淺析地應力的構成測定方法

李　楊

[摘要]隨著科學技術的發展，測試和計算油田地應力的方法越來越多。而作為一個重要的研究對象地應力，是我們在油氣勘探中必須注意到的問題。它的情況直接影響到有關工程問題。就對地應力的構成及測定方法做介紹。

[關鍵詞]地應力地殼方法

中圖分類號：K90文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420095－01

地應力是存在于地殼中的內應力，它是由于地殼內部的垂直運動和水平運動的力及其它因素的力而引起介質內部單位面積上的作用力。油氣勘探開發的工作對象是地層的巖石和流體。儲層的巖石和流體所承受的地應力是研究有關地質和工程問題時的外載，油氣勘探開發的許多問題都涉及到地應力范疇。地應力研究與油氣勘探開發緊密

相連。本文就對地應力的特點、分布規律及測量技術進行闡述。

一、地殼環境的特點

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

2．水平方向的不自由性。地殼內部另一個重要特點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力，還引起了水平應力。

3．重力應力。地殼內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動而產生的抵抗力的作用。二者都是垂向的，大小相等，方向相反，處于平衡狀態，所以巖體保持不動。這一對力在巖體內部引起的應力稱為重力應力。

4．構造力與構造應力。地殼內部的矛盾運動使一部分巖體與相鄰的巖體之間發生相互作用力，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）因地殼內部水平方向的不自由性，構造力會遇到抵抗，構造應力就是作用在巖體上的構造力和阻止巖體運動的抵抗力這一對大小相同方向相反的力共同作用下，在巖體內部產生的附加內力。

5．流體壓力。如果巖體內部存在孔隙且被流體所充填，則流體會對孔隙壁產生一定壓力，而孔隙壁對流體也施加反作用力。靜止的流體內部不存在剪應力，而只存在正應力。在某一位置的任意方向上的流體壓力都是一致的，是球應力。只要孔隙系統是連通的，其壓力屬于統一系統。

二、地應力的分布規律

重力所引起的水平主應力不僅與深度和上覆巖層密度有關，還與巖石的性質，主要是泊松比有關。自20世紀70年代以來，通過國內外眾多學者的共同努力，根據全球現場應力測量的結果，對全球地應力的大小和方向有如下認識：

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

三、地應力測量技術

隨著科學技術的發展，測試和計算油田地應力的方法越來越多。地應力測量技術從原理上可分為直接測量和間接測量兩大類。前者通過測量巖石的破裂直接確定地應力。后者通過測量巖石的變形和物性變化來反演地應力。地應力測量方法雖多，但嚴格來講真正能直接測量出地應力的方法還沒有。其它方法一般都是基于形變或有關物理量來推算地應力狀態，屬間接測量，這與所采用的反演方法密切相關。下面為大家介紹幾種地應力的測量方法及分析：

1．Kaiser效應法。用室內單軸實驗反推野外三向應力方向和應力比的方法。要在巖心指定的6個方向或3個方向上鉆取小樣，每一個小樣的測量結果反映該方向在歷史上承受的最大壓應力。

2．井下微地震波法。是通過用監測水力壓裂過程中形成的微破裂，分析確定微破裂源位置，進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力方向。該方法是唯一可以反映鉆孔遠場應力方向的一種方法。

3．震源機制法。該方法要求一個地震有多個地震臺機記錄。利用其P波初動的符號判別震源節面，進而給出P軸出地點，該出地點的方位和傾角就是應力釋放軸的方位和傾角。多個應力釋放軸的平均方位有時可以反映最大水平主應力方向。

4．滑動方向擬合法。是由測得斷層面上擦痕的走向、傾向，通過矢量分析和矩陣運算、反測定地應力方向和應力比值的一種方法，理論上嚴謹、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，優勢的偏離方位可以反映地下已有裂隙的產狀，再由裂隙產狀判斷鉆孔附近的應力狀態，給出應力方向結果，對于歷史上應力變遷較小的地區，該方法可給出較好結果。

6．長源距聲波自適應方法。長源距聲波測井資料是油田用來計算應力值常用的方法。但儀器在地層比較松軟的情況下測得的S波很弱，現有的計算方法也不能解釋，采用自適應方法后能在強干擾（P波尾）背景下，提取微弱的S波，從而開拓了長源距聲波在油田松軟地層的應用。

7．AVO技術確定地應力。AVO技術是80年代以來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，判斷地層巖性，計算最小主應力值，尋找油氣的新技術。

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，以提高構造的測定精度和獲取介質的更多信息。自1987年Crampin提出了EDA假設后，該理論很快用于油田。當地震波通過這種介質傳播時，S波就會分裂為2個或多個震相，它們具有不同的傳播速度和偏振方向，分裂的S波把介質的特性帶S波的波列中，因而使S波分裂的觀測，成為一種測定原地應力場合裂隙密度有利方法。

9．區域小震綜合斷面解反演法。此方法與震源機制解的方法相近，都是利用地震的P波初動符號，在烏爾夫網上確定震源參數，但小震綜合斷層面解釋使用的單臺接收的許多地震的地震波初動符號，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。用來分析區域構造應力場特征。

四、結束語

以上為大家介紹了地應力的構成及分布規律，同時，還介紹了地應力的測算方法。希望能為讀者提供一條好的解決思路來解決地應力問題。

參考文獻：

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

[2]繆定云，吐哈盆地山前構造帶構造地應力，測井響應特征及其對儲集層物性的影響，石油天然氣學報,2005,27(1):53～55.