差应变法测试地应力的原理与操作步骤

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本文摘要：（由ai生成）

本文探讨了地应力大小和方向的测试方法，强调其在井壁稳定性分析中的重要性。采用差应变实验测定地层水平主应力值，利用岩心膨胀和微裂隙产生原理。结合古地磁定向技术，确定岩心标志线方向，从而获取真实的地应力方向。该方法应用于川西火山岩地层，为油气井工程的地应力分析和井壁稳定性评价提供了关键依据。这些测试方法的应用将提高钻井安全性和效率，降低井壁失稳风险，为油气勘探与开发提供有力支持。

一、地应力大小及方向

原始地应力一般包括两部分，上覆岩层重量引起的应力和相邻岩层传递的构造应力，地应力也是引起井壁失稳的根本作用力。因此地应力的测试，是在进行井周围岩稳定性分析的必要前提。在油气井工程领域，地应力一般用三向相互垂直的主应力表示，一个为垂直向主地应力，另两个为相互垂直的水平主地应力；一般采用上覆岩层密度确定垂向主地应力大小，采用古地磁法、井壁崩落法等确定水平主地应力的方位，采用Kaiser法或差应变法确定水平主地应力大小。本文即采用岩石差应变方法测试川西火山岩地层地应力的大小，并采用粘滞剩磁岩心定向实验测试该区块水平最大地应力方向。

1 地应力大小

通过差应变实验获得地层最大水平主应力值及梯度值、最小水平主应力值及梯度值。该方法的主要原理为，岩心在地层深处由于地应力的存在处于压缩状态，含有的天然裂隙也处于闭合状态，将岩心取到地面后，由于地应力解除将引起岩心膨胀产生许多新的微裂隙。这些裂缝张开的程度和产生的密度和方向与岩心所处的地应力场有关，在较低静水压力环境下，样品的应变分为裂隙闭合的应变和本体的弹性应变，随着静水压力的增大，裂隙完全闭合，之后样品的变形完全为本体的弹性应变。通过扣除低静水压力时样品本体的弹性应变，计算出裂隙闭合引起的应变量，用于预测地应力值。差应变实验方法存在如下假设，①样品内部的裂隙是由于应力的卸载产生的松弛变形造成的；②样品裂隙的闭合引起的主应变发生在主应力方向；③三个主应力的比值与裂隙闭合产生的主应变的比值相关。在任意一个方向的主应力已知的情况下，可根据等比关系得到另外两个主应力大小。

图3-17 差应变实验试样及应变片贴法

差应变实验方法步骤如下，将定向的钻井取心加工成平行于岩心轴向的立方形岩块，每一块试样上都标出与岩心轴心线平行的标定线，并将标志线延伸到岩心截面上，将标定好的试样装入地应力测量试验仪岩心夹持器中，将每组三个成45°角的应变片贴在三个相互垂直的平面上，接好各个应变片传感器接线，进行重复加载试验，加三向等围压，同时测得各方向的应变量；在对岩心施加静水压力时，裂缝首先闭合，之后产生的变形为岩石固体变形，满足弹性变形关系。在不同的围压值下，记录图3-17中标注的9个方向的应变值，用单下标表示这些测得的应变值，由着9个应变值可得到描述该围压下应变状态的6个应变分量，如式3-15所示，

（3-15）

式中，

是x，y和z方向的正应变，

为各自平面上的剪应变。

由以上六个应变值，可以计算出该围压下的主应变值和主应变方向，三个主应变的值为方程3-16的三个根，

（3-16）

式中，

（3-17

解此方程组，

分别为主应变的大小，同时可求出与主应变相应的方向余弦

，从而可求的三个主应变方向与标志线坐标系的夹角

。根据弹性力学理论三向主地应力的比值如式3-17所示，由此可以确定主应变对应的地应力值。

（3-18）

2 地应力方向

在差应变实验中，实验样品在静水压力加载下，不同方向会产生不同的应变值，具有最大应变值的方向是岩心原来受到最大主应力作用的方向，但由于差应变实验得到的最大主应力方向是相对于固结在岩样上的标志线的，由于取心后，岩心在地下所处的原始空间方向已不清楚，由古地磁定向就可得到标志线相对于地理北极的方向，将差应变法结果与古地磁定向结果结合起来，最终可得到真正的地应力方向。

来源：现代石油人