第一節(jié)概述

一、基本概念

原地應(yīng)力(insitestresses)：指鉆井（drilling

）、油氣開采（oilandgasproduction

）等活動(dòng)進(jìn)行之前，地層中地應(yīng)力的原始大小。

擾動(dòng)應(yīng)力：指鉆井、油氣開采等活動(dòng)在地層中產(chǎn)生的地應(yīng)力改變。第七章

原地應(yīng)力(insitestresses)

構(gòu)造應(yīng)力(structuralstresses)：由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖體中引起的應(yīng)力叫構(gòu)造應(yīng)力。在地質(zhì)力學(xué)中常把構(gòu)造應(yīng)力叫做地應(yīng)力，是指導(dǎo)致構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、形成各種構(gòu)造形跡的那部分應(yīng)力。

古地應(yīng)力和現(xiàn)今地應(yīng)力：古地應(yīng)力指某一地質(zhì)時(shí)期或某一重要地質(zhì)事件以前的地應(yīng)力,現(xiàn)今地應(yīng)力是目前存在的或正在活動(dòng)的地應(yīng)力。分析構(gòu)造形跡形成機(jī)理主要涉及古地應(yīng)力，而石油工程則主要關(guān)心現(xiàn)今地應(yīng)力。

殘余應(yīng)力（residualstress

）：殘余應(yīng)力指除去外力作用以后，尚殘存在巖石中的應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力很小，往往只有零點(diǎn)幾兆帕，所以常忽略不計(jì)。

重力應(yīng)力（gravity

stress

）：指由于上覆巖層（overburden）的重量引起的地應(yīng)力分量，特別指由于上覆巖層的重量產(chǎn)生的水平應(yīng)力（horizontalstress）大小。

熱應(yīng)力：熱應(yīng)力是指由于地層溫度發(fā)生變化在其內(nèi)部引起的內(nèi)應(yīng)力增量，熱應(yīng)力主要與溫度的變化和巖石剛度和熱學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

分層地應(yīng)力：是指按地層分層分別給出不同層位的地應(yīng)力值，非常重要的是給出相鄰地層的應(yīng)力差。

地應(yīng)力場(chǎng)：地應(yīng)力在空間的分布情況。

二、地應(yīng)力的分類:1971年加拿大第七屆巖石力學(xué)討論會(huì)上，對(duì)地應(yīng)力從礦山應(yīng)用的角度進(jìn)行了分類:

三、地應(yīng)力的描述方法

由于巖石經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，并經(jīng)受了多次復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（structuralmovement

），使得巖石的原地應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜。為滿足工程需要，一般認(rèn)為原地應(yīng)力狀態(tài)由上覆巖層壓力（overburdenpressure）和兩個(gè)水平方向的主應(yīng)力（principalstress

）組成。如圖7-1所示建立參考坐標(biāo)系，xy構(gòu)成水平面，x方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向，y方向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力方向，z方向?yàn)殂U垂方向。通常認(rèn)為原地應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的原因有二：一是上覆巖層（overburden

）的重力；二是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（structuralmovement

）產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力(tectonicstresses)

。

假設(shè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不影響垂向原地應(yīng)力，只產(chǎn)生水平方向的原地應(yīng)力分量，則原應(yīng)力狀態(tài)可描述為：鉛垂主應(yīng)力（上覆巖層壓力）最大水平主應(yīng)力最小水平主應(yīng)力

其中為埋深為z處的巖石密度，g為重力加速度。

考慮孔隙壓力的影響，原地應(yīng)力狀態(tài)表示為：

影響原地應(yīng)力狀態(tài)的因素很多：

一、地表形狀對(duì)于平坦的地表，平均鉛垂應(yīng)力分量應(yīng)當(dāng)接近深度應(yīng)力。對(duì)于形狀不規(guī)則的地表，任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（stressstate）可以認(rèn)為是由深度應(yīng)力和地表超載的不規(guī)則分布所引起的應(yīng)力分量合成的。第二節(jié)

影響原地應(yīng)力狀態(tài)的因素

例如V型槽谷底部附近的地區(qū)，這種地表形狀在這種地方可能會(huì)產(chǎn)生比鉛垂應(yīng)力分量更高的水平應(yīng)力分量。但是，不規(guī)則的地表形狀對(duì)原地應(yīng)力狀態(tài)的影響隨著該點(diǎn)在地表下深度的增加而迅速降低，因此這一因素，只對(duì)近地表的巖土工程項(xiàng)目有意義。圖7-2地表形貌對(duì)原地應(yīng)力的影響

(a)不規(guī)則的地表形貌

(b)地表輪廓的線性化

(c)V形槽谷

二、殘余應(yīng)力（residualstress

）由于巖體的非均勻冷卻，或者巖體雖然是均勻冷卻的，但與其相鄰的巖石單元的熱膨脹系數(shù)卻不相同，于是在巖體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力（residualstress

）。巖石介質(zhì)中各種局部的礦物變化也會(huì)引起殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。巖體中的局部再結(jié)晶過(guò)程可能產(chǎn)生體積應(yīng)變。礦物集合體含水量的變化，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變（strain

）和殘余應(yīng)力。

要全面掌握巖層各組成部分的熱力學(xué)歷史和細(xì)微的地質(zhì)進(jìn)化過(guò)程，在目前實(shí)際是不可能的，因此殘余應(yīng)力問題仍然構(gòu)成一種制約因素，使得基本力學(xué)原理或詳盡的地質(zhì)調(diào)查都無(wú)法對(duì)巖體中的應(yīng)力狀態(tài)做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

三、包體

包體是在原巖巖體的層間生成的巖石單元。例如巖墻、巖床以及諸如石英、瑩石一類礦物的礦脈。巖體中形狀近于平面的垂直包體的存在，可能以兩種方式影響原巖應(yīng)力狀態(tài)：第一，如果包體是在抵抗圍壓的水平阻力的作用下形成的，那么在垂直于包體平面的方向上會(huì)作用一個(gè)高應(yīng)力分量；

第二，與包體與圍巖彈性模量（elasticmodulus

）的差異有關(guān)。系統(tǒng)中的任何載荷，在包體中產(chǎn)生的應(yīng)力都與原巖巖體的應(yīng)力值不同，較硬的包體將承受較高的應(yīng)力狀態(tài)，反之亦然。如果原巖與包體的彈性模量不同，原巖中靠近包體的地方就會(huì)出現(xiàn)很高的應(yīng)力梯度（

stress

gradient

）。

四、構(gòu)造應(yīng)力(tectonicstresses)

多次復(fù)雜的地殼運(yùn)動(dòng)，使地下產(chǎn)生了極其復(fù)雜的不同形態(tài)、不同方位、不同性質(zhì)、不同等級(jí)以及不同次序的構(gòu)造形跡，就是說(shuō)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)實(shí)質(zhì)上是隨時(shí)間演化的、非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)。

按時(shí)期，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)可劃分為古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。就其研究范圍而言，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)又可分為局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（某一構(gòu)造單元的應(yīng)力分布規(guī)律）、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（某一地區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律）及全球構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，使得原地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生很大的變化，最大水平地應(yīng)力有可能超過(guò)上覆巖層壓力。

五、裂隙組及不連續(xù)面裂隙的存在影響著介質(zhì)中應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使得巖體的應(yīng)力分布變得更加復(fù)雜。

巖體斷裂本質(zhì)上是一種能量耗散與應(yīng)力重新分布的過(guò)程。破碎后的應(yīng)力狀態(tài)可以由保持破裂面平衡條件的要求來(lái)確定，它與斷裂前的應(yīng)力狀態(tài)（stressstate

）沒有什么關(guān)系。即從初始狀態(tài)出發(fā)估計(jì)巖體周圍應(yīng)力狀態(tài)是極其困難的。要成功地確定原地應(yīng)力狀態(tài)就必須有一個(gè)確定局部應(yīng)力張量的方法。

由于確定原地應(yīng)力狀態(tài)是評(píng)價(jià)地下工程穩(wěn)定與否的前提條件，所以，人們花費(fèi)了大量精力研制應(yīng)力測(cè)量設(shè)備并探討應(yīng)力測(cè)量的方法。

第三節(jié)確定原地應(yīng)力的方法

地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，分巖心測(cè)試和礦場(chǎng)測(cè)試兩種。巖心測(cè)試主要有：差應(yīng)變分析(differentialstrainanalysis

)、滯彈性應(yīng)變分析

、波速(acousticvelocity)各向異性(anisotropic)分析

、聲發(fā)射(Kaiser效應(yīng))等，其中，聲發(fā)射(acousticemission)比較容易測(cè)試，應(yīng)用的也比較廣泛。

礦場(chǎng)測(cè)試以水力壓裂為主。近些年利用井壁崩落(boreholewall

break-out)反演地應(yīng)力呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。對(duì)深層地應(yīng)力的求測(cè)，水力壓裂(hydraulicfracture)測(cè)定技術(shù)是公認(rèn)的最準(zhǔn)確的和有效的方法，井壁崩落可給出較可靠的地應(yīng)力方位；其它技術(shù)多為間接測(cè)定方法。須采用多種方法對(duì)比使用，才能給出比較可靠的數(shù)據(jù)。

一、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量：對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，從測(cè)量方法的原理來(lái)看，可以分為截然不同的兩種方法:A采用鉆孔來(lái)接近量測(cè)地點(diǎn),確定鉆孔壁的應(yīng)變或鉆孔其它變形;B在鉆孔壁上的特定位置測(cè)定環(huán)向正應(yīng)力分量。1、應(yīng)變測(cè)試方法最常見的一組方法是確定鉆孔壁的應(yīng)變或鉆孔其它變形，這些變形是由于套鉆放置測(cè)量?jī)x器的那部分鉆孔而產(chǎn)生的。如果在這個(gè)應(yīng)力解除過(guò)程中測(cè)得了足夠多的應(yīng)力和應(yīng)變，那么，利用彈性理論的解法可以從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接求出場(chǎng)應(yīng)力張量的六個(gè)應(yīng)力分量。

2、應(yīng)力測(cè)試方法

以壓力枕量測(cè)和水力壓裂為代表，在鉆孔壁上的特定位置測(cè)定環(huán)向正應(yīng)力分量。在每個(gè)位置，法向應(yīng)力分量通過(guò)施加在測(cè)槽上的壓力得到，這個(gè)壓力與作用在與測(cè)槽垂直方向上的局部法向應(yīng)力分量相平衡。每個(gè)測(cè)量位置的環(huán)向應(yīng)力可能直接與測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)在鉆孔之前的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

3、水力壓裂(hydraulicfracture)地應(yīng)力測(cè)試方法

水力壓裂法是目前最準(zhǔn)確的地應(yīng)力測(cè)試方法(主要是指最小水平主應(yīng)力和地應(yīng)力方向)，它的結(jié)果往往作為檢驗(yàn)其他方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)井眼壓力(boreholepressure)足夠高時(shí)，井壁(boreholewall)會(huì)劈開一條裂縫(crack)，這一過(guò)程稱為水力壓裂(hydraulicfracture)。

分析水力壓裂(hydraulicfracture)過(guò)程可獲得許多地層的力學(xué)信息，尤其是地應(yīng)力(insitestresses)的大小與方向。在利用油層壓裂數(shù)據(jù)進(jìn)行地應(yīng)力分析時(shí)，可以用裂縫閉合壓力（crackclosurepressure）給出較為準(zhǔn)確的最小地應(yīng)力數(shù)據(jù)，并根據(jù)裂縫擴(kuò)展（fracturepropagation）方位確定最大水平地應(yīng)力方向。t（時(shí)間）OPfPpro壓力加壓(P)

封井

停泵P封井圖9-4水壓破裂時(shí)封閉段的壓力-時(shí)間曲線PsPr

（1）破裂壓力(fracturepressure)Pf，壓力最高點(diǎn)，反映液柱壓力克服地層的強(qiáng)度使其破裂，形成裂縫，泥漿向裂縫(crack)中充填，其后壓力下降。（2）傳播壓力Ppro，壓力趨于穩(wěn)定，使裂縫向遠(yuǎn)處延伸。

（3）瞬時(shí)停泵壓力Ps，當(dāng)裂縫延伸到離開井壁應(yīng)力集中（stressconcentration）區(qū)，即6倍井眼半徑以遠(yuǎn)時(shí)（估計(jì)以破裂點(diǎn)起約經(jīng)歷1分鐘左右），進(jìn)行瞬時(shí)停泵。記錄下停泵時(shí)瞬時(shí)停泵壓力Ps（instantaneousshutinpressure）。由于此時(shí)裂縫(crack)仍張開，應(yīng)與最小地應(yīng)力值相平衡，即Ps=。此時(shí)隨著停泵時(shí)間的延長(zhǎng)，泥漿向裂縫兩壁滲濾，液壓下降。由于地應(yīng)力的作用，裂縫將閉合。（4）裂縫重張壓力Pr，瞬時(shí)停泵后啟動(dòng)注入泵，從而使閉合的裂縫重新張開。由于張開閉合裂縫(crack)所需的壓力Pr與破裂壓力(fracturepressure)Pf相比不需要克服巖石抗拉強(qiáng)度(tensilestrength)

，因此可以近似認(rèn)為破裂層抗拉強(qiáng)度等于這兩個(gè)壓力的差。即：

當(dāng)?shù)貙哟嬖诖罅课⒘严稌r(shí)，地層破裂壓力(fracturepressure)并不比傳播壓力有明顯升高。

選擇合適層位；利用低排量泵注設(shè)備、井下關(guān)閉裝置和井下壓力計(jì)；采用適當(dāng)?shù)氖┕し桨福贿M(jìn)行幾個(gè)完整周期的壓裂；利用多種裂縫閉合壓力（fractureclosurepressure）識(shí)別方法；可提高水力壓裂地應(yīng)力測(cè)試和解釋的精度。

另外，大多數(shù)情況下井眼條件為套管井射孔而非裸眼。套管和水泥環(huán)的存在以及射孔方位對(duì)施工壓力有較大影響，現(xiàn)有的水力壓裂最大水平地應(yīng)力計(jì)算公式是建立在裸眼井基礎(chǔ)上的，因此，不能用套管井水力壓裂數(shù)據(jù)計(jì)算最大水平主應(yīng)力。

二、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量室內(nèi)測(cè)量的主要方法有滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法(ASR)、差應(yīng)變分析(differentialstrainanalysis)法、聲發(fā)射法等。

1、滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法是利用巖石的彈性后效，從現(xiàn)場(chǎng)取出巖心后，當(dāng)巖心的恢復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定后，測(cè)量巖心不同方位的應(yīng)變釋放量，這種應(yīng)變?cè)黾涌梢匝永m(xù)幾十個(gè)小時(shí)，被稱為滯彈性應(yīng)變恢復(fù)。根據(jù)滯彈性應(yīng)變恢復(fù)曲線，可以反演地應(yīng)力的大小和相對(duì)于巖心的地應(yīng)力方向。

2、差應(yīng)變分析(differentialstrainanalysis)法地層中的巖石處在三向地應(yīng)力作用下，處于壓縮狀態(tài)。進(jìn)行取心時(shí)，巖心脫離應(yīng)力作用環(huán)境，產(chǎn)生彈性應(yīng)力釋放，伴隨應(yīng)力釋放，在應(yīng)力最大方向上變形最大，而在應(yīng)力最小方向上變形最小。

把已發(fā)生應(yīng)力釋放的巖心，在垂直平面和兩個(gè)水平平面上貼上應(yīng)變片，并放置于高壓容器中，在三向應(yīng)力相等的條件下，進(jìn)行恢復(fù)性的加載。

在加載過(guò)程中，三個(gè)方向的應(yīng)變量出現(xiàn)差異。在原始應(yīng)力最大的方向上應(yīng)變量最大，在原始應(yīng)力最小的方向上應(yīng)變量最小。

通過(guò)測(cè)試上述巖心各方向的應(yīng)變之差，就可以知道這塊巖心在地層中所受的應(yīng)力狀態(tài)。

3、聲發(fā)射(acousticemission)法聲發(fā)射是一種巖石內(nèi)部缺陷或潛在缺陷在外部條件作用下改變狀態(tài)而自動(dòng)發(fā)聲的現(xiàn)象。巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象最重要的特征是其對(duì)受過(guò)的應(yīng)力履歷的一種“記憶”效應(yīng)，這種效應(yīng)被稱作巖心的凱塞爾效應(yīng)。通過(guò)測(cè)量巖心的凱塞爾效應(yīng)，來(lái)確定巖心的原地應(yīng)力狀態(tài)。這種測(cè)量方法不僅可以測(cè)得地應(yīng)力的大小，而且還可以通過(guò)定向取心或用古地磁等方法對(duì)巖心進(jìn)行定向來(lái)獲取原地應(yīng)力方向。

4、波速各向異性當(dāng)巖心從地下取出時(shí)，應(yīng)力釋放會(huì)在巖石中產(chǎn)生許多微小的裂隙，由于在最大水平地應(yīng)力方向上巖心的松弛變形最大，因此，這些小裂隙將趨向于垂直最大水平主應(yīng)力方向。微小裂隙的存在使得聲波在巖心的不同方向上傳播的速度不同，有明顯的各向異性特征。巖石在原地層中所受應(yīng)力大的方向上聲波傳播速度慢，反之在所受應(yīng)力較小的方向上，聲波傳播速度則較快，據(jù)此判定地應(yīng)力方向。

三、其他方法獲取地應(yīng)力數(shù)據(jù)的其他方法還有：地應(yīng)力剖面計(jì)算、利用地質(zhì)資料進(jìn)行定性分析，如火山噴道、斷層類型、地形起伏、地質(zhì)構(gòu)造等以及地應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬、利用鉆進(jìn)參數(shù)反演以及地震震源機(jī)制解等。

四、測(cè)定設(shè)備直接或間接測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力的設(shè)備有光彈計(jì)，USBM鉆孔變形計(jì)，雙向應(yīng)變計(jì)和三向應(yīng)變計(jì)。

1、三向應(yīng)變計(jì)如圖7-4(a)所示，這種應(yīng)變計(jì)最少由三個(gè)應(yīng)變片花組成，它們安裝在可變形的基底或殼上。操作方法示于圖7-4(b)，(C)和（d）。選取合適的環(huán)氧樹脂或聚脂樹脂將應(yīng)變計(jì)與鉆孔壁粘牢。應(yīng)變計(jì)附近的應(yīng)力解除會(huì)引起應(yīng)變花產(chǎn)生應(yīng)變，其大小與鉆孔壁原先的應(yīng)變相等，但符號(hào)相反。

圖7-4（a）三向應(yīng)變計(jì)（b）,(c),(d)使用方法

因此，可以從測(cè)得的應(yīng)變確定應(yīng)力解除前鉆孔壁的應(yīng)變狀態(tài)。利用鉆孔應(yīng)變的這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)巖石的彈性性質(zhì)以及圓孔周圍應(yīng)力集中的表達(dá)式，可以推算出鉆孔之前巖石的局部應(yīng)力狀態(tài)。2、壓力枕壓力枕由兩塊平行的金屬板組成，大約300mm見方，兩塊板的邊緣處焊接在一起。將單向?qū)Ч苓B到液壓泵上。選取能配合變形計(jì)或類似變形計(jì)使用的兩個(gè)測(cè)針，安裝到巖石表面，這樣就建立起垂直于測(cè)槽軸線方向的測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)。

測(cè)量方法兩個(gè)測(cè)針之間的距離d0是待測(cè)量。鉆出一系列相互搭接的巖石鉆孔，形成測(cè)槽。把兩個(gè)位移測(cè)點(diǎn)間的距離縮小。將壓力枕用砂漿膠結(jié)在槽內(nèi)，然后加壓，使兩個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離恢復(fù)到初始值d0。抵消位移的壓力等于開槽前巖石中已存在的、與槽的軸線方向垂直的法向應(yīng)力分量。

用應(yīng)變計(jì)設(shè)備測(cè)量應(yīng)力通常需要在小直徑的鉆孔內(nèi)進(jìn)行。如能取直徑更大的洞壁為測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，那么就可對(duì)更大的巖石體積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。壓力枕測(cè)量就是對(duì)于人可以出入的洞室，則直接量洞壁的應(yīng)力狀態(tài)方法，它不用測(cè)試應(yīng)變狀態(tài)。這樣也就無(wú)須確定或估計(jì)巖體的變形模量。這種測(cè)量方法力求恢復(fù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的初始的，開挖后的局部應(yīng)力狀態(tài)。與那些需要干擾待測(cè)初始狀態(tài)的方法相比，這種方法本質(zhì)上更為精確。

地應(yīng)力是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期形成的，其影響因素較多，分布規(guī)律比較復(fù)雜。依據(jù)已積累的資料，對(duì)油田地應(yīng)力的分布規(guī)律有以下認(rèn)識(shí)。第四節(jié)原地應(yīng)力分布的基本規(guī)律

一、地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響

1、局部應(yīng)力場(chǎng)與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系中國(guó)大陸板塊受到外部?jī)蓚€(gè)板塊的推擠，即印度板塊每年以5cm的速度推擠和太平洋板塊每年以數(shù)厘米的速度推擠，同時(shí)受到西伯利亞和菲律賓板塊的約束。在這樣的邊界條件下，板塊發(fā)生變形。據(jù)陳宗基的分析，可按行政區(qū)域劃分，大致將我國(guó)分成三類地區(qū)：①?gòu)?qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：包括臺(tái)灣、西藏、新疆、甘肅、青海、云南、寧夏、四川西部等。②中等構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：包括河北、山西、陜西關(guān)中地區(qū)、山東、遼寧南部、吉林延吉地區(qū)、安徽中部、福建─廣東沿海地區(qū)及廣西等。③較弱構(gòu)造應(yīng)力區(qū)：包括江蘇、浙江、湖南、湖北、河南、貴州、四川東部、黑龍江、吉林及內(nèi)蒙古的大部分地區(qū)。

根據(jù)李方全的分析，我國(guó)華北地區(qū)，以太行山為界，東西兩個(gè)區(qū)域有較大的差別。太行山以東的華北平原及其周邊地區(qū)，其主壓應(yīng)力軸方向?yàn)榻鼥|西向，太行山以西的山西地塹區(qū)，其主壓應(yīng)力方向則發(fā)生了急驟變化，表現(xiàn)為近南北向。

太行山以東的平原地區(qū)顯然與太平洋板塊向西俯沖有關(guān)，而太行山以西的山西地塹區(qū)雖地處華北，但看來(lái)受印度板塊向北運(yùn)動(dòng)和青藏隆起的影響較大，可以說(shuō)是東部與西部地區(qū)的過(guò)渡地帶。

太行山構(gòu)造帶，正是一條在其東西兩側(cè)深部地殼結(jié)構(gòu)和組成上有顯著差別的構(gòu)造分界。秦嶺東西構(gòu)造帶以南的華南地區(qū)，其主壓應(yīng)力方向相當(dāng)一致，為北西西至北西向。地應(yīng)力絕對(duì)值在我國(guó)東、西部是不同的。東部相對(duì)較小，而西部相對(duì)較大。

油田斷塊處于板塊內(nèi)部，其應(yīng)力場(chǎng)受到板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，這種由區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生和控制的應(yīng)力場(chǎng)稱之為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的方向性，并以產(chǎn)生水平附加應(yīng)力為主，它使大范圍的應(yīng)力場(chǎng)的方向趨于一致并增大兩水平應(yīng)力之間的差值。

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，平面應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律性越強(qiáng)，方向越穩(wěn)定。同時(shí)，局部地質(zhì)構(gòu)造可對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生較大的改造作用，局部地質(zhì)構(gòu)造的作用越強(qiáng),局部應(yīng)力場(chǎng)與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)之間的差異越大，方向變化也越大。

二、斷層對(duì)地應(yīng)力的影響斷層的形成是地層在地應(yīng)力作用下發(fā)生破裂和滑動(dòng)的結(jié)果，在一定的應(yīng)力場(chǎng)作用下，所形成的斷層類型是基本固定的。假定：斷層所在地點(diǎn)的主應(yīng)力方向之一是垂直的；在斷層形成之前，巖石是完整的，產(chǎn)生斷層的巖石破裂過(guò)程遵循庫(kù)倫準(zhǔn)則，則可以由斷層類型推斷三向地應(yīng)力的相對(duì)大小。

正斷層：垂向應(yīng)力是最大主應(yīng)力，斷層走向即為中等主應(yīng)力的方向(圖3a)。逆斷層：垂向應(yīng)力是最小主應(yīng)力，斷層走向?yàn)橹械戎鲬?yīng)力的方向(圖3b)

走向滑動(dòng)斷層：垂向應(yīng)力是中等主應(yīng)力，斷層走向與最大(水平)主應(yīng)力方向交角小于45°(圖3c、d)

當(dāng)然，僅對(duì)正在發(fā)生斷裂或發(fā)生過(guò)微斷裂的地區(qū)，滑移方向與主應(yīng)力方向才有這種簡(jiǎn)單的關(guān)系。在統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，引起平面上地應(yīng)力方位變化的主要原因是地層力學(xué)性質(zhì)的非均勻性，其中斷層的存在影響最大。1、平均來(lái)看，斷層上的絕對(duì)應(yīng)力值比外圍地層低。巖體斷裂本質(zhì)是一種能量耗散和應(yīng)力重新分布的過(guò)程，水平主應(yīng)力和最大水平剪應(yīng)力隨離斷層距離的增加而增加，斷層上的絕對(duì)應(yīng)力值比外圍地層低。2、斷層周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使斷層附加應(yīng)力分布發(fā)生較大改變。每條斷層不僅影響各自周圍的應(yīng)力分布，而且彼此還互相影響。斷層匯交的方式對(duì)斷層周圍的應(yīng)力有較大影響，斷層匯而不交的地區(qū)和端點(diǎn)附近尤其是匯而不交的區(qū)域應(yīng)力值較高，同時(shí)應(yīng)力的大小及方向變化較大。3、斷層有使最大水平地應(yīng)力方向垂直于斷層走向的趨勢(shì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，斷層的存在可使應(yīng)力場(chǎng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)向，并有使最大水平地應(yīng)力垂直于斷層走向的趨勢(shì)。這是由于斷層面上不能承受大的剪應(yīng)力，地應(yīng)力在斷層走向上的分力容易被釋放，導(dǎo)致地應(yīng)力與斷層走向垂直。這一認(rèn)識(shí)對(duì)于結(jié)合區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向和斷層發(fā)育情況判斷斷塊油氣田內(nèi)部最大水平地應(yīng)力方向具有重要意義。

三、地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)之間的關(guān)系高水平應(yīng)力往往出現(xiàn)在區(qū)域平面圖上的地殼隆升帶；而在地殼沉降區(qū)，水平應(yīng)力一般小于垂直應(yīng)力。通常，最大水平地應(yīng)力在背斜軸部較低，向翼部逐漸升高，最大水平應(yīng)力的變化是在背斜軸部較快，在翼部變化較為平緩。而向斜的軸部（低點(diǎn)部位）則常常有較高應(yīng)力。構(gòu)造的陡帶、傾伏端、鞍部或鼻狀構(gòu)造，往往產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力主方向隨構(gòu)造等高線的變化而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。1、地應(yīng)力隨深度增大在地層傾角不大的情況下，巖體中有一個(gè)主應(yīng)力基本上是垂直的，另外兩個(gè)主應(yīng)力是水平的。在傾斜地層中，垂直主應(yīng)力往往與垂直方向呈一夾角，但夾角大小一般不超過(guò)30°。在沉積巖中垂向應(yīng)力與上覆巖層重量近似相等，尤其是東部油田按上覆巖層重量計(jì)算垂向應(yīng)力，是可以普遍接受的。隨深度的增加,構(gòu)造應(yīng)力不斷加大，水平應(yīng)力差增大，應(yīng)力方向趨于一致。2、三大類巖石中地應(yīng)力的分布存在較大差異朱煥春、陶振宇對(duì)世界范圍內(nèi)的巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖中實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料進(jìn)行了回歸分析，得出：三大類巖石的比較，①巖漿巖中水平應(yīng)力一般都比較高、水平差應(yīng)力大；②在沉積巖石中，水平應(yīng)力與深度之間具有良好的線性關(guān)系，且水平差應(yīng)力是三大類巖石中最小的；③變質(zhì)巖中地應(yīng)力分布的最大特點(diǎn)是最大和最小水平應(yīng)力離散性較強(qiáng)。

3、軟地層中三向地應(yīng)力分量差別小

Warpinski和Teufel分析了在美國(guó)ColoradoPiceance盆地實(shí)驗(yàn)井組(MWX)非海相沉積巖層進(jìn)行的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，得到的最重要的結(jié)果是巖性對(duì)地應(yīng)力有重要影響。

砂巖和緊鄰的高泥質(zhì)巖層中的最小水平地應(yīng)力差通常大于7MPa，泥質(zhì)中三向應(yīng)力分量幾乎相等，無(wú)明顯的方向性，砂巖中兩水平地應(yīng)力差約為4.1～5.5MPa。不同巖性地層中最小水平地應(yīng)力梯度平均為：砂巖0.85psi/ft，粉砂巖0.88psi/ft，煤0.97psi/ft，泥巖1.0psi/ft，即砂巖＜粉砂巖＜煤＜泥巖。且最小水平地應(yīng)力與地層巖石的泊松比呈正相關(guān)關(guān)系。

4、硬地層中構(gòu)造應(yīng)力較大地質(zhì)體在構(gòu)造應(yīng)力作用下，將發(fā)生運(yùn)動(dòng)或變形，當(dāng)不同巖層的發(fā)生相同應(yīng)變時(shí)，最大和最小水平應(yīng)力均隨楊氏模量的增大而增大。巖層中較高的地應(yīng)力主要來(lái)源于構(gòu)造應(yīng)力，對(duì)于高構(gòu)造應(yīng)力地區(qū)，水平構(gòu)造應(yīng)力將主要由硬地層承擔(dān)。

5、相鄰巖層間地應(yīng)力可存在較大差異不同深度處巖層的巖性、產(chǎn)狀和力學(xué)性質(zhì)可存在較大差別，并使得在同一區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下具有不同的應(yīng)力值。實(shí)測(cè)表明，相鄰地層間的地應(yīng)力差值最大可達(dá)14MPa。因此，地應(yīng)力沿深度的分布并不是線性的，不同地層的地應(yīng)力可相差很大。而當(dāng)相鄰巖層間的地應(yīng)力差大于3MPa時(shí)，便會(huì)對(duì)垂向裂縫的延伸起阻擋作用。因此，僅僅了解地應(yīng)力沿深度的總體變化趨勢(shì)是不夠的，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)地應(yīng)力沿深度分布的非均勻性，建立分層的地應(yīng)力剖面，指導(dǎo)石油工程設(shè)計(jì)與施工。

四、油田開發(fā)活動(dòng)可大大影響油藏的地應(yīng)力場(chǎng)油田開發(fā)活動(dòng)，如油氣開采。注水、汽或氣、火燒油層、大型壓裂等將會(huì)引起地層孔隙壓力和地層溫度等的顯著改變，影響其地應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致產(chǎn)層變形或破壞，并有可能使重