基于地应力的套管强度优化设计方法

针对东辛复杂断块油藏泥岩夹层和断层附近套管损坏严重的问题,研究了套管在泥岩夹层和断层附近套损机理。研究表明,造成泥岩夹层和断层处套管损坏的主要原因是该层段的异常地应力。因此,在这2个层段,考虑异常地应力作用和承受非均匀地应力作用对套管强度的影响,提出了基于地应力的套管强度优化设计方法。     

基于地应力和岩体强度的岩爆预判

工程中预判岩爆传统方法以岩石强度为基础,但实际岩爆发生更多取决于岩体结构及岩体强度。本研究以我国西部某铁路隧道工程岩爆为背景,岩体强度使用广义Hoek-Brown准则来计算,根据岩爆发生实际情况提出了基于岩体强度-最大地应力比的岩爆预判改进方法,将实际岩爆发生情况、传统方法预判结果与改进方法预判结果进行了对比。结果表明,使用广义Hoek-Brown准则计算的岩体强度,可以很好考虑岩石类型和强度、施工情况、岩体结构特征;基于岩石强度-最大地应力比的岩爆预判结果与实际情况有较大差别,但基于岩体强度-最大地应力比的岩爆预判结果与岩爆发生实际情况基本一致;使用最大地应力和岩体强度预判岩爆时,轻微、中等、强烈、剧烈岩爆对应的岩体强度-最大地应力比范围分别为>0.15、0.07~0.15、0.02~0.07、<0.02。研究结果对高地应力区隧道工程施工、岩爆防治措施确定都具有重要的参考价值。     

断层端部地应力影响因素数值分析

断层端部是煤与瓦斯突出事故的主要危险地段。利用有限差分数值模拟软件FLAC^3D模拟断层端部地应力场分布情况。结果表明：断层倾角、断层性质、断层内摩擦角、煤层弹性模量、煤层泊松比和边界应力比是影响断层端部应力大小的主要因素。其中断层内摩擦角和边界应力比对断层端部应力的影响最为敏感,是断层端部应力集中程度的主控因素;断层倾角对断层端部应力的影响比较大,倾角为45°时断层端部应力最大。利用该软件,在临近断层开采区内对断层端部应力集中程度和应力集中范围的预测,有助于确定断层防水煤柱的留设宽度和预防煤与瓦斯突出事故的发生。     

广义地应力及其强度理论

根据岩体力学位移理论，将广义地应力理论与岩体介质蠕变柔量理论相结合，建立了广义地应力的强度理论，并讨论了它在岩体工程中的应用。     

断层扰动下地应力场三维有限元约束优化反演

在分析复杂断层构造扰动下的区块G的多点实测地应力分布特点的基础上,通过建立符合研究区地质特点的数值模型,采用基于有限元法及数学约束优化理论的有限元约束优化反演法对研究区的三维地应力场进行了模拟,得到了与实测值吻合良好的结果。通过对反演得到的地应力分布特征进行分析,探讨了复杂断层对区域地应力状态的影响。研究结果表明：断层附近的地应力分布主要受其邻近断层的扰动影响,且受扰乱程度与断层的几何尺寸以及离断层的距离等因素相关;由于断层的扰动作用,断层附近地应力分布十分复杂,尤其是断层端部尖灭区的地应力分布更是如此,因此,有限“点”的实测应力值不能全面反映断层发育区地应力场的全貌,三维数值模拟是区域地应力场定量分析与评价的不可缺少的手法。     

利用磷灰石裂变径迹对断层摩擦生热探测或测量的初步探讨

以青藏高原东北缘断裂带为研究对像,对利用磷灰石裂变径迹热年代学对地震断层滑动摩擦生热的探测或测量进行了初步探讨。其基本思路是利用磷灰石裂变径迹热年代计的热敏感,通过对横跨断层垂直方向断层岩和围岩的磷灰石裂变径迹年龄及围限径迹长度分布的对比分析,对断层滑动摩擦生热进行探测。本次研究对来自3个断层剖面的13个样品进行了磷灰石裂变径迹分析,样品包括断层主滑动面上的断层泥、碎裂岩和断层围岩,分析结果并没有获得断层摩擦生热的证据,表明这些断层在地震滑动过程中的摩擦增温非常有限,没有达到磷灰石裂变径迹热年代计体系可加载热信息的温度－时间要求。结合前人已有的相关研究,对利用磷灰石裂变径迹热年代学对地震断层滑动摩擦生热进行探测或测量存在的主要问题及可行性进行了初步总结和探讨,认为只适应于对震级大、断层滑动距离和速率大,摩擦强度强,位于一定深度有大量摩擦热生成,并使断层附近增温达到或超过磷灰石裂变径迹部分或完全退火温度的断层进行滑动摩擦生热的探测或测量,将是一种潜在的能对地震断层滑动摩擦生热或增温进行测量的“热量计或温度计”。     

三维地应力计算模型研究

简要回顾了现有的三维地应力实测方法在实际工程应用中存在的局限性。对钻孔局部壁面应力全解除法进行了系统的研究,从理论上说明了由它确定三维地壳应力张量的可行性。采用线弹性有限元法对钻孔局部壁面应力解除过程做了数值模拟研究,分析了应力解除曲线的变化特征,给出了达到完全应力解除时解除深度和被解除岩芯直径之间的定量关系,还进一步分析了环形解除槽引起的应力集中对其附近局部孔壁应力分布的影响,从而为在钻孔孔壁的局部壁面上如何合理的布置应变计（花）提供了参考依据。最后对本课题的研究前景做了展望。     

断层面摩擦强度对工作面开采影响数值模拟分析

断层面摩擦强度是评价煤炭开采中应力扰动诱发断层滑动危险性的依据。依托晋城矿区成庄井田,采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了断层面摩擦强度对深部地应力的约束机制,研究了成庄井田F13断层及其在不同摩擦强度条件下对回采工作面顶板稳定性、超前支承压力分布和断层滑动的影响规律。研究结果表明：地壳深部最大与最小主应力比值受断层面摩擦强度的限制,当其达到临界方向断层的摩擦强度极限时,断层就会发生滑动;断层破碎带的存在导致初始应力场扰动,形成断层带低应力区及高应力集中区,在回采过程中将直接影响煤层顶板移动变形和采动应力分布;断层面摩擦强度较小时,工作面开采至断层附近顶板下沉量及断层上下盘错动位移较大,支承压力峰值由大变小明显,断层面上剪应力与正应力的比值易达到断层面的摩擦系数,断层滑动的危险性较大。     

鄂尔多斯临兴西区深煤层地应力场特征及应力变化分析

大小及方向对深部煤层气开发影响显著。以鄂尔多斯东缘临兴西区为对象, 基于实 验测试、井壁崩落法和断层摩擦系数地应力法,分析了三向主应力方向与大小,阐释了基本特征及其空间发育规律。结果显示：8号煤层垂向应力介于44.94 ~ 50.46 MPa,平均48.47MPa;水平最大主应力介于35.16 ~ 44.53 MPa,平均40.62MPa;水平最小主应力介于28.79~39.45 MPa,平均33.02MPa。9号煤层垂向应力介于45.03~ 50.46 MPa,平均48.57MPa;水平最大主应力介于35.33~44.53 MPa,平均40.69MPa;水平最小主应力介于29.01 ~ 39.45 MPa,平均33.11MPa。误差分析显示此地应力计算结果可靠。三向地应力大小与埋深呈正相关关系。在垂向上,三向地应力相对大小表现出明显分带性,即埋深＜1000m左右为Sh＜Sv＜SH为特征的剪切型地应力带、埋深介于1000~1800m 表现为Sh＜SH＜Sv过渡带、埋深>1800m左右表现为Sh＜SH＜Sv为特征的正断型地应力带。在平面上,地应力在平面上总体呈西北部低、中部与南部高、其余地区适中,主要在T-23-2井和T-19井区存在应力低值带。最大水平主应力地应力方向主要以EW-NEE向为主。地应力场的阐释将为研究区深煤层储层物性评价、勘探选区及钻完井工程设计提供地质参考。     

自然地应力场对含断层地下洞室围岩稳定性影响规律

自然地应力场及结构面分布特征是地下岩体工程围岩稳定性的主要内在控制因素。本文基于数值计算和实际工程的变形监测分析表明:①随侧压系数的增大,含断层围岩的稳定性变差;②不同应力状态下断层分布位置对围岩稳定性的控制作用差异明显;③当围岩附近断层与洞室开挖面不相交且水平构造应力场较大时,围岩可能产生更大的变形或更大范围的失稳。     

断层附近地应力扰动带宽度及其影响因素

在建立正断层模型的基础上,利用三维有限元数值模拟方法研究了断层附近地层中的地应力变化规律。其结果表明,由于断层活动,在断层附近普遍发育应力扰动带;在应力扰动带范围内,地应力方向和大小发生明显的变化,断层中部附近应力值普遍较低,而断层端部的应力值通常异常增大。应力扰动带的分布范围主要受断层规模的控制,与断裂带的岩石力学性质、断层走向、断层面形态和边界应力条件等因素也密切相关。随断层长度和断距逐步增大,应力扰动带的宽度相应增加。断裂带的岩石越破碎,其岩石弹性模量越低,断层对地应力的影响宽度越大。断层走向与区域最大水平主应力方向越接近垂直、断距与断层长度的比值越大,区域内的差应力越大,则扰动带宽度与断层规模的比值也越大。选择渤海湾盆地BZ-X油田进行验证,在建立油田实际三维地质模型基础上,根据边界应力条件,利用三维有限元方法对沙河街组二段的地应力分布进行了数值模拟计算。根据断层周围的地应力变化,确定了应力扰动带的分布范围,断层附近应力扰动带宽度的分布规律与正断层模型分析结果相一致。      

北京昌平十三陵钻孔地应力测量与实时监测在断层活动危险性分析中的应用探讨

本文尝试运用北京昌平十三陵钻孔98 m深度原地应力测量和实时监测数据,依据弹性力学应力张量叠加原理,计算得到不同时段地应力结果;根据断层滑动摩擦准则,探讨南口山前断裂活动性,对了解该区地震危险性有重要的意义。原地应力测量与实时监测计算结果表明:在2010年1月初和2013年3月31日,最大水平主应力平均值分别为5.30 MPa和7.56 MPa,呈增加趋势;最大水平主应力方向也由NNW逐渐过渡到NE至近EW向。断层面上剪应力与正应力的比值结果显示:在2010年1月初和2013年3月底,平均比值分别为0.12和0.22,虽均没有达到断层面临界滑动摩擦系数0.6,但其显示出的增加趋势在一定程度上反映了该地区构造活动有增强的迹象,该现象值得关注。     

基于地应力实测数据分析郯庐断裂带中段滑动趋势

郯庐断裂带潜在滑动趋势对于区域地壳稳定性评价具有重要的意义。对郯庐断裂带中段(新沂至渤海段)附近12个钻孔共65条实测地应力数据分析,得出该区段最大和最小水平主应力与垂直应力之比Kmax和Kmin的范围,结果表明郯庐断裂带中段主要表现为逆断层的应力状态,局部地区呈现出有利于走滑断层的特征。研究区内应力比K值由西向东逐渐增大,并在东北部达到最大。通过计算得出断层面上的剪应力与有效正应力比值小于Byerlee准则所定义的摩擦系数,说明目前郯庐断裂带中段处于相对稳定状态;同时发现北西向断裂面上的剪应力与有效正应力比值比北东向断裂的大。区内应力积累指标μm的计算结果和地震的分布特征表明,郯庐断裂带中段北西向断裂上地震活动频繁,应力积累程度低;而北东向断层上应力积累程度高,特别是处于郯庐断裂带中段东北部的北东向断层,在应力集中的区域出现地震空白区,推测为断层的锁固段。最终认为在现今应力场下郯庐断裂带中段更易沿北西向的断裂滑动。     

山东蓬莱近海岸的地应力状态及断层稳定性评价

为查明蓬莱近海岸的地应力状态,开展了2个钻孔（深度小于200m）的水压致裂地应力测量工作,并与长岛附近海域3个钻孔的地应力状态进行了对比,采用回归分析方法,分析了该地区地应力随深度变化的特征,结合最大剪应力与平均主应力之比（μ_m）和侧压力系数（K'）探讨了研究区的断层稳定性。结果表明:蓬莱近海岸和长岛海域的地应力状态基本一致,最大水平主应力方向主要表现为北东东至东西向,这与华北的区域应力场相一致;水平应力的梯度大于环渤海圈的平均地应力梯度;研究区浅部三向主应力相对大小以S_H > S_h > S_v为主,这有利于逆断层的活动;研究区K'值和μ_m值均较高,分布区间分别为:2.76~3.98和0.47~0.59;陆区断层与区域应力方向均以较大角度相交,处于稳定的状态;海域的北西西向和北东向断层与区域应力场的方向夹角较小,如果区域应力持续增强,将有利于走滑断层的活动,这与震源机制以走滑型地震为主相符。研究结果对研究区内断层稳定性的评价和重大工程的设计及施工都具有重要参考意义。      

地应力的重力来源与计算方法探讨

以地球物理学的基本理论为指导,根据地球重力场的特点,探讨了地应力的重力来源。以严密的理论分析为依据,指出了地应力产生的主要原因仍在于重力(即地心引力),重力不仅可以产生竖向地应力、而且还可产生水平地应力。给出了重力所致竖向地应力与水平地应力的科学表达方式。     

唐山地区3～4 km深部地应力测量及断层稳定性分析

地应力大小和方向是干热岩开发中注采井网部署、水力压裂设计和诱发地震评估等方面的重要基础数据。本文利用非弹性应变恢复(ASR)地应力测试方法,实测获取了唐山市乐亭县马头营干热岩勘探区3～4 km深度范围的地应力状态。研究结果表明:(1)地应力量值随深度增加而加大,3139～3934 m深度范围内水平最小主应力介于59.0～90.7 MPa之间,水平最大主应力介于103.7～123.6 MPa之间。水平最大主应力方向介于N83°～114°E之间。(2)三向主应力总体表现为σ_H>σ_v>σ_h,表明研究区3～4 km深度构造应力占主导地位,该应力状态有利于走滑断层活动。(3)利用摩尔-库伦准则对邻区断层的稳定性进行分析,结果表明研究区3～4 km深度范围内的断层总体处于稳定的应力环境。(4)干热岩注水开发与断层稳定性分析表明,在统一的区域地应力场作用下,研究区3900～4000 m干热岩注水开发过程中,当地面持续注入压力达到或超过约28 MPa时,可能引起场区内断层的滑动失稳,导致中小地震的发生,在干热岩开发利用中需注...     

不同组合形式叠瓦状逆断层地应力分布规律研究

叠瓦状逆断层是地壳中分布的主要断层组合形式之一。为了揭示地质演化过程中不同组合形式下叠瓦状逆断层间地应力分布规律,采用大型物理模拟手段,以龙门山地区的地质构造为背景,研究了两条平行叠瓦状逆断层和在其间与之相交的断层组合形式下地应力分布和变化规律。取得的主要认识如下:（1）对于研究区仅分布两条平行的叠瓦状逆断层,构造挤压方向与它们的走向垂直的情况,靠近构造挤压端的断层会首先发生失稳破坏,较大的局部应力释放会使地壳内部整体应力有所降低,但在下伏断层的深部会出现应力的突然升高;（2）对于研究区不仅分布两条平行的叠瓦状逆断层,而且在两条断裂之间存在一条与它们垂直的逆断层,构造挤压方向与叠瓦状逆断层垂直,叠瓦状逆断层附近浅层地应力变化较早,地壳易沿叠瓦状逆断层首先失稳活动,进而带动所夹逆断层的地应力发生调整;（3）对于研究区不仅分布两条平行的叠瓦状逆断层,在其间夹着走向与它们垂直的逆断层,构造挤压方向与叠瓦状逆断层斜交情况,地壳易沿所夹断层首先失稳活动,进而触发叠瓦状逆断层地应力变化;（4）仅存在叠瓦状逆断层,地应力分布较为均匀;叠瓦状逆断层间夹逆断层的情况下,在断层端部和几条断层交汇部位出现了应力集中现象。该问题的研究对区域稳定性评价和地震预测具有一定的指导意义。     

基于原位地应力测试及流变模型的深部泥页岩储层地应力状态研究

深部泥页岩储层地应力状态的准确确定是页岩气等非常规能源高效开发的关键。综合基于原位地应力测试获得水平最小主应力,建立基于流变模型的地应力剖面,应用成像测井技术确定水平最大主应力方向等,是准确确定泥页岩储层地应力的有效方法。将该研究思路应用于陕西汉中SZ1井,利用水压致裂原地应力测试方法获得储层水平最小主应力值范围为32~41 MPa;利用偶极声波测井数据获得岩石力学参数,结合地壳应变率和储层埋藏史,建立了SZ1井地应力剖面,结果表明牛蹄塘组1950~2025 m深度范围内水平主应力差介于10~15 MPa,水平最小主应力值范围为28~41 MPa,水平最大主应力值范围为47~49 MPa,预测得到的水平最小主应力值与实测结果具有较好的一致性。原地应力实测及流变模型预测结果揭示SZ1井地应力为正断型(Sv＞SH＞Sh)或正断型与走滑型相结合的应力状态(Sv≈SH＞Sh)。水平主应力差随伽玛值的升高而变小,表明地应力剖面与地层岩性具有较好的对应关系。基于成像测井揭示的钻孔诱导张裂隙分布特征,SZ1井水平最大主应力方向约为N74°W,与区域构造应力场方向基本一致。相关结论为准确认识SZ1井目标层地应力状态,以及后期水平井布设及压裂控制等提供了重要依据。