巖石力學(xué)講義地應(yīng)力

巖石力學(xué)講義地應(yīng)力第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)地應(yīng)力的測量方法第三節(jié)地應(yīng)力縱橫向分布的計算第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)概述一、天然應(yīng)力的概念1.天然應(yīng)力：人類工程活動之前，天然狀態(tài)下，巖體內(nèi)部存在的應(yīng)力，稱為巖體天然應(yīng)力或巖體初始應(yīng)力，有時也稱為地應(yīng)力。2.重布應(yīng)力：人類進行工程建設(shè)將引起一定范圍內(nèi)巖體初始應(yīng)力的改變，工程建設(shè)擾動后的巖體應(yīng)力稱為重布應(yīng)力或二次應(yīng)力。第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四→←重分布應(yīng)力↓↑∧++++++++++++++++++天然應(yīng)力第一節(jié)概述第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四一般情況下主地應(yīng)力表示方法H地表垂直主應(yīng)力σv水平最大主應(yīng)力σH水平最小主應(yīng)力σh概述主應(yīng)力空間第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四地應(yīng)力是場函數(shù)地應(yīng)力又稱為地應(yīng)力場有大小和方向概述水平最大地應(yīng)力水平最小地應(yīng)力第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.構(gòu)成：

巖體自重→自重應(yīng)力

構(gòu)造運動→構(gòu)造應(yīng)力

流體作用→靜水壓力梯度，滲流應(yīng)力

其它（地溫、地球化學(xué)作用等）二、天然應(yīng)力的構(gòu)成及起源第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四自重引起的天然應(yīng)力場二、天然應(yīng)力的構(gòu)成及起源第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四起源（主要指構(gòu)造運動的起源）：板塊運動地幔熱對流地球自轉(zhuǎn)速度變化二、天然應(yīng)力的構(gòu)成及起源第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四地幔熱對流第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四板塊運動地球表面一個板塊對于另一個板塊的相對運動。第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四東非大裂谷，由于地殼斷裂運動，形成于大約3000萬年前。我國西部山前構(gòu)造，由于板塊擠壓，形成高陡地層。第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四地球自轉(zhuǎn)速度的變化長期減慢周期性變化不規(guī)則變化科里奧利力：由于地球自轉(zhuǎn)運動而作用于地球上運動質(zhì)點的偏向力。第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.研究歷史

1878年海姆提出天然應(yīng)力（靜水應(yīng)力說）1932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測定了巖體中的天然應(yīng)力到目前天然應(yīng)力測點遍布全球，有幾十萬個測點。大部分是淺部，最深5108米（美國密執(zhí)安水壓致裂法）。三、天然應(yīng)力的研究歷史第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四胡佛水壩：位于美國科羅拉多河上，壩高221.4m第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四我國從50年代末開始天然應(yīng)力量測三、天然應(yīng)力的研究歷史李四光教授是中國地應(yīng)力測量的創(chuàng)始人，提出“地應(yīng)力的探測是地質(zhì)力學(xué)具有重大實際意義的一個新方面”。地質(zhì)學(xué)家—李四光教授第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四西南：印度板塊向NNE擠壓東部：太平洋板塊向W俯沖北部：西伯利亞板塊阻擋南部：菲律賓板塊向N俯沖第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四WorldStressMap第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四Anderson理論——斷層類型與主應(yīng)力關(guān)系第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四正斷層與地應(yīng)力典型應(yīng)力狀態(tài)：sv=s1>sHmax=s2>sHmin=s3地壘－地塹結(jié)構(gòu)拉伸q傾角sv=s1sHMAX=s2拉伸shmin

=s3第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四走滑斷層與地應(yīng)力sv=s2shmin=s3sHMAX=s1銳角幾乎垂直的斷層面sHMAXshmin伴生正斷層sHMAX典型應(yīng)力狀態(tài)：sHMAX=s1>sv=s2>sHmin=s3第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四逆斷層與地應(yīng)力compressionstaticbasalsheetoverthrustsheetbrittlequartz-illiteshalehingepointshighlyfracturedzonelargelyunfracturedshaleABCsHMAX=s1sv=s3overthrustsheethigh-pshale第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四四、進行地應(yīng)力研究的意義：

是所有地質(zhì)力學(xué)問題中重要的初始條件；

是勘探、鉆井及油藏等石油工程的重要參數(shù)；

是鉆井工程中井壁穩(wěn)定分析的重要參數(shù)；

是采油工程中出砂防砂分析的重要參數(shù)；

是油氣層增產(chǎn)改造措施制定的重要參數(shù)；第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四ABoreholeinaStressFieldzxy2pEffectivestresses:1’=1-p2’=2-p3’=3-pp=porepressureHere,v=2,HMAX=1,hmin=3,and1>2>3HoleinclinationparametersCoordinatesparalleltoearth’ssurfacePrincipalstressesPrincipalstressesareusuallyparallelandnormaltothesurface.第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四DrillingDirectionandStressv>>HMAX>hminhminHMAXvHMAX>>v>hminHMAX~v

>>hminvhminHMAXvhminHMAXThebestorientationtoincreaseholestabilityminimizestheprincipalstressdifferencenormaltotheboreholeaxis60°coneDrillwithina60°cone(±30°)fromthemostfavoreddirectionFavoredholeorientationInhighlydifferentialstressfields,theproperchoiceofaninclinedholefacilitatesdrilling第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)地應(yīng)力的測量方法垂直地應(yīng)力是由重力作用產(chǎn)生的（巖石的重量）；在任意深度，垂直地應(yīng)力等于上覆巖層壓力：

sv=rgz（密度×重力加速度×深度）通常垂直地應(yīng)力通過對密度測井?dāng)?shù)據(jù)積分獲得；在海上鉆井要包含泥線以上海水產(chǎn)生的壓力；垂直主應(yīng)力的求取：第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四測量的對象：水平地應(yīng)力的大小和方向地應(yīng)力大小的測量方法：水力壓裂試驗聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)巖心差應(yīng)變實驗法地應(yīng)力方向的測量方法：井壁崩落橢圓法

地質(zhì)力學(xué)方法壓裂裂縫監(jiān)測法水平主應(yīng)力的測量：第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四一、構(gòu)造地質(zhì)力學(xué)方法判斷水平地應(yīng)力方向正斷層：水平最大主應(yīng)力與斷層走向平行。逆斷層：水平最大主應(yīng)力與斷層走向垂直。走滑斷層：水平最大主應(yīng)力與斷層走向平行。第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四-2200-2300-2400-2500-2600-2700-2800-2900-3000海拔（m）B5井5井SSEW2ⅣW2ⅣW2ⅤW2ⅤW2ⅥW2ⅥW3ⅢW3ⅢW2ⅣW2ⅤW2ⅥW2ⅣW2ⅤW2ⅥF4F9F82F3F2～～～～～～～～圖例油層水層干層～～～～～～～B565剖面位置示意圖T′T0500m250分析實例第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四278000280000282000284000286000108°56′108°52′108°53′108°54′108°55′20°51′20°49′20°50′230400023060002308000230200023030002305000230700020°51′20°49′20°50′2304000230600023080002302000230300023050002307000108°52′108°53′108°54′108°56′278000280000282000284000286000108°55′WZ12-1-6WZ12-1-5南塊北F2F82F4F5F1F3N3N1NN2F9F81F10塊F11F2AFAWZ12-1-B5N1aN1b最大水平主應(yīng)力第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、井壁崩落橢圓法判斷水平地應(yīng)力方向水平最大主應(yīng)力方向水平最小主應(yīng)力方向井壁發(fā)生坍塌后的井眼形狀與井眼鉆開后應(yīng)力的重分布有關(guān)一般情況下，井壁坍塌形成的橢圓形井眼，長軸與最大水平主地應(yīng)力方向垂直（理論依據(jù)是什么？）第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四井眼坍塌破壞形狀σHσhσHσh第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四節(jié)理破碎地層塌塊大，井眼長軸在最大水平地應(yīng)力方位完整地層塌塊小，井眼長軸在最小水平地應(yīng)力方位井眼坍塌長軸方向的變化水平最小主應(yīng)力水平最小主應(yīng)力水平最大主應(yīng)力第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四井壁崩落橢圓資料的獲?。旱貙觾A角測井?dāng)?shù)據(jù)（雙井徑資料），成像測井?dāng)?shù)據(jù)井壁崩落橢圓的識別：(雙井徑測井原理)

一個方向的井徑近似等于鉆頭直徑，另一個方向的井徑有明顯擴大。井壁崩落橢圓段必須有一定長度。在長度范圍內(nèi)崩落橢圓的長軸方位基本一致。根據(jù)上述方法確定地應(yīng)力引起的井壁崩落橢圓井段，進而確定主應(yīng)力方向。井壁崩落橢圓資料的獲取與識別第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四坍塌拉伸裂縫利用成像測井判斷地應(yīng)力方向拉伸裂縫方向為水平最大主應(yīng)力方向井壁坍塌方向為水平最小主應(yīng)力方向二者相差90°第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四A井周地層應(yīng)力狀態(tài)第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四三、聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法測定地應(yīng)力大小聲發(fā)射信號數(shù)應(yīng)力凱塞爾效應(yīng)點巖石在施加載荷過程中，巖石微單元破壞而發(fā)出聲波信號，當(dāng)載荷超過巖心曾受到的最大應(yīng)力狀態(tài)時，其發(fā)射的這種信號會明顯增大，用專用儀器可以監(jiān)測出這種信號的變化，由此可測出巖石在地下時所受的應(yīng)力。第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四取心方式與實驗設(shè)備加載裝置聲信號接收設(shè)備第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四實驗步驟：加工好的巖樣套上橡膠封隔套，裝入高壓釜中；加圍壓至設(shè)定值，并使之保持恒定；以恒定的加載速給巖樣施加向載荷；記錄下加載過程中巖樣內(nèi)部微破壞所發(fā)出的聲發(fā)射信號將向載荷卸致零，進行第二次加載；繪出二次加載過程中的聲發(fā)射信號載荷的變化曲線。問題：施加圍壓的目的是什么？第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四Kaiser效應(yīng)試驗結(jié)果的解釋第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)多孔彈性介質(zhì)力學(xué)理論，從井壁受力狀態(tài)出發(fā)，通過測出地層破裂壓力，裂隙重張壓力，裂隙閉合壓力，可求出最大、最小水平主地應(yīng)力。水力壓裂試驗可以比較精確地測定最小水平主地應(yīng)力。測量最大水平主地應(yīng)力的精度受地層孔隙度、滲透率、孔隙連通性影響較大。四、現(xiàn)場水壓致裂法測量地應(yīng)力大小第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)場水力壓裂試驗法是目前進行深部絕對應(yīng)力測量的最直接方法。這種方法根據(jù)試驗測定地層破裂壓力、瞬時停泵壓力、裂縫重張壓力，采用上述壓力值反算水平地應(yīng)力?，F(xiàn)場水壓致裂法第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四(afterGaarenstroometal.,1993)volume監(jiān)測裂縫擴展和關(guān)井后的壓力，準(zhǔn)確確定最小主應(yīng)力典型的水力壓裂試驗曲線第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四典型的水力壓裂試驗曲線破裂漏失停泵裂縫閉合裂縫重張時間井口壓力第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四利用水力壓裂試驗數(shù)據(jù)計算地應(yīng)力：地層破裂壓力（Pf）：地層破裂產(chǎn)生流體漏失時的井底壓力。裂縫重張壓力（Pr）：使一個已存在的裂縫重新張開時的井底壓力。裂縫閉合壓力（PFcp）：使一個存在的裂縫保持張開時的最小井底壓力，它等于作用在巖體上垂直裂縫面的法向應(yīng)力，即最小水平主地應(yīng)力。瞬時停泵壓力（PISIP）：關(guān)泵瞬間的裂縫中的壓力。它一般大于PFcp，兩者之間的差別一般在0.1～7MPa之間變化，它取決壓裂工藝及巖石性質(zhì)。在低滲透性地層，兩者近似相等。第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四利用水力壓裂試驗數(shù)據(jù)計算地應(yīng)力：水平最小主應(yīng)力與裂縫閉合壓力近似相等。地層抗拉強度等于破裂壓力與地層重張壓力的差值。第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四思考題查閱文獻，了解測量地應(yīng)力大小和方向的其他方法。水力壓裂方法和聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)方法測量地應(yīng)力大小的優(yōu)缺點各是什么？第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)地應(yīng)力縱橫向分布的計算

地應(yīng)力縱向分布情況：基于測井?dāng)?shù)據(jù)的計算模型分析地應(yīng)力橫向分布情況：數(shù)值計算方法分析第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四勘探和評價階段：斷層封閉性評價孔隙壓力預(yù)測井壁穩(wěn)定性預(yù)測開發(fā)階段：井壁穩(wěn)定性分析斜井/水平井設(shè)計壓裂方案設(shè)計射孔方案設(shè)計注水井/加密井方案設(shè)計生產(chǎn)階段：孔隙壓力降低引起的地層變形套管損害分析出砂預(yù)測與防砂方案設(shè)計地應(yīng)力研究在石油工程中的應(yīng)用第49頁，共60頁，