岩石物理学(地大)06第三章

岩石物理学与地震学系统（06地应力的测量）於文辉教授[e-mail]地应力的测量概论直接测量法间接测量法一、概论a概念：地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。地应力测量的必要性b重要性：决定洞室布置的决定性因素之一。是稳定性分析的重要参数。c地应力分布理论：①海姆首次提出地应力的概念与静水压力假设。式中，为水平应力；为垂直应力；为上覆岩层容重；为深度。Hvhγσσ==vσhσγH②金尼克的弹性力学假设：式中，为上覆岩层的柏松比。Hvγσ=Hhγυυσ−=1υ③李四光：在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。④哈斯特：地应力测量发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。⑤近期研究：重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。地应力的成因1、大陆板块边界受压引起的应力场2、地幔热对流引起的应力场3、由地心引力引起的应力场4、岩浆侵入引起的应力场5、地温梯度引起的应力场6、地表剥蚀产生的应力场地应力分布的一般规律1、地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。Hvγσ=2、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量：3、水平应力普遍大于垂直应力。1.962537.537.5其他地区4.30202951前苏联2.50352441南非4.9910000瑞典3.56661717挪威3.29414118美国2.5610000加拿大2.9578220澳大利亚2.09284032中国1.20.8~1.20.8σh,max/σvσh,av/σv(%)国家世界各国水平主应力与垂直主应力的关系平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。4、5、最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。100112261618中国华北地区100824561225中国1009234622222北美100613671451斯勘的纳维亚等地合计0.25~00.50~0.250.75~0.501.0~0.75σh,min/σh,max(%)统计数目实测地点部分国家和地区两个水平主应力的比值表6、最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。7、地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征，岩体力学性质、温度，地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。Oxzσzσxσyyτzxτzyτxzτxyτyxτyz岩体中一点原岩应力状态示意图地应力测量的基本原理和方法测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的。岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的6个分量来表示。xzyzxyzyxτττσσσ,,,,,测量方法按测量手段划分构造法变形法电磁法地震法放射性法测量原理的不同划分应变恢复法应变解除法水压致裂法声发射法X射线法重力法按测量方法直接测量法间接测量法由测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。直接测量法间接测量法借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。二、直接测量法1扁千斤顶法2刚性包体应力记法3水压致裂法4声发射法1、扁千斤顶法扁千斤顶地应力测量法原理图从原理上来讲，扁千斤顶法只是一种一维应力测量方法，一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量。为了确定该测点的六个应力分量就必须在该点沿不同方向切割六个扁槽，这是不可能实现的。扁千斤顶测量只能在巷道、峒室或其他开挖体表面附近的岩体中进行，因而其测量的是一种受开挖扰动的次生应力场，而非原岩应力场。同时，扁千斤顶的测量原理是基于岩石为完全线弹性的假设，对于非线性岩体，其加载和卸载路径的应力应变关系是不同的，由扁千斤顶测得的平衡应力并不等于扁槽开挖前岩体中的应力。扁千斤顶地应力测量法的优缺点3.2直接测量法(刚性包体应力计法)2、刚性包体法刚性包体地应力测量法原理图刚性包体应力计具有很高的稳定性，因而可用于对现场应力变化进行长期监测。然而通常只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于测量原岩应力。除钢弦应力计外，其他各种刚性包体应力计的灵敏度均较低，故20世纪80年代之前已被逐步淘汰。钢弦应力计目前仍在一些国家特别是美国得到较为广泛的应用。刚性包体地应力测量法的优缺点从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场(，)的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为1σ2σθσσσσσθ2cos)(22121−−+=0=rσ式中，和分别为钻孔周边的切向应力和径向应力；为周边一点与轴的夹角。θσrσθ1σ当＝0º时，取得极小值，此时θθσ123σσσθ−=3、水压致裂法如果采用图所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过和岩石抗拉强度T之和后，在＝0º处，也即所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为，则有123σσ−θiPTPi+−=123σσPσ23σ2−σ1σ1水压致裂地应力测量法的原理如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为Ps,Ps应和原岩应力σ2相平衡，即Pσ23σ2−σ1σ12σ=sP水压致裂地应力测量法的原理在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为P0,则Pσ23σ2−σ1σ10123PTPi−+−=σσ在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为Pr，则有0123PPr−−=σσ水压致裂地应力测量法的原理由以上两式求σ1和σ2就无须知道岩石的抗拉强度。因此，由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定。Pσ23σ2−σ1σ10123PPr−−=σσ2σ=sP水压致裂地应力测量法的原理1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用气体。2）向二个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力；然后继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为；最后卸压，使裂隙闭合。在整个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图，确定Pi，Ps值。水压致裂地应力测量法的测量步骤3）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力Pr和随后的恒定关闭压力Ps。这种卸压-重新加压的过程重复2—3次，以提高测试数据的准确性。Pr和Ps同样由压力-时间曲线和流量-时间曲线确定。4）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。5）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。水压致裂地应力测量法的测量步骤水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向，所以从原理上讲，它是一种二维应力测量方法。水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，亦即平行于最大主应力的方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。水压致裂法的突出优点是能测量深部应力，已见报道的最大测深为5000m，这是其它方法所不能做到的。因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场。同时，对于某些工程，如露天边坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。水压致裂地应力测量法的优缺点水压致裂法的应用——水力压裂在提高石油采收率和日产水平方面,水力压裂起着重要的作用。它包括混调特种化学剂成为适当的压裂液,然后在高排量、高泵压下注入产层以水力尖辟地层,并延伸裂缝。苜先，泵注单纯液体——前置液以形成裂缝并建立延仲,而后接着泵注混有支撑材料(通称支撑剂)的携砂液。携砂液继续延伸裂缝,并携带支撑剂深入裂缝内。当材料泵送完成后,压裂液化学破胶降为低粘度状态流向井内，留下一条高导流能力通道,以利油气由地层远处流向井底。注意：裂缝在相反方向成两翼，大体在垂直平面内延伸，也存在其他裂缝态(即水平裂缝)，水平裂缝只占相对较低的比例。300—600米上部以水平裂缝为主，下部以垂直裂缝为主。地应力场对水压裂缝的影响垂直裂缝受上层或下层较高侧向应力影响而阻滞或停止延伸。水力压裂技术的发展1947年7月在堪萨斯州大县胡果顿气田的凯利普1井专门设计了第一次水力压裂增产作业,完井段包括4层灰岩产层,井段为715—790m,地层压力约2.9MPa。此井原来为井下酸化完井,因产量试探采用水力压裂方法,以直接对比酸化和压裂效果。60年代中期,这个油田基本增产措施为水力压裂,大量的廉价水基液,在很高排量下泵注,证实为有效的、经济的工作方法。水力压裂已由简单的、低液量、低排量压裂增产方法，发展为高度复杂的工程方法，应用于多种目的：1、解除钻井完井过程中在井眼附近形成的地层伤害，改善油井产能；2、在低渗透油藏内形成深穿透的、高导流能力的裂缝；3、提高废液处理井和注水井的吸收能力；4、二次及三次采油，如注水、火烧、汽趋以提高井的吸收能力及驱替中的扫油效率。水力压裂想关技术进步迅猛，发展形成适用于浅层、低温，及深井、高温区域压裂液体系。多种不同的支撑剂：从石英砂、标准砂到烧结陶瓷颗粒等高强度材料（用于超过石英砂支撑能力的深层高闭合应力条件）。新的设计模型及分析、诊断方法也已经发展。压裂规模从1.9m3的小规模短缝测试压裂到大型压裂作业。现在压裂液已超过3.8*103m3,支撑剂1.4*106Kg。大型压裂技术对致密性、低渗透油气藏的经济开发发挥了重要作用。但是，大型压裂的设计难度和昂贵费用需要人们提高对地层的岩石力学参数、空间结构、地层应力状态等认识程度，完善与提高工程设计能力与作业能力。地层岩石岩石力学性质与水压裂缝几何形状的关系影响水压裂缝延伸过程、裂缝几何形状的主要因素：1、地层应力场；2、裂缝附近地层的相对厚度；3、地层之间边界状况；4、地层岩石力学性质（包括弹性模量、泊松比、韧度或可延展性）；5、裂缝内液压梯度；6、各层之间孔隙压力的变化。局部地应力场和相邻层之间地应力的差异通常认为是裂缝形状及垂向延伸的控制因素。区域地应力可以影响水力裂缝方位的趋向，裂缝通常将向垂直于最小主应力方向延伸。层间地应力差异可以明显地影响裂缝形状，通常应用的裂缝延伸理论假定裂缝为简单形状。实际经验使人们相信裂缝形状是复杂的。理论的裂缝延伸模式与实际可能的地应力状态在压裂设计中，了解垂直裂缝高度是十分重要的。裂缝高度对缝长有显著的影响：缝长主要与缝高成反比。水力压裂过程中，随着压裂液量的增大，缝高将向上下延伸。要计算缝高的延伸，就要研究就地应力及压裂机理。裂缝长度与裂缝高度关系曲线就地应力剖面；缝高与压力裂缝方位与几何形状在致密地层中，了解水压裂缝方位特别重要，这有助于选择部井方式，使长缝干扰减少到最低程度。在1440米井深、科罗拉多Watenberg地区进行了一次完整测试。试验结果表明，在这个区域的某些部位，仅有一个裂缝方位走向占主导地位。早期8套倾斜仪测试结果新近18套倾斜仪测试结果同井、同层井下三分量测试结果1、水压裂缝；2—4、天然裂缝岩石在受外载荷作用(高差应