浅析地应力的构成测定方法

李　杨

[摘要]随着科学技术的发展，测试和计算油田地应力的方法越来越多。而作为一个重要的研究对象地应力，是我们在油气勘探中必须注意到的问题。它的情况直接影响到有关工程问题。就对地应力的构成及测定方法做介绍。

[关键词]地应力地壳方法

中图分类号：K90文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420095－01

地应力是存在于地壳中的内应力，它是由于地壳内部的垂直运动和水平运动的力及其它因素的力而引起介质内部单位面积上的作用力。油气勘探开发的工作对象是地层的岩石和流体。储层的岩石和流体所承受的地应力是研究有关地质和工程问题时的外载，油气勘探开发的许多问题都涉及到地应力范畴。地应力研究与油气勘探开发紧密

相连。本文就对地应力的特点、分布规律及测量技术进行阐述。

一、地壳环境的特点

1．多种应力同时作用。地壳内部好几对（套）力引起的应力同时作用于岩体内，这些应力联合作用使岩体发生形变。其中最重要的是构造应力，重力应力和孔隙流体压力引起的应力。构造形变时这三种应力同时作用在岩体上，不可忽略。另外一些应力，如惯性力，电磁力，温度改变等引起的应力等等，因影响较小在研究问题时可以忽略不计。

2．水平方向的不自由性。地壳内部另一个重要特点是岩体的自由受到限制。水平方向是不自由的，而在垂直方向上则是自由的。水平方向的不自由使垂向作用力不单引起垂向应力，还引起了水平应力。

3．重力应力。地壳内岩体一方面受到上覆物荷重的作用，另一方面又受到下伏物为阻止岩体运动而产生的抵抗力的作用。二者都是垂向的，大小相等，方向相反，处于平衡状态，所以岩体保持不动。这一对力在岩体内部引起的应力称为重力应力。

4．构造力与构造应力。地壳内部的矛盾运动使一部分岩体与相邻的岩体之间发生相互作用力，这种作用力可以是挤压力，也可以是拉张力，也可以是扭力（力偶）因地壳内部水平方向的不自由性，构造力会遇到抵抗，构造应力就是作用在岩体上的构造力和阻止岩体运动的抵抗力这一对大小相同方向相反的力共同作用下，在岩体内部产生的附加内力。

5．流体压力。如果岩体内部存在孔隙且被流体所充填，则流体会对孔隙壁产生一定压力，而孔隙壁对流体也施加反作用力。静止的流体内部不存在剪应力，而只存在正应力。在某一位置的任意方向上的流体压力都是一致的，是球应力。只要孔隙系统是连通的，其压力属于统一系统。

二、地应力的分布规律

重力所引起的水平主应力不仅与深度和上覆岩层密度有关，还与岩石的性质，主要是泊松比有关。自20世纪70年代以来，通过国内外众多学者的共同努力，根据全球现场应力测量的结果，对全球地应力的大小和方向有如下认识：

1．地应力主要集中在岩石圈内。2．地应力中的主应力为压应力，一个主应力基本是垂直的，另外两个主应力基本是水平的。3．在地层深度25~5000米范围内，地层倾角不太大的地区，垂直应力随深度成线性增长，其增长率大致相当于岩石的平均容量。4．水平应力比较复杂。5．水平应力与垂直应力之间的大小比值有一个临界深度，在世界各地因地区而异。在临界深度以下，水平应力不再大于垂直应力。6．地层岩石中高水平应力有着广泛的分布。7．现今地层最大水平主应力的方向与古构造应力方向之间存在着两种不同的规律。一种是现今地层最大水平主应力的方向与古构造应力方向基本一致。另一种是两个方向完全不同。8．局部区域的地质构造特点及大规模的掩体工程等人类活动对区域的应力场有很大的影响。

三、地应力测量技术

随着科学技术的发展，测试和计算油田地应力的方法越来越多。地应力测量技术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地应力。后者通过测量岩石的变形和物性变化来反演地应力。地应力测量方法虽多，但严格来讲真正能直接测量出地应力的方法还没有。其它方法一般都是基于形变或有关物理量来推算地应力状态，属间接测量，这与所采用的反演方法密切相关。下面为大家介绍几种地应力的测量方法及分析：

1．Kaiser效应法。用室内单轴实验反推野外三向应力方向和应力比的方法。要在岩心指定的6个方向或3个方向上钻取小样，每一个小样的测量结果反映该方向在历史上承受的最大压应力。

2．井下微地震波法。是通过用监测水力压裂过程中形成的微破裂，分析确定微破裂源位置，进而描绘出水力压裂裂缝走向的一种方法。该水力压裂裂缝的走向通常为最大水平主应力方向。该方法是唯一可以反映钻孔远场应力方向的一种方法。

3．震源机制法。该方法要求一个地震有多个地震台机记录。利用其P波初动的符号判别震源节面，进而给出P轴出地点，该出地点的方位和倾角就是应力释放轴的方位和倾角。多个应力释放轴的平均方位有时可以反映最大水平主应力方向。

4．滑动方向拟合法。是由测得断层面上擦痕的走向、倾向，通过矢量分析和矩阵运算、反测定地应力方向和应力比值的一种方法，理论上严谨、可信，但在油很难找到理想的原始材料。

5．井斜玫瑰图法。井斜玫瑰图反映了钻头偏离竖直方向的频率，优势的偏离方位可以反映地下已有裂隙的产状，再由裂隙产状判断钻孔附近的应力状态，给出应力方向结果，对于历史上应力变迁较小的地区，该方法可给出较好结果。

6．长源距声波自适应方法。长源距声波测井资料是油田用来计算应力值常用的方法。但仪器在地层比较松软的情况下测得的S波很弱，现有的计算方法也不能解释，采用自适应方法后能在强干扰（P波尾）背景下，提取微弱的S波，从而开拓了长源距声波在油田松软地层的应用。

7．AVO技术确定地应力。AVO技术是80年代以来用地震勘探获取的反射波振幅与偏移距的信息取弹性参数，判断地层岩性，计算最小主应力值，寻找油气的新技术。

8．S波分裂方法。地震勘探方法中，人们一直在努力利用P波和S波的振幅资料，以提高构造的测定精度和获取介质的更多信息。自1987年Crampin提出了EDA假设后，该理论很快用于油田。当地震波通过这种介质传播时，S波就会分裂为2个或多个震相，它们具有不同的传播速度和偏振方向，分裂的S波把介质的特性带S波的波列中，因而使S波分裂的观测，成为一种测定原地应力场合裂隙密度有利方法。

9．区域小震综合断面解反演法。此方法与震源机制解的方法相近，都是利用地震的P波初动符号，在乌尔夫网上确定震源参数，但小震综合断层面解释使用的单台接收的许多地震的地震波初动符号，因此叫“综合”断层面，又因常常使用的是小震地震波资料，称为小震综合断面解。用来分析区域构造应力场特征。

四、结束语

以上为大家介绍了地应力的构成及分布规律，同时，还介绍了地应力的测算方法。希望能为读者提供一条好的解决思路来解决地应力问题。

参考文献：

[1]李志明、张金珠编著，地层应力与油气勘探开发[M].北京：石油工业出版社，1997:145,5～8,23～26,146～151.

[2]缪定云，吐哈盆地山前构造带构造地应力，测井响应特征及其对储集层物性的影响，石油天然气学报,2005,27(1):53～55.