 等，其中，聲發(fā)射 (acoustic emission )比較容易測(cè)試，應(yīng)用的也比較廣泛。第三十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 礦場(chǎng)測(cè)試以水力壓裂為主。 近些年利用井壁崩落(borehole wall break-out )反演地應(yīng)力呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。 對(duì)深層地應(yīng)力的求測(cè)，水力壓裂(hydraulic fracture )測(cè)定技術(shù)是公認(rèn)的最準(zhǔn)確的和有效的方法，井壁崩落可給出較可靠的地應(yīng)力方位；其它技術(shù)多為間接測(cè)定方法。 須采用多種方法對(duì)比使用，才能給出比較可靠的數(shù)據(jù)。第三十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 一、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量： 對(duì)于現(xiàn)

15、場(chǎng)測(cè)量方法，從測(cè)量方法的原理來(lái)看，可以分為截然不同的兩種方法: A 采用鉆孔來(lái)接近量測(cè)地點(diǎn), 確定鉆孔壁的應(yīng)變或鉆孔其它變形; B 在鉆孔壁上的特定位置測(cè)定環(huán)向正應(yīng)力分量。 第三十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 1 、應(yīng)變測(cè)試方法 最常見(jiàn)的一組方法是確定鉆孔壁的應(yīng)變或鉆孔其它變形，這些變形是由于套鉆放置測(cè)量?jī)x器的那部分鉆孔而產(chǎn)生的。 如果在這個(gè)應(yīng)力解除過(guò)程中測(cè)得了足夠多的應(yīng)力和應(yīng)變，那么，利用彈性理論的解法可以從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接求出場(chǎng)應(yīng)力張量的六個(gè)應(yīng)力分量。第三十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 2、應(yīng)力測(cè)試方法 以壓力枕量測(cè)和水力壓裂為代表，在鉆孔壁上的特定位置

16、測(cè)定環(huán)向正應(yīng)力分量。 在每個(gè)位置，法向應(yīng)力分量通過(guò)施加在測(cè)槽上的壓力得到，這個(gè)壓力與作用在與測(cè)槽垂直方向上的局部法向應(yīng)力分量相平衡。每個(gè)測(cè)量位置的環(huán)向應(yīng)力可能直接與測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)在鉆孔之前的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。 第三十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 3、水力壓裂(hydraulic fracture )地應(yīng)力測(cè)試方法 水力壓裂法是目前最準(zhǔn)確的地應(yīng)力測(cè)試方法(主要是指最小水平主應(yīng)力和地應(yīng)力方向)，它的結(jié)果往往作為檢驗(yàn)其他方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。 在利用油層壓裂數(shù)據(jù)進(jìn)行地應(yīng)力分析時(shí)，可以用裂縫閉合壓力（crack closure pressure ）給出較為準(zhǔn)確的最小地應(yīng)力數(shù)據(jù)，并根據(jù)裂縫擴(kuò)展（fr

17、acture propagation ）方位確定最大水平地應(yīng)力方向。第四十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 選擇合適層位；利用低排量泵注設(shè)備、井下關(guān)閉裝置和井下壓力計(jì)；采用適當(dāng)?shù)氖┕し桨?；進(jìn)行幾個(gè)完整周期的壓裂；利用多種裂縫閉合壓力（fracture closure pressure ）識(shí)別方法；可提高水力壓裂地應(yīng)力測(cè)試和解釋的精度。第四十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 另外，大多數(shù)情況下井眼條件為套管井射孔而非裸眼。套管和水泥環(huán)的存在以及射孔方位對(duì)施工壓力有較大影響，現(xiàn)有的水力壓裂最大水平地應(yīng)力計(jì)算公式是建立在裸眼井基礎(chǔ)上的，因此，不能用套管井水力壓裂數(shù)據(jù)計(jì)算

18、最大水平主應(yīng)力。第四十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 二、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量 室內(nèi)測(cè)量的主要方法有滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法(ASR)、差應(yīng)變分析(differential strain analysis )法、聲發(fā)射法等。 第四十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 1、滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法 滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法是利用巖石的彈性后效，從現(xiàn)場(chǎng)取出巖心后，當(dāng)巖心的恢復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定后，測(cè)量巖心不同方位的應(yīng)變釋放量，這種應(yīng)變?cè)黾涌梢匝永m(xù)幾十個(gè)小時(shí)，被稱(chēng)為滯彈性應(yīng)變恢復(fù)。 根據(jù)滯彈性應(yīng)變恢復(fù)曲線，可以反演地應(yīng)力的大小和相對(duì)于巖心的地應(yīng)力方向。 第四十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四

19、十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月地應(yīng)力測(cè)量從原理上可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)纱箢?lèi)。前者通過(guò)測(cè)量巖石的破裂直接確定應(yīng)力。后者通過(guò)測(cè)量巖石的變形和物性變化來(lái)反演地應(yīng)力。例如根據(jù)巖石受力時(shí)的變形特征、彈性波速變化、電阻率變化、聲發(fā)射特性和礦物顆粒的顯微構(gòu)造變化確定介質(zhì)的受力狀態(tài)。地應(yīng)力測(cè)量從內(nèi)容上可分為絕對(duì)值測(cè)量和相對(duì)值測(cè)量。前者測(cè)量巖石所承受應(yīng)力的實(shí)際數(shù)值及方向，后者是測(cè)量固定點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間的變化。第四十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月到目前為止，地殼絕對(duì)應(yīng)力的研究方法可以分為四大類(lèi)，一是利用資料進(jìn)行定性分析的方法，如火山噴道、斷層類(lèi)型、油井井眼穩(wěn)定情況、取心收

20、獲率、區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)、地形起伏、地質(zhì)構(gòu)造、震源機(jī)制等，這些資料可以定性地給出大范圍應(yīng)力場(chǎng)的分布情況與特點(diǎn)，很難進(jìn)行精確的應(yīng)力場(chǎng)研究。 第四十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二是礦場(chǎng)應(yīng)力測(cè)量，如水力壓裂應(yīng)力測(cè)量，井壁崩落應(yīng)力方位測(cè)量，套心應(yīng)力解除等等。這些方法可以給出比較準(zhǔn)確的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，精確地描述應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)。但是深部地應(yīng)力測(cè)量，代價(jià)昂貴。國(guó)內(nèi)為了地應(yīng)力測(cè)量而鉆的井深度至今不超過(guò)1500m。大部分水力壓裂地應(yīng)力測(cè)量是結(jié)合油層水力壓裂增產(chǎn)措施來(lái)進(jìn)行。 第四十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三是巖心測(cè)量。由于巖心測(cè)量可以在室內(nèi)測(cè)定，不需要大量的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和人員，也有廣泛

21、的應(yīng)用。如差應(yīng)變分析、波速各向異性測(cè)定、滯彈性應(yīng)變分析、聲發(fā)射（Kaiser效應(yīng)）測(cè)定等。但巖心地應(yīng)力測(cè)量只能給出地應(yīng)力相對(duì)于巖心的方位，如何給出巖心在地下原位的方位則是該方法的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。另外，巖心測(cè)量時(shí)，很難完全模擬井下條件，而且?guī)r心采樣深度也不太精確。四是地應(yīng)力計(jì)算，如地應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬、地應(yīng)力測(cè)井解釋、鉆進(jìn)參數(shù)反演地震震源機(jī)制解等。 第四十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1 差應(yīng)變分析 地層中的巖石處在三向地應(yīng)力作用下而處于壓縮狀態(tài)下，進(jìn)行取心時(shí)，巖心脫離應(yīng)力作用環(huán)境，產(chǎn)生彈性應(yīng)力釋放，伴隨應(yīng)力的釋放在應(yīng)力最大的方向上變形最大，而在應(yīng)力最小的方向上變形最小。把已發(fā)

22、生應(yīng)力釋放的巖心，在垂直平面和兩個(gè)水平平面上（夾角90度）貼上應(yīng)變片，并放置于高壓容器中，在1=2=3的應(yīng)力條件下，進(jìn)行恢復(fù)性的加載，在加載的過(guò)程中，三個(gè)方向的應(yīng)變量出現(xiàn)差異，在原始應(yīng)力最大的方向應(yīng)變量最大；在原始應(yīng)力最小的方向應(yīng)變量最小。通過(guò)測(cè)試上述巖心各方向的應(yīng)變之差，就可知道這塊巖心在地層中所受的應(yīng)力狀態(tài)。 第五十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第五十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2 滯彈性應(yīng)變恢復(fù) 當(dāng)取出巖心的恢復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定后，除發(fā)生瞬態(tài)應(yīng)變恢復(fù)外，在進(jìn)行連續(xù)應(yīng)變觀測(cè)時(shí)，仍然可以觀測(cè)到一個(gè)微小的應(yīng)變?cè)黾樱@種應(yīng)變?cè)黾涌梢匝永m(xù)幾十個(gè)小時(shí)，被稱(chēng)為滯彈性應(yīng)變恢復(fù)

23、。根據(jù)滯彈性應(yīng)變恢復(fù)曲線可以反演地應(yīng)力的大小和相對(duì)于巖心的地應(yīng)力方向。 第五十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 波速各向異性 地層中的巖石是處在三向應(yīng)力作用狀態(tài)下的，當(dāng)鉆井取心時(shí)巖石脫離應(yīng)力作用狀態(tài)，自身將產(chǎn)生應(yīng)力釋放，在應(yīng)力釋放過(guò)程中巖石會(huì)產(chǎn)生許多十分微小的裂隙，由于在最大水平地應(yīng)力方向上巖心的松弛變形最大，因此，這些小裂隙將垂直最大水平主應(yīng)力方向，裂隙被空氣所充填，聲波在巖石中傳播的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在空氣中傳播的速度，由于巖心中微小裂隙的存在使得聲波在巖心的不同方向上傳播的速度不同，有明顯的各向異性特征。巖石在原地層中所受應(yīng)力大的方向上聲波傳播速度慢，反之在所受應(yīng)力較小的方向

24、上，聲波傳播速度則較快。第五十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4 巖心磁定向 巖石的磁性是由其所含的鐵磁性物質(zhì)所決定的，不同巖石有不同的成巖過(guò)程，因而獲得磁化的機(jī)制也不同，例如火成巖，不論是噴發(fā)巖或侵入巖，它們都是從熔融狀態(tài)的巖漿，在地磁場(chǎng)中冷卻而獲得磁化的。在其冷卻過(guò)程中當(dāng)溫度下降至其所含鐵磁性礦物的居里點(diǎn)溫度時(shí)，這些鐵磁性礦物就被當(dāng)時(shí)的地磁場(chǎng)所磁化，獲得熱剩磁（TRM），從而使整個(gè)巖石獲得了總體磁化。這個(gè)總磁化是與當(dāng)時(shí)的地磁場(chǎng)密切相關(guān)的，其磁化方向完全一致，因而可靠地記錄了成巖年代地磁場(chǎng)的各種信息。 第五十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月沉積巖在成巖過(guò)程中，

25、沒(méi)有經(jīng)過(guò)高溫磁化這個(gè)過(guò)程，但由于構(gòu)成沉積巖的各種小顆粒，是從火成巖上風(fēng)化剝蝕下來(lái)的的已被磁化的微小顆粒，這些微小顆粒就象一個(gè)一個(gè)小磁針，在沉積脫水固結(jié)過(guò)程中，在當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)作用下定向排列，從而使整個(gè)沉積巖體獲得一個(gè)與當(dāng)時(shí)地磁場(chǎng)有關(guān)的總體剩磁，這個(gè)總體剩磁在一個(gè)地區(qū)沉積巖體磁化方向是一致的，這樣獲得的剩磁叫做沉積剩磁或碎屑剩磁。我們從鉆井井下取出的巖心基本上都含碎屑剩磁。 4 巖心磁定向 第五十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月描述某點(diǎn)的地磁場(chǎng)，一般用磁偏角D，磁傾角I，總磁強(qiáng)度F，垂直強(qiáng)度Z，北向分量強(qiáng)度x，東向分量強(qiáng)度y等七個(gè)參數(shù)（通稱(chēng)七要素）。規(guī)定磁偏角D是以磁北為零點(diǎn)，順時(shí)針旋

26、轉(zhuǎn)為正值（0360），磁傾角I，是以水平方向?yàn)榱泓c(diǎn)，向下為正值，向上為負(fù)值（-9090）。一般只用三個(gè)參數(shù)就可以完全說(shuō)明某一取樣點(diǎn)的磁場(chǎng)狀況，如使用磁偏角D，磁傾角I，剩磁強(qiáng)度F。 4 巖心磁定向 第五十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月古地磁的結(jié)果是建立在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析基礎(chǔ)上的結(jié)果。因此，必須有足夠的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均。用古地磁確定地層深部巖心方向及應(yīng)力方向是比較可行的方法，它比較省錢(qián)，可直接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，這將對(duì)研究石油地質(zhì)中的地層斷裂走向及分布，地層產(chǎn)狀，地層中三向應(yīng)力分布方向等，提供一個(gè)有效手段。 4 巖心磁定向 第五十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5

27、應(yīng)力解除法 該法是在國(guó)外普遍采用的方法，它是在假定巖體是各向同性、均勻連續(xù)的彈性體的前提下，將測(cè)量元件裝設(shè)在巖體中的鉆孔里，在其元件周?chē)膸r體上套孔或掏槽，使裝有元件的巖心與周?chē)鷰r體分開(kāi)，即解除巖體中的應(yīng)力對(duì)巖心的作用，巖心發(fā)生彈性恢復(fù)而變形，測(cè)量元件的測(cè)量值發(fā)生變化。根據(jù)不同方向上測(cè)量值變化的大小，計(jì)算出地應(yīng)力值的大小和方向。 第五十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5 應(yīng)力恢復(fù)法 此法的一種辦法是液壓平面千斤頂法，它起源于法國(guó)，后在許多國(guó)家廣泛應(yīng)用。其主要操作過(guò)程是在巖石表面先安裝測(cè)量應(yīng)變的儀器，然后開(kāi)挖槽將液壓千斤頂放入，并充填水泥等漿料，待其固結(jié)后用泵給千斤頂加壓，使應(yīng)變

28、儀的讀數(shù)恢復(fù)到開(kāi)挖槽以前的讀數(shù)，這時(shí)壓力計(jì)上的測(cè)值便可用來(lái)推算應(yīng)力。 第五十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6 火山噴道取向的觀測(cè) 第一類(lèi)的地質(zhì)指標(biāo)為線性火山噴道，包括火山巖脈和渣錐排列。若把火山噴道的形成看作是巖石的張性破裂，則巖脈應(yīng)順著與最小主應(yīng)力軸垂直的平面侵入。有相當(dāng)多的例子表明，盡管早期結(jié)構(gòu)含有相當(dāng)多的先存破裂和斷層，當(dāng)巖脈穿過(guò)此結(jié)構(gòu)時(shí)，其方向仍保持一致。 第六十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第六十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7 超顯微構(gòu)造古應(yīng)力估算方法 70年代后期以來(lái)，對(duì)于巖石超顯微構(gòu)造的研究取得顯著的進(jìn)步，利用礦物顆粒受到構(gòu)造

29、應(yīng)力作用后，在電子顯微鏡下所表現(xiàn)出的位錯(cuò)密度，動(dòng)力重結(jié)晶顆粒大小，亞晶大小與差應(yīng)力(1-3)值之間的關(guān)系，便可進(jìn)行古構(gòu)造應(yīng)力值的半定量估算。這樣就使古構(gòu)造應(yīng)力的研究從定性階段走向半定量研究的階段。 第六十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 聲發(fā)射第六十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 聲發(fā)射第六十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 聲發(fā)射第六十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 水力壓裂第六十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 水力壓裂第六十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 水力壓裂第六十八張，

30、PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 水力壓裂第六十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 水力壓裂第七十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月用橡膠封隔器在所需要的測(cè)量深度封閉鉆孔的一段，泵入液體給封閉段加壓，測(cè)量封閉段中的液體壓力P。在某一臨界壓力(breakdown pressure) Pb下，鉆孔周?chē)膸r石產(chǎn)生張破裂，壓力液的空間由于新破裂面的形成而急劇增加，液體的壓力下降，迅速關(guān)閉液壓泵，液體壓力穩(wěn)定值叫做封井壓力，此應(yīng)與該處最小水平主應(yīng)力相等， 第七十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在水壓破裂操作中，通過(guò)測(cè)量壓力曲線(圖5.35)，可以得

31、到和。事先如果測(cè)定了巖石的抗張強(qiáng)度T0，并用鉆孔水下電視或印膜方法知道了形成的垂直破裂面的方位，可以計(jì)算得到，以及水平應(yīng)力的方向。第七十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 井壁崩落法第七十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 井壁崩落法第七十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 井壁崩落法第七十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 井壁崩落法第七十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鍵槽8 井壁崩落法第七十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 井壁崩落法第七十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8

32、井壁崩落法第七十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 井壁崩落法第八十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 井壁崩落法第八十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8 井壁崩落法第八十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法一、巖體應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法概述1.目的： （1）了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向 （2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護(hù)及巖體加固提供依據(jù) （3）預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報(bào)巖爆的有力工具第八十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 方法分類(lèi)(表6-1)第八十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，

33、創(chuàng)作于2022年6月二、水壓致裂法（一）方法原理及技術(shù)要點(diǎn)：通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測(cè)深度加液壓將孔壁壓裂，測(cè)定壓裂過(guò)程中的各特征點(diǎn)壓力及開(kāi)裂方位，然后根據(jù)測(cè)得的壓裂過(guò)程中泵壓表的讀數(shù)，計(jì)算測(cè)點(diǎn)附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點(diǎn)上下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。水壓致裂過(guò)程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-11。第八十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖 6-11 壓裂過(guò)程泵壓變化及特征壓力圖 6-10 止水、壓裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0第八十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月各特征壓力的物理意義P0-巖體內(nèi)孔隙

34、水壓力或地下水壓力Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始?jí)毫褖毫s-液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱(chēng)為穩(wěn)定開(kāi)裂壓力Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱(chēng)為關(guān)閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減Pb0-停泵后重新開(kāi)泵將裂縫壓開(kāi)的壓力，稱(chēng)為開(kāi)啟壓力第八十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（二）基本理論和計(jì)算公式當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時(shí)，設(shè)孔周邊兩個(gè)水平地應(yīng)力分別為 和 ，孔壁還受有水壓Pb.如圖6-12。圖 6-12 孔壁開(kāi)裂力學(xué)模型a第八十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鉆孔周?chē)鷰r體內(nèi)應(yīng)力 (Kirsch.G-基爾斯解)第八十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于

35、2022年6月在孔壁上r=a，有：當(dāng) 時(shí)有最大拉應(yīng)力：按最大拉應(yīng)力理論，有(6-15)(6-16)將(6-15)代入(6-16)得孔壁開(kāi)裂應(yīng)力條件(6-18)即孔壁開(kāi)裂在與 垂直, 的面上式中：T0-巖體的抗強(qiáng)度第九十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月若巖體中有孔隙水壓力Pw，（6-18）式變成：(6-19)由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重新開(kāi)裂的壓力Pb0，則上式變成：(6-20)19和20兩式對(duì)比得： Pb Pb0=T0(6-21)在關(guān)閉壓力Pb0點(diǎn)上，孔壁已經(jīng)開(kāi)裂，則T0=0,穩(wěn)定開(kāi)裂壓力由P0下降到Ps0。此時(shí)，ps0等于與裂縫垂直的應(yīng)力，即：第九十一張，PPT共一百七十

36、二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月求得主應(yīng)力及巖體抗拉強(qiáng)度（三）根據(jù)水壓致裂法試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算地應(yīng)力（1）一般來(lái)講 作為地主應(yīng)力之一。我們可以將 與 作比較，若 ，則可以肯定此時(shí) 為最小主應(yīng)力；進(jìn)一步將 與 作比較，也就可以以此確定地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力。第九十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 因?yàn)殚_(kāi)裂點(diǎn)方位或開(kāi)裂裂縫方向可以確定 的方位或 的方向，所以三個(gè)地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。（2）如果 ，并且孔壁開(kāi)裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時(shí) 為最小地應(yīng)力， 與 各為中間主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開(kāi)裂方向即為最大地應(yīng)力方向。（四）水壓致裂法的特點(diǎn) 設(shè)備簡(jiǎn)單 操作方便 測(cè)值直觀 適應(yīng)性強(qiáng) 受到

37、重視和推廣 缺陷：主應(yīng)力方向不準(zhǔn)第九十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、應(yīng)力解除法 1. 基本原理： 當(dāng)需要測(cè)定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，人為的將該處巖體單元和周?chē)膸r體分離，此時(shí)，巖體單元上所受的拉力將被解除。同時(shí)，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測(cè)定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認(rèn)為巖體時(shí)連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)測(cè)試應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力流程要點(diǎn)第九十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 應(yīng)力解除法分類(lèi) 按測(cè)試深度表面應(yīng)力解除淺孔應(yīng)力解除深孔應(yīng)力解除按測(cè)試應(yīng)變或變

38、形孔徑變形測(cè)試孔壁應(yīng)變測(cè)試孔底應(yīng)力解除法孔壁 應(yīng)力解除法測(cè)1個(gè)平面3個(gè)方向上的應(yīng)變1平面3方向上的徑位移3平面9個(gè)方向應(yīng)變第九十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月原理要點(diǎn) 向巖體中的測(cè)點(diǎn)先鉆進(jìn)一個(gè)平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應(yīng)變傳感器；套孔鉆出巖芯，使孔底平面完全卸載，應(yīng)變傳感器測(cè)得孔底平面中心恢復(fù)應(yīng)變；在室內(nèi)測(cè)得巖石的彈性常數(shù)；計(jì)算孔底中心處的平面應(yīng)力狀態(tài)。由于孔底應(yīng)力解除法只需要鉆進(jìn)一段不長(zhǎng)的巖芯，所以對(duì)較破碎的巖體也能應(yīng)用。（1）巖體孔底應(yīng)力解除法在孔底平面粘貼3應(yīng)變片應(yīng)變花一個(gè)平面有3個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量第九十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月工作步驟應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)

39、第九十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）套孔應(yīng)力解除法原理要點(diǎn) 對(duì)巖體中某點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力量測(cè)時(shí)，先向該點(diǎn)鉆進(jìn)一定深度的超前小孔，在此小孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過(guò)鉆取一段同心的管狀巖芯而使應(yīng)力解除，根據(jù)恢復(fù)應(yīng)變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)?？讖阶冃螠y(cè)試，孔壁應(yīng)力解除法，均屬于套孔應(yīng)力解除法。前者測(cè)試套孔應(yīng)力解除后的孔徑變化；后者測(cè)試套孔應(yīng)力解除后的孔壁應(yīng)變。其操作步驟和原理基本相同第九十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月表面應(yīng)力解除法直角應(yīng)變花等邊三角形應(yīng)變花應(yīng)力解除槽第九十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鉆孔的深度必須超過(guò)開(kāi)挖 影響區(qū)，

40、才能測(cè)到巖體內(nèi)的原始應(yīng)力，否則測(cè)出的是二次應(yīng)力。第一百?gòu)?，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月工作步驟套孔應(yīng)力解除工作步驟第一百零一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月套孔應(yīng)力解除使用的傳感器 孔徑變形測(cè)試采用位移傳感器；孔壁應(yīng)力解除采用應(yīng)變傳感器。，第一百零二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月孔徑變形測(cè)試傳感器布置第一百零三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月孔壁應(yīng)力解除法傳感器布置第一百零四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月計(jì)算公式 應(yīng)力解除法，由測(cè)試數(shù)據(jù)換算成應(yīng)力，根據(jù)測(cè)試參數(shù)的不同可以分為兩類(lèi)：(1)由應(yīng)變換算成應(yīng)力；(2)徑向位移換算

41、成應(yīng)力。換算的基本理論和方法都在彈性力學(xué)中學(xué)過(guò)，這僅以(2)為例。由孔徑變形測(cè)試換算初始應(yīng)力，在大多數(shù)試驗(yàn)場(chǎng)合下，往往進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算例如假定鉆孔方向和 一致，并認(rèn)為 ，則（6-24）第一百零五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月式中： -鉆孔直徑變化值 -鉆孔直徑 -量測(cè)方向和水平軸的夾角 -巖石彈性模量與泊松比在實(shí)際計(jì)算中，由于考慮到應(yīng)力解除是逐步向深處進(jìn)行的，實(shí)際上不是平面變形而是平面應(yīng)力，則有 式中： 分別為在0度，45度和90度三個(gè)方向上同時(shí)測(cè)定的孔徑變化。第一百零六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月空間原始應(yīng)力測(cè)試測(cè)試空間原始應(yīng)力 ，孔壁應(yīng)變法只須1鉆孔，孔底應(yīng)變

42、法和孔徑變形法需要3個(gè)鉆孔第一百零七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、應(yīng)力恢復(fù)法 應(yīng)力恢復(fù)法是用來(lái)直接測(cè)定巖體應(yīng)力大小的一種測(cè)試方法，目前此法僅用于巖體表層，應(yīng)力。當(dāng)己知某巖體中的主應(yīng)力方向時(shí)，采用本法比較方便。 如圖6-18，當(dāng)洞室某側(cè)墻上的表層圍巖應(yīng)力的主應(yīng)力 方向各為垂直于水平方向時(shí)，就可用到應(yīng)力恢復(fù)法測(cè)得 的大小。第一百零八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖6-18 應(yīng)力恢復(fù)法原理圖第一百零九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月基本原理：在側(cè)墻上沿測(cè)點(diǎn)o，先沿水平方向開(kāi)一個(gè)解除槽，則在槽的上下附近，圍巖應(yīng)力得到部分解除，應(yīng)力狀態(tài)重新分布。在槽的中

43、心線OA上的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)H.N.穆斯海里什維里理論，把槽看作一條縫，得到： （627）式中 OA線上某點(diǎn)B上的應(yīng)力分量 B點(diǎn)離槽中心O的距離的倒數(shù)。第一百一十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)在槽中埋設(shè)壓力枕，并由壓力枕對(duì)槽加壓，若施加壓力為p，則在OA線上B點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力分量為 （628）第一百一十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)壓力枕所施加的力 時(shí)，這時(shí)B點(diǎn)的總應(yīng)力分量為 可見(jiàn)當(dāng)壓力枕所施加的力 時(shí)，則巖體中的應(yīng)力狀態(tài)已完全恢復(fù)，所求的應(yīng)力 即由P值而得知，這就是應(yīng)力恢復(fù)法的基本原理。第一百一十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月實(shí)驗(yàn)過(guò)程1. 在

44、選定的試驗(yàn)點(diǎn)上，沿解除槽的中垂線上安裝好量測(cè)元件（見(jiàn)圖6-19）第一百一十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.記錄量測(cè)元件應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)。3.開(kāi)鑿解除鑿，巖體產(chǎn)生變形并記錄應(yīng)變計(jì)上的讀數(shù)。4.在開(kāi)挖好的解除鑿中埋設(shè)壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。5.待充填水泥漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，即將壓力枕聯(lián)接油泵，通過(guò)壓力枕對(duì)巖體施壓。隨著壓力枕所施加的力p的增加，巖體變形逐漸恢復(fù)。逐點(diǎn)記錄壓力p與恢復(fù)變形的關(guān)系。6.假設(shè)巖體為理想彈性體，則當(dāng)應(yīng)變計(jì)回復(fù)到初 始讀數(shù)時(shí)，此時(shí)壓力枕對(duì)巖體所施加的壓力p即為所求巖體的主應(yīng)力。第一百一十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月如圖6-20所示，OD

45、E為壓力枕加荷曲線，壓力枕不僅加壓到初始讀數(shù)（D點(diǎn)），即恢復(fù)了彈性變形 ，而且繼續(xù)加壓到E點(diǎn)，得到全應(yīng)變 ：由應(yīng)力-應(yīng)變曲線求巖體應(yīng)力圖6-20第一百一十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月由壓力枕逐步卸載，得卸荷曲線EF,并得知 ，這樣就可以求得產(chǎn)生全應(yīng)變 所相應(yīng)的彈性應(yīng)變 與殘余塑性應(yīng)變 之值。為了求得產(chǎn)生 所相應(yīng)的全應(yīng)變量，可以作一條水平線KN與壓力枕的OE和EF線相交，并使MN= ,則此時(shí)KM就為殘余塑性應(yīng)變 ，相應(yīng)的全應(yīng)變量由 就可知在OE線上求得C點(diǎn)，并求得與C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的p值，即所求的 值。返回第一百一十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月地應(yīng)力計(jì)算另一種獲取

46、地應(yīng)力數(shù)據(jù)的手段是通過(guò)計(jì)算得到。迄今為止，人們?cè)诘貞?yīng)力計(jì)算方法上已做了許多努力，取得了顯著的進(jìn)展，歸納起來(lái)主要有以下四類(lèi)：（1）有限元數(shù)值模擬反演古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，（2）應(yīng)力歷史模擬正演應(yīng)力場(chǎng)，(4)根據(jù)相對(duì)簡(jiǎn)單的地應(yīng)力計(jì)算模式，進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)井解釋?zhuān)?）鉆進(jìn)參數(shù)估算。 第一百一十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一百一十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月有限元數(shù)值模擬反演 地應(yīng)力的實(shí)際測(cè)試，一般都只能確定一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，而巖體內(nèi)的地應(yīng)力場(chǎng)仍無(wú)法確定，只能根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)予以推斷和估計(jì)。然而在工程設(shè)計(jì)中往往需要了解地應(yīng)力在空間的分布情況即地應(yīng)力場(chǎng)，因此地應(yīng)力場(chǎng)的分析非常重要

47、。影響地應(yīng)力場(chǎng)的因素可概括為三個(gè)構(gòu)造格架，包括斷層產(chǎn)狀與地層厚度變化；區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)；巖石力學(xué)與物理性質(zhì)。其中，和是決定地應(yīng)力場(chǎng)性質(zhì)的基本條件。要研究一個(gè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體的應(yīng)力場(chǎng)分布顯然不能采用解析解。在數(shù)值方法中最常用的是有限差分法與有限元法。 第一百一十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月有限差分法在數(shù)學(xué)推導(dǎo)與論證上更加嚴(yán)密一些，但它主要離散的是基本的控制方程。雖然可以引進(jìn)凹凸不平網(wǎng)格的特殊方法來(lái)考慮不規(guī)則邊界，但通常只適用于具有簡(jiǎn)單外形的幾何體。在有限元法中，離散的是構(gòu)成這個(gè)系統(tǒng)的物體，因此更適合具有不規(guī)則形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。所以在目前條件下，有限元法是研究復(fù)雜地質(zhì)體中

48、應(yīng)力場(chǎng)分布的最有效的方法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者利用有限單元法進(jìn)行回歸分析得出了二維和三維的地應(yīng)力場(chǎng)資料，這是一條以低成本取得地應(yīng)力場(chǎng)資料的有效途徑。有限元數(shù)值模擬反演 第一百二十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、有限單元法基本原理 有限單元法是將復(fù)雜的地質(zhì)體劃分為足夠小的、數(shù)目有限的小塊體（有限單元），對(duì)每個(gè)互不重疊的單元體來(lái)說(shuō)，它是均勻、連續(xù)的彈性體。單元體之間以節(jié)點(diǎn)連接，這樣就組成了一個(gè)以單元集合體代替復(fù)雜地質(zhì)體的模型。首先計(jì)算每個(gè)單元體的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，然后將這些單元綜合起來(lái)再計(jì)算整個(gè)地質(zhì)體的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。此即應(yīng)用有限單元法的基本思路。 第一百二十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)

49、作于2022年6月有限單元法可根據(jù)研究區(qū)域的幾何外形、作用方式等條件，經(jīng)過(guò)一定的處理程序，以線性代數(shù)方程組的形式表達(dá)應(yīng)力應(yīng)變位移之間的內(nèi)在聯(lián)系，最后求解方程組，得出應(yīng)力分布狀態(tài)。 在模擬過(guò)程中，如何正確建立地質(zhì)模型又是最根本的問(wèn)題 一、有限單元法基本原理 第一百二十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、 地質(zhì)模型的建立及網(wǎng)絡(luò)的剖分 進(jìn)行有限元的數(shù)值模擬之前，首先要充分研究該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征，并將復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題用合理的地質(zhì)模型來(lái)加以表達(dá)。當(dāng)研究油田地區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，所選用的模型大約相當(dāng)于5Km深度的地殼上部模型，這一深度大致相當(dāng)于基底的位置。一般認(rèn)為強(qiáng)度較大的基底的變形和應(yīng)力

50、場(chǎng)控制了較軟弱覆蓋層的變形與應(yīng)力分布，因而這一深度的選擇是恰當(dāng)?shù)摹Ｌ珳\難以反映較大范圍內(nèi)的區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的影響，太深則距要研究的目的層太遠(yuǎn)，反映不出局部構(gòu)造的影響。 第一百二十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、 數(shù)學(xué)模型的建立 上面我們已將一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)體不斷剖分為小單元，直至每個(gè)單元上的應(yīng)力應(yīng)變可視為均勻時(shí)為止。之后要在每個(gè)單元上通過(guò)固體力學(xué)的變分原理推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃嚕瑢⒐?jié)點(diǎn)位移同節(jié)點(diǎn)處所施加的力聯(lián)系起來(lái)，再將各單元的剛度矩陣集合起來(lái)，便得到以各節(jié)點(diǎn)位移表示的方程組，最后通過(guò)求解這個(gè)巨大的線性方程組，便得到這個(gè)地質(zhì)體各點(diǎn)的變形情況。 第一百二十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作

51、于2022年6月四、 物理參數(shù)的選取 離散后的單元是由斷層及不同性質(zhì)的巖石組成。所以平衡方程中包含有單元巖石的力學(xué)參數(shù)，求解之前必須給出這些參數(shù)值。不同的巖性具有不同的力學(xué)性質(zhì)。 從地殼變形的意義上說(shuō)，斷層的變形代表了整個(gè)地區(qū)變形中的主體部分。從計(jì)算的角度上看，斷層是整個(gè)模型中最軟弱的部分。因而選擇斷層的力學(xué)參數(shù)是重要的約束。 第一百二十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五、 邊界條件的確定 利用有限元法對(duì)連續(xù)問(wèn)題離散化，要求確定一個(gè)有限區(qū)域，它具有確定的邊界條件。雖然這些邊界條件都是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造及各種實(shí)際情況劃定的，但也存在某種人為的因素，因而必須給予合適的邊界條件以模擬實(shí)際問(wèn)

52、題的受力狀態(tài)。 到目前為止，有限元數(shù)值模擬主要用于平面地應(yīng)力場(chǎng)的分析，它強(qiáng)烈地依賴(lài)于所建立的地質(zhì)、力學(xué)模型以及邊界條件，粘彈性體的有限元模擬和三維數(shù)值模擬還有很多工作要做。 第一百二十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一百二十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一百二十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月地應(yīng)力主要由上覆巖層重量和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，并受地層巖性、產(chǎn)狀和構(gòu)造形態(tài)、巖石的力學(xué)特性、地層孔隙壓力、溫度場(chǎng)等方面的影響，因此，地應(yīng)力分層與地質(zhì)分層有著密切的關(guān)系。同時(shí)，地應(yīng)力分層與地質(zhì)分層又有著顯著的區(qū)別：地質(zhì)分層主要綜合考慮測(cè)井資料及其它地質(zhì)資料所反

53、映出的巖性特征，以巖性的變化為依據(jù)進(jìn)行分層；而地應(yīng)力分層則是首先根據(jù)測(cè)井資料，按一定的分層地應(yīng)力模式計(jì)算出連續(xù)的地應(yīng)力曲線，然后再對(duì)地應(yīng)力曲線進(jìn)行數(shù)值分層。地應(yīng)力的分層主要綜合考慮三個(gè)方向主應(yīng)力的變化趨勢(shì)，它有可能跨越地質(zhì)分層。相鄰的不同的地質(zhì)層，其力學(xué)性質(zhì)可能相似，它們應(yīng)并入同一地應(yīng)力層；在同一地質(zhì)層內(nèi)，由于各種原因地應(yīng)力也可能發(fā)生突變，此時(shí)應(yīng)劃分為幾個(gè)不同的地應(yīng)力層。 第一百二十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一百三十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一百三十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 地應(yīng)力是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期形成的，其影響因素較多

54、，分布規(guī)律比較復(fù)雜。依據(jù)已積累的資料，對(duì)油田地應(yīng)力的分布規(guī)律有以下認(rèn)識(shí)。第四節(jié) 原地應(yīng)力分布的基本規(guī)律第一百三十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)分布的主要規(guī)律 一、垂直應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力隨深度的變化垂直應(yīng)力 隨深度線性增加。平均密度約為27KN/m3第一百三十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、水平應(yīng)力隨深度的變化平均水平應(yīng)力隨深度而增加第一百三十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值K 在接近地表及淺層地層中，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。但隨深度增加就會(huì)出現(xiàn)K =1的狀況。第一百三十五張，P

55、PT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、兩水平應(yīng)力之間的比例返回第一百三十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 一、 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響 1 、局部應(yīng)力場(chǎng)與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系 中國(guó)大陸板塊受到外部?jī)蓚€(gè)板塊的推擠，即印度板塊每年以5cm的速度推擠和太平洋板塊每年以數(shù)厘米的速度推擠，同時(shí)受到西伯利亞和菲律賓板塊的約束。在這樣的邊界條件下，板塊發(fā)生變形。據(jù)陳宗基的分析，可按行政區(qū)域劃分，大致將我國(guó)分成三類(lèi)地區(qū)： 第一百三十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：包括臺(tái)灣、西藏、新疆、甘肅、青海、云南、寧夏、四川西部等。 中等構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：包括河北、山西、

56、陜西關(guān)中地區(qū)、山東、遼寧南部、吉林延吉地區(qū)、安徽中部、福建廣東沿海地區(qū)及廣西等。 較弱構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：包括江蘇、浙江、湖南、湖北、河南、貴州、四川東部、黑龍江、吉林及內(nèi)蒙古的大部分地區(qū)。第一百三十八張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)李方全的分析，我國(guó)華北地區(qū)，以太行山為界，東西兩個(gè)區(qū)域有較大的差別。太行山以東的華北平原及其周邊地區(qū)，其主壓應(yīng)力軸方向?yàn)榻鼥|西向，太行山以西的山西地塹區(qū)，其主壓應(yīng)力方向則發(fā)生了急驟變化，表現(xiàn)為近南北向。第一百三十九張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 太行山以東的平原地區(qū)顯然與太平洋板塊向西俯沖有關(guān)，而太行山以西的山西地塹區(qū)雖地處華北，但看來(lái)

57、受印度板塊向北運(yùn)動(dòng)和青藏隆起的影響較大，可以說(shuō)是東部與西部地區(qū)的過(guò)渡地帶。 太行山構(gòu)造帶，正是一條在其東西兩側(cè)深部地殼結(jié)構(gòu)和組成上有顯著差別的構(gòu)造分界。秦嶺東西構(gòu)造帶以南的華南地區(qū)，其主壓應(yīng)力方向相當(dāng)一致，為北西西至北西向。地應(yīng)力絕對(duì)值在我國(guó)東、西部是不同的。東部相對(duì)較小，而西部相對(duì)較大。第一百四十張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 油田斷塊處于板塊內(nèi)部，其應(yīng)力場(chǎng)受到板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，這種由區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生和控制的應(yīng)力場(chǎng)稱(chēng)之為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的方向性，并以產(chǎn)生水平附加應(yīng)力為主，它使大范圍的應(yīng)力場(chǎng)的方向趨于一致并增大兩水平應(yīng)力之間的差值。 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，平面應(yīng)

58、力場(chǎng)的分布規(guī)律性越強(qiáng)，方向越穩(wěn)定。同時(shí)，局部地質(zhì)構(gòu)造可對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生較大的改造作用，局部地質(zhì)構(gòu)造的作用越強(qiáng),局部應(yīng)力場(chǎng)與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)之間的差異越大，方向變化也越大。 第一百四十一張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 二 、斷層對(duì)地應(yīng)力的影響 斷層的形成是地層在地應(yīng)力作用下發(fā)生破裂和滑動(dòng)的結(jié)果，在一定的應(yīng)力場(chǎng)作用下，所形成的斷層類(lèi)型是基本固定的。 假定：斷層所在地點(diǎn)的主應(yīng)力方向之一是垂直的；在斷層形成之前，巖石是完整的，產(chǎn)生斷層的巖石破裂過(guò)程遵循庫(kù)倫準(zhǔn)則，則可以由斷層類(lèi)型推斷三向地應(yīng)力的相對(duì)大小。 第一百四十二張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 正 斷 層：垂向應(yīng)力是最

59、大主應(yīng)力 ，斷層走向即為中等主應(yīng)力 的方向(圖3a)。 逆 斷 層：垂向應(yīng)力是最小主應(yīng)力 ，斷層走向?yàn)橹械戎鲬?yīng)力 的方向(圖3b) 走向滑動(dòng)斷層：垂向應(yīng)力是中等主應(yīng)力 ，斷層走向與最大(水平)主應(yīng)力方向交角小于45(圖3c、d) 第一百四十三張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一百四十四張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)然，僅對(duì)正在發(fā)生斷裂或發(fā)生過(guò)微斷裂的地區(qū)，滑移方向與主應(yīng)力方向才有這種簡(jiǎn)單的關(guān)系。 在統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，引起平面上地應(yīng)力方位變化的主要原因是地層力學(xué)性質(zhì)的非均勻性，其中斷層的存在影響最大。 第一百四十五張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年

60、6月 1 、平均來(lái)看，斷層上的絕對(duì)應(yīng)力值比外圍地層低。 巖體斷裂本質(zhì)是一種能量耗散和應(yīng)力重新分布的過(guò)程，水平主應(yīng)力和最大水平剪應(yīng)力隨離斷層距離的增加而增加，斷層上的絕對(duì)應(yīng)力值比外圍地層低。第一百四十六張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 2 、斷層周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中，使斷層附加應(yīng)力分布發(fā)生較大改變。 每條斷層不僅影響各自周?chē)膽?yīng)力分布，而且彼此還互相影響。斷層匯交的方式對(duì)斷層周?chē)膽?yīng)力有較大影響，斷層匯而不交的地區(qū)和端點(diǎn)附近尤其是匯而不交的區(qū)域應(yīng)力值較高，同時(shí)應(yīng)力的大小及方向變化較大。第一百四十七張，PPT共一百七十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 3、斷層有使最大水平地應(yīng)力方向垂直于斷層走