不同地质成因岩石地应力分布规律的统计分析

通过收集我国大陆地区大量的实测地应力资料,筛选出了受局部影响小的实测数据,建立了岩浆岩、沉积岩和变质岩地应力随埋深分布的散点图,并根据各自的分布规律进行了相应的回归分析。结果发现,三大类岩石的地应力分布规律存在差异,其主要与岩石地质成因相关。三大类岩石的垂直应力总体上随埋深呈线性增大,量值接近各自上覆岩层自重;最大水平主应力随埋深均呈线性增大,相同埋深条件下,火成岩量值最大,变质岩次之,沉积岩最小;而沉积岩浅部最小水平应力大于岩浆岩;三大类岩石的水平差应力总体上随埋深也呈线性关系,相同埋深条件下,火成岩较大,而沉积岩较小;浅部岩浆岩平均水平主应力与垂直应力之比最大,而沉积岩较小。     

井底压差对垂直井井底应力场的影响研究

井底压差是影响钻井机械钻速的重要因素之一。实践证明欠平衡钻井与常规钻井相比机械钻速有显著提高,不同钻井条件下的井底应力场需要深入地研究。在分析井底岩石所受载荷的基础上,建立了轴对称条件下井底岩石流固耦合模型,并利用有限元方法进行求解,通过对不同井底压差下的井底岩石应力场进行数值模拟计算,针对井壁岩石的理论解和数值模拟结果进行对比验证模型的合理性,并对井底待破碎岩石进行了力学分析。结果表明,数值模拟结果与理论结果相符,验证了模型的正确性;井底待破碎岩石按照应力状态分为3个区域,分别为3向拉伸区、2向压缩区和3向压缩区。井底压差对井底应力场的影响研究为快速高效破岩提供理论基础。     

基于有限元法的井底应力场随井底压差变化规律研究

岩石破碎是钻头与井底岩石相互作用的结果,井底应力场是决定钻头破岩效果的重要因素。本文利用有限元数值模拟手段探讨了特定地应力条件下井底压差对井底岩石应力的影响规律。研究表明,降低井底压力可以减小井底岩石的等效应力、改变岩石的应力状态,有利于钻头破碎岩石。井底平面上井眼中心附近的岩石最易破碎,越靠近井壁岩石所受的应力越大,在近井壁地带0.8R（R为井眼半径）附近,会出现明显的应力集中现象,这使得该区域的岩石最难破碎。本文的研究成果为研究最经济、最有效的钻井工艺和破岩技术提供理论依据,为破岩工具的优化设计提供参考。     

基于声波测井资料的地应力分布研究——以饶阳凹陷任北奥陶系潜山为例

以饶阳凹陷任北奥陶系潜山为例,基于声波测井资料确定了岩石力学参数,视区域边界荷载为未知数,目标井地应力为约束,求解得出区域所受边界力;据此建立地质模型、计算模型、力学模型,对研究区的地应力进行了数值模拟,得出该区域地应力的分布规律及特点。研究结果表明,通过数值模拟求得的地应力值与实际测量地应力值吻合较好;研究区水平最大主应力值主要集中在-61～-118 MPa,水平最大主应力方向中北部为北西方向,南部为近南北方向;最小水平主应力值主要集中在-31～-91 MPa,北部最小应力值方向为北东方向,南部为近东西方向。断裂带附近是应力变化的梯度带,断裂带内主应力值较连续地层小,断层对水平主应力的分布具有显著影响。     

淮南矿区深部地应力场特征研究

利用水压致裂法和套孔应力解除法对淮南矿区-500～-1 000 m深度范围内的12个矿井进行了地应力测量,取得了19个有效测点的数据。数据分析表明：（1）淮南矿区深部地应力场以水平应力为主,构造应力占绝对优势,属于典型的构造应力场类型;（2）地应力量级属高应力水平;（3）垂直主应力、最大及最小水平主应力随深度的增加均呈增大趋势;（4）侧压系数 随深度增大而减小,地应力场有从大地动应力场型向准静水压力场型过渡的趋势;（5）侧压比 的回归曲线分布于Hoek-Brown内外包线带内,且变化趋势与Hoek-Brown曲线相似,但与Hoek-Brown曲线相比,回归曲线 值偏小;（6）最大水平主应力与最小水平主应力的比值范围为1.12～2.02,其中68.42%的测点分布在1.67～2.02之间;（7）最大水平主应力方位为NEE－EW向。最后探讨了淮南矿区地应力与地质构造的关系,分析认为,矿区最大主应力方向与构造运动密切相关,矿区现今构造应力场最大主应力方位与实测最大水平主应力方位大致吻合。     

徐家围子断陷深层火石岭组致密火山岩储层地应力分布规律研究

徐家围子断陷位于松辽盆地北部,其深层中生代火石岭组为致密火山岩气藏,天然裂缝发育,地应力分布非均质性强。结合诱导裂缝法与井径崩落法进行单井现今地应力方向分析,利用声波测井法计算现今地应力大小的纵向分布。依据火石岭组构造顶底面图、火山岩相组及断层分布特征建立非均质三维地质模型;在动、静态岩石物理参数拟合校正的基础上,结合实验测试及已有研究成果,确定不同岩相组和断层岩石物理参数,建立三维力学模型;利用Ansys有限元数值模拟软件建立火石岭组三维数学模型并进行相关运算获得三维现今地应力分布模型。计算结果表明在火石岭组地层中,水平最大主应力方向主要为东西向,应力值范围在86~110 MPa;水平最小主应力方向主要为南北向,应力值范围在67~84 MPa。分析模拟结果可知火山岩相、断层和构造起伏三者对火石岭组现今地应力分布影响较大。其中水平主应力的方向主要受断层和近火山口相分布的影响,而水平主应力的大小则是受三者综合作用。在构造低部位,近火山口相组发育处,断层上盘及断层端部皆为主应力的集中区域。依据现今地应力研究成果可为徐家围子断陷下一步开发井网部署、压裂改造方案和水平井的设计以及注水管理提供重要指导。      

现今地应力场特征综合评价技术在川西XC气田深层中的应用

针对川西XC气田须家河组低孔低渗透致密砂岩储层,主要研究其现今地应力场纵横向分布规律及其地质影响因素。根据水力压裂和测井资料综合计算现今地应力大小,以压裂资料结果来对测井计算值进行校正,并对测井地应力计算模型中的关键参数进行深入研究,以进一步确定出单井的地应力剖面以及各主力砂组的地应力分布。研究结果表明,该区须二段的现今地应力状态为SHSvSh,各主力砂组最大水平主应力均值在153 MPa~173 MPa之间,最小水平主应力均值在102 MPa~111 MPa之间;各水平地应力值随深度的增加而变大,与深度之间有较好的线性相关关系;最大水平主应力方向NE80°~100°,主体方位与区域构造应力作用主方向一致。区域上,构造高部位的地应力值相对较低,向翼部逐渐增大,而在断层位置的地应力值也相对低。研究区现今地应力场分布受构造形态和断层的影响较大,特别是断层的应力扩散及端部应力集中效应影响了地应力场的正常分布,使地应力值和方向发生局部变化。     

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。      

深孔地应力测试在铁路隧道工程勘察中的应用

为分析铁路隧道隧址区地应力分布、发育方向、变化规律,判断隧道洞身围岩岩爆、软岩变形特征,运用单回路水压致裂法,对隧道区内施工的4个深孔进行了地应力测试工作。结果表明,隧道洞身附近最大水平主应力为12~21MPa,最小水平主应力为9.6~14.2MPa,估算垂直应力为9.6~15.4MPa;地应力特征是以构造主应力为主,三向主应力具有随深度增加而增大的趋势;隧道洞身附近最大水平主应力优势方向为NNW14°~28°,表明隧道洞身附近地应力以NNW向挤压为主,主应力方向与拟设隧道轴线走向夹角在12°~26°,对洞室围岩稳定有利。由于隧道埋深大,地应力高,构造发育,岩性构成复杂,软硬相夹,存在硬质岩产生岩爆,软质岩遇水变形的可能。建议隧道在硬质岩段施工,采用"短进尺、多循环、强支护"的掘进方法,在软质岩段施工,采用"少扰动、快封闭"的掘进方法。该研究对隧道的设计施工具有重要的现实意义。     

沈阳红菱煤矿地应力测量

为了了解红菱煤矿地应力状态和分布特征, 采用空芯包体应力解除法进行了地应力实测工作, 获得了该矿区3个水平3个测点的三维地应力状态。实测表明:该区地应力以水平构造压应力为主导, 三个测点的最大主应力均为NNE向, 最大主应力在18.32~21.5MPa之间, 最大主应力的大小是随深度的增加而增加的。中间主应力为铅直应力, 在13.1~14.79MPa之间。最小主应力在9.54~13.08MPa之间。测量结果可用于本矿区的生产设计, 并作为煤与瓦斯突出等矿山灾害评价的参考资料。      

鄂尔多斯盆地合水地区长6致密砂岩储层现今地应力分布特征及其开发建议

致密油藏物性差,非均质性强,现今地应力分布特征影响着致密油藏钻井施工、 井网部署、 压裂改造和注水管理等方面.文章根据微地震监测法分析了鄂尔多斯盆地合水地区长6储层单井现今地应力的方向,利用水力压裂资料分析了研究区单井现今地应力大小.在单井现今应力分析的基础上,结合合水地区长6储层构造、沉积、岩相特点建立了三维非均质地...     

高地应力条件下爆破开挖诱发围岩损伤的特性研究

高地应力条件下隧道或硐室钻爆开挖需考虑初始地应力动态卸荷效应,同时其最终损伤形态会受多个因素影响。采用三维有限差分软件FLAC3D讨论了爆破荷载与地应力动态卸荷复合作用下隧道围岩损伤分布,并重点研究了侧压力系数、岩体力学性质、卸荷速率对围岩损伤范围的影响,最后通过赣龙铁路梅花山隧道开挖损伤区检测结果进行了验证。研究表明,考虑动态卸荷效应的围岩损伤范围明显大于只考虑爆破荷载作用下的围岩损伤范围,在中高地应力条件下,初始地应力动态卸荷对围岩的损伤破坏作用不可忽视;随着侧压力系数逐渐增大,损伤区形态呈现明显的方向性,当侧压力系数为1时,损伤区沿开挖轮廓面分布较为均匀,侧压力系数不为1时,损伤区主要向小主应力方向集中;岩石力学性质越好,损伤范围越小;卸荷速率越快,围岩损伤范围越大,但影响并不十分显著。结果可为高地应力下隧道开挖稳定性分析和支护设计提供一定参考。     

高应力区隧道围岩变形破坏的数值模拟及物理模拟研究

隧道失稳和维护困难是高地应力隧道的普遍问题,对隧道的支护设计提出了更高的要求。研究从地下工程岩体应力环境变化和岩体强度变化的角度探讨了高应力隧道围岩的变形破坏机制。根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。通过隧道的三维数值计算,分析了高应力环境下隧道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分布特点,得到了高应力隧道围岩在高地应力环境下的破坏规律。通过物理模型验证了高应力隧道围岩的破坏特点,并进行了超载试验,将其与数值模拟进行对比,进一步验证了所建数值模型的科学性。     

白鹤滩水电站坝区岩体三维地应力场模拟

岩体地应力是岩体工程最基本也是最重要的工程荷载之一,是设计和分析的基础。应用三维离散单元法（3DEC）对金沙江白鹤滩水电坝区岩体初始地应力场进行了模拟,模拟所得地应力场符合河谷地应力场分布的一般规律,对比水压致裂法6个测点的测值,模拟结果达到了一定的精度,能够满足目前阶段的工程需要。     

高地应力下隧道围岩动力损伤分析

为预估和控制爆破荷载作用下围岩损伤范围,在赣龙铁路梅花山隧道工程现场进行岩体声波测试,得到围岩的损伤范围。根据爆破荷载作用下岩体损伤发展规律,采用基于概率形式的损伤变量定义,运用三维有限差分软件对不同地应力状态下爆破产生的围岩损伤范围进行数值模拟,并与现场岩体声波测试结果进行比较。计算结果表明,数值计算与实测结果有较好的一致性,随着地应力大小增大,围岩损伤范围呈现先减小后增大的趋势,且增大幅度较大,地应力较高时,局部部位如顶板、底板损伤更为明显,说明地应力大小对围岩损伤分布有着显著影响;随着侧压力系数增大,损伤范围先减小后增大,但增速逐渐减小。所得到的结论可为高地应力下隧道稳定性分析和支护设计提供依据。     

不同地应力条件下双孔爆破的数值模拟

考虑岩石介质的非均匀性,把爆破过程视为爆炸应力波和爆生气体压力共同作用的结果,基于损伤力学理论建立了岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下岩石双孔爆破裂纹演化规律进行了数值模拟,分析了不同侧压力系数和埋 深对裂纹扩展规律的影响。数值模拟结果表明：①爆炸应力波导致裂纹的萌生,爆生气体压力则会使裂纹进一步扩展和贯通; ②裂纹演化过程与地应力密切相关,裂纹扩展的主方向趋于最大地应力方向;③随着埋深增加和初始地应力增大,裂纹扩展半径和裂纹区面积减小,地应力对爆破致裂的抑制作用明显。     

隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力特征研究

隧道开挖地层中往往呈现出明显的地质变异性,如软硬岩层的不均匀分布等,使隧道开挖后的力学行为十分复杂.本文采用FLAC3D初步分析了隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力状态,并探讨侧向应力、纵向应力、断面形式对围岩应力的影响规律.分析结果表明:当隧道由硬岩往软岩或由软岩往硬岩向地质界面掘进时,掘进面前方围岩均有应力集中现象.隧道无论由硬岩往软岩还是由软岩往硬岩掘进至地质界面时,掘进面前方边墙位置围岩径向应力均随侧向应力的增大而增大,掘进面前方拱顶和边墙位置围岩纵向应力均随纵向应力的增大而增大.马蹄彤隧道开挖至硬岩与软岩的地质界面时,掘进面后方边墙位置围岩应力均小于圆形隧道相应位置的围岩应力.     

跨活动断裂隧洞工程赋存区域地应力场分布特征研究

初始地应力的方向、量值和分布形式是影响岩石地下工程围岩应力、变形和破坏模式的重要因素,在工程区域难以开展大量实测工作,且实测结果具有相当的离散性,引入数值分析方法和数学理论对地应力场综合分析是有效的解决手段之一。结合滇中引水香炉山隧洞穿越龙蟠－乔后断裂段（楚波–白汉场断裂南段）工程,针对实测结果中方向结果离散性较大的问题,基于中国现代构造地应力场特征,对丽江地区复合断裂对区域地应力场影响的理论分析与数值模拟,获取了地应力场方向的定性认识。基于钻孔测试成果,通过基于多元线性回归的三维地应力场反演获取了地应力场方向与量值的定量认识。获得的初步结果表明,龙蟠–乔后断裂F10运动形式以正断错动为主;左旋走滑为辅的滑动,受其影响隧洞工程在穿越F10断裂部位的主应力发生偏转,偏转后最大主应力方向近似平行或小夹角相交于F10断裂走向;反演获得的香炉山隧洞趋近F10-1、F10-2段最大主应力量值范围为13～19 MPa,中间主应力为11～16 MPa,最小主应力为9～13 MPa,应力量值较高,并呈现 > > （ 、 分别为最大、最小水平主应力）的特征;F10断裂F10-1、F10-2主断带成为地应力场的控制性边界,其间应力量值明显小于上下两盘岩体,F10-1、F10-2主断带间岩体最大主应力量值范围在9～10 MPa,最小主应力量值范围在7～10 MPa,地应力最大主应力方向与隧洞纵轴线以约60°夹角相交,相交角度较大,对隧洞稳定性影响较大。