第七章 原地应力

第一节概述

一、基本概念

原地应力(insitustresses)：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（gravity

stress）：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:

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)。第二节初始应力的组成与计算

1、岩体自重应力场垂直应力：—平均密度，KN/m3侧压力：H—总深度（m）—侧压力系数的取值有4种可能图6-1岩体自重垂直应力（1）岩体假定处于弹性状态

由推出得：岩体由多层不同性质岩层组成时(图6-2)第j层应力：原始垂直应力和水平应力：图6-2自重垂直应力分布（2）Heim假设（塑性状态）当原始应力超过一定的极限，岩体就会处于潜塑状态或塑性状态。（相当于）（3）岩体为理想松散介质（风化带、断层带）由极限平衡理得（4）当松散介质有一定粘聚力时

注：当说明无侧压力

侧压力为：无侧压力深度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。

考虑孔隙压力的影响，原地应力状态表示为：2、岩体构造应力（判断、测试，不能计算）

当构造应力存在时。

3、影响岩体初应力状态的其它因素（1）地形-自重的减小或增大图6－7地形对初应力的影响（2）地质条件对初应力的影响。

图6-8背斜褶曲对地应力的影响图6-9断层对地应力的影响（3）水压力、热应力

孔隙水压力、流动水压力(影响小，可不计)、静水压力（悬浮作用）热膨冷缩在岩体中产生热应力。地温升高会使岩体内地应力增加，一般地温梯度：岩体的体膨胀系数：，岩体弹模E=104MPa；地温梯度引起的温度应力约为：

z--深度/m。温度应力是同深度的垂直应力的1/9，并呈静水压力状态。返回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。地应力测量从原理上可分为直接测量和间接测量两大类。前者通过测量岩石的破裂直接确定应力。后者通过测量岩石的变形和物性变化来反演地应力。例如根据岩石受力时的变形特征、弹性波速变化、电阻率变化、声发射特性和矿物颗粒的显微构造变化确定介质的受力状态。地应力测量从内容上可分为绝对值测量和相对值测量。前者测量岩石所承受应力的实际数值及方向，后者是测量固定点应力状态随时间的变化。第三节确定原地应力的方法到目前为止，地壳绝对应力的研究方法可以分为四大类，一是利用资料进行定性分析的方法，如火山喷道、断层类型、油井井眼稳定情况、取心收获率、区域应力场、地形起伏、地质构造、震源机制等，这些资料可以定性地给出大范围应力场的分布情况与特点，很难进行精确的应力场研究。

二是矿场应力测量，如水力压裂应力测量，井壁崩落应力方位测量，套心应力解除等等。这些方法可以给出比较准确的地应力测量结果，精确地描述应力场特点。但是深部地应力测量，代价昂贵。国内为了地应力测量而钻的井深度至今不超过1500m。大部分水力压裂地应力测量是结合油层水力压裂增产措施来进行。

三是岩