关于油田地应力与确定方法的研究

李一新

（西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065）

文章已被石油化工应用杂志社录用，石油化工应用杂志投稿网址链接：http://www.zazhi114.cn/shiyouhuagongyingyong

摘要：随着人类对深部矿产资源和能源材料的需求量持续增长，深部开采问题必将成为工程界所面临的重大问题，而地应力参数的准确确定是有效解决该重大问题的基础工作之一。文章总结了目前使用较为广泛的7种地应力测试方法，并对这些方法的基本力学原理作了简要介绍。最后文章对未来的应力测量与估算的发展远景进行了展望。

关键词：地应力；声发射法；水压致裂法；地应力测量

地应力是指客观赋存于地壳岩体內且未受工程扰动的一种自然力，亦称原岩应力。它是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用力。在油气田钻井和开发中，掌握油气储集区域的构造应力的大小和方位，可以进行油气田开发井网布置和优选钻井泥浆的密度来稳定井壁，减少或避免诸如漏、喷、塌、卡等事故造成的严重经济损失和人身事故等。掌握地应力的分布规律，包括其作用的方向和数值大小是极为重要的。

1.地应力的基本知识

油田断块处于板块内部，其应力场受到板块构造运动的控制，这种由区域构造运动产生和控制的应力场称之为区域构造应力场。区域构造运动具有较强的方向性，并以产生水平附加应力为主，它使大范围的应力场的方向趋于一致并增大两水平应力之间的差值。  

构造运动越强烈，平面应力场的分布规律性越强，方向越稳定。同时，局部地质构造可对区域构造应力场产生较大的改造作用，局部地质构造的作用越强,局部应力场与区域应力场之间的差异越大，方向变化也越大。

2.地应力测量的主要方法

2.1套芯应力解除法

套芯应力解除法是以平面应力状态为理论基础，假定岩体是连续、均匀、各向同性、线弹性的。目前，主要采用的套芯应力解除法有空芯包体应力解除法和压磁应力解除法。空芯包体应力解除法采用空芯包体应变计进行测量，压磁应力解除法采用以铁磁体磁致伸缩原理为基础设计的传感器进行应力测量。

2.2水压致裂法

水力压裂法是根据井眼的受力状态及其破裂机理来推算地应力，是目前最准确的地应力测试方法(主要是指最小水平主应力和地应力方向)，它的结果往往作为检验其他方法精度的标准。水压致裂法地应力测量是通过在钻孔中封隔小段钻孔，向封隔段注入高压流体（通常为水），并通过孔壁岩体的胀裂来确定地应力的一种方法。

2.3声发射法

声发射是材料内部储存的应变能快速释放时所产生的弹性波现象，是一种岩石内部缺陷或潜在缺陷在外部条件作用下改变状态而自动发声的现象。研究发现，多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载时，若应力未达到先前的最大应力值，则很少有声发射产生；当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做Kaiser效应。把从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称之为 Kaiser点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。这种测量方法不仅可以测得地应力的大小，而且还可以通过定向取心或用古地磁等方法对岩心进行定向来获取原地应力方向。

利用Kaiser效应确定地应力原理：对岩石施加载荷，其内部产生微裂缝而发出声波信号，当载荷达到其曾受到的最大应力状态时，岩石发射的这种信号会明显增大，专用仪器可以监测出这种信号的变化。由此可测出岩石在井下时所受的应力。

2.4应变恢复法

应变恢复法的原理是岩芯从周围岩体分离后即发生体积恢复（一部分是立即发生的弹性恢复，一部分是随时间缓慢发生的滞弹性恢复），且各方向的应变恢复量与之前所受压力正相关应变恢复法可分为滞弹性应变恢复法和微分应变曲线分析法。

滞弹性应变恢复法通过对岩芯在径向和轴向测量应变恢复，可获得主应变方向，进而得到主应力方向，但对主应力值的估计较为困难，需要针对不同岩性建立准确的本构模型。

2.5钻孔崩落法

    钻孔崩落指大深度的钻孔孔壁自然坍塌、掉块现象。同一地区井孔深部孔壁多发生塌陷且具有相似的优势坍塌方位。钻孔孔壁挤压应力最大集中区通过剪切破碎而形成崩落，崩落的方向与最小水平主应力平行有人认为，可利用崩落形状和岩石强度参数来确定水平主应力的大小，以及根据孔壁崩落的深度和宽度来估算应力值。崩落方位可以用井下电视等辅助工具描述。

2.6套筒压裂法

    如前面所述，传统水压致裂测试中由于压裂液渗透的问题会对原地应力测量中的破裂压力发生影响。为了解决这一问题， 提出了套筒压裂法，套筒压裂使用旁压仪的高容量薄膜对围压施加压力，当施加的压力超过岩石的抗拉强度，孔壁围岩上就会产生竖直裂缝，并且沿着垂直于最小水平主应力的方向传播。由于没有液体渗透进入孔壁围岩岩体，故可以直接通过破裂压力和重张压力获得原地最大最小水平主应力。在套筒压裂测试中，水平应力量值通过记录的压力一容积曲线确定，应力方向通过缠绕在套筒表面的黑色乙烯基电绝缘带表面的裂缝印痕确定。

3.地应力测量存在的问题

   随着我国工程建设不断向深部发展，地应力测量及监测正面临着严峻的考验。与发达国家相比，尚存在许多问题与不足。

首先，在宏观层面上存在的问题与挑战有：第一，测量和监测深度不足。第二，缺乏合理系统的地应力监测网络。第三，统一的地应力测量规范和标准亟待解决。然而，在这些权威的地应力测量方法技术规范起草和编写过程中，没有我国相关领域科学家的参与。

其次，在技术与操作层面上存在的问题与挑战有：第一，测量深度引起的仪器设备性能问题。深部岩体的苛刻环境要求钻探设备和监测仪器具备足够的耐高压、耐高温、抗干扰、防水能力，而仪器在这种环境下，长期工作的稳定性以及与孔壁的耦合性不容忽视。第二，测量仪器和方法的精度与可重复性问题。测量的精度是确保数据可靠的关键，对此，除了改进已有仪器，更需要新技术、新材料的研发。测量过程和结果的可重复性既是测量工作科学、严谨的体现，又是测量仪器与方法广泛应用的保障，具有重要意义。第三，测量仪器及测量平台的现代化程度问题。提高测量与数据釆集的质量与效率、推进测量成果网络传输与共享建立测量方法标定平台，既需要增强地应力测量体系的现代化水平，又需要地应力测量系统向自动化、集成化、智能化方向发展。

参考文献

【1】王成虎. 地应力主要测试和估计方法回顾与展望. 中国地震局地壳应力研究所. 北京. 2014.972-995

【2】安其美. 赵仕逛. 丁立丰. 王海忠. 2004. 单回路双栓塞止水压水技术及其应用. 水力发电学报，23(5):50-57

【3】蔡美峰. 2000. 地应力测量原理和技术. 北京：科学出版社

【4】丁旭初. 李文. 李立球. 关伟沂. 闻琦. 1994. 一种新型压磁套芯深井自采地应力测量系统.见：国家地震局地壳应力研究所. 编. 第三届全国地应力会议专辑. 北京：地震出版社,245-251

【5】郭启良. 丁立丰..2004. 岩体力学参数的原地综合测试技术与应用研究. 岩石力学与工程学报，23(23):3928-3931

【6】何满潮. 谢和平. 彭苏萍. 姜耀东. 2005. 深部开采岩体力学研究岩石力学与工程学报，24(16):2804-2813

【7】景锋. 2009. 原生裂隙水压致裂法三维地应力测量研究. 岩土工程学报. 31(11):1692-1696