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。,第一节 概 述,一般情况下主地应力表示方法,概 述,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,水平最小大地应力,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,二、天然应力的构成及起源,2.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,1.研究历史 1878年海姆提出天然应力 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,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与研究意义,西南：印度板块向NNE挤压,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,a,r,r = 3,a = 1,h,H,v,H h,max planes,slip planes,1,1,2,2,3,1 2 3,3,主应力,三轴试验 应力状态,原地应力,在石油工程中，我们通常假设： sv 为主应力之一,z,区块分布特征,Anderson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 = s1 sHMAX = s2sHmin = s3,走滑断层（拗断层）与地应力,sHMAX,典型应力状态： sHMAX = s1 sv = s2 sHmin = s3,逆掩断层与地应力,compression,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；,A Borehole in a Stress Field,z,x,y,2,p,Effective stresses: 1 = 1 - p 2 = 2 - p 3 = 3 - p p = pore pressure,Here, v = 2, HMAX = 1, hmin = 3, and1 2 3,Hole inclination parameters,Coordinates parallel to earths surface,Principal stresses,Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.,Drilling Direction and Stress,v HMAX hmin,hmin,HMAX,v,HMAX v hmin,HMAX v hmin,v,hmin,HMAX,v,hmin,HMAX,The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis,60 cone,Drill within a 60cone (30) from the most favored direction,Favored hole orientation,In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling,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： sv = rgz （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：,水平主应力的求取：,在沉积岩中，地应力的大小一般应用下述方法获得： 构造地质力学方法 水力压裂法 室内岩心试验法 建立在测井资料上的方法 地应力的方向一般用下述方法获得： 井壁崩落椭圆法 压裂井井下电视法,凯塞尔效应试验法测定地应力的原理,岩石在施加载荷后，岩石内部产生微裂缝而发出声波信号，当岩石加载到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。由此可测出岩石在井下时所受的应力。,室内岩心试验法：,MTS岩石力学实验装置,SAMOS多通道声发射装置,中国石油大学（北京）岩石力学室拥有美国进口的先进仪器设备，能够完成凯塞尔效应、单轴/三轴抗压试验、水力压裂室内试验等多项实验。,室内岩心试验法：,凯塞尔效应试验曲线示意图,凯塞尔效应试验取芯位置,试验步骤：,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,Kaiser效应试验结果的解释,现场水压致裂法： 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。,井周地层应力状态,(after Gaarenstroom et al., 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,出现剪切裂缝,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 裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力 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0.17MPa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：,构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位。在地层倾角测井记录上，一条井径曲线比较平直或等于钻头直径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多，而非应力孔眼井径曲线上表现为，钻头孔截面没有明显的长轴方向。,井壁崩落椭圆法确定主应力方向,由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地应力方向一致，即与最大水平地应力方向垂直，因此可借用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向。,地层倾角测井确定地应力方位,泥浆密度低，井壁坍塌椭圆井眼长轴在最小水平地应力方位,破碎性地层井壁坍塌破坏规律,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,地应力纵向分布规律计算,不同深度，不同性质的地层其地应力大小及非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而线性增大，对不同地层要分层计算地应力。 地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构造运动产生的构造应力，用公式表示为：,地应力纵向分布规律计算,由上覆地层产生的水平地应力，可根据弹性变形力学理论，假设在水平方向的变形受到限制，即（x）V=（y）V =0，由此可得到：,该部分地应力在水平方向相同，为均匀分布的,地应力纵向分布规律计算模式,由构造运动产生的地应力，由于构造运动的方向性，使得在水平方向产生的地应力不同。假设构造运动可分解为沿相互垂直的两个主方向（H方向和h方向）的向前平推运动，在两个方向的构造运动变形量分别为H、h；并假设在构造运动过程中各地层保持连续（不产生相互错动），根据广义虎克定律有：,地应力纵向分布规律计算模式,H,水平构造应力,地应力纵向分布规律计算模式,不同深度地层的分层地应力计算模式： H、h表示构造运动激烈程度的构造应力系 数，由实测地应力值反算。 -泊桑比，E-弹性模量 H、h分别为最大、最小水平主地应力,地应力横向分布规律研究,区域地应力场横向分布规律计算,板壳法计算地应力场： 板受力 弯曲变形曲率变化 地层受力地应力,板壳法预测地应力场横向分布计算实例,井眼周围地层应力状态,井眼周围地层应力状态,意义？ 井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗口的确定基础 出砂预测研究的基础 ,假设条件： 地层均质各向同性 线形弹性，小变形 轴向平面应力或平面应变,井眼周围地层应力状态,三维问题转化为二维问题,直井井眼周围地层应力状态,h,二维平面应变模型,直井井眼周围地层应力状态,依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼受力进行分解,请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中,由钻井液柱压力P引起的应力,直井井眼周围地层应力状态,无剪应力，只与井眼半径R和地层的矢径r有关,直井井眼周围地层应力状态,由水平最大地应力 所引起的井周应力分布,直井井眼周围地层应力状态,由水平最小地应力 所引起的井周应力分布,直井井眼周围地层应力状态,钻井液渗流效应,直井井眼周围地层应力状态,直井井眼周围地层应力状态,井壁应力状态：,直井井眼周围地层应力状态,直井井眼周围应力分布的特点是什么？,井周地层应力状态,(after Gaarenstroom et al., 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,出现剪切裂缝,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 裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力 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0.17MPa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：,地层倾角测井确定地应力方位,泥浆密度低，井壁坍塌椭圆井眼长轴在最小水平地应力方位,坍塌压力、破裂压力,推导！,定向井井周地层应力状态,