淺析地應(yīng)力的構(gòu)成測(cè)定方法

李　楊

[摘要]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試和計(jì)算油田地應(yīng)力的方法越來(lái)越多。而作為一個(gè)重要的研究對(duì)象地應(yīng)力，是我們?cè)谟蜌饪碧街斜仨氉⒁獾降膯?wèn)題。它的情況直接影響到有關(guān)工程問(wèn)題。就對(duì)地應(yīng)力的構(gòu)成及測(cè)定方法做介紹。

[關(guān)鍵詞]地應(yīng)力地殼方法

中圖分類號(hào)：K90文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0420095－01

地應(yīng)力是存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力，它是由于地殼內(nèi)部的垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)的力及其它因素的力而引起介質(zhì)內(nèi)部單位面積上的作用力。油氣勘探開發(fā)的工作對(duì)象是地層的巖石和流體。儲(chǔ)層的巖石和流體所承受的地應(yīng)力是研究有關(guān)地質(zhì)和工程問(wèn)題時(shí)的外載，油氣勘探開發(fā)的許多問(wèn)題都涉及到地應(yīng)力范疇。地應(yīng)力研究與油氣勘探開發(fā)緊密

相連。本文就對(duì)地應(yīng)力的特點(diǎn)、分布規(guī)律及測(cè)量技術(shù)進(jìn)行闡述。

一、地殼環(huán)境的特點(diǎn)

1．多種應(yīng)力同時(shí)作用。地殼內(nèi)部好幾對(duì)（套）力引起的應(yīng)力同時(shí)作用于巖體內(nèi)，這些應(yīng)力聯(lián)合作用使巖體發(fā)生形變。其中最重要的是構(gòu)造應(yīng)力，重力應(yīng)力和孔隙流體壓力引起的應(yīng)力。構(gòu)造形變時(shí)這三種應(yīng)力同時(shí)作用在巖體上，不可忽略。另外一些應(yīng)力，如慣性力，電磁力，溫度改變等引起的應(yīng)力等等，因影響較小在研究問(wèn)題時(shí)可以忽略不計(jì)。

2．水平方向的不自由性。地殼內(nèi)部另一個(gè)重要特點(diǎn)是巖體的自由受到限制。水平方向是不自由的，而在垂直方向上則是自由的。水平方向的不自由使垂向作用力不單引起垂向應(yīng)力，還引起了水平應(yīng)力。

3．重力應(yīng)力。地殼內(nèi)巖體一方面受到上覆物荷重的作用，另一方面又受到下伏物為阻止巖體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的抵抗力的作用。二者都是垂向的，大小相等，方向相反，處于平衡狀態(tài)，所以巖體保持不動(dòng)。這一對(duì)力在巖體內(nèi)部引起的應(yīng)力稱為重力應(yīng)力。

4．構(gòu)造力與構(gòu)造應(yīng)力。地殼內(nèi)部的矛盾運(yùn)動(dòng)使一部分巖體與相鄰的巖體之間發(fā)生相互作用力，這種作用力可以是擠壓力，也可以是拉張力，也可以是扭力（力偶）因地殼內(nèi)部水平方向的不自由性，構(gòu)造力會(huì)遇到抵抗，構(gòu)造應(yīng)力就是作用在巖體上的構(gòu)造力和阻止巖體運(yùn)動(dòng)的抵抗力這一對(duì)大小相同方向相反的力共同作用下，在巖體內(nèi)部產(chǎn)生的附加內(nèi)力。

5．流體壓力。如果巖體內(nèi)部存在孔隙且被流體所充填，則流體會(huì)對(duì)孔隙壁產(chǎn)生一定壓力，而孔隙壁對(duì)流體也施加反作用力。靜止的流體內(nèi)部不存在剪應(yīng)力，而只存在正應(yīng)力。在某一位置的任意方向上的流體壓力都是一致的，是球應(yīng)力。只要孔隙系統(tǒng)是連通的，其壓力屬于統(tǒng)一系統(tǒng)。

二、地應(yīng)力的分布規(guī)律

重力所引起的水平主應(yīng)力不僅與深度和上覆巖層密度有關(guān)，還與巖石的性質(zhì)，主要是泊松比有關(guān)。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，通過(guò)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的共同努力，根據(jù)全球現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)量的結(jié)果，對(duì)全球地應(yīng)力的大小和方向有如下認(rèn)識(shí)：

1．地應(yīng)力主要集中在巖石圈內(nèi)。2．地應(yīng)力中的主應(yīng)力為壓應(yīng)力，一個(gè)主應(yīng)力基本是垂直的，另外兩個(gè)主應(yīng)力基本是水平的。3．在地層深度25~5000米范圍內(nèi)，地層傾角不太大的地區(qū)，垂直應(yīng)力隨深度成線性增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)率大致相當(dāng)于巖石的平均容量。4．水平應(yīng)力比較復(fù)雜。5．水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之間的大小比值有一個(gè)臨界深度，在世界各地因地區(qū)而異。在臨界深度以下，水平應(yīng)力不再大于垂直應(yīng)力。6．地層巖石中高水平應(yīng)力有著廣泛的分布。7．現(xiàn)今地層最大水平主應(yīng)力的方向與古構(gòu)造應(yīng)力方向之間存在著兩種不同的規(guī)律。一種是現(xiàn)今地層最大水平主應(yīng)力的方向與古構(gòu)造應(yīng)力方向基本一致。另一種是兩個(gè)方向完全不同。8．局部區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)及大規(guī)模的掩體工程等人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)有很大的影響。

三、地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試和計(jì)算油田地應(yīng)力的方法越來(lái)越多。地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)從原理上可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)纱箢悺Ｇ罢咄ㄟ^(guò)測(cè)量巖石的破裂直接確定地應(yīng)力。后者通過(guò)測(cè)量巖石的變形和物性變化來(lái)反演地應(yīng)力。地應(yīng)力測(cè)量方法雖多，但嚴(yán)格來(lái)講真正能直接測(cè)量出地應(yīng)力的方法還沒有。其它方法一般都是基于形變或有關(guān)物理量來(lái)推算地應(yīng)力狀態(tài)，屬間接測(cè)量，這與所采用的反演方法密切相關(guān)。下面為大家介紹幾種地應(yīng)力的測(cè)量方法及分析：

1．Kaiser效應(yīng)法。用室內(nèi)單軸實(shí)驗(yàn)反推野外三向應(yīng)力方向和應(yīng)力比的方法。要在巖心指定的6個(gè)方向或3個(gè)方向上鉆取小樣，每一個(gè)小樣的測(cè)量結(jié)果反映該方向在歷史上承受的最大壓應(yīng)力。

2．井下微地震波法。是通過(guò)用監(jiān)測(cè)水力壓裂過(guò)程中形成的微破裂，分析確定微破裂源位置，進(jìn)而描繪出水力壓裂裂縫走向的一種方法。該水力壓裂裂縫的走向通常為最大水平主應(yīng)力方向。該方法是唯一可以反映鉆孔遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力方向的一種方法。

3．震源機(jī)制法。該方法要求一個(gè)地震有多個(gè)地震臺(tái)機(jī)記錄。利用其P波初動(dòng)的符號(hào)判別震源節(jié)面，進(jìn)而給出P軸出地點(diǎn)，該出地點(diǎn)的方位和傾角就是應(yīng)力釋放軸的方位和傾角。多個(gè)應(yīng)力釋放軸的平均方位有時(shí)可以反映最大水平主應(yīng)力方向。

4．滑動(dòng)方向擬合法。是由測(cè)得斷層面上擦痕的走向、傾向，通過(guò)矢量分析和矩陣運(yùn)算、反測(cè)定地應(yīng)力方向和應(yīng)力比值的一種方法，理論上嚴(yán)謹(jǐn)、可信，但在油很難找到理想的原始材料。

5．井斜玫瑰圖法。井斜玫瑰圖反映了鉆頭偏離豎直方向的頻率，優(yōu)勢(shì)的偏離方位可以反映地下已有裂隙的產(chǎn)狀，再由裂隙產(chǎn)狀判斷鉆孔附近的應(yīng)力狀態(tài)，給出應(yīng)力方向結(jié)果，對(duì)于歷史上應(yīng)力變遷較小的地區(qū)，該方法可給出較好結(jié)果。

6．長(zhǎng)源距聲波自適應(yīng)方法。長(zhǎng)源距聲波測(cè)井資料是油田用來(lái)計(jì)算應(yīng)力值常用的方法。但儀器在地層比較松軟的情況下測(cè)得的S波很弱，現(xiàn)有的計(jì)算方法也不能解釋，采用自適應(yīng)方法后能在強(qiáng)干擾（P波尾）背景下，提取微弱的S波，從而開拓了長(zhǎng)源距聲波在油田松軟地層的應(yīng)用。

7．AVO技術(shù)確定地應(yīng)力。AVO技術(shù)是80年代以來(lái)用地震勘探獲取的反射波振幅與偏移距的信息取彈性參數(shù)，判斷地層巖性，計(jì)算最小主應(yīng)力值，尋找油氣的新技術(shù)。

8．S波分裂方法。地震勘探方法中，人們一直在努力利用P波和S波的振幅資料，以提高構(gòu)造的測(cè)定精度和獲取介質(zhì)的更多信息。自1987年Crampin提出了EDA假設(shè)后，該理論很快用于油田。當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^(guò)這種介質(zhì)傳播時(shí)，S波就會(huì)分裂為2個(gè)或多個(gè)震相，它們具有不同的傳播速度和偏振方向，分裂的S波把介質(zhì)的特性帶S波的波列中，因而使S波分裂的觀測(cè)，成為一種測(cè)定原地應(yīng)力場(chǎng)合裂隙密度有利方法。

9．區(qū)域小震綜合斷面解反演法。此方法與震源機(jī)制解的方法相近，都是利用地震的P波初動(dòng)符號(hào)，在烏爾夫網(wǎng)上確定震源參數(shù)，但小震綜合斷層面解釋使用的單臺(tái)接收的許多地震的地震波初動(dòng)符號(hào)，因此叫“綜合”斷層面，又因常常使用的是小震地震波資料，稱為小震綜合斷面解。用來(lái)分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征。

四、結(jié)束語(yǔ)

以上為大家介紹了地應(yīng)力的構(gòu)成及分布規(guī)律，同時(shí)，還介紹了地應(yīng)力的測(cè)算方法。希望能為讀者提供一條好的解決思路來(lái)解決地應(yīng)力問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]李志明、張金珠編著，地層應(yīng)力與油氣勘探開發(fā)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997:145,5～8,23～26,146～151.

[2]繆定云，吐哈盆地山前構(gòu)造帶構(gòu)造地應(yīng)力，測(cè)井響應(yīng)特征及其對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響，石油天然氣學(xué)報(bào),2005,27(1):53～55.