【正文】 在上面 的 兩類水平地應力預測模型中， 它 們都是表征孔隙壓力對有效應力貢獻大小的系數(shù) （下稱有效應力系數(shù)，用 ? 表示） ，反映了孔隙壓力對有效應力的影響程度。 至此可得 水平地應力 計算模型 為： ? ? ? ? ppvHpvH PPP ????????? ?????? 1 （ 311） ? ? ? ? ppvhpvh PPP ????????? ?????? 1 （ 312） 1983 年 ， 石油大學黃榮樽教授在進行地層破裂壓力預測方法的研究 時 ，提出了一 組地應力預測經(jīng)驗關(guān)系式 [41]： ? ? ? ? ppvHpvH PPPP ???????? ?????? 1 （ 313） ? ? ? ? ppvhpvh PPPP ???????? ?????? 1 （ 314） 式中 H? 、 h? — 最大、最小水平 主 應力， MPa ； H? 、 h? — 最大、最小水平主應力方向上的構(gòu)造應力系數(shù) 。h? 、 39。 （ 310） 式中， 39。 （ 36） 西南石油大學碩士研究生學位論文 22 假定 ??H 和 ??h 也是隨深度均勻變化的 ，并 有如下關(guān)系： peffvHH ???? ? （ 37） peffvhh ???? ? （ 38） 綜上可得，水平主方向上有效應力為： pe ffvHpHH P ??????? ?????? ????? 139。 （ 34） 當有構(gòu)造應力存在時，一般情況下，在兩個水平主方向上所附加的有效 應力是不相等的，設(shè)之分別為 ??H 和 ??h （ 0?? ?? ?? hH ），有： ?????? HpeffvH ??? 139。 因此，當無構(gòu)造應力時 （ 或構(gòu)造松弛區(qū)域 ） ，有效水平主地應力最小，有： peffvhH ????? ??? 139。 （ 33） σ HhσhHσσ 圖 31井筒附近水平主應力分布 Hafner 曾 經(jīng) 指出，在平緩或無限水平 延伸的地層中，水平地應力體系可 以 認為是由以下 兩部分組成的 [40]： （ 1） 由于重力作用，一部分有效的水平主地應力是垂直上覆有效應力和巖層 泊松比 的函數(shù)，即： peffv????1。井筒附近水平主應力分布如圖 31所示。 孔隙型碳酸鹽巖儲層破裂壓力預測技術(shù)研究 21 密度測井資料不全時可由可由下式計算得到： 30 10)(0?????????? ?? ?hhavvg d hhgh ??? （ 32） 式中 av? — 上覆巖層的平均密度， 3/cmg ； 0h — 目的層起始深度， m 。 密度測井估算上覆巖層壓力 作用在垂直方向上的主地應力 v? 稱為上覆巖層壓力。盡管 構(gòu)造力變化不大，地層中的應力卻 會 因巖性不同而 存在較大差 異。 現(xiàn)場水力壓裂試驗法是目前進行深部絕對應力測量的最直接方法，它是根據(jù)現(xiàn)場微型壓裂或注入 — 返排試驗測得的地層破裂壓力、瞬時停泵壓力、裂縫重張壓力反算地應力。地應力測量從原理上可分為直接測量與間接測量兩大類。就石油工程而言，原地應力可分為垂直應力和兩個大小不等的水平應力。 地應力的測井計算方法 深埋地下的巖石在工程擾動之前，就己承受著應力的作用，這個應力一般稱為原地應力。 （ 6） 最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性。 （ 4） 平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減小。在絕大多數(shù) （ 幾乎所有 ） 地區(qū)均有兩個主應力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，其與水平面的夾角一般不 大于 ?30 。在多數(shù)地區(qū)并不存在真正的垂直應力，但在絕大多數(shù)測點都發(fā)現(xiàn)確有一個主應力與垂直方向的偏差不大于 ?20 ，接近垂直 。 地應力 的分布規(guī)律 淺部地殼應力分布的 基本規(guī)律 主要有： （ 1） 地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場，它是時間和空間的函數(shù)。很多學者在初始應力的現(xiàn)場測量和理論研究方面都做了大量工作，并取得了一定的進展。當巖體的形狀比較規(guī)律、表面平整、產(chǎn)狀平緩，巖體本身又沒有經(jīng)受構(gòu)造作用和呈現(xiàn)顯著的不均勻性時，可認為巖體中的垂直應力與上覆巖體的重量成正比，水平應力可按垂直應力乘以側(cè)壓力系數(shù)計算，一般約為垂直應力的30％。 巖 體中的初始應力分布是極其復雜的，特別是巖體遭受地質(zhì)構(gòu)造運動之后，應力狀態(tài)更為復雜，分布規(guī)律千變?nèi)f化。 （ 2） 垂向應力為最小主應力，即 vhH ??? ?? 。初始應力的大小主要取決于上覆巖層的重量、構(gòu)造作用的類型、強度和持續(xù)時期的長短等。 巖體中的應力，有的是由于人類活動而引起的，有的則在工程建筑之前早就產(chǎn)生了。 引起巖體產(chǎn)生應力的原因很多，有構(gòu)造運動所產(chǎn)生的構(gòu)造應力、有上覆巖體的重量所引起的自重應力、氣溫變化所引起的溫度應力、地震力以及由于結(jié)晶作用、變質(zhì)作用、沉積作用、固結(jié)作用、脫水作用所引起的應力；其次還有由于地下開挖而在洞室圍巖中所引起的應力重分布和高壩等建筑物在巖基中所引起的附加應力等。 地應力概述 地殼在漫長的地質(zhì)年代里始終處于不斷 的 運動與變化之中。因此，聲發(fā)射法與統(tǒng)計方法相比，既節(jié)省了大量的巖芯可以用于其它試驗，又解決了統(tǒng)計方法不能測定非均質(zhì)性較強地層 觸點孔隙度的問題。 聲發(fā)射法測定觸點孔隙度值時，巖芯經(jīng)歷 ab 彈性階段與 bc塑性階段的很小一部分。 （ 4）重復步驟 3，記錄 piP 與 i? 。 （ 3）增大外應力，同時監(jiān)測聲發(fā)射總數(shù)。 圖 215 石英閃長巖應力應變曲線與聲發(fā)射總數(shù) [38] 圖 216 蛇紋巖應力應變曲線與聲發(fā)射總數(shù) [38] 根據(jù)式 （ 214） ，為測定巖芯的觸點孔隙度，設(shè)計試驗步驟如下： （ 1）將巖芯加載到 ab所示的彈性階段。 分析文獻 [38]給出的應力應變曲線與聲發(fā)射總數(shù)圖中比較典型的兩幅（圖 215，圖216），圖中 ab段為聲發(fā)射的相對穩(wěn)定階段即彈性階段， bc段為聲發(fā)射的逐漸增加階段即塑性破壞階段。在巖石失穩(wěn)破壞即發(fā)生結(jié)構(gòu)變形之前，其聲發(fā)射參數(shù)都會表現(xiàn)出很明顯的前兆特征 [36， 37]，在巖石彈性變形階段后期和塑性變形階段，聲發(fā)射總數(shù)快速增加。聲發(fā)射率在試件破壞時達到最大值，能率相對較高。 ：裂隙的不穩(wěn)定擴展階段。 ：微裂紋穩(wěn)定擴展階段。 ：應力與應變呈線性關(guān)系，既無塑性變形，也無裂紋擴展。聲發(fā)射能率 ?R 指單位時間內(nèi)觀察到的所有聲發(fā)射事件的發(fā)射能之和。聲發(fā)射總數(shù)又稱累計活動 （ N） ，指在某一特定時間觀察到的聲發(fā)射事件總數(shù)。聲發(fā)射技術(shù)是巖石力學研究中的重要工具，聲發(fā)射是巖石材料及其力學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個度量?，F(xiàn)在人們稱材料的這種不可逆現(xiàn)象為“ Kaiser 效應”。 聲發(fā)射試驗確定 觸點孔隙度 研究 材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射 （ Acoustic Emission， 簡稱 AE） ，有時也稱為應力波發(fā)射。 圖 214 作圖法求取觸點孔隙度平均值示意 圖 由于 壓裂或拉斷這兩種結(jié)構(gòu)應變都不可逆 轉(zhuǎn) ， 所以對 同一塊巖芯無法重復 測量它在不同孔隙壓力下 破壞時 的 載荷。最后得： ?? ?? ni pi ic Pn 1 01 ??? （ 222） 或者繪出 i? 與 piP 的關(guān)系曲線，做線性回歸后直線的斜率即為觸點孔隙度的統(tǒng)計平均值，直線的截距為抗壓（抗張）強度。西南石油大學碩士研究生學位論文 16 在試驗室進行巖石的抗壓抗張強度測試時 ，巖樣孔隙空間內(nèi)飽和的流體為空氣，此時有MPaPp ? ， 孔隙壓力與外應力相比可以忽略， 可 以 近似地認為 cSeff ?? ? 或 tSeff ?? ? 。 建議采用 力學 試驗的方法獲取 多孔介質(zhì)的 觸點孔隙度值 ，下面針對巖石的觸點孔隙度測定提出試驗方法。 較 小時，可以用孔隙度值來代替觸點孔隙度做計算。 212， 圖中的陰影部分表示觸點孔隙度的分布范圍。組成多孔介質(zhì)體模型如圖 211，顯然有： abcdabcdcd ????? （ 218） abdc2d/ 3 圖 29 觸點孔隙度分布圖 圖 210 多孔介質(zhì)單元體理論模型 圖 211 證明 ???c 的多孔介質(zhì)理論模型 孔隙型碳酸鹽巖儲層破裂壓力預測技術(shù)研究 15 則 垂向 上的觸點孔隙度為： aca caAA cc ?????? 11? （ 219） 對比該多孔介質(zhì)的 ? 與 c? 可以得到三種結(jié)果： c??? 時，有acabcd?2，即 db 2? ； c??? 時有 acabcd?2 ，即 db 2? ； c??? 時有 acabcd?2 ，即 db 2? 。此外， c??? 關(guān)系并不總是成立的 。 此時 觸點孔隙度范圍為 1?? c?? ，在直角坐標系中可以表示為圖 29， 陰影部分表示出了觸點孔隙度的分布。 當孔隙度值不接近于 0或 1時， 李傳亮 指出， 觸點孔隙度可以用鏡下觀察的方法確定，也可以用試驗結(jié)果反求。當 FCAB 時有該模型的孔隙度 1?? ，觸點 G 的垂向投影為 F，面積 0?cA ，觸點孔隙度 1?c? 。 為對觸點孔隙度在理論上進行定性的分析，建立圖 27和圖 28兩個平面理論模型。 面上巖石骨架顆粒接觸面積的垂向投影面積， A 為 39。Ao xzy 圖 26 結(jié)構(gòu) 有效應力 示意圖 多孔介質(zhì)總的變形量是本體變形量和結(jié)構(gòu)變形量的代數(shù)和。設(shè)第 i 個接觸面的面積為 iS ，其垂向投 影面積為 yiS ，接觸面上的應力 i? 的垂向分量為 yi? ，定義觸點孔隙度為觸點處孔隙面積占整個介質(zhì)橫截面積的百分數(shù)，表示為： QiAyic S SS S ?? ???? 11? （ 211） 則在 y 軸方向上有如下應力關(guān)系： ? ? pyiAyiyiA PSSSS ?? ??? ?? （ 212） pAyiA yiyi PSSS S ???????? ???? ?? 1?? （ 213） 孔隙型碳酸鹽巖儲層破裂壓力預測技術(shù)研究 13 定義所有接觸應力在多孔介質(zhì)橫截面積上的折算應力之和AyiyiSeff S S?? ?? 為結(jié)構(gòu)有效應力，則方程整理后可得： pcSeff P??? ?? （ 214） pPσi21σσσ39。橫截面 39。 39。如圖 26所示 ，在多孔介質(zhì)體中任取一個由接觸面（線、點）組成的曲面 39。 圖 25 多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu) 變形 示意圖 結(jié)構(gòu)變形的產(chǎn)生取決于單元體之間接觸面（線、點）上的應力，與單元體內(nèi)部的應力無關(guān)。它們之間滿足方程： ? ? ApAsA SPSS ???? ??? 1 （ 29） 把骨架應力折算到整個巖石橫截面上，得本體有效應力計算公式為： pPeff P??? ?? （ 210） 西南石油大學碩士研究生學位論文 12 sσσpPσsA39。AA 面下方的骨架應力為 s? ，作用面積為 ? ? AS??1 ，總作用力為 ? ? As S?? ?1 。AA 上方巖石的外應力為 ? ，作用面積為 AS ，總作用力為 AS? 。 Pef? 作用在多孔介質(zhì)上產(chǎn)生的本體變形量與 ? 和 pP 通過 s? 產(chǎn)生的本體變形量相等， Pef? 是 s? 的等效應力。 地下巖石一般為飽和了流體的多孔介質(zhì)，作用在整個介質(zhì)上的正應力 ? 與作用在孔隙流體上的壓力 pP 通過骨架應力 s? 使固體骨架產(chǎn)生變形，進而使整個介質(zhì)體產(chǎn)生本體變形。如 圖 23 所示，巖石本體變形過程中孔隙度不變 [30]。當 21 AA? 時 （桿系 b） ），有： ?? ?Peff （ 27） ?? ???????? ?? llllAASeff 2121 （ 28） 因此，具有一定結(jié)構(gòu)的材料存在兩個有效應力，且有效應力與材料的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。有： ?? 12AASeff ? （ 26） 孔隙型碳酸鹽巖儲層破裂壓力預測技術(shù)研究 11 SeffPeff ?? ? ，本體有效應力 Pef? 用來研究材料的應變（本體變形），而結(jié)構(gòu)有效應力Sef? 用來研究材料的破壞（結(jié)構(gòu)變形）。又因為桿系的破壞首先應該在截面積較小的桿件 1l 上發(fā)生，桿件 1l 上的應力為： ?? 121 AA? （ 25） 當 bc???1 時桿系破壞。當桿系中任何一個桿件的應力達到 bc? 時桿系即被破壞。對于作用在物體邊界上一小塊表面上的外力系可以用靜力等效（主矢量、主矩相同）并且作用于同一小塊表面上的外力系替換，這種替換造成的區(qū)別僅在離該小塊表面的近處是顯著的，而在較遠處的影響可以忽略 [29]，這是彈性力學的圣維南原理（ SaintVenant’ s Principle），此時用于替換原力系的等效靜力也可以看作是一種等效應力。 如果幾個力共同作用在物體上產(chǎn)生的效果與一個力單獨作用在物體上產(chǎn)生的效果相同，則把這幾個力叫做這一個力的合力，而那幾個力叫做這一個 力的分