第七章 原地應(yīng)力

第一節(jié)概述

一、基本概念

原地應(yīng)力(insitustresses)：指鉆井（drilling）、油氣開采（oilandgasproduction）等活動(dòng)進(jìn)行之前，地層中地應(yīng)力的原始大小。

擾動(dòng)應(yīng)力：指鉆井、油氣開采等活動(dòng)在地層中產(chǎn)生的地應(yīng)力改變。第七章

原地應(yīng)力(insitestresses)構(gòu)造應(yīng)力(structuralstresses)：由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖體中引起的應(yīng)力叫構(gòu)造應(yīng)力。在地質(zhì)力學(xué)中常把構(gòu)造應(yīng)力叫做地應(yīng)力，是指導(dǎo)致構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、形成各種構(gòu)造形跡的那部分應(yīng)力。

古地應(yīng)力和現(xiàn)今地應(yīng)力：古地應(yīng)力指某一地質(zhì)時(shí)期或某一重要地質(zhì)事件以前的地應(yīng)力,現(xiàn)今地應(yīng)力是目前存在的或正在活動(dòng)的地應(yīng)力。分析構(gòu)造形跡形成機(jī)理主要涉及古地應(yīng)力，而石油工程則主要關(guān)心現(xiàn)今地應(yīng)力。

殘余應(yīng)力（residualstress）：殘余應(yīng)力指除去外力作用以后，尚殘存在巖石中的應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力很小，往往只有零點(diǎn)幾兆帕，所以常忽略不計(jì)。

重力應(yīng)力（gravity

stress）：指由于上覆巖層（overburden）的重量引起的地應(yīng)力分量，特別指由于上覆巖層的重量產(chǎn)生的水平應(yīng)力（horizontalstress）大小。

熱應(yīng)力：熱應(yīng)力是指由于地層溫度發(fā)生變化在其內(nèi)部引起的內(nèi)應(yīng)力增量，熱應(yīng)力主要與溫度的變化和巖石剛度和熱學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

分層地應(yīng)力：是指按地層分層分別給出不同層位的地應(yīng)力值，非常重要的是給出相鄰地層的應(yīng)力差。

地應(yīng)力場：地應(yīng)力在空間的分布情況。

二、地應(yīng)力的分類:1971年加拿大第七屆巖石力學(xué)討論會(huì)上，對地應(yīng)力從礦山應(yīng)用的角度進(jìn)行了分類:

三、地應(yīng)力的描述方法

由于巖石經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)時(shí)期，并經(jīng)受了多次復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（structuralmovement），使得巖石的原地應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜。為滿足工程需要，一般認(rèn)為原地應(yīng)力狀態(tài)由上覆巖層壓力（overburdenpressure）和兩個(gè)水平方向的主應(yīng)力（principalstress）組成。如圖7-1所示建立參考坐標(biāo)系，xy構(gòu)成水平面，x方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向，y方向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力方向，z方向?yàn)殂U垂方向。通常認(rèn)為原地應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的原因有二：一是上覆巖層（overburden）的重力；二是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（structuralmovement）產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力(tectonicstresses)。第二節(jié)初始應(yīng)力的組成與計(jì)算

1、巖體自重應(yīng)力場垂直應(yīng)力：—平均密度，KN/m3側(cè)壓力：H—總深度（m）—側(cè)壓力系數(shù)的取值有4種可能圖6-1巖體自重垂直應(yīng)力（1）巖體假定處于彈性狀態(tài)

由推出得：巖體由多層不同性質(zhì)巖層組成時(shí)(圖6-2)第j層應(yīng)力：原始垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力：圖6-2自重垂直應(yīng)力分布（2）Heim假設(shè)（塑性狀態(tài)）當(dāng)原始應(yīng)力超過一定的極限，巖體就會(huì)處于潛塑狀態(tài)或塑性狀態(tài)。（相當(dāng)于）（3）巖體為理想松散介質(zhì)（風(fēng)化帶、斷層帶）由極限平衡理得（4）當(dāng)松散介質(zhì)有一定粘聚力時(shí)

注：當(dāng)說明無側(cè)壓力

側(cè)壓力為：無側(cè)壓力深度假設(shè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不影響垂向原地應(yīng)力，只產(chǎn)生水平方向的原地應(yīng)力分量，則原應(yīng)力狀態(tài)可描述為：鉛垂主應(yīng)力（上覆巖層壓力）最大水平主應(yīng)力最小水平主應(yīng)力

其中為埋深為z處的巖石密度，g為重力加速度。

考慮孔隙壓力的影響，原地應(yīng)力狀態(tài)表示為：2、巖體構(gòu)造應(yīng)力（判斷、測試，不能計(jì)算）

當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力存在時(shí)。

3、影響巖體初應(yīng)力狀態(tài)的其它因素（1）地形-自重的減小或增大圖6－7地形對初應(yīng)力的影響（2）地質(zhì)條件對初應(yīng)力的影響。

圖6-8背斜褶曲對地應(yīng)力的影響圖6-9斷層對地應(yīng)力的影響（3）水壓力、熱應(yīng)力

孔隙水壓力、流動(dòng)水壓力(影響小，可不計(jì))、靜水壓力（懸浮作用）熱膨冷縮在巖體中產(chǎn)生熱應(yīng)力。地溫升高會(huì)使巖體內(nèi)地應(yīng)力增加，一般地溫梯度：巖體的體膨脹系數(shù)：，巖體彈模E=104MPa；地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為：

z--深度/m。溫度應(yīng)力是同深度的垂直應(yīng)力的1/9，并呈靜水壓力狀態(tài)。返回影響原地應(yīng)力狀態(tài)的因素很多：

一、地表形狀對于平坦的地表，平均鉛垂應(yīng)力分量應(yīng)當(dāng)接近深度應(yīng)力。對于形狀不規(guī)則的地表，任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（stressstate）可以認(rèn)為是由深度應(yīng)力和地表超載的不規(guī)則分布所引起的應(yīng)力分量合成的。第二節(jié)

影響原地應(yīng)力狀態(tài)的因素例如V型槽谷底部附近的地區(qū)，這種地表形狀在這種地方可能會(huì)產(chǎn)生比鉛垂應(yīng)力分量更高的水平應(yīng)力分量。但是，不規(guī)則的地表形狀對原地應(yīng)力狀態(tài)的影響隨著該點(diǎn)在地表下深度的增加而迅速降低，因此這一因素，只對近地表的巖土工程項(xiàng)目有意義。圖7-2地表形貌對原地應(yīng)力的影響(a)不規(guī)則的地表形貌(b)地表輪廓的線性化(c)V形槽谷

二、殘余應(yīng)力（residualstress）由于巖體的非均勻冷卻，或者巖體雖然是均勻冷卻的，但與其相鄰的巖石單元的熱膨脹系數(shù)卻不相同，于是在巖體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力（residualstress）。巖石介質(zhì)中各種局部的礦物變化也會(huì)引起殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。巖體中的局部再結(jié)晶過程可能產(chǎn)生體積應(yīng)變。礦物集合體含水量的變化，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變（strain）和殘余應(yīng)力。要全面掌握巖層各組成部分的熱力學(xué)歷史和細(xì)微的地質(zhì)進(jìn)化過程，在目前實(shí)際是不可能的，因此殘余應(yīng)力問題仍然構(gòu)成一種制約因素，使得基本力學(xué)原理或詳盡的地質(zhì)調(diào)查都無法對巖體中的應(yīng)力狀態(tài)做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

三、包體

包體是在原巖巖體的層間生成的巖石單元。例如巖墻、巖床以及諸如石英、瑩石一類礦物的礦脈。巖體中形狀近于平面的垂直包體的存在，可能以兩種方式影響原巖應(yīng)力狀態(tài)：第一，如果包體是在抵抗圍壓的水平阻力的作用下形成的，那么在垂直于包體平面的方向上會(huì)作用一個(gè)高應(yīng)力分量；第二，與包體與圍巖彈性模量（elasticmodulus）的差異有關(guān)。系統(tǒng)中的任何載荷，在包體中產(chǎn)生的應(yīng)力都與原巖巖體的應(yīng)力值不同，較硬的包體將承受較高的應(yīng)力狀態(tài)，反之亦然。如果原巖與包體的彈性模量不同，原巖中靠近包體的地方就會(huì)出現(xiàn)很高的應(yīng)力梯度（stressgradient）。四、構(gòu)造應(yīng)力(tectonicstresses)

多次復(fù)雜的地殼運(yùn)動(dòng)，使地下產(chǎn)生了極其復(fù)雜的不同形態(tài)、不同方位、不同性質(zhì)、不同等級(jí)以及不同次序的構(gòu)造形跡，就是說構(gòu)造應(yīng)力場實(shí)質(zhì)上是隨時(shí)間演化的、非穩(wěn)定應(yīng)力場。按時(shí)期，構(gòu)造應(yīng)力場可劃分為古構(gòu)造應(yīng)力場和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場。就其研究范圍而言，構(gòu)造應(yīng)力場又可分為局部構(gòu)造應(yīng)力場（某一構(gòu)造單元的應(yīng)力分布規(guī)律）、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場（某一地區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律）及全球構(gòu)造應(yīng)力場。由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，使得原地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生很大的變化，最大水平地應(yīng)力有可能超過上覆巖層壓力。

五、裂隙組及不連續(xù)面裂隙的存在影響著介質(zhì)中應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使得巖體的應(yīng)力分布變得更加復(fù)雜。巖體斷裂本質(zhì)上是一種能量耗散與應(yīng)力重新分布的過程。破碎后的應(yīng)力狀態(tài)可以由保持破裂面平衡條件的要求來確定，它與斷裂前的應(yīng)力狀態(tài)（stressstate）沒有什么關(guān)系。即從初始狀態(tài)出發(fā)估計(jì)巖體周圍應(yīng)力狀態(tài)是極其困難的。要成功地確定原地應(yīng)力狀態(tài)就必須有一個(gè)確定局部應(yīng)力張量的方法。地應(yīng)力測量從原理上可分為直接測量和間接測量兩大類。前者通過測量巖石的破裂直接確定應(yīng)力。后者通過測量巖石的變形和物性變化來反演地應(yīng)力。例如根據(jù)巖石受力時(shí)的變形特征、彈性波速變化、電阻率變化、聲發(fā)射特性和礦物顆粒的顯微構(gòu)造變化確定介質(zhì)的受力狀態(tài)。地應(yīng)力測量從內(nèi)容上可分為絕對值測量和相對值測量。前者測量巖石所承受應(yīng)力的實(shí)際數(shù)值及方向，后者是測量固定點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間的變化。第三節(jié)確定原地應(yīng)力的方法到目前為止，地殼絕對應(yīng)力的研究方法可以分為四大類，一是利用資料進(jìn)行定性分析的方法，如火山噴道、斷層類型、油井井眼穩(wěn)定情況、取心收獲率、區(qū)域應(yīng)力場、地形起伏、地質(zhì)構(gòu)造、震源機(jī)制等，這些資料可以定性地給出大范圍應(yīng)力場的分布情況與特點(diǎn)，很難進(jìn)行精確的應(yīng)力場研究。

二是礦場應(yīng)力測量，如水力壓裂應(yīng)力測量，井壁崩落應(yīng)力方位測量，套心應(yīng)力解除等等。這些方法可以給出比較準(zhǔn)確的地應(yīng)力測量結(jié)果，精確地描述應(yīng)力場特點(diǎn)。但是深部地應(yīng)力測量，代價(jià)昂貴。國內(nèi)為了地應(yīng)力測量而鉆的井深度至今不超過1500m。大部分水力壓裂地應(yīng)力測量是結(jié)合油層水力壓裂增產(chǎn)措施來進(jìn)行。

三是巖