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第六章 地应力确定

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室第六章岩体中的天然应力第六章岩体中的天然应力第一节 概述第二节 岩体天然应力的分布特征第三节 岩体天然应力的确定第四节 孔隙压力预测本章小结第一节第一节概述概述第二节第二节岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征第三节第三节岩体天然应力的确定岩体天然应力的确定第四节第四节孔隙压力预测孔隙压力预测本章小结本章小结西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室第一节概述第一节概述一、基本概念一、基本概念二、天然应力的组成二、天然应力的组成三、天然应力的研究历史与研究意义三、天然应力的研究历史与研究意义西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室一、基本概念一、基本概念‡ 天然应力(原地应力) :在天然状态下,岩体内部存在的应力,或人类工程活动之前存在于岩体中的应力。又称地应力、初始应力等。‡ 重分布应力 :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分布应力,或二次分布应力。天然应力(原地应力)天然应力(原地应力):在天然状态下,岩体内部存在:在天然状态下,岩体内部存在的应力,或人类工程活动之前存在于岩体中的应力。的应力,或人类工程活动之前存在于岩体中的应力。又又称地应力、初始应力等。称地应力、初始应力等。重分布应力重分布应力人类进行工程建设将引起一定范围内岩体初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分布始应力的改变,工程建设扰动后的岩体应力称为重分布应力,或二次分布应力。应力,或二次分布应力。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室一、基本概念一、基本概念二、原地(天然)应力的组成二、原地(天然)应力的组成‰ 天然应力一般由以下几部分组成:天然应力一般由以下几部分组成:9 由岩体自重引起的由岩体自重引起的 自重应力自重应力9 由岩体构造作用引起的由岩体构造作用引起的 岩体构造应力。岩体构造应力。9 由流体作用引起的由流体作用引起的 渗流应力渗流应力9 其它其它 (如地温引起的如地温引起的 温差应力温差应力 、地球化学作用引起的、地球化学作用引起的 化学应力化学应力 等等 )‡ 存在于地壳岩体中的内应力存在于地壳岩体中的内应力‡ 一般情况下,地应力场是一个三向不等压的空间应力场,其一般情况下,地应力场是一个三向不等压的空间应力场,其中主应力大小和方向是随空间与时间的变化而变化的。中主应力大小和方向是随空间与时间的变化而变化的。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、原地(天然)应力的组成二、原地(天然)应力的组成9 垂向应力(垂向应力(σv))9 水平方向两个主应力(水平方向两个主应力(σσ9 地层孔隙压力(地层孔隙压力(原地应力:原地应力:西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、天然应力的研究历史与研究意义三、天然应力的研究历史与研究意义‰ 全球范围:9 1878年海姆提出天然应力;9 美国胡佛水坝下的隧道中,首次成功地测定了岩体中的天然应力;9 到目前天然应力测点遍布全球,有几十万个测点。大部分是浅部,最深 5108米(美国密执安水压致裂法)。‰ 中国:9 20世纪 50年代末开始天然应力测量,有几万个测点。全球范围:年海姆提出天然应力;年,在美国胡佛水坝下的隧道中,首次成功地测定了岩体中的天然应力;到目前天然应力测点遍布全球,有几十万个测点。大部分是浅部,最深 米(美国密执安水压致裂法)。中国:世纪 年代末开始天然应力测量,有几万个测点。研究历史西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、天然应力的研究历史与研究意义三、天然应力的研究历史与研究意义( 1)区域稳定9 任何地区现代构造运动的性质和强度,都取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。9 从工程地质角度,地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。9 从岩体力学角度,地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的岩体断裂破坏的一种表现。修建大型水库改变地区天然应力场而引起水库诱发地震的现象较为常见。( 2)井眼 /地下工程的稳定9 对于地下工程 /井眼而言,岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源9 如果天然应力分布不均匀,可能在地下工程顶 /井壁拉裂掉块,侧壁内鼓张裂和倒塌 。( )区域稳定任何地区现代构造运动的性质和强度,都取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。从工程地质角度,地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。从岩体力学角度,地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的岩体断裂破坏的一种表现。修建大型水库改变地区天然应力场而引起水库诱发地震的现象较为常见。( )井眼 地下工程的稳定对于地下工程 井眼而言,岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源如果天然应力分布不均匀,可能在地下工程顶 井壁拉裂掉块,侧壁内鼓张裂和倒塌 。研究意义西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、天然应力的研究历史与研究意义三、天然应力的研究历史与研究意义( 3)边坡稳定9 天然应力状态与岩体稳定性关系极大,它不仅是决定岩体稳定性的重要因素,而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。9 越来越多的资料表明,在岩体高应力区,地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖,常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象,使工程岩体失稳。( 4)地基岩体稳定9 开挖基坑或边坡,由于开挖卸荷作用,将引起基坑底部发生回弹隆起,并同时引起坑壁或边坡岩体向坑内发生位移。( )边坡稳定天然应力状态与岩体稳定性关系极大,它不仅是决定岩体稳定性的重要因素,而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。越来越多的资料表明,在岩体高应力区,地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖,常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象,使工程岩体失稳。( )地基岩体稳定开挖基坑或边坡,由于开挖卸荷作用,将引起基坑底部发生回弹隆起,并同时引起坑壁或边坡岩体向坑内发生位移。研究意义西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室第二节 岩体天然应力的分布特征第二节 岩体天然应力的分布特征一、中国天然应力的分区性二、铅直应力三、水平应力四、天然应力与深度 z 的关系五、高天然应力六、影响天然应力的因素一、中国天然应力的分区性一、中国天然应力的分区性二、铅直应力二、铅直应力三、水平应力三、水平应力四、天然应力与深度四、天然应力与深度的关系的关系五、高天然应力五、高天然应力六、影响天然应力的因素六、影响天然应力的因素西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室一、中国天然应力的分区性一、中国天然应力的分区性‹ 中国板块处在四大板块环绕中9 西南面受印度板块向 东面受太平洋板块向 南面受菲律宾板块向 北面受西伯利亚板块阻挡中国板块处在四大板块环绕中中国板块处在四大板块环绕中西南面受印度板块向西南面受印度板块向国天然应力的分区性一、中国天然应力的分区性‹ 在四大板块的碰撞挤压下,形成了中国大陆岩体中的天然应力,大致可以以东经100~105°为界分东西两区。‹ 东西两区的天然应力特征差别很大。9 天然应力强度:西强东弱(西高东低)9 最大水平应力方向:西区以 区近成了中国大陆岩体中的天然在四大板块的碰撞挤压下,形成了中国大陆岩体中的天然应力,大致可以以东经应力,大致可以以东经100~~105°°为界分东西两区。为界分东西两区。东西两区的天然应力特征差别很大。东西两区的天然应力特征差别很大。天然应力强度:西强东弱(西高东低)天然应力强度:西强东弱(西高东低)最大水平应力方向:西区以最大水平应力方向:西区以 区近为主,东区近 直应力二、铅直应力‹ 世界主要地区大量的地应力实测资料表明,垂直地应力σ界主要地区大量的地应力实测资料表明,垂直地应力世界主要地区大量的地应力实测资料表明,垂直地应力σσ本等于上覆岩层重量。σρ∑1西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、水平应力三、水平应力‹ 岩体中水平应力的分布和变化规律较复杂。‹ 已有的实测资料,岩体中的水平应力,主要受所研究地区现代构造应力场的控制,同时,还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用,现代断裂运动的应力释放和应力调整作用,以及岩体的力学特性等因素的影响。‹ 根据国内外实测资料统计,3000米以浅,水平地应力σ统计资料: σh/σv≈说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制岩体中水平应力的分布和变化规律较复杂。岩体中水平应力的分布和变化规律较复杂。已有的实测资料,岩体中的水平应力,已有的实测资料,岩体中的水平应力,主要受所研究地区现代主要受所研究地区现代构造应力场的控制构造应力场的控制,同时,还受到,同时,还受到岩体自重、侵蚀所导致的天岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷的作用然卸荷的作用,,现代断裂运动的应力释放和应力调整作用现代断裂运动的应力释放和应力调整作用,以,以及岩体的力学特性等因素的影响。及岩体的力学特性等因素的影响。根据国内外实测资料统计,根据国内外实测资料统计,3000米以浅,水平地应力米以浅,水平地应力σσ统计资料:。据统计资料:σσh/σσv≈≈说明,说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、水平应力三、水平应力‹ 水平应力具有强烈的各向异性(σ9华北σ 华南σ σ 水平天然应力以压应力为主,仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力,且是以一向压,一向拉多见。‹ 在地表卸荷带影响区,也可能出现水平应力为拉应力的现象水平应力具有强烈的各向异性(水平应力具有强烈的各向异性(σσ≠σ):华北华北σσσσ≈≈~~华南华南σσσσ≈≈~~水平天然应力以压应力为主,仅在一些裂谷区、地堑区出现水平天然应力以压应力为主,仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力,且是以一向压,一向拉多见。拉应力,且是以一向压,一向拉多见。在地表卸荷带影响区,也可能出现水平应力为拉应力的现象在地表卸荷带影响区,也可能出现水平应力为拉应力的现象西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、水平应力三、水平应力‹侧压力系数:水平应力和铅直应力之比。侧压力系数:水平应力和铅直应力之比。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、天然应力与深度 z 的关系四、天然应力与深度 的关系地层中地应力状态存在三种类型:地层中地应力状态存在三种类型:‰ 垂向应力为最大主应力,即垂向应力为最大主应力,即:σσv>σσσ 垂向应力为最小主应力,即垂向应力为最小主应力,即:σσσσv‰ 垂向应力为中间主应力,即垂向应力为中间主应力,即:σσσv>σσ天然应力五、高天然应力‹ 有些部位岩体天然应力极高,对工程建设影响极大。‹ 高天然应力标志主要有:9 地下工程活动,常产生岩爆、剥离9 收敛变形大,使井眼等断面变小9 软弱夹层内的物质被挤出,节理闭合9 饼状岩心9 水下开挖无水渗出有些部位岩体天然应力极高,对工程建设影响极大。有些部位岩体天然应力极高,对工程建设影响极大。高天然应力标志主要有:高天然应力标志主要有:地下工程活动,常产生岩爆、剥离地下工程活动,常产生岩爆、剥离收敛变形大,使井眼等断面变小收敛变形大,使井眼等断面变小软弱夹层内的物质被挤出,节理闭合软弱夹层内的物质被挤出,节理闭合饼状岩心饼状岩心水下开挖无水渗出水下开挖无水渗出西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室六、影响天然应力的因素六、影响天然应力的因素‹ 地形起伏‹ 地表剥蚀‹ 岩体性质:硬岩往往可积累较高的应力,而软岩则相反‹ 地下水:产生渗流应力‹ 地温:产生温度应力地形起伏地形起伏地表剥蚀地表剥蚀岩体性质:硬岩往往可积累较高的应力,而软岩则相反岩体性质:硬岩往往可积累较高的应力,而软岩则相反地下水:产生渗流应力地下水:产生渗流应力地温:产生温度应力地温:产生温度应力一、地应力确定方法二、地应力方向测井研究三、地应力大小测井研究四、岩心/岩体地应力测量五、地应力水力压裂资料反演六、孔隙压力预测方法一、地应力确定方法一、地应力确定方法二、地应力方向测井研究二、地应力方向测井研究三、地应力大小测井研究三、地应力大小测井研究四、岩心四、岩心/岩体地应力测量岩体地应力测量五、地应力水力压裂资料反演五、地应力水力压裂资料反演六、孔隙压力预测方法六、孔隙压力预测方法第三节 岩体天然应力的确定第三节 岩体天然应力的确定西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室一、地应力的确定方法地应力确定方法非弹性应变恢复古地磁 差应变凯塞效应波速各向异性岩芯钻孔诱导缝井壁崩落法 井璧诱导缝微压裂地质资料分析岩心 /岩体测试技术测井资料分析技术井点地应力状态 :主应力 方向 和大小地应力方向及大小地应力方向及大小西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室地应力大小及方向研究方法对比地应力大小及方向研究方法对比‰ 室内岩心分析方法 需要定向取心,难度大,具有随机性,室内岩心分析方法 需要定向取心,难度大,具有随机性,成本高。成本高。‰ 井下测井资料连续 、成本相对较低,因此,常用。尤其是井下测井资料连续 、成本相对较低,因此,常用。尤其是利用成像测井资料 来研究原地应力方向的方法更得到广泛利用成像测井资料 来研究原地应力方向的方法更得到广泛应用。应用。一、地应力的确定方法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、地应力方向测井研究二、地应力方向测井研究‰ 利用井下常规测井资料利用井下常规测井资料 利用井下常规测井资料利用井下常规测井资料井壁岩石发生垮塌、破裂的方向与原地应力延伸方向密切井壁岩石发生垮塌、破裂的方向与原地应力延伸方向密切相关;相关;‰井壁岩石发生垮塌、破裂的程度则与原地应力大小以及岩井壁岩石发生垮塌、破裂的程度则与原地应力大小以及岩石的强度密切相关。石的强度密切相关。因此,根据井下测井资料所反映出来的岩石的垮塌和破裂特征可以就地应力的方向开展研究。二、地应力方向测井研究二、地应力方向测井研究西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室利用井下测井资料开展地应力研究常对直井,通常 井眼应力垮塌方位井眼应力垮塌方位 与现今最大水平主应力方位一致与现今最大水平主应力方位一致 。。二、地应力方向测井研究二、地应力方向测井研究利用井下测井资料开展地应力研究- 井壁应力崩落法应力方向测井研究二、地应力方向测井研究井壁崩落井壁崩落利用井下测井资料开展地应力研究- 井壁应力崩落法应力方向测井研究二、地应力方向测井研究西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室致密层崩落致密层崩落致密层崩落段扩径致密层崩落致密层崩落致密层崩落段扩径井壁崩落井壁崩落西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室应力型椭园井眼在双井径曲线上的特征主要为:9由于水平主应力的不平衡性造成井壁在最小主应力方向上剪切掉块或井壁崩落,形成对称的椭圆井眼,其长轴方向指示最小主应力方向,双井径曲线一条大于钻头直径,一条近似等于钻头直径。应力型椭园井眼在双井径曲线上的特征主要为:应力型椭园井眼在双井径曲线上的特征主要为:由于水平主应力的不平衡性造成井壁在最小主应力方向由于水平主应力的不平衡性造成井壁在最小主应力方向上剪切掉块或井壁崩落,形成对称的椭圆井眼,其长轴上剪切掉块或井壁崩落,形成对称的椭圆井眼,其长轴方向指示最小主应力方向,双井径曲线一条大于钻头直方向指示最小主应力方向,双井径曲线一条大于钻头直径,一条近似等于钻头直径径,一条近似等于钻头直径。。利用井下测井资料开展地应力研究- 井壁应力崩落法应力方向测井研究二、地应力方向测井研究西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室9 钻井诱导缝(压裂缝和应力释放裂缝)往往呈钻井诱导缝(压裂缝和应力释放裂缝)往往呈180°°对称出现在两个极板上。对称出现在两个极板上。9 对直井,通常诱导缝方位与现今最大水平主应力方对直井,通常诱导缝方位与现今最大水平主应力方位一致。位一致。利用井下测井资料开展地应力研究应力方向测井研究二、地应力方向测井研究西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室天然裂缝在各种成像图上的显示特征天然裂缝在各种成像图上的显示特征¾该井段的压裂缝呈该井段的压裂缝呈 180°° 对称分对称分布,呈现出明显的钻井诱导裂布,呈现出明显的钻井诱导裂缝特征。缝特征。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室某井段井成像测井钻井诱导缝显示某井段井成像测井钻井诱导缝显示二、地应力方向测井研究二、地应力方向测井研究西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室某井段井成像测井钻井诱导缝显示某井段井成像测井钻井诱导缝显示二、地应力方向测井研究二、地应力方向测井研究西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室某井段井成像测井钻井诱导缝显示某井段井成像测井钻井诱导缝显示二、地应力方向测井研究二、地应力方向测井研究西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、地应力方向测井研究二、地应力方向测井研究某井段井成像测井钻井诱导缝显示某井段井成像测井钻井诱导缝显示西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、地应力方向测井研究二、地应力方向测井研究0 10 20 30 40 50 60 70 80 90010203040某井段井成像测井钻井诱导缝显示某井段井成像测井钻井诱导缝显示西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、 地应力大小测井研究三、三、 地应力大小测井研究根据自重应力理论确定岩体中的天然应力适用条件:地质构造简单、地层平缓适用条件:地质构造简单、地层平缓9 均质各向同性岩体均质各向同性岩体9 水平层状岩体水平层状岩体9 垂直层状岩体垂直层状岩体y=2[(a1+τp)-(c1+τp)]/ [(d1+a1+(b1+c1+[(d1+τ p)-(b1+τ p)]/[(d1+a1+(b1+c1+三、 地应力大小测井研究三、三、 地应力大小测井研究井壁崩落法 σ− +()骨架应力系数, −−= )(12σννσ¾ ασννσ +−−= )(12¾ −−= )(12ασννσ三、 地应力大小测井研究三、三、 地应力大小测井研究利用测井资料连续估算最小水平地应力)(1[1221−+==σσλλ::应力不平衡系数应力不平衡系数a、、b::椭圆井眼长、短半轴椭圆井眼长、短半轴σΗ2、、σΗ1:水平最小、大主应力水平最小、大主应力E、、地层及其骨架的扬氏模量地层及其骨架的扬氏模量K::系数系数根据双井径测量值推导原地最大水平主应力三、地应力大小测井研究三、地应力大小测井研究西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心 /岩体地应力研究四、岩心 岩体地应力研究9 波速 /横波各向异性9 岩石声发射测量法9 应力解除法9 应力恢复法9 水压破裂法波速波速横波各向异性横波各向异性岩石声发射测量法岩石声发射测量法应力解除法应力解除法应力恢复法应力恢复法水压破裂法水压破裂法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、地应力方向测井研究 应力方向测井研究 横波各向异性13心发生应力卸载,岩心上将出现与卸载程度成比例的微裂隙,在最大水平主应力方向上卸载程度最大,这使沿原最大水平主应力方向有最小波速,原最小水平应力方向有最大波速。但该方法受到岩石各向异性的干扰。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室声发射:岩石材料在受外载荷作用时,其内部储存的应变声发射:岩石材料在受外载荷作用时,其内部储存的应变能快速释放并产生弹性波,发出声响的现象。能快速释放并产生弹性波,发出声响的现象。9 凯塞效应:凯塞效应:1950年德国人凯塞发现多晶金属的应力从其历年德国人凯塞发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大史最高水平释放后,再重新加载,当应力未达到先前最大应力值时,很少有声发射发生,而当应力达到和超过历史应力值时,很少有声发射发生,而当应力达到和超过历史最高水平后,则大量发生声发射的现象。最高水平后,则大量发生声发射的现象。9 凯塞点:从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点,凯塞点:从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点,该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。四、岩心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室‡ 根据岩石的地质组成和构造特点,可将岩石凯塞效应分为四种类型:9 群发型:以侵入的、矿物结晶良好、中粗粒的结晶岩为群发型:以侵入的、矿物结晶良好、中粗粒的结晶岩为主,以花岗岩为代表。组成这类岩石的矿物强度较高。主,以花岗岩为代表。组成这类岩石的矿物强度较高。9 集发型:以浅层侵入及喷发岩为主,矿物结晶差异性大集发型:以浅层侵入及喷发岩为主,矿物结晶差异性大的玢岩为代表。的玢岩为代表。9 突发型:以喷发岩为主,隐晶质结构,以致密玄武岩为突发型:以喷发岩为主,隐晶质结构,以致密玄武岩为代表。代表。9 散发型散发型:以沉积成因为主的砂岩、砾岩等中等强度岩石为以沉积成因为主的砂岩、砾岩等中等强度岩石为代表。代表。四、岩心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法9 高强度的脆性岩石有较为明显的声发射凯塞效应。高强度的脆性岩石有较为明显的声发射凯塞效应。9 多孔隙低强度及塑性岩体的凯塞效应不明显,疏松软岩石多孔隙低强度及塑性岩体的凯塞效应不明显,疏松软岩石的应力不宜用声发射法测定。的应力不宜用声发射法测定。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法56789 10111412 1312 3 4 声发射监测系统框图1、2上下压头;3、4为换能器;5、6为前置放大器;7,8为输入鉴别单元;9为定区检测单元;10、11为计数控制单元;12为压机油路压力传感器;13为压力电信号转换仪器;14为函数记录仪西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法岩石声发射测量法声发射特征参数与应力关系曲线020004000600080001000012000140001600041 50 57 64 71 78 84 91 98 105 112应力,心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法岩石声发射测量法发射特征参数与应力关系曲线020004000600080001000012000140001600041 50 57 64 70 76 82 88 95 101 107 114应力,心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法岩石声发射测量法发射特征参数与应力关系曲线0100020003000400050006000700041 50 59 68 76 84 93 100 108 117应力,心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法岩石声发射测量法发射特征与应力关系曲线050001000015000200002500041 50 56 62 67 72 78 83 89 94 100 106 112 117应力,心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法岩石声发射测量法发射特征参数与应力关系曲线05001000150020002500300035004000450041 55 69 82 94 106 117应力,心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法岩石声发射测量法发射特征参数与应力关系曲线02000400060008000100001200041 50 58 66 74 82 89 98 106 114应力,心地应力研究 心地应力研究 岩石声发射测量法原地应力的直接测量方法+−++= )2223131+−−+= )2223131312312+=β9 小水平主应力;9 2、45°、90°三个方向岩芯凯塞效应对应的应力值;9 α为有效应力系数;9 心地应力研究 心地应力研究 应力解除法孔底应力解除法目的: 测定距表面深度为验步骤:(a)利用钻头钻一深度为用嵌有细粒金刚石的钻头将孔底磨平抛光。假定孔底平面为应力主平面。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法孔底应力解除法实验步骤:(b)在钻孔底面贴上三个互成120°交角的电阻应变片。通过电阻应变仪读出相应的三个应变片的初始读数。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法实验步骤:(c) 用与钻孔直径相同的套钻钻头进行套钻。在钻孔底部形成一个与周围岩体相脱离的孤立岩柱钻的结果使套钻前周围岩体作用于岩芯上的应力被解除,岩芯将产生相应的变形。应力解除后,在应变仪上可读出相应的三个读数,它们分别与套钻前的三个初始读数的差,就表示岩芯分别沿三个不同方向的应变值。孔底应力解除法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法孔底应力解除法‡ 孔底平面上最大、最小主应变:‡ 最大主应变与ε1之间的夹角α:‡ 按平面变形问题计算主应力:西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法共面三钻孔孔底应变法9 共面三钻孔孔底应变法可以确定空间应力场。9 各钻孔底面的平面应力状态见图。9 在②、③三个钻孔。9 孔①与②、③与3西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法‡ 根据弹性理论(假定岩体为弹性体):9 式中的lx、mx、my、y、面三钻孔孔底应变法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法孔壁应变测试法9 孔壁应变法只需在一个钻孔中通过对孔壁应变的测量,就可以确定岩体的六个空间应力分量。9 设钻孔前岩体中有六个应力分量,若在弹性岩体中钻一半径为钻孔附近应力不再保持原来的状态。9 可采用坐标系南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法孔壁应变测试法‡ 孔壁上坐标为,‡ 六个应力分量,必须建立6个相对独立的关系式,因此至少要在孔壁上任选 三点进行应力测量 。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法‹ 第一测点θ1=π:‹ 第二测点θ2=π/2:‹ 第三测点θ3=7π/4:孔壁应变测试法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法‡ 联立上述三式,可得6个应力分量:孔壁应变测试法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法‡ 为了测定测点的三个应力分量,必须 沿 置三个应变元件(应变片),并测量其应变;孔壁应变测试法‡ 根据三个应变值,可得测点的三个应力分量。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力解除法孔壁应变测试法(a)用钻机钻出需测定应力的深度。(b)钻孔底面用金刚石钻头磨平后再用小的钻头自孔底面沿孔轴方向继续钻一深度约为45小钻孔的中部孔壁上选定三个测点并在每个测点上按前述规定方向安置三个应变元件。(c)读出各测点的应变计的初读数,并将应变计的测量导线引出孔外,然后封住小钻孔的孔口,以防水流入小钻孔而损坏孔内的应变元件。(d)选用适当大小的钻头在小钻孔外围进行套钻并取出岩芯。(e)读出完全解除了应力之后岩芯中孔壁各应变元件的读数,然后用套取岩芯前后应变元件读数之差,按公式计算岩体初始应力西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力恢复法‡ 扁千斤顶法‡ 廷色林 (于1952年在法国使用的一种简单可靠的应力测量方法。(c)‡ 在岩体表面上布置一组或多组测量点,然后在所布置的测点中间垂直于岩体表面设置一道深槽‡ 如果岩体在垂直于狭槽平面的方向初始是受压的,则抽槽的结果将使测点的间距从‡ 已知岩体的弹性常数,则初始正应力可以由所测定的测点位移计算西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、岩心地应力研究 心地应力研究 应力恢复法‡ 此外,将扁千斤顶插入槽中,用水泥浇固就位,然后将液压油注入扁千斤顶中,并施加压力,当测到恢复到它们初始的间距斤顶中的压力(南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、地应力水力压裂资料反演五、地应力水力压裂资料反演‡ 这种方法最早是由美国学者‡ 测定深部岩体应力,尤其最小水平主应力的一种直接方法。封隔器裂缝地面泵‡ 在需要测定应力的深度段用封隔器封闭隔离,并用水压方法对被隔离井段井壁施加压力,直至井壁岩石受拉破裂,最后根据破裂压力、关井压力变化,确定岩体天然主应力的大小。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、地应力水力压裂资料反演五、地应力水力压裂资料反演‡ 在注水加压过程中,井壁的某些点切向和铅直在注水加压过程中,井壁的某些点切向和铅直向的有效应力可能变成拉应力。向的有效应力可能变成拉应力。‡ 如果水不停地注入,则裂缝一旦形成就会继续如果水不停地注入,则裂缝一旦形成就会继续扩展。裂缝深度达到扩展。裂缝深度达到 3~~ 5倍井眼直径时,此处倍井眼直径时,此处已接近原岩应力状态。已接近原岩应力状态。‡ 当此拉应力达到井壁岩体的抗拉强度时,则井当此拉应力达到井壁岩体的抗拉强度时,则井壁岩石将发生破裂,此时的孔内水压力为壁岩石将发生破裂,此时的孔内水压力为 称为开裂压力。称为开裂压力。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、地应力水力压裂资料反演五、地应力水力压裂资料反演‡ 当井眼内水压力为井壁出现垂直裂缝的条件时 ,in p -‡ 井壁产生垂直水压裂缝的条件:3f α= −+−西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、地应力水力压裂资料反演五、地应力水力压裂资料反演‡ 只要压力保持大于与拉裂面垂
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本文标题:第六章 地应力确定
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