利用钻孔崩落研究中原油田的构造应力场

利用计算机程序分析处理了中原油田36口井的斯仑贝谢地层倾角测井仪所测的双井径及相应的测臂方位曲线, 根据孔壁优势崩落方向推断出中原油田所在的东淄凹陷内构造应力场的主应力方向。研究发现, 最大水平主压应力方向在凹陷北部为N(796)W,而在南部为N(798)E,二者相差22左右。利用线弹性平面应力有限单元模型模拟本地区应力场的结果说明, 凹陷区较软的介质和北窄南宽的几何形状可能是引起凹陷北部最大水平主压应力方向相对于周围构造主应力方向产生一顺时针角度偏转的原因。根据某井孔出现明显径向不对称孔壁崩落的起始深度估计了最大和最小水平主压应力大小的取值范围, 展示了反映应力状态随地点和深度而变化的证据。      

用孔壁崩落法测定冀中平原地区地壳应力方向

本文叙述了孔壁崩落应力测量方法。分析和讨论了冀中平原地区的10口深孔地层倾角和四臂测井资料,得出该地区的孔壁崩落的方向是V12°W。由此确定的最大水平主应力方向为N78°E。此外,还与其它几种应力测量方法所取得的结果进行比较,表明具有良好的一致性关系。最后根据在冀中平原地区所取得的应力方向的结果,说明该地区应力方向是受着同一构适应力场的作用,其动力源是来自太平洋板块向西俯冲的结果。     

2011年日本东北地区近海大地震最大位移区的应力状态

2011年MW9.0的日本东北地区近海大地震在日本海沟附近产生了最大超过50m的同震滑动,这可能导致该区域进入了应力近乎完全卸载的状态。为检验上述假设,我们利用综合大洋钻探计划在震后1年左右时间得到的钻孔资料,以及对震前应力状态的推断结果,确定了陆楔前缘的原地应力状态。根据孔壁崩落法对水平应力方向与应力大小的估算结果,以及在破裂向海沟轴方向传播过程中同震位移增大的现象,可推断原地水平应力在地震过程中变小了。这种应力变化显示出板块界面的前缘发生了相对自由的滑动,该结论与地震引起了断层弱化和发生了近乎全部的应力降等观测结果是吻合的。     

套芯法、水压致裂法原地应力测量、钻孔崩落及震源机制解分析所得结果的对比

我国已积累了大量震源机制解资料,近年来为各种目的开展了套芯法及水压致裂法原地应力测量,并从一些深钻井的测井资料中获得了一批钻孔崩落数据,为地壳应力状态的研究提供了十分有用的资料.为了进行区域构造应力场的研究,笔者对上述各种方法的测量结果进行了对比研究.在同一个钻孔中用不同的方法进行原地应力测量,如在同一个钻孔中用套芯法及水压致裂法进行观测;用水压致裂法的测量结果与同一钻孔中发现的钻孔崩落资料进行对比.还在相距不远的钻孔中用同样的或不同的方法进行原地应力测量;还将同一地区各种方法所得的资料进行了对比,发现其差异并不很大.这就使我们有可能利用上述各种方法提供的资料来进行区域构造应力场及地壳应力状态的研究.      

套芯法、水压致裂法原地应力测量、钻孔崩落及震源机制解分析所得结果的对比

我国已积累了大量震源机制解资料,近年来为各种目的开展了套芯法及水压致裂法原地应力测量,并从一些深钻井的测井资料中获得了一批钻孔崩落数据,为地壳应力状态的研究提供了十分有用的资料.为了进行区域构造应力场的研究,笔者对上述各种方法的测量结果进行了对比研究.在同一个钻孔中用不同的方法进行原地应力测量,如在同一个钻孔中用套芯法及水压致裂法进行观测;用水压致裂法的测量结果与同一钻孔中发现的钻孔崩落资料进行对比.还在相距不远的钻孔中用同样的或不同的方法进行原地应力测量;还将同一地区各种方法所得的资料进行了对比,发现其差异并不很大.这就使我们有可能利用上述各种方法提供的资料来进行区域构造应力场及地壳应力状态的研究.     

根据钻孔崩落椭圆确定唐山地区深部地壳应力方向

本文论述了钻孔崩落椭圆与地应力之间的关系,指出崩落椭圆的形成,是由于孔壁附近应力集中而引起的崩落现象,其长轴方向与最小水平主应力方向相平行。 根据在唐山地区2000—4000米深度范围内的三口石油钻孔中的测量结果,得出钻孔崩落椭圆的平均长轴方向为 N 7°W,由此确定的区域地壳最大水平主应力方向为 N 83°E。 最后,我们把钻孔崩落椭圆的结果同该区的震源机制、地应力解除和水力压裂的结果进行了比较,表明均具有良好的一致性。     

构造应力方向与震源机制解

本文根据二维模型实验的结果,探讨了地震波辐射图型、震源机制解以及构造应力方向之间的关系.地震波辐射图型取决于地震时震源介质运动的方式.它不但与震前存在的应力有关,而且依赖于震源区的地质条件等因素.根据岩石力学实验和我们实验的结果,可以认为,构造应力的主压应力方向要比震源机制解推断的释放主压应力方向更偏近断层面一些.      

东海地区现代构造应力场及其成因探讨

分析了东海东南部地区5口3 000余米深、井径测井段千余米至两千米长的钻孔孔壁崩落特征,结合以前分析过的另外11口深钻孔的孔壁崩落特征,推断出东海地区的最大水平主压应力方向为NE-SW向,水平差应力不强．分析了冲绳海槽和琉球岛弧地区1977～1998年中心地震矩张量解的P,T轴方位分布．结果表明,冲绳海槽地区的P轴方向多为NE-SW向,与海槽延伸方向一致．海槽地区地震震源机制解的T轴方向为NE-SW向,与海槽延伸方向垂直．这些特征说明,菲律宾海板块对东海地区的水平作用并不是挤压,而是拉张．利用二维弹性有限元模拟法研究了东海地区现代应力场的成因．结果表明,东海地区应力场和台湾地区的强烈北西向挤压与琉球岛弧的弧后扩张有关．东海地区水平差应力不强可能是该地区强地震少的动力原因．      

高差异应力下的水压致裂实验

根据已公布的水压致裂测量结果可知,在最大水平主应力σH与最小水平主应力σh之间有σH/σh≤2的关系。为了分析这一关系,进行了三轴压力条件下高差异应力的水压致裂模拟实验。发现,即使实际的σH/σh>2时,用现行的测量计算方法仍然只能给出σH/σh≤2的结果。这使得对实际数据使用Haimson公式计算最大水平主应力时,所得结果与最小有效水平主应力存在2:1的约束界限。作者用断裂力学理论对上述实验结果进行讨论和分析,认为现行的处理野外资料的计算公式的主要欠缺是只考虑了孔壁的力学特征而忽略了孔壁外围的应力强度特征。 本文最后介绍了一个改进的新方法。     

用斜井钻孔崩落资料反演上地壳应力状态的遗传算法

用斜井钻孔崩落资料求取地壳应力状态是一个非线性反演问题。而遗传算法是解反演问题的有效方法之一。本文由斜井钻孔崩落的理论模型,用人工数据检验了遗传算法应用于此问题的有效性。对冀中坳陷内的饶阳凹陷和深县凹陷两个地区的６口油井的钻孔崩落数据进行了处理,用遗传算法反演了这两个凹陷的上地壳应力状态,与用非线性反演和枚举相结合的方法相比,大大减少了计算量,得到了令人满意的结果。     

断层地震危险性分析的双限随机应力水平模型

本文的基本思想是:地震应力积累到一定程度,断层面就会发生粘滑.粘滑发生前和发生后的地震应力均是随机变量.根据这种思想,本文提出了双限随机应力水平模型,并用此模型分析了鲜水河断裂带未来30年内的地震危险性,所得结果与四川省地震局预测的结果类似.      

根据钻孔崩落椭圆确定地壳应力方向

本文根据钻孔崩落椭圆是由水平地应力引起孔壁在最小水平主应力方向发生剪切破坏的理论,讨论了由崩落椭圆确定水平主应力方向问题.讨论了地层倾角和四臂井径测井的测量方法、资料处理以及识别崩落椭圆的原则,并列举出两个不同类型的实测例子.最后分析了河南濮阳地区的29个钻孔的地层倾角和四臂井径测井资料,得出该地区的平均崩落椭圆长轴方位是 N15E,由此确定的最大水平主应力方位是 N105E.      

利用卡洪山口科学研究钻孔中应力引起的钻孔崩落估计最大水平主应力值

本文我们利用钻孔岩样的力学性质,详细观察应力引起的钻孔崩落和由水压致裂实验估计的最小水平主应力值S_(kmin),构成了卡洪山口(Cajon Pass)钻孔直至3.5km深的最大水平主应力。S_(Hmax)的垂直剖面。正如基本上与所有其它的钻孔一样,卡洪山口钻孔的水压致裂应力测量得到的,最小水平主应力S_(hmin)数据比最大水平主应力S_(Hmax)的数据多得多(并且更加可靠)。为利用观察的井壁崩落约束S_(Hmax)的值,使用了由有效应变能准则得出的脆性破裂准则。这个破裂准则也允许我们考虑钻孔周围的三向应力,并考虑孔隙流体压力以不同方式对岩石强度的影响。比较从崩落估计出的S_(Hmax)剖面和从水压致裂实验得出的S_(Hmax)的估计值表明:当孔隙压力对水压致裂破裂起始的影响可以忽略时,它们相当符合。在这个钻孔中,直至3.5km深的总体应力状态相当于倾滑兼走滑断层型应力状态。最大水平主应力剖面有几个应力值显著减小的地方,它们与主要的断层带有关,这个结果和由水压致裂得出的最小水平主应力S_(kmin)剖面一致。     

汶川地震失稳机制的数值模拟研究

考虑断层的软化特性,建立垂直于龙门山断裂带并包含四川盆地和川西高原在内的汶川地震不稳定性地震力学模型.采用有限元方法计算得到了描述整个岩石力学系统稳定性状态和过程的平衡路径曲线.在此基础上,采用稳定性理论研究了汶川地震从孕育到发生的过程,讨论了断层倾角和断层材料参数对地震失稳的影响.数值模拟结果显示,系统只存在稳定的断层无震滑动和不稳定的地震失稳2种状态.断层倾角、初始内摩擦系数、初始黏聚力和强度曲线形状参数的增加会导致系统趋向不稳定的地震失稳状态.而强度曲线胖度参数的增加有助于系统进入稳定的断层缓慢无震滑动状态.地震失稳前,在平衡路径曲线的应力峰值点和失稳点之间,断层错动加速,应变能开始释放并且应力开始减小,是失稳的前兆.最后在失稳点发生应力突跳,地震发生,其间伴随应变能的急剧释放、应力降和断层突然错动.无论是稳定的断层无震滑动还是不稳定的地震失稳,系统重新进入应力和应变能增加状态后应力和应变能的增速由远场加载速度、岩石力学系统的结构和围岩材料属性决定,与断层软化特性参数无关.     

岩石塑性变形条件下的Mohr-Coulomb屈服准则

传统的Mohr-Coulomb强度准则仅描述了峰值强度状态下正应力和剪应力之间的关系,作为岩石破坏的判据.本文拓展概念,提出Mohr-Coulomb屈服准则表述岩石发生塑性变形后不同应力状态下屈服面的应力应变关系.在总结实验研究的基础上建立了使用三轴压缩试验数据确定塑性参数c和φ随内变量κ变化的实验技术方法,给出了评价各向同性模型精度的参量表达以及某些测试结果.采用具有各向同性强(软)化规律的Mohr-Coulomb屈服准则,利用岩石的初始屈服、峰值屈服和残余屈服三组参数可以将全过程应力应变曲线简化表征为四直线模型,它比三线性模型有更广泛的适用性.本文的结果为工程地质数值模拟提供了理论和实验基础,具有指导意义.     

下辽河盆地现今构造应力场特征

目前研究现今构造应力场的方法很多，如地壳形变测量，震源机制解等方法，本文利用井壁崩落法、套芯法及有限元数值模拟所得结果，研究分析了下辽河盆地现今构造应力的特征。     

东亚地区现今构造应力图的编制

利用2993个浅源地震的地震矩张量解、404个Ｐ波初动方向震源机制解和47个深井孔的孔壁崩落资料，编制了东亚地区现今地壳构造应力场主应力方向和应力类型分布图．按200km的等距格点，算出有资料地区各格点半径为200km范围内的平均应力方向，绘制了平均主应力方向分布图，并绘制了东亚地区的震源机制解分布图．主应力方向分布特征表明，东亚地区的现今构造应力场除受印度 欧亚板块碰撞的强烈影响外，俯冲带的弧后扩张亦有重要影响．喜马拉雅山弧处的大陆碰撞和缅甸山弧处的弧后扩张之联合作用可能形成了青藏高原东南部主应力方向的显著转动．菲律宾海板块与欧亚板块在台湾的碰撞与琉球岛弧弧后扩张的联合作用影响了中国东部的应力场．爪哇海沟俯冲带的弧后大片地区现今没有强震活动，这里的弧后扩张可能是造成东南亚地区物质容易向南运动的因素．青藏高原内部大致以昆仑山为界，北部和东北部是大陆内部的宽阔挤压带，南部和西南部地壳上部主要处于正断层型应力状态中．      

利用斜井钻孔崩落资料反演冀中坳陷上地壳应力状态

介绍了用斜井钻孔崩落法分析应力状态的正演方法和反演方法．根据冀中坳陷中部地区和南部地区两个地点共6口斜井的钻孔崩落资料，利用正、反演相结合的方法分析了两个地点的水平主应力方向和主应力的相对大小．结果表明，在冀中坳陷中部地区(饶阳凹陷内)和南部地区(深县凹陷)，水平最大主压应力方向分别为N86E和N77E，上地壳浅部(深度1 000～4 000 m)的应力状态因地点而异，其中冀中坳陷中部地区的3个主压应力的相对大小为SH:SV:Sh=1.38:1.00:0.57，即处在走滑型应力状态；而在冀中坳陷南部地区，3个主压应力的相对大小为SH:SV:Sh=0.80:1.00:0.62，即处于正断层型应力状态．      

板状构件X射线层析截面重建方法与实验

为了实现对板状构件的截面重建与缺陷检测,建立了X射线层析截面重建系统。对该系统的成像方法、重建精度、层析截面重建算法等进行研究。首先,提出并论述了采用特殊的成像方式获取X射线透视图像实现分层摄影功能的方法和层析截面重建原理。接着,对上述成像系统进行重建精度分析和运动系统校准。然后,根据上述成像方法获取已知形状检测工件的透视图像,并根据校准结果进行修正,对获取的图像按层析截面重建方法进行重建实验。最后,根据实验重建结果,进行仿真实验并优化重建参数。实验结果表明：探测器旋转步进角为0.5°时,重建图像伪影减小,使用S-L滤波器后,轮廓边缘更为清晰。该层析截面重建方法能有效重建X射线最大入射角内的信息,增大入射角并适当调整检测物角度,可获得清晰的截面图像。     

钢管混凝土叠合柱抗震性能界限状态研究

为了研究及完善钢管混凝土叠合柱结构基于性能的抗震设计方法,首先根据普通钢筋混凝土柱性能界限点的定义确定了钢管混凝土叠合柱的5个性能界限状态。基于钢材和混凝土非线性材料本构关系,采用MATLAB编制了截面条带法计算分析程序,分析研究了钢管混凝土叠合柱的各性能点所对应的截面变形情况。然后根据影响钢管混凝土叠合柱各个性能点的参数分析结果,得到了各性能点所对应的截面曲率计算公式。最后采用塑性铰理论建立钢管混凝土叠合柱的各性能状态的控制方程。同时分析了叠合柱在性能界限状态下的延性和位移角需求,为叠合柱的工程设计提供参考。