本文阅读简介：

  • 1、地应力与地应力场的基本概念
  • 2、地应力的来源
  • 3、地应力有关概念

地应力与地应力场的基本概念

地应力一般是指地壳中的应力,如果扩大范围可以泛指地球固体部分内的应力。地应力是矢量,具有三要素:一是三维空间位置;二是矢量方向;三是量值大小,即矢量长度(图4-1A)。任何物体受力,则内部同时产生位错、位移(应变)、应力,这已成共识,在地壳内部则同时相应产生地形变、断层位移和地应力,三者共生,而且彼此可以转换(图4-1B)。

图4-1 力与地应力的基本概念及对应关系

地应力场是在考虑岩石力学性质的前提下,由空间各点地应力状态构成的场,用于分析地应力在三维空间的变化规律(图4-2)。

图4-2 岩石力学与构造应力场的关系

地应力的来源

地应力的来源比较复杂，一般认为主要由上覆岩层重力、地层压力、构造活动力等方面构成。地层压力是应力的来源之一，由于对其认识清楚，有关问题不做过多介绍。

（1）上覆岩层重力及“诱导”的水平应力

地应力上覆岩层重力，也称垂向应力（σv），主要取决于埋深（h）和岩石的体积密度（ρ）：

油气藏现今地应力场评价方法及应用

式中：g——重力加速度，m/s2；Pb（h）——埋深h时的孔隙压力，MPa。

由于上述应力的垂向“挤压”作用，使得具有弹塑的岩石要发生横向变形，在地层中“受限”的情况下，上述垂向应力“诱导”出横向的水平应力。在均一的岩石内，由垂向应力引起的水平应力在各个方向上都是相同的（王平，1992），其任意方向的正交应力（与垂直应力正交），可以由下式确定：

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式中：μ——岩石泊松比；n——经验常数。

如果，一个地区地层中仅存在重力及“诱导”的水平应力，在水平方向上处于相对均一应力状态。实际上，绝大部分沉积盆地中的岩石地应力测量结果，水平主应力都有不同程度的差别（Michael等，1900）。这说明在水平应力构成中存在其他方面的应力。

（2）构造应力

由于地壳构造运动产生的构造应力以矢量形式叠加在重力及“诱导”的水平应力之上。如何叠加取决于构造应力的方向。不同的盆地，因处于构造活动的不同部位，其构造应力大小、方向是不同的。即使同一盆地不同的区域、不同的深度所处的构造应力状态也不同。许多情况下盆地中还存在局部构造应力问题，如岩浆侵入体影响范围、断层的错动、岩层变形派生的应力等，都使盆地内不同部位所处的应力环境变得十分复杂。一般来讲，构造应力都考虑成近水平方向叠加在原位应力之上（对于因侵入体、泥火山等引起的近垂向应力，也可以进行垂向等方向的叠加），因此在构造作用比较强烈地区，可以出现水平地应力大于垂直应力的现象。

下面以川西地区为例，说明构造应力的来源问题。中国地震局1999年的资料结果表明，在板块结合带是地震活动频率和强度大的地区。川西前陆盆地处于龙门山挤压活动作用的构造背景下，现今构造应力主要来源于印度板块向北俯冲，龙门山推覆构造带向东、东北推覆作用产生的力。已有的研究成果表明，地层中的水平应力差大，说明构造应力存在。据2002年的龙门山地区发生的地震活动资料统计，全年共发生大小不等地震132次，从其分布来看（图1-1），南部与“攀西”裂谷构造带结合的部发生频率最多，显示现今地应力方向在川西前陆盆地南区有东偏北的趋向。向北因构造活动趋缓，地震发生频率也减少。这一资料说明，龙门山至今还在进行推覆作用，表现出南强北弱的特征。按照过鸭子河的构造剖面显示，龙门山前缘推覆断裂（关口断层）弯曲上翘在T3x2层附近，因此该区西部地应力作用强，逐渐向东降低（图1-2）。T2以下地层处于相对低推覆构造应力区。

图1-1 龙门山推覆构造带2002年地震分布示意图

图1-2 龙门山构造应力传递模式

（3）地层弯曲派生的应力

由于构造应力作用，岩层弯曲，在中性面以上派生拉张应力，中性面以下为挤压应力区，应力大小与岩层弯曲程度有关（图1-3）。评价岩层弯曲程度的指标为曲率。曲率与派生应力关系，按完全弹性条件下的关系为：

油气藏现今地应力场评价方法及应用

如果考虑地下塑性情况，有：

图1-3 岩层弯曲变形派生应力分布

油气藏现今地应力场评价方法及应用

式中：σn——弯曲派生应力，MPa；E——弹性模量，GPa；er——岩石弹塑性系数；h——变形层厚度，m；

——变形曲率，1/km。

根据上式建立的派生应力与曲率关系图板（图1-4），可以看出，在变形层厚度为300m条件下，随着岩层曲率值和杨氏模量增加，派生应力增加。

图1-4 岩层厚度为300m时不同杨氏模量条件下变形派生应力

岩层厚度也对派生应力有影响，在杨氏模量为2.0×104MPa时，不同厚度岩层条件下，曲率与派生应力关系（图1-5）可以看出，随着厚度的增加，派生应力也增加。

纵向上变形层越靠近中性面，派生应力越小，越远派生应力越大。

当然，当变形曲率值过大时，由于超过岩石破裂值，岩石产生天然裂缝会使地层应力释放，断裂带同样如此，此时地应力（主要是派生的拉张地应力）就会“丧失”。

应力叠加问题，分两种情况考虑：

图1-5 杨氏模量为20GPa时不同岩层厚度条件下派生应力

岩层位于变形层中性面上部

处于派生拉张应力区，拉张应力要叠加在现今最小地应力上。如设派生应力与最小主应力交角为θ（≤90°），则叠加后的最小主应力

为：

油气藏现今地应力场评价方法及应用

拉张区σp为“负”值，当θ≠90°时，其势必抵消一部分（也可能是全部）现今最小主应力。其他应力同样可以叠加。

岩层处于变形层中性面下部

此处的派生地应力性质为压应力（正值），叠加结果，增大了最小主应力。

派生应力方向与岩层弯曲方向（一般为构造轴线方向）相垂直。

（4）热应力作用问题

盆地中因侵入体的局部热作用、断裂带的热液影响及地层中矿物转化过程中的热“释放”等，能够引起局部应力增加。钻井因泥浆的循环，在井壁形成与地层的温差，也可以造成井眼附近的应力变化，当然这种“局部应力”随时间的增加，温度差的减小而逐渐变小或“消失”。

Engelder（1993）认为由于温差形成的附加应力分量（Δσ）为：

Δσ=E·at·（T1-T2）（1-μ） （1-8）

式中：at——岩石热膨胀系数；T1-T2——地层中两点的温度差，℃；其他符号同前。

（5）其他应力

作为地应力的其他来源可能的方面很多。目前认识到的主要有：①塑性泥岩、盐岩、石膏的“流动”可能使地应力“软化”，造成地应力状态“趋同”，并可能达到与岩层静压力相当（Michell等，1900）；②岩石中的矿相变化引起的局部应力变化，如矿物体积的改变等。

上述的应力来源，一般情况下在沉积盆地中可能是局部因素。

地应力有关概念

（1）地应力和现今地应力

沉积盆地中的岩层是处于三轴应力状态下的，所谓“应力状态”是指应力的大小和方向，通常采用三个法向应力来表示岩石单元的应力环境：σ1、σ2、σ3分别代表最大、中间、最小三个主应力，相应用σv、σH、σh分别代表垂向、水平最大、水平最小主应力。按照岩石力学的规定，压应力为正，拉张力为负，剪切应力一般不做限定。

现今地应力是相对古应力而言的，是指地层目前的应力状态。古应力是地质历史时期中某时间的应力状态（包括岩石变形时的应力）。目前地应力一般是岩层在地质历史中经过多期变形、破裂后（应力集中、释放过程）到目前还“剩余”的应力。由于现今构造还在不断活动，严格来讲，现今地应力随着时间是在不断“变化”的“场”，在大部分沉积盆地中，相当一段时间内（按人类活动时间作参照系），由于变化速度小，我们认为其是相对“稳定”的。

（2）有效应力

盆地中任何一个孔隙性岩石，其外在负荷总是被岩石骨架和孔隙流体所“承受”（Gretener，1979讲座）。因此，有效应力是指沉积岩石骨架所“承受”地应力。流体所“承受”的力为地层压力。

Terzaghi（1923）（引自石油工程丛书，地层压力评价）提出了著名的有效应力公式：

S=σ Pb （1-1）

式中：S——岩石所“承受”地应力，MPa；σ——岩石骨架有效应力，MPa；Pb——岩石孔隙流体压力，MPa。

由于岩石骨架的胶结作用和颗粒间的支撑作用，使得孔隙流体不必“完全承担”其应受的那部分力（Handin，1963）。因此，上式可以修正为：

S=σ aPb （1-2）

其中：a——修正系数（也称孔隙弹性系数）。

有效应力也是矢量，有大小和方向。长期实践证明，上述公式即使对于孔隙度小于1%的结晶岩石也是适用的（Gretener，1979讲座）。文中如果不特别注明，所涉及的应力均指有效应力。