岩石力学讲义-地应力

岩石力学RockMechanics地应力谭强13269601981主要内容第一节概述第二节地应力的测量方法第三节地应力纵横向分布的计算第一节概述一、天然应力的概念1.天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。2.重布应力：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布应力或二次应力。→←重分布应力↓↑∧++++++++++++++++++天然应力第一节概述一般情况下主地应力表示方法H地表垂直主应力σv水平最大主应力σH水平最小主应力σh概述主应力空间地应力是场函数地应力又称为地应力场有大小和方向概述水平最大地应力水平最小地应力1.构成：•岩体自重→自重应力•构造运动→构造应力•流体作用→静水压力梯度，渗流应力•其它（地温、地球化学作用等）二、天然应力的构成及起源自重引起的天然应力场121hhVgh二、天然应力的构成及起源起源（主要指构造运动的起源）：板块运动地幔热对流地球自转速度变化二、天然应力的构成及起源地幔热对流板块运动地球表面一个板块对于另一个板块的相对运动。东非大裂谷，由于地壳断裂运动，形成于大约3000万年前。我国西部山前构造，由于板块挤压，形成高陡地层。地球自转速度的变化长期减慢周期性变化不规则变化科里奥利力：由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力。1.研究历史1878年海姆提出天然应力（静水应力说）1932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5108米（美国密执安水压致裂法）。三、天然应力的研究历史胡佛水坝：位于美国科罗拉多河上，坝高221.4m我国从50年代末开始天然应力量测三、天然应力的研究历史李四光教授是中国地应力测量的创始人，提出“地应力的探测是地质力学具有重大实际意义的一个新方面”。地质学家—李四光教授东部：太平洋板块向W俯冲北部：西伯利亚板块阻挡南部：菲律宾板块向N俯冲WorldStressMapAnderson理论——断层类型与主应力关系正断层与地应力典型应力状态：sv=s1sHmax=s2sHmin=s3地垒－地堑结构拉伸倾角v=1HMAX=2拉伸hmin=3走滑断层与地应力v=2hmin=3HMAX=1锐角几乎垂直的断层面HMAXhmin伴生正断层HMAX典型应力状态：HMAX=1v=2Hmin=3逆断层与地应力compressionstaticbasalsheethingepointshighlyfracturedzonelargelyunfracturedshaleABCHMAX=1v=3overthrustsheethigh-pshale四、进行地应力研究的意义：是所有地质力学问题中重要的初始条件；是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数；是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数；是采油工程中出砂防砂分析的重要参数；是油气层增产改造措施制定的重要参数；ABoreholeinaStressFieldzxy123pEffectivestresses:1’=1-p2’=2-p3’=3-pp=porepressureHere,v=2,HMAX=1,hmin=3,and123HoleinclinationparametersCoordinatesparalleltoearth’ssurfacePrincipalstressesPrincipalstressesareusuallyparallelandnormaltothesurface.DrillingDirectionandStressvHMAXhminhminHMAXvHMAXvhminHMAX~vhminvhminHMAXvhminHMAXThebestorientationtoincreaseholestabilityminimizestheprincipalstressdifferencenormaltotheboreholeaxis60°coneDrillwithina60°cone(±30°)fromthemostfavoreddirectionFavoredholeorientationInhighlydifferentialstressfields,theproperchoiceofaninclinedholefacilitatesdrilling第二节地应力的测量方法垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）；在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力：v=gz（密度×重力加速度×深度）通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得；在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；垂直主应力的求取：测量的对象：水平地应力的大小和方向地应力大小的测量方法：水力压裂试验声发射Kaiser效应岩心差应变实验法地应力方向的测量方法：井壁崩落椭圆法地质力学方法压裂裂缝监测法水平主应力的测量：一、构造地质力学方法判断水平地应力方向正断层：水平最大主应力与断层走向平行。逆断层：水平最大主应力与断层走向垂直。走滑断层：水平最大主应力与断层走向平行。-2200-2300-2400-2500-2600-2700-2800-2900-3000海拔（m）B5井5井SSEW2ⅣW2ⅤW2ⅥW3ⅢW3ⅢW2ⅥW2ⅣW2ⅤW2ⅥF4F9F82F3F2图例油层水层干层B565剖面位置示意图T′T0500m250分析实例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南块F2F82F4F5F1F3N3N1NN2F9F81F10F11F2AFAWZ12-1-B5N1aN1b最大水平主应力二、井壁崩落椭圆法判断水平地应力方向水平最大主应力方向水平最小主应力方向井壁发生坍塌后的井眼形状与井眼钻开后应力的重分布有关一般情况下，井壁坍塌形成的椭圆形井眼，长轴与最大水平主地应力方向垂直（理论依据是什么？）井眼坍塌破坏形状σHσhσHσh节理破碎地层塌块大，井眼长轴在最大水平地应力方位完整地层塌块小，井眼长轴在最小水平地应力方位井眼坍塌长轴方向的变化水平最小主应力水平最小主应力水平最大主应力井壁崩落椭圆资料的获取：地层倾角测井数据（双井径资料），成像测井数据井壁崩落椭圆的识别：(双井径测井原理)(1)一个方向的井径近似等于钻头直径，另一个方向的井径有明显扩大。(2)井壁崩落椭圆段必须有一定长度。(3)在长度范围内崩落椭圆的长轴方位基本一致。根据上述方法确定地应力引起的井壁崩落椭圆井段，进而确定主应力方向。井壁崩落椭圆资料的获取与识别坍塌拉伸裂缝利用成像测井判断地应力方向拉伸裂缝方向为水平最大主应力方向井壁坍塌方向为水平最小主应力方向二者相差90°AAmaxhminh)]()1()1(2)21([2cos)31(2)()1(2)(22442222phHhHPPrRrRrRPrR井周地层应力状态三、声发射Kaiser效应法测定地应力大小声发射信号数应力凯塞尔效应点岩石在施加载荷过程中，岩石微单元破坏而发出声波信号，当载荷超过岩心曾受到的最大应力状态时，其发射的这种信号会明显增大，用专用仪器可以监测出这种信号的变化，由此可测出岩石在地下时所受的应力。取心方式与实验设备加载装置声信号接收设备实验步骤：加工好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中；加围压至设定值，并使之保持恒定；以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载过程中岩样内部微破坏所发出的声发射信号将向载荷卸致零，进行第二次加载；绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲线。问题：施加围压的目的是什么？Vpc120900902Hpc120900902hpc09045090σσαPKPσσσσσ1tan2αPKP22σσσσσ1tan2αPKP22σσ2σtan2σσKaiser效应试验结果的解释根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发，通过测出地层破裂压力，裂隙重张压力，裂隙闭合压力，可求出最大、最小水平主地应力。水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度、渗透率、孔隙连通性影响较大。四、现场水压致裂法测量地应力大小现场水力压裂试验法是目前进行深部绝对应力测量的最直接方法。这种方法根据试验测定地层破裂压力、瞬时停泵压力、裂缝重张压力，采用上述压力值反算水平地应力。现场水压致裂法(afterGaarenstroometal.,1993)volume监测裂缝扩展和关井后的压力，准确确定最小主应力典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线破裂漏失停泵裂缝闭合裂缝重张时间井口压力利用水力压裂试验数据计算地应力：地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力。裂缝重张压力（Pr）：使一个已存在的裂缝重新张开时的井底压力。裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最小水平主地应力。瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于PFcp，两者之间的差别一般在0.1～7MPa之间变化，它取决压裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等。利用水力压裂试验数据计算地应力：HFCPPminHHpftPPSmaxmin3SPPtfr水平最小主应力与裂缝闭合压力近似相等。地层抗拉强度等于破裂压力与地层重张压力的差值。思考题1.查阅文献，了解测量地应力大小和方向的其他方法。2.水力压裂方法和声发射Kaiser效应方法测量地应力大小的优缺点各是什么？第三节地应力纵横向分布的计算地应力纵向分布情况：基于测井数据的计算模型分析地应力横向分布情况：数值计算方法分析勘探和评价阶段：断层封闭性评价孔隙压力预测井壁稳定性预测开发阶段：井壁稳定性分析斜井/水平井设计压裂方案设计射孔方案设计注水井/加密井方案设计生产阶段：孔隙压力降低引起的地层变形套管损害分析出砂预测与防砂方案设计地应力研究在石油工程中的应用地应力计算的基础–地层孔隙压力地层孔隙压力分析一般采用声波时差法，基于欠压实理论，具体有经验系数法、等效深度法、Eaton法等，国内外应用最多的是Eaton法。()xNNODTPPOBGOBGPPDT正常压实欠压实地层孔隙压力的纵向分布地应力纵向分布计算模型H水平构造应力12()1()1HvpphvppPPPP地应力纵向分布计算模型中国石油大学（北京）黄荣樽教授，“六五”模型：地应力纵向分布计算模型组合弹簧模型：HvPP22hvPP22EEPP111EEPP111HhHh地应力纵向分布计算模型葛洪魁地应力经验关系式：vPHvPPvPhvPPEPPP111EPPP111THThETKETK