地应力场
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发布时间：2022-04-24 23:57
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时间：2023-10-15 17:55
（一）凯塞效应法研究地应力场
安德森（Ander Son）在1951年就指出鉴于地球表面为一个自由表面，通常可以认为存在三个主应力方向：一个为垂直方向，两个为水平方向。这一点后来在世界不同地区，为许多地应力测量结果所证实。
钻井取心过程中岩心受到的应力得到释放。但由于岩石本身存在记忆功能，当岩心进行恢复性加载，所加载荷等于或近似等于地层所受到的应力时，岩石本身会出现声发射现象，人们称这种现象为凯塞效应（Kai ser）。可以利用岩石凯塞效应方法，测得地应力值的大小。利用该方法对文13-281井3187m的砂岩岩心进行三向应力值测量，其水平最大主应力值为88MPa，水平最小主应力值为.9MPa，垂向主应力值为79.82MPa（图5-2-1）。
图5-2-1 文13-281井3187m地应力测量示意图
（二）波速各向异性法测定岩石三向应力方向
地层中的岩石是有孔隙的弹性介质，岩石取出地层过程中要进行弹性释放。弹性释放过程中应力最大方向出现微小裂隙，这些微小裂隙被空气所占据，而空气和岩石是波阻抗不同的两种介质。
Z＝ρ·C
式中：p为介质密度，C为波速。对于岩石，Z岩石＝108×10-4g·m·cm-3·s-1；对于空气，Z空气＝0.004×10-4g·m·cm-3·s-1。声波传播过程中，空气体积越大，波速越慢，应力也就越大。反之，波速越快，应力越小。研究区波速各向异性测得三向应力关系如表5-2-1。
表5-2-1 波速各向异性测三向应力数据表
（三）古地磁方法研究地应力
岩石的古地磁是地壳岩石生成过程中，喷流的岩浆所带的磁性物质在居里温度点按当地地磁磁极方向有次序地定向排列凝固下来。在以后的地质年代变迁过程中带有磁性的微小岩石颗粒同样按当时的地磁方向有次序地定向排列，这就是岩石剩余磁性。
通过测定岩石剩余磁性研究磁场的起源及演化历史，研究大地构造运动、地层划分、古地理环境及古气候的演变。本次利用古地磁场确定地应力方向。
为了描述地磁场的特征，需要统一规定一些参数。地磁场是一个三维量场，至少需要三个相互的参数。一般比较常用的有磁偏角D，磁倾角I，水平强度H，垂直强度Z，总强度F，北向分量X，东向分量Y等，称为地磁七要素，这七要素的具体含义及其相互关系如图5-2-2所示。
图5-2-2 地磁七要素
统一规定磁偏角D由北向东为正，磁倾角I由水平面向下为正。从图中可以看出七要素之间有下列相互关系：
深层高压低渗透油田开发：以东濮凹陷文东油田沙三段油藏为例
实际上，只要三个要素就可以描述该点地磁场的情况（如D,I,F）。本次实验所采用的磁偏角D，以磁北为零点顺时针在360°范围内均可使用。
用凯塞效应法和波速各向异性法在岩心上得出水平最大主应力方向，这两种方法测量的结果在岩心上方向一致。只有岩心上得出的应力方向还不能与地层深处取心位置的应力方向吻合对位。本研究采用古地磁偏角方向对位，具体做法是先找到中原油田文东古近系古地磁数据，数据是磁北为零点顺时针方向的夹角，如表5-2-2。
岩心水平最大主应力方向要与岩心从地层取出来的深度和应力方向相对应，即表5-2-3的磁偏角D′和表5-2-2露头以磁北为零的古地磁偏角D进行比较，D′与D之差即是地层中水平最大主应力方向（σHmax）。表5-2-4给出了本研究测试结果。
表5-2-2 中原文东下第三系沙河街组古地磁数据表
表5-2-3 岩心水平最大主应力方向磁数据
表5-2-4文东ES3量大水平主应力方向
（四）井孔崩落掉块方向及地层倾角测井确定最大水平主应力方向
钻井是在地层三向应力状态下进行的，井孔内的应力在钻井过程中释放，但井孔周围的应力依然存在，当井孔周围水平最大主应力与水平最小主应力的应力差大于地层岩石的剪切强度时，井眼就会产生崩落掉块，崩落掉块方向为水平最小主应力方向。地层倾角测井使用四臂地层倾角仪，下入井孔内以每10m旋转一周的速度向上提升，当井孔出现崩落掉块时，仪器的1-3臂或2-4臂掉入崩落掉块最小主应力方向的三角槽内。将井径曲线及倾角测井资料结合起来找出井径崩落掉块方向和水平最小主应力方向如图5-2-3所示。
图5-2-3 井孔崩落掉块方向
（五）地应力总结及分析
通过凯塞效应、波速各向异性、古地磁、井孔崩落掉块等方法对文东沙三中6口井22个不同井段地应力进行测量，其测量结果如表5-2-5所示。最大水平主应力方向为125°～135°，与文东沙三中构造对比发现，水平最大主应力方向与构造大断层呈近似90°的夹角。最大水平主应力为7+0.0198×h（MPa），最小水平主应力为3+0.093×h（MPa）,h为深度。
表5-2-5 文东沙三中储层水平最大应力方向数据表
上述结果结合文东沙三中构造研究，水平最大主应力方向与大断层走向有关，它们之间有近于90°的夹角。
由文13，文200，文16油田大量水力压裂资料统计，参考邻区地应力测量结果，得出文东地区地应力随深度变化规律（图5-2-4）。分析应力测量数据可以看出：测试结果离散性较大。这表明地应力变化幅度大，或者测量存在较大误差。
