岩石力学7章

第一节概述一、基本概念原地应力(insitestresses)：指钻井（drilling）、油气开采（oilandgasproduction）等活动进行之前，地层中地应力的原始大小。扰动应力：指钻井、油气开采等活动在地层中产生的地应力改变。第七章原地应力(insitestresses)构造应力(structuralstresses)：由构造运动在岩体中引起的应力叫构造应力。在地质力学中常把构造应力叫做地应力，是指导致构造运动、形成各种构造形迹的那部分应力。古地应力和现今地应力：古地应力指某一地质时期或某一重要地质事件以前的地应力,现今地应力是目前存在的或正在活动的地应力。分析构造形迹形成机理主要涉及古地应力，而石油工程则主要关心现今地应力。残余应力（residualstress）：残余应力指除去外力作用以后，尚残存在岩石中的应力。这种残余应力很小，往往只有零点几兆帕，所以常忽略不计。重力应力（gravitystress）：指由于上覆岩层（overburden）的重量引起的地应力分量，特别指由于上覆岩层的重量产生的水平应力（horizontalstress）大小。热应力：热应力是指由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量，热应力主要与温度的变化和岩石刚度和热学性质有关。分层地应力：是指按地层分层分别给出不同层位的地应力值，非常重要的是给出相邻地层的应力差。地应力场：地应力在空间的分布情况。二、地应力的分类:1971年加拿大第七届岩石力学讨论会上，对地应力从矿山应用的角度进行了分类:现场地应力原地应力扰动应力重力应力构造应力残余应力活动的构造应力剩余的构造应力三、地应力的描述方法由于岩石经历了漫长的地质时期，并经受了多次复杂的构造运动（structuralmovement），使得岩石的原地应力状态变得十分复杂。为满足工程需要，一般认为原地应力状态由上覆岩层压力（overburdenpressure）和两个水平方向的主应力（principalstress）组成。如图7-1所示建立参考坐标系，xy构成水平面，x方向为最大水平主应力方向，y方向为最小水平主应力方向，z方向为铅垂方向。通常认为原地应力状态产生的原因有二：一是上覆岩层（overburden）的重力；二是由构造运动（structuralmovement）产生的构造应力(tectonicstresses)。假设构造运动不影响垂向原地应力，只产生水平方向的原地应力分量，则原应力状态可描述为：铅垂主应力（上覆岩层压力）最大水平主应力最小水平主应力其中为埋深为z处的岩石密度，g为重力加速度。)(zgdzzv)(vHuu11vhuu21考虑孔隙压力的影响，原地应力状态表示为：gdzzv)(ppvHapaPuu)(11ppvhapaPuu)(12影响原地应力状态的因素很多：一、地表形状对于平坦的地表，平均铅垂应力分量应当接近深度应力。对于形状不规则的地表，任一点的应力状态（stressstate）可以认为是由深度应力和地表超载的不规则分布所引起的应力分量合成的。第二节影响原地应力状态的因素例如V型槽谷底部附近的地区，这种地表形状在这种地方可能会产生比铅垂应力分量更高的水平应力分量。但是，不规则的地表形状对原地应力状态的影响随着该点在地表下深度的增加而迅速降低，因此这一因素，只对近地表的岩土工程项目有意义。图7-2地表形貌对原地应力的影响(a)不规则的地表形貌(b)地表轮廓的线性化(c)V形槽谷二、残余应力（residualstress）由于岩体的非均匀冷却，或者岩体虽然是均匀冷却的，但与其相邻的岩石单元的热膨胀系数却不相同，于是在岩体内部就会产生残余应力（residualstress）。岩石介质中各种局部的矿物变化也会引起残余应力的产生。岩体中的局部再结晶过程可能产生体积应变。矿物集合体含水量的变化，也会产生应变（strain）和残余应力。要全面掌握岩层各组成部分的热力学历史和细微的地质进化过程，在目前实际是不可能的，因此残余应力问题仍然构成一种制约因素，使得基本力学原理或详尽的地质调查都无法对岩体中的应力状态做出准确预报。三、包体包体是在原岩岩体的层间生成的岩石单元。例如岩墙、岩床以及诸如石英、莹石一类矿物的矿脉。岩体中形状近于平面的垂直包体的存在，可能以两种方式影响原岩应力状态：第一，如果包体是在抵抗围压的水平阻力的作用下形成的，那么在垂直于包体平面的方向上会作用一个高应力分量；第二，与包体与围岩弹性模量（elasticmodulus）的差异有关。系统中的任何载荷，在包体中产生的应力都与原岩岩体的应力值不同，较硬的包体将承受较高的应力状态，反之亦然。如果原岩与包体的弹性模量不同，原岩中靠近包体的地方就会出现很高的应力梯度（stressgradient）。四、构造应力(tectonicstresses)多次复杂的地壳运动，使地下产生了极其复杂的不同形态、不同方位、不同性质、不同等级以及不同次序的构造形迹，就是说构造应力场实质上是随时间演化的、非稳定应力场。按时期，构造应力场可划分为古构造应力场和现今构造应力场。就其研究范围而言，构造应力场又可分为局部构造应力场（某一构造单元的应力分布规律）、区域构造应力场（某一地区的应力分布规律）及全球构造应力场。由于构造应力的作用，使得原地应力状态发生很大的变化，最大水平地应力有可能超过上覆岩层压力。五、裂隙组及不连续面裂隙的存在影响着介质中应力的平衡状态，使得岩体的应力分布变得更加复杂。岩体断裂本质上是一种能量耗散与应力重新分布的过程。破碎后的应力状态可以由保持破裂面平衡条件的要求来确定，它与断裂前的应力状态（stressstate）没有什么关系。即从初始状态出发估计岩体周围应力状态是极其困难的。要成功地确定原地应力状态就必须有一个确定局部应力张量的方法。由于确定原地应力状态是评价地下工程稳定与否的前提条件，所以，人们花费了大量精力研制应力测量设备并探讨应力测量的方法。第三节确定原地应力的方法地应力测量技术，分岩心测试和矿场测试两种。岩心测试主要有：差应变分析(differentialstrainanalysis)、滞弹性应变分析、波速(acousticvelocity)各向异性(anisotropic)分析、声发射(Kaiser效应)等，其中，声发射(acousticemission)比较容易测试，应用的也比较广泛。矿场测试以水力压裂为主。近些年利用井壁崩落(boreholewallbreak-out)反演地应力呈现出良好的发展前景。对深层地应力的求测，水力压裂(hydraulicfracture)测定技术是公认的最准确的和有效的方法，井壁崩落可给出较可靠的地应力方位；其它技术多为间接测定方法。须采用多种方法对比使用，才能给出比较可靠的数据。一、现场测量：对于现场测量方法，从测量方法的原理来看，可以分为截然不同的两种方法:A采用钻孔来接近量测地点,确定钻孔壁的应变或钻孔其它变形;B在钻孔壁上的特定位置测定环向正应力分量。1、应变测试方法最常见的一组方法是确定钻孔壁的应变或钻孔其它变形，这些变形是由于套钻放置测量仪器的那部分钻孔而产生的。如果在这个应力解除过程中测得了足够多的应力和应变，那么，利用弹性理论的解法可以从实测数据直接求出场应力张量的六个应力分量。2、应力测试方法以压力枕量测和水力压裂为代表，在钻孔壁上的特定位置测定环向正应力分量。在每个位置，法向应力分量通过施加在测槽上的压力得到，这个压力与作用在与测槽垂直方向上的局部法向应力分量相平衡。每个测量位置的环向应力可能直接与测试现场在钻孔之前的应力状态有关。3、水力压裂(hydraulicfracture)地应力测试方法水力压裂法是目前最准确的地应力测试方法(主要是指最小水平主应力和地应力方向)，它的结果往往作为检验其他方法精度的标准。当井眼压力(boreholepressure)足够高时，井壁(boreholewall)会劈开一条裂缝(crack)，这一过程称为水力压裂(hydraulicfracture)。分析水力压裂(hydraulicfracture)过程可获得许多地层的力学信息，尤其是地应力(insitestresses)的大小与方向。在利用油层压裂数据进行地应力分析时，可以用裂缝闭合压力（crackclosurepressure）给出较为准确的最小地应力数据，并根据裂缝扩展（fracturepropagation）方位确定最大水平地应力方向。t（时间）OPfPpro压力加压(P)封井停泵P封井图9-4水压破裂时封闭段的压力-时间曲线PsPr（1）破裂压力(fracturepressure)Pf，压力最高点，反映液柱压力克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，泥浆向裂缝(crack)中充填，其后压力下降。（2）传播压力Ppro，压力趋于稳定，使裂缝向远处延伸。（3）瞬时停泵压力Ps，当裂缝延伸到离开井壁应力集中（stressconcentration）区，即6倍井眼半径以远时（估计以破裂点起约经历1分钟左右），进行瞬时停泵。记录下停泵时瞬时停泵压力Ps（instantaneousshutinpressure）。由于此时裂缝(crack)仍张开，应与最小地应力值相平衡，即Ps=。此时随着停泵时间的延长，泥浆向裂缝两壁渗滤，液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。h（4）裂缝重张压力Pr，瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝(crack)所需的压力Pr与破裂压力(fracturepressure)Pf相比不需要克服岩石抗拉强度(tensilestrength)，因此可以近似认为破裂层抗拉强度等于这两个压力的差。即：当地层存在大量微裂隙时，地层破裂压力(fracturepressure)并不比传播压力有明显升高。rftPP选择合适层位；利用低排量泵注设备、井下关闭装置和井下压力计；采用适当的施工方案；进行几个完整周期的压裂；利用多种裂缝闭合压力（fractureclosurepressure）识别方法；可提高水力压裂地应力测试和解释的精度。另外，大多数情况下井眼条件为套管井射孔而非裸眼。套管和水泥环的存在以及射孔方位对施工压力有较大影响，现有的水力压裂最大水平地应力计算公式是建立在裸眼井基础上的，因此，不能用套管井水力压裂数据计算最大水平主应力。二、实验室测量室内测量的主要方法有滞弹性应变恢复法(ASR)、差应变分析(differentialstrainanalysis)法、声发射法等。1、滞弹性应变恢复法滞弹性应变恢复法是利用岩石的弹性后效，从现场取出岩心后，当岩心的恢复应变稳定后，测量岩心不同方位的应变释放量，这种应变增加可以延续几十个小时，被称为滞弹性应变恢复。根据滞弹性应变恢复曲线，可以反演地应力的大小和相对于岩心的地应力方向。2、差应变分析(differentialstrainanalysis)法地层中的岩石处在三向地应力作用下，处于压缩状态。进行取心时，岩心脱离应力作用环境，产生弹性应力释放，伴随应力释放，在应力最大方向上变形最大，而在应力最小方向上变形最小。把已发生应力释放的岩心，在垂直平面和两个水平平面上贴上应变片，并放置于高压容器中，在三向应力相等的条件下，进行恢复性的加载。在加载过程中，三个方向的应变量出现差异。在原始应力最大的方向上应变量最大，在原始应力最小的方向上应变量最小。通过测试上述岩心各方向的应变之差，就可以知道这块岩心在地层中所受的应力状态。3、声发射(acousticemission)法声发射是一种岩石内部缺陷或潜在缺陷在外部条件作用下改变状态而自动发声的现象。岩石的声发射现象最重要的特征是其对受过的应力履历的一种“记忆”效应，这种效应被称作岩心的凯塞尔效应。通过测量岩心的凯塞尔效应，来确定岩心的原地应力状态。这种测量方法不仅可以测得地应力的大小，而且还可以通过定向取心或用古地磁等方