第七章地温场、地压场、地应力场
第七章地温场、地压场、地应力场
与油气藏形成的关系
第一节地温场与油气藏形成的关系
地温场：
某一瞬间地温的空间分布（或称：地热场）。是地球内部的热能通过导热率不同的岩石在地壳上的显示。
地压场：地球内部的重力能通过岩石圈反映为地压场。
地应力场：
在地球自转过程中，受向心力与离心力的作用，物质分异并转动，在地壳上呈现出挤压、剪切、拉张等性质各异的地应力场。
这“三场”相互之间彼此联系与影响。正是“三场”的作用，地壳上形成海盆、湖盆等各种水域，才衍生出水动力场、化学场与生物场。
综合这些场的作用，在含油气盆地内才出现流体压力封存箱与油气系统等地质实体，后二者之间也互有联系和影响。
〈地温场与古地温研究〉
一、地温场分带
许多现象都说明，地内是热的，如温泉、火山喷出热物质、深井中的温度高等。根据地内温度分布状况，可将地球分为三层：
外热层：（变温带）地表附近，T受季节影响，随深度↑而T↓。热源：太阳辐射能。深15－30米。如抚顺：30米；天津：35米。
常温层：（恒温带，深约20~130m），T=当地年平均气温。地球内热与太阳幅射外热相互影响达平衡时形成的带，各地有异。
内热层：随Z↑，T有规律↑。热源：地内放射能等。T的高低主要受控于热流值、热导率及地层流体。
二、地温梯度：
在地球内热层中，深度每增加100米地温所增加的度数，G T ），（或称：地热增温率），单位O C/10米
100)(?--=h
H T T G H T H ：H 深处地温℃；T ：年平均地表温度（＝恒温带温度）℃
H ：恒温带深度，m 。
取得地下温度或地温梯度后，编绘等值线图，即可反映地温场的变化。
三、地球内部的热源
地球内部的热能可能来自地核里的热源，包括：融熔岩浆、放射性元素蜕变、地热的辐射与对流、地壳变动时的颗粒摩擦热、以及渗透层内的放热化学反应等；后二者多为暂时的或局部的。
四、热的传导方式：热幅射、热传导、热对流
热传导和热对流是沉积岩层的主要热传播方式。
热对流主要发生在孔渗性较好的含有大量孔隙流体的岩层中。
五、地温的影响因素——热流值、热导率、地层流体（1）热流值(Q)：
一定时间内流经单位面积的热量。莫霍面浅，热流高。
热源：主要为地壳放射性热流和上地幔热流等.（2）岩石的导热率K ： 在温度差为1℃时，每秒钟内能透过厚1cm 、面积1cm 2的平板的热力，以卡为单位。则热流值Q ＝K ·G T
岩石的导热率因其成分和结构而异，一般按下列顺序递增:
疏松干岩石、煤岩、粘土岩、砂岩、碳酸盐岩、盐岩、变质岩及岩浆岩。
在莫霍面浅或者多热源处，热流值高G T 高、T 也高。在同一热源下，导热率小的地区地温梯度较高。低导热率岩石成为地下热流的遮挡层。各地区地温梯度的变化，正是具有不同导热率的各种热源的综合结果。
6、我国大陆主要沉积盆地的大地热流值分布规律：
各盆地平均热流值反映了盆地深部的基本地热特征。
（1）藏滇地区和东部沿海地区均接近喜马拉雅期构造活动强烈地带，呈高热流特征。
（2）西北塔里木等古老稳定陆块上的大型盆地，显示低热流值。
（3）介于上述两者其间的鄂尔多斯和四川等大型盆地热流值呈过渡性特征。
（4）在同一大型盆地内，（如渤海湾盆地）断块翘倾使基岩埋深差异显著，隆起区与坳陷区热流值差别可达2-3倍。
7、地温场与油气成藏关系：
（1）地温对有机质向油气转化有决定性作用。有机质向油气转化的速率与温度呈指数关系，与时间呈线性关系。地温梯度高利于沉积岩中有机质向油气转化，地温梯度低(尤其是古地温梯度)或多次上升剥蚀则可延缓烃源岩的热成熟作用。
（2）地温增大，有助于形成异常高压，促使油气初次运移；随温度增大，流体粘度降低，有利于二次运移；温差的存在，流体可发生热对流运移。
（3）油气藏形成后若埋深增大或岩浆活动使其经受温度增大，烃类相态会变化，由油变为气；若抬升，则变重。
（4）有利于油气生成和保存的地区是：年轻的热盆地和古老的冷盆地。
8、古地温的测定
古、今地温的往往差别很大。在地壳运动强烈的地区，用现今的地温梯度估价烃源岩中原始有机质的成熟度是不可靠的，应该尽可能恢复古地温，探求烃源岩经受的最高温度。
（1） 镜质体反射率（R 0）法
镜质体反射率是一种较好的成熟度指标。随着温度升高，反应时间延长，镜质体逐渐降解演化，颜色愈益加深，反射率逐步增大且不可逆。镜质体反射率与温度、时间之间存在一定的函数关系，反射率的大小直接反映经受的最高温度。
因此，根据沉积岩中镜质体的反射率可以估算在地质历史上经受的最高古地温。
根据各地区镜质体降解率与反射率的对应关系，得出相应这些反射率值的镜质体降解率，代入阿伦纽斯方程式即可求出地下古地温。T E R A K =
?ln(/)
式中K —镜质体降解率；T —绝对温度，οK E —活化能；R —气体常数。
Barker （1986）通过600多个镜质体反射率R 0值与对应的最高温度T peak 统计分析得出
lnR 0=0.0078T peak -1.2
Barker 认为上式具有普遍性，是一种较好的地质温度计。
（2）孢子颜色和热变指数法——简便快速
随着沉积物埋藏深度加大，其中所含的孢子、花粉、藻类等有机物在热演化过程中颜色逐渐加深、热变指数增大，具有不可逆性。
因此，根据孢子的颜色及有机质的热变指数，可以求得所经受的最高古地温。
在碳酸盐岩所含牙形石的埋藏过程中，经受热温度与时间作用，也会产生颜色的不可逆变化，因此，采用牙形石色变指数也可探求古地温，并可与其他有机质成熟度指标相对应。
（3）自生矿物法
沉积岩中的自生矿物受周围环境影响会发生不同的变化：碳酸盐类及硫酸盐类矿物易受化学因素的作用；而粘土矿物、沸石、二氧化硅三种矿物系列的演变则同温度、压力及反应时间等物理因素密切相关，不可逆转。因此，可以应用粘土矿物、沸石、二氧化硅这三种矿物系列来研究古地温。这些系列矿物转化的温度范围如下：
粘土矿物系列：
蒙脱石104℃
?→
??蒙-伊混合层137℃
?→
??伊利石
沸石系列：
火山玻璃56℃
?→
??斜发沸石116℃
?→
??方沸石和（或）片沸石138℃
?→
??浊沸石和（或）钠长石；
二氧化硅系列：
非晶质二氧化硅
45℃
?→
??
低温方石英（方英石）67℃
?→
??低温石英。
将沉积岩样品送实验室鉴定上述三个系列的自生矿物，综合分析所含的矿物类别，即可根据自生矿物系列的转化受古地温控制且不可逆转的原则，来判断岩样在地质史上曾经受的最高古地温。
（4）流体包裹体法
流体包裹体（Fluid inclusion）是在矿物结晶生长过程中被包裹在矿物晶体缺陷中的流体，可以有单相、双相或多相流体包裹体（以下简称包体）。
流体包体广泛应用于矿床学、岩石学（变质岩、沉积岩、岩浆岩）、地球化学及石油地质学中，可用之来研究成岩成矿（包括油、气）物质来源、物理-化学环境条件，以及流体的性质、经历、水岩反应、地壳演化等诸方面的问题。
流体包裹体在地质研究上最重要的一个应用就是确定古地温。包体测温方法有均一法、爆裂法和淬火法等，目前在石油地质上最常用的是用均一法来测量包体温度，称之为均一温度（Homogenization temperature）。
在常温常压下见到的包裹体往往含气相与液相两种流体，在冷热台上升温加热，在显微镜下可见两相转化为单相流体，这时记录的温度即为均一温度。
一般认为均一温度代表包体形成温度的下限。但是有些研究表明均一温度代表了包体形成过程中经历的最高温度。
Barker（1990）根据大量流体包体温度测量，发现镜质体反射率的对数与包体均一温度（T h）之间存在良好的线性关系：
lnR o=0.00811T h-1.26 （相关系数r=0.93，回归点数n=115）
（5）磷灰石裂变径迹法
磷灰石含放射性元素铀丰富, 铀发生核裂变时可在矿物表面产生放射性损伤的狭窄痕迹，称为裂变径迹。
单位面积上的径迹数量称为径迹密度。
裂变径迹对温度十分敏感。所有矿物中的裂变径迹，都具有随温度增高而径迹密度减少和长度缩短直至完全消失的特性，这一特性——退火。
磷灰石的裂变径迹退火温度范围与生油窗基本对应，所以利用磷灰石裂变径迹可以研究烃源岩有机质成熟的古地温。磷灰石裂变径迹退火温度所标定的温度比较精细，可反映不同地质时期古地温的变化，因而是较为理想的地质温度计。它还可用来研究盆地的物质来源、沉积层的形成年代与沉积速率、测定地层抬升速率与剥蚀厚度，以及判断断层的形成年代等。所以磷灰石裂变径迹法是研究沉积盆地发育史的有力工具，是近年来迅速发展的重要新研究领域。
统计磷灰石等测量矿物中辐照前的自发裂变径迹密度与辐照后的诱发裂变径迹密度，代入下式即可求得矿物的裂变径迹年龄：
t n I D D s f i
=+????11λλσρλρln() 式中：t=矿物年龄（年）；λD =铀的总衰变常数（1.55×10-10年-1）；λf =U 238自发裂变衰变常数（6.99×10-17年-1）；I=U 235/U 238同位素丰度比（7.2676×10-3）；σ=U 235的热中子裂变截面（580×10-24cm 2）；n=中子通量；ρs =自发裂变径迹密度；ρi =诱发裂变径迹密度。
第七章 地温场、地压场、地应力场
与油气藏形成的关系
第二节 地压力场与地层压力预测
〈地压力场与地层压力预测〉
地压场——地压场是由地球重力所致。
地下渗透性地层中所含流体承受的压力，称为地层压力或孔隙流体压力，对油、气藏而言，可分别称为油层压力或气层压力。也可理解为油（气）藏内石油（或天然气）作用于围岩的压力。
地层压力的通用单位是兆帕（MPa），1兆帕等于1，000，000帕（牛顿/米2），约为10大气压。
获得地层压力数据后，编制地层压力等值线图或等数据体，即可反映地压场的变化。
1、油气层地层压力来源：
主要来源：
（1）上覆岩层重量（岩石平均相对密度约为2.0~2.5）造成的岩石压力；主要为岩层矿物颗粒的支架结构所承担。
（2）地层孔隙空间内地层水重量造成的水柱压力，或称孔隙流体压力，为永久性压力系统内压力的主要来源。
次要来源：渗透力、温度变化、次生沉淀或胶结等。
2、地层压力梯度
地层压力随深度的增加率，称为地层压力梯度。
（1）是静水压力梯度：在含水层内测压点之上随深度而增加的水柱压力，静水压力梯度约为每深10m增加1atm。
（2）动水压力梯度，它存在于有水流动的储集层中。
3、地层压力预测
（1）等效深度法（Equivalent Depth Method）
利用等效深度法或特定地区的经验曲线，可以由页岩密度资料来定量估算地
层压力：P f=G o D A—D E（G o—G w）
式中：P f—孔隙流体压力，MPa；
D A—超压井段的对应深度，m；
D E—对应D A的正常等效深度，m；
G w—静水压力梯度，Mpa/m；
G o—上覆地层压力梯度，MPa/m。
若上覆地层压力梯度等于0.23Mpa/m（即2.31kg/cm2/m或1.01psi/ft），静水压力梯度等于0.01Mpa/m（即0.107kg/cm2/m或0.4651psi/ft）的区域，上述关系可简化为：P f=D A-0.535D E
（2）Fillippone 法
利用测井、钻井、地震等资料的两套不依赖正常压实趋势线的实用公式：
P V V V V P f ov =--max int max min
P V V V V P f mxp mxp mnp ov =--int 式中：P f 为地层压力；V max 、V min 分别代表孔隙度近于零与刚性近于零时的地层速度，前者近似基质速度，后者近似孔隙流体速度；V mxp 、V mnp 分别表示地层的最大与最小压实速度 ；V int 为预测层组的层速度，由地震资料提供；P ov 为上覆地层压力。
两套公式形式一样，只是V max 、V min 、V mxp 、V mnp 各自随深度变化的规律不同：
V V KTc V V KT o o max min .()..()=+-=+-???1436100705611
V V e V V e mxp o a T mnp o a T o o =-=-?????14612076131105.().().
式（6-10）、（6-11）中，K=（V σ-V σo ）/（T-T o ），V σ、V σo 分别为T 和T o 时刻的均方根速度，T 和T o 分别表示某层底、顶面的双程旅行时间；V o =V σ-KT o 。 式（6-12）、（6-13）中，V o =V σ1e a T 0511
.，V σ1为T 1时刻均方根速度，T 1为计算点处的双程旅行时间，a e a e V V 1100101404107=-=--σ//,.。
上覆地层压力P ov 可用下述经验公式求得：p H ov =0465.ρ 式中：ρ为地层平均密度；H 为计算点埋深；系数0.465为单位换算系数，
也有人称其为静水压力梯度值。
这两套公式有一共同特点，都可计算出从浅至深各层速度点的压力值。它们不依赖正常压实趋势线，具有很大推广价值，特别在新探区及海域，此法尤为适用。计算精度除与参数取值有关外，更需取决于工区实际情况与相应经验关系的吻合程度。
第七章 地温场、地压场、地应力场
与油气藏形成的关系
第三节 地应力场及其与油气藏形成的关系
〈地应力场〉
1、地应力场的概念
地壳或地球体内，应力状态随空间点的变化，称为地应力场。
从广义讲，地质构造现象是总地应力决定的，后者包含受重力控制的上覆岩体重量造成的静地应力（垂向压应力）与受地壳构造运动控制的构造应力两部分。构造应力场是变化的，而静地应力场是相对恒定的，可见总地应力的变化主要是由构造应力场的变化引起的。
总地应力的变化主要是由构造应力场的变化引起的；狭义上，地应力场又称为构造应力场。同一地区内，不同时期呈现出不同性质地应力场特征。只有最近一期地质构造，未经破坏或改造，才能确切反映这个时期的地应力场。
2、地应力场的类型
按空间大小分：全球、区域和局部地应力场；按时间分：古地应力场和今地应力场；按主应力作用方式分；挤压、拉张和剪切地应力场。
3、地应力场的研究方法
（1）正序研究法
从已知地块或岩块的力学性质、外力作用方式等分析其应力分布状态，预测可能发生的变形部位及变形演变过程。
今地应力场的研究多属此类。岩石力学试验、光测弹性模拟试验和计算机数理分析方法是其主要研究手段。
（2）反序研究法
通过实地测量、统计、分析构造运动留下的各种构造形迹及组合特点，反推当时的地应力场。
是研究古地应力场的常用方法。
4、地应力场与油气藏形成分布的关系
（1）地应力场的演化控制构造背景和沉积相的发育。
断层的形成主要因素是地应力场的作用和构造应力场的演化。地应力场演化导致强烈拉张裂陷伸展的构造应力环境，地壳产生强烈的差异升降作用，形成隆凹相间的构造格局，同时控制沉积相的发育，造成油源区与储集区的空间配置；（2）地应力场形成、演化：
控制二级构造带、构造圈闭、断层、裂缝、地层不整合的形成与演化，影响油气运聚成藏、油气藏类型及油气分布。
（3）地应力作用下形成的各种地质构造控制油气运移和聚集。
岩层在地应力作用下发生变形和相对变位，形成褶皱和断裂等各种地质构造，成为油气聚集的场所。地应力作用下，地层发生倾斜，为油气在浮力和水动力作用下向上倾方向运移提供了条件。
（4）地应力场性质：
控制着烃源岩有机质成熟演化的力学化学效应。
影响着烃源岩和储集岩微裂缝、储集层次生孔隙发育带的形成分布。
（5）地应力作用形成的储层裂缝、断层：
是油气运移的良好通道，并改善储层的物性，沿断层及褶皱转折端分布的储层具有较高的储集物性。
（6）地应力场特征影响油气运移的方向、通道及强度。地压力场变化直接引发流体的运移。
（7）地应力是油气运移的主要驱动力之一，是控制油气运移、聚集的重要因素。
（8）局部应力低值区是油气富集区。
（9）油气从压应力区、压扭应力区向张应力区和张扭应力区运移聚集。
第七章地温场、地压场、地应力场
与油气藏形成的关系
第四节异常压力流体封存箱
〈异常压力流体封存箱〉
（一）异常地层压力
地层压力（P f）：作用于地层孔隙空间流体（油、气、水）上的压力。
正常地层压力=静水压头（静水压力）
背离正常地层压力趋势线的地层压力，称异常地层压力。
超过静水压力的地层压力，属异常高地层压力（超压）；低于静水压力者，则为异常低地层压力（欠压）。
Hunt明确提出了鉴别标准：在自由状态下的边界值
淡水压力梯度9.79 Kpa/m （0.43 psi/ft）
饱和盐水压力梯度11.90 Kpa/m（0.53psi/ft）
>边界值超压；<边界值欠压
2、异常地层压力的成因
自然界造成异常地层压力的原因很多，常为多种因素综合作用所致，主要原因可归纳出下列：
（1）流体热增压作用：
这是地层中产生超压的首要原因。随着地层埋藏深度加大，经受地温升高，导致有机质成熟生成大量石油和天然气，地层水也会出现水热增压现象，在烃源层及储集层中都会造成异常高地层压力，在含油气盆地中这是非常普遍的事实。（2）剥蚀作用：
测压面与地面的不同关系造成地层压力过剩和不足。
在幼年期地貌区，地形起伏大，而测压面的位置未变，于是测压面与地面的高低关系可能因地而异，造成油藏出现压力过剩与压力不足的现象。
测压面横穿圈闭，导致油藏内的地层压力非常低。
在一些高原地区，河流侵蚀形成深山峡谷，泄水区海拔很低，测压面横穿圈闭，导致油藏内的地层压力非常低。
（3）断裂与岩性封闭作用：
在厚层泥岩中所夹的砂岩透镜体油藏，原来埋藏较深，原始地层压力较大。后来，在块断升降运动作用下，油藏所在断块上升，深度变浅，但原始地层压力仍然保持下来，形成高压异常；反之则可造成低压异常。这种现象在我国东部裂谷盆地断裂发育的地区是常可见到的。
（4）刺穿作用：
在不均衡压力作用下，可塑性岩层发生侵入刺穿作用，可使上覆一些软的页岩和未固结砂层发生挤压与断裂变动，减少孔隙容积，流体压力增大，造成高压异常。在盐丘和泥火山发育区经常出现高压异常，就是这种原因。
（5）浮力作用：
气、油、水的密度差引起的浮力作用，也可使油气藏内出现过剩压力。（6）粘土矿物成岩演变：
在蒙脱石向伊利石转化的过程中，有大量层间水从蒙脱石层中转移到颗粒之间成为粒间水,并使粘土岩体积缩小。这种变化对于形成异常高地层压力有着重要意义。在封闭的地质环境里，随着粘土岩埋藏深度的增加，地下温度逐步升高，当温度达到80℃时，蒙脱石向蒙脱石-伊利石混合层转化，释放大量吸附水，导
致形成异常高的地层压力。
蒙脱石以含大量吸附水和层间水为特征，结晶水含量较少；伊利石中结晶水和吸附水含量近于相等；而泥岩中的绿泥石则以含结晶水为主，吸附水含量很少。随着粘土沉积物的埋藏深度加大，地下温度升高，粘土矿物的演变显示出阶段性。
（二）流体压力封存箱
1、流体压力封存箱的基本概念
现代沉降盆地常具有两个或多个水文地质系统，呈现双或多水力系统的层状排列。中上部为正常压力系统、下部为异常压力系统，其间被封闭层所分隔：水平封闭层划分主箱，垂直封闭层将主箱进一步划分为次箱。
沉积盆地内由封闭层分割的异常压力系统，称为流体压力封存箱，箱内生、储、盖条件俱全，常由主箱与次箱组成。
2、流体压力封存箱的类型
流体压力封存箱有两种类型：
超压封存箱，孔隙流体支撑盖层及上覆岩石—流体的重量。
欠压封存箱，岩石基质支撑盖层及上覆岩石—流体的重量。
3、封闭层的成因及特征
封闭层是形成与分隔流体封存箱的关键。封闭层并不是常说的油气藏的盖层，它常与穿越不同地层界面、岩性岩相界面、构造界面的同温层有关，在该温度条件下，矿化作用、充填作用……等成岩后生作用，造成渗透率近于零的封闭层。
封闭层若为碳酸盐岩，多由硅化所致；若为页岩（泥岩）则常与钙化有关。
在镜质体反射率达到0.9%时，干酪根已进入生油高峰期，释放大量二氧化碳，有助碳酸盐大量溶解形成次生孔隙发育带；当这种碳酸盐溶液向上运移至镜质体反射率为0.4~0.5%处，碳酸盐再沉淀，形成顶部封闭层，这时恰为生油窗开始处。因此，石油常生成于封闭层之下的封存箱内。
假若封闭层较厚，为一层组，可由非渗透层与渗透层互层组成。断层带也可构成封闭层，将主箱分割成次级封存箱。
有的盆地，存在上、下两个流体封存箱。
5、流体封存箱理论的应用
（1）油气二次运移的一种重要机制，能指导预测油气藏分布。
（2）丰富完善了传统的盖层理论。例如砂岩如果发生胶结作用也可以作为封闭层。
（3）流体封存箱有助于油气系统的划分。
（4）流体封存箱类型和分布对油气资源经济评价有重要作用。
（5）流体封存箱内的超压对孔隙和渗透率的演化有控制作用，从而指导油气藏的开发。
（6）流体封存箱的空间展布有利于优化布井。
第七章 地温场、地压场、地应力场
与油气藏形成的关系
第五节 固态气水合物的形成与分布 〈固态气体水合物〉
固态气体水合物是一个崭新的潜在能源资源领域，在地壳上分布很广，预计到21世纪将会成为烃类勘探、开发和利用的重要能源物质。
1、基本概念
固态气体水合物系指在特定的压力与温度条件下（高压低温），甲烷等气体分子天然地被封闭冻结在水分子的扩大晶格中所形成的固态结晶物。
——甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、二氧化碳及硫化氢等。
甲烷气水合物——冰冻甲烷或水化甲烷。
这些气体可以是来自洋底沉积物之下深度不大的生物成因气，也可以是沿海底断裂来自深处的非生物成因气。这类固态气体水合物可以成为深部气藏的良好盖层，也可以形成气体水合物气田。
2、理化性质
属包体化合物的一种特殊范畴，由天然的两种分子合成：客体（一种成分）被包围在主体（另一种成分）内，二者之间没有化学键相联接。
根据晶格空腔的大小，可将气体水合物的冰状笼形结晶形式区分为两类单位晶格结构： 结构I 水合物：每个单位晶格含46个水分子，能容纳直径小于5.8A ο
（5.8×10-10m ）的客体分子8个，理想化学分子式为X .5.75H 2O ，X 为客体分子， CH 4、H 2S 、C 2H 6、CO 2、N 2等气体适合于这类结构。结构I 水合物的结晶形式如图6-29所示：单位晶格的空腔有大小之分，结构I 水合物在大腔内呈14面体（12个五边形、2个六边形晶面），在小腔内呈全由五边形晶面组成的12面体。 结构II 水合物：每个单位晶格含136个水分子，能容纳直径不超过6.7
A
ο的客体分子8个，理想化学分子式为X .17H 2O ，C 3H 8和i-C 4H 10适合于这类结构。由图6-29看出结构II 水合物的结晶形式：在大腔内呈16面体（12个五边形、4个六边形晶面），在小腔内亦呈12面体。
n-C 4H 10和C 5H 12等因分子直径太大，不能形成气体水合物。
3、形成与分布
气体水合物的形成要求压力随温度线性升高而呈对数地增加，因而在大多数沉积盆地中，压力增加的幅度都远远无法满足这个要求，水合物在21-27℃温度下都将分解，因而形成水合物的深度下限约在1524m，随各地地温梯度的不同而有所变化。
3、地化特征：甲烷主要是微生物成因，即生物气。
甲烷含量大于99%，d13C小于-60‰。
天然气水合物形成所需的甲烷数量应大大超过甲烷在水中的溶解度，需要的有机质数量大。
第六节凝析气藏的形成与分布
《凝析气藏的形成与分布》
物理学告诉我们：在任一物系内等温加压引起凝结，减压导致蒸发。这只在一定温度、压力范围内是正确的，逾此范围会出现逆蒸发和逆凝结现象，即物系的等温减压引起凝结，等温加压导致蒸发。
在油气藏勘探及开采实践中，常常碰见这种现象：在地下深处高温高压条件下的烃类气体，经采到地面后，温度、压力降低，反而凝结为液态，成为凝析油，这种气藏就是凝析气藏。
1、临界温度与临界压力
液体能维持液相的最高温度，称为该物质的临界温度。高于临界温度时，不论压力多大，它也不能凝为液体。在临界温度时该物质气体液化所需的最低压力，称为临界压力。
K点为一分界点，K点以上的P-V曲线不出现气-液共存的情况。说明在这个温度以上，气体在任何压力下都不能液化。因此，将K点称为临界点，该点的温度、压力即为临界温度和临界压力。
任何物系处于临界状态的特点是：共存的气、液两相间的差别都消失了。例如此时蒸气的摩尔体积等于液体的摩尔体积，两者的密度没有差别等。
在自然条件下，随着地下深处压力和温度的增加，含有各种甲烷同系物的压缩气能够溶解液态烃越来越多；与此相反，当气相所处的压力和温度逐渐降低，则早先溶于气相的液态烃又会逐渐分离出来。这样，就为凝析气藏的形成奠定了基础。
2、凝析气藏的形成条件
石油和天然气都是成分复杂的多族分烃类混合物，因此，为了阐明凝析气藏
的形成条件，还必须分析多族分烃类物系在地层条件下的变化。
右：多族分烃类物系的相图
1-压力超过泡点压力的油藏；2-压力超过露点压力的凝析气藏；3-单相气藏（纯气藏）；4-泡点曲线
；5-露点曲线；6-物系中液体所占体积百分率；K-临界点（T=52.8℃）；K1-临界凝结温度；A-纯气藏；B-凝析气藏；C-含溶解气的油藏；D-油气藏
上图表示某种多族分烃类物系在不同温度和压力下的物理状态。K为其临界点，临界温度为52.8℃。K1为临界凝结温度（或称最高临界温度），代表气、液两相并存时的最高温度。曲线4为气体开始析离液体的泡点曲线，其外为纯液相；曲线5为液体开始凝结脱离气体的露点曲线，其外侧为纯气相；在4、5两曲线所包范围内，混合物处于双相状态（液态和气态），各等百分率线表示物系中液体的百分含量。
在地层埋藏较浅、地层温度低于临界温度时，物系的相态变化符合正常的凝结和蒸发概念。例如，在25℃时，随着压力加大，物系中凝结的液体逐渐增多，至压力超过180大气压（C1点）时，物系就全部凝结为液体。在这种情况下不可能形成凝析气藏。
而当地层埋藏较深、地层温度介于临界温度与临界凝结温度之间的情况下，物系的相态变化就比较复杂。例如在图6-35所示82.5℃时，低压下物系呈双相状态，但以气相为主，物系中液体所占体积小于5~10%；随着压力加大，凝结的液体逐渐增多；当压力增至155大气压（B2点）时，凝结的液体数量最多，占物系总体积的10%；如果压力继续增加，凝结的液体反而气化，液体的数量逐渐减少；至压力增达187atm大气压（B1点）时，凝析物就全部转化为气态了。所以对82.5℃时的这个物系而言，在低于155atm时属正常的凝结和蒸发，而在高于155atm时则属逆凝结和逆蒸发的范畴。换言之，在地层埋藏较深，地层温度介于某种烃类物系的临界温度与临界凝结温度之间，地层压力超过露点压力时，这种烃类就可以形成凝析气藏。
同理，可对各种化学组成的石油-天然气物系作出相图，形状与上图相似，这样就可分析该物系发生逆凝结和逆蒸发的必要条件，从而各种成分凝析气藏的形成条件便可知晓。
——凝析气藏的形成必须具备两个条件：
（1）在烃类物系中气体数量必须胜过液体数量，才能为液相反溶于气相创造条件。
（2）地层埋藏较深，地层温度介于烃类物系的临界温度与临界凝结温度之间，地层压力超过该温度时的露点压力，这种物系才可能发生显著的逆蒸发现象。
所以，随着储集层的埋藏深度加大，地层压力和地层温度都会随之增加。当地层温度达到油-气物系的临界温度后，地层压力愈大，油-气物系愈易转化为单
相气态，大大促进了地下深处储集层内的油气运移和聚集，形成凝析气藏。
形成凝析气藏所要求的特殊条件，决定了它在地壳上的分布必然有一定范围。3、凝析气藏的分布规律
A：纯气藏
（1）地温超过临界凝结温度，若等温开发，压力P沿A-A1线降低,物系始终处于气相。（2）但若采至地面，温度、压力都降低，就如A-A2曲线所示，进入双相区后，便可在地表分离器中析出少量液体（凝析油）。
C：含溶解气的油藏
原始P地大于P饱，温度低于临界温度。等温开发时，P降低至C1后，溶解气逐渐游离，油气比增大，油藏能量速减
D：具原生游离气顶的油气藏
原始地层压力与温度的组合位于泡点曲线和露点曲线所包围的双相区时。其中气体与液体的体积百分比变化范围很大，视地层温度及压力而定。
B：凝析气藏
地温介于临界温度与临界凝结温度之间，若等温开发，压力沿B-B1-B2-B3
逐步降低，当压力降至低于露点压力（B1点）后，在地层中便可逆凝结为液体，
即为凝析油。
由此可见，凝析气藏和纯气藏的地层温度分别超过烃类物系的临界温度及临界凝结温度，这表明它们的埋藏深度都较大，多分布在地下3000~4000m或更深处。
4、影响油-气物系临界压力的主要因素：
（1）在石油-甲烷物系中，存在甲烷最近的同系物（丙烷、乙烷等）时，可以大大降低其临界压力，便于石油向气相过渡。
（2）石油比重愈小，临界压力愈低。
（3）用二氧化碳代替甲烷，可降低油-气物系的临界压力。
（4）岩石的存在，可降低油-气物系的临界压力，特别是对高胶质石油影响更剧。
（5）岩石中含水时会增大油-气物系的临界压力。
地应力平衡的一个简单例子.
地应力平衡方法 熊志勇陈功奇 第一部分地应力平衡方法简介 地应力平衡有三种方法: (1 *initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或 inp 该方法中的文件 FILENAME.INP 获取方法为 :首先将已知边界条件施加到模型上进行正演计算 , 然后一般是将计算得到的每个单元的应力外插到形心点处并导出6个应力分量 (也可以导出积分点处的应力分量 , 视要求平衡的精确程度而定。其所采用的几何模型可以考虑地表起伏不平的情况以及岩土材料极其不均匀的情况 , 适用范围广。但由于外插的应力有一定误差 , 因此采用弹塑性本构模型时 , 可能会导致某些点的高斯点应力位于屈服面以外 , 当大面积的高斯点上的应力超出屈服面之后 , 应力转移要通过大量的迭代才能完成 , 而且有可能出现解不收敛的情况。在仅考虑自重情况下只能考虑受泊松比的影响带来的侧压力系数效应 , 因此平衡后的效果不一定很理想 , 但无疑其适用性很强。 (2 *initial conditions,type=stress,geostatic 该方法需给出不同材料区域的最高点和最低点的自重应力及其相应坐标。所采用的几何模型一般较规则 , 表面大致水平 , 地应力平衡的好坏一般只受岩体密度的影响 , 无论采用弹性或弹塑性本构模型都能很好的达到平衡 , 可以不必局限于仅受泊松比的影响 , 能够通过考虑水平两个方向的侧压力系数值来施加初始应力场。计算速度快 , 收敛性好。缺点就是不能够很好平衡具有起伏表面的几何模型 , 需知道平整后模型的上覆岩体自重。 (3 *initial conditions,type=stress,geostatic,user
地应力及其分布规律分解
地应力及其分布规律 1 、地应力的基本概念 地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。广义上也指地球体内的应力。它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。 地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。此外地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。 2、地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。 当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性， 地应力成因之一：地幔热对流（图1、图2） 地应力成因之一：板块边界受压（图3）
地应力成因之一：岩浆浸入（图4） 3、地应力的影响因素 地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。1)岩体自重的影响 岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动 2)地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。 3)构造运动对地应力的影响 在地壳深层岩体，其地应力分布要复杂很多，此时由于构造运动引起的地应力对地应力的大小起决定性的控制作用。研究表明：岩体的应力状态，一般其铅垂应力分量是由其上覆岩体自重产生的，而水平应力分量则主要由构造应力所控制，其大小比铅垂应力要大得多。 4)岩体的物理力学性质的影响 从能量的角度看，地应力其实是一个能量的积聚和释放的过程。因为岩石中地应力的大小必然受到岩石强度的限制，可以说，在相同的地质构造中。地应力的大小是岩性因素的函数，弹性强度较大的岩体有利于地应力的积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体因容易变形而不利于应力的积累。 5)水、温度对地应力的影响 地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响，岩体中包含有节理、裂隙等不连通层面，这些裂隙面里又往往含有水，地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力，这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成岩体的地应力。温度对地应力的影响主要体现在地温梯度和岩体局部受温度的影响两个方面。由于地温梯度而产生的地温应力，岩体的温度应力场为静压力场，可以与自重应力场进行代数迭加，如果岩体局部寒热不均，就会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力。4、地应力的分布规律
地应力平衡方法
方法1 1）建立模型，材料，分析步（GEOSTATIC）。 2）施加荷载，LOAD，选择施加重力GRAVITY，在你想施加重力的方向输入数值9.8。 3）在JOB中提交分析。 4）按以下步骤,Report---Report Field Output---选中S11,S22,S33,S12,S13,S23---Name:cc.inp。Write中只选择Field Output。 5）修改cc.inp，用excel，打开（分隔符，Tap键、空格键、逗号） 6）删除都是1的那列。在1,2,3,4等的前面加上（part instance）的name和小数点。 7）另存为，文件类型设置为CSV。 8）用文字编辑软件删除小数点后面的逗号。 9）最后变为 soil-1.1,S11,S22,S33,S12,S13,S23 10)另存为cc.dat 11)在Edit keywords中材料属性后面加上 *initial conditions,type=stress,input=cc.dat 12）重新提交JOB，OK 方法2 1）地表水平、土体材料在水平方向相同，可应用这种简单方法。 2）在Edit keywords中材料属性后面加上。 *initial conditions,type=stress,geostatic set-1,0.0,5,-392e3,-5,0.9 3）单元集名称、应力竖向分力第一个值、对应垂直坐标、应力竖向分力第二个值、对应垂直坐标、侧压力系数。 4）水平地应力通过竖向应力乘以侧压力系数得到。 补充 6.10及6.11可以实现自动地应力平衡 自动地应力平衡是新版本最为关注的新功能之一，因为它省去了计算自重应力以及生成相应初应力文件和导入的麻烦。在地应力步中选择自动增量步就能使用自动地应力平衡功能，还能指定允许的位移变化容限。不过自动地应力平衡功能仅支持有限的几种材料，D-P并不包含在内，而且对单元也有一定的要求。虽然可以使用不支持的材料和单元，但可能自动地应力平衡不容易收敛或位移差值超过容限。虽然可以用塑性模型，但帮助文件中说应该用在主要为弹性的情况下。我认为材料限制应该不算太大问题，D-P仍可以使用，即使不收敛只要做一些调整比如减小容限等应该一样可以得到收敛的平衡状态。
ABAQUS岩土隧道入门地应力平衡基本问题
ABAQUS岩土隧道入门地应力平衡基本问题 一：Abaqus地应力平衡方法理解 Abaqus地应力平衡现常用分为两种方法：（6.10版以前那种笨拙修改csv文件和添加keywords自己计算每层土应力的方法，就真的很折腾，而且适应性还不好） 1.通过Geostatic中Automatic平衡，这种方法是自动平衡，通过设置最小位移精度，迭 代计算达到平衡的最小位移精度；算盘放小胖版主案例说法“依据小胖的经验，对于标准的隧道开挖，几何简单，采用1e-5的位移准则是可以的。但如果比较复杂的模型，宝宝们也不要太吝啬，放宽到0.5 mm以下也是可以的。毕竟我们玩的是大尺度模拟，半个毫米都不一定能测得出来。”，而对于单元数量巨大的模型，本身计算一次就需要不短的时间，再通过迭代自动计算地应力平衡，这个时间。。。。。。；并且Automatic只有100个increment，如果100到了还没平衡好，虽然“可以在上次计算的应力基础上再平衡一次。”但是这样下去如果遇见不收敛，就是何年何月才能算好地应力平衡。So，再看第二种方法咯 2.通过导入自重变形结果odb文件，定义应力场来计算。若用Geostatic分析步换成Fixed 平衡固定计算一次的自重变形结果odb；再通过Predefined field导入这个自重变形结果odb；具体小胖版主有实例截图，就是在Predefined field中initial分析步stress进行设置“从外部文件导入”这个自重变形结果，Geostatic分析步Fixed 下也只有一步step 和Increment，所有就应是1。 但是再计算七万别忘啦，再复制重命名或者新建一个job，要是覆盖了自重变形结果的odb，就白搭 若采用的static general分析步，控制初始增量步默认是Automatic，初始和最大控制一步计算就行，与geostatic的fixed的自重变形计算结果是一样滴，导入平衡方法也一样，结果可以比较一下，具体可以看看算盘坊小胖的地应力平衡初、中、高教程，这个只能算基础入门的概念理解 二：keywords语言基本单元生死法以及场变语言理解 （注：自用的6.14-1和新版，全部都可以通过UG窗口界面设置逻辑了，不用向上世纪那样自己编语言，当 然后期还是要学习一下编程） ▲原始方法地应力平衡语句： *initial conditions, type=stress, geostatic 土层名,大力，竖向坐标，小力，竖向坐标，侧向系数 ▲单元生死（可通过相互作用控制）： *model change, add XXXX *model change, remove XXXX
地应力与地应力测量方法简介
地应力与地应力测量方法简介地应力，又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。 地应力测量，就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。 随着矿区开采现代化进程的不断提高和开采深度的不断增加，对矿区所处的地质条件和应力环境提出了更进一步的要求。查明矿区深部煤炭资源的开采地质条件和应力环境，为深部矿井的设计、建设和生产提供更加精细可靠的地质资料和数据，以便采取有效技术手段和措施，避免和减少灾害的发生，是实现矿井安全高效生产的重要保障。 地应力是引起采矿工程围岩、支架变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多的影响采矿工程稳定性因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。准确的地应力资料是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析和计算，矿井动力现象区域预测，实现采矿决策和设计科学化的必要前提条件。 采矿规模的不断扩大和开采深度的纵深发展，地应力的影响越加严重，不考虑地应力的影响进行设计和施工往往造成露天边坡的失稳、地下巷道和采场的坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象的发生，致使矿井生产无法进行，并经常引起
地应力平衡总结
地应力平衡 1、地应力平衡好坏评判标准 1) 地应力平衡后，位移云图中最大位移达到10-6量级或更低（接近于0）。（主要判别条件） 2) 地应力平衡后，应力云图中应力有一定的数值。（也就是应力不为0，但变形接近于0）2、进行地应力平衡的原因 总的来说，如果不进行地应力平衡，而只施加重力，模型会在重力作用下产生变形，而实际工程中，我们施加荷载时，重力产生的而变形已经产生，实际上得到的是附加应力产生的变形。 1) 我们所建立的几何模型一般和工程实际情况或尺寸相对应、相一致，比如边坡几何模型 和实际边坡尺寸一致，但我们可以夸张一点想像，实际边坡应是由一个更大一点或更高一点的不受重力的初始边坡在n年前突然受重力和类似目前的边界条件作用下逐渐形成了今天的尺寸大小，n年前受重力和类似目前的边界条件作用之前边坡的尺寸大小，我们不得而知，如果能准确知晓，我们就可以建立一个那时的几何模型，再施加重力和边界条件进行计算，变形后形状和现状边坡形状一致，其内力也就是初始应力场或地应力，就不用专门去施加地应力了，但问题是我们不能知晓边坡受力前的形状尺寸，我们现在的几何模型就是边坡现在的实际尺寸，受力后将会变成一个更小的或与现状不一致的边坡，这不符合我们模拟现状边坡的目的。如果我们知道现状边坡的内力，将其提取出来作为几何模型的内力，再和外力（重力）平衡，则我们建立的模型才能算和实际模型一致。真实地知道现状边坡的内力是很难的，我们采取的办法是，用我们所建立的几何模型施加和实际模型一致的重力和边界条件进行计算，得到变形后或变得更小或与现状边坡不完全一致的边坡内力近似的作为现状边坡的内力，并重新将其施加于与现状边坡一致的几何模型，再施加重力（当然边界条件也应基本一致）以平衡，这样才算建立了与现状模型基本一致的模型，其下的计算才成为可能。这就是所谓“地应力平衡”的含义、目的、作用。 2) 地应力平衡中的外力和内力的问题。地应力平衡中，显然，重力是外力，应力场是内力， 仅有外力重力，没有内力是不可能的，同样，仅有内力（专指初始应力场）而不受重力也是不可能的，否则，整个体系的力不会平衡。这就是为什么我们将提取出的内力施加于几何模型后必须再施加重力的原因。为的是内力和外力平衡。) q0 F3 q6 H1 O# 3) 地应力场的方向问题，有网友在论坛里问，既然重力是向下，为与重力平衡，那应力场 的方向是不是向上呢，这同样是我开始接触abaqus的疑问，相信很初学者也有这样的疑问，我的理解是内力是没有向上、向下或者向其它方向的概念的，内力只有拉力或压力或剪力之分，其方向也按是拉是压是顺时针或逆时针而分，内力往往都是成对出现，如地应力场中的应力以压应力为主，取一个微元，则压应力同时出现在向下和向上，你能说地应力就是向上，与重力反向吗？不怕各位笑话，以上几点在高手看来是很简单的问题，却是我经历了漫长而艰辛的摸索才得到的，今天也写给初学者，不要再走我的老弯路了。 aba中初始地应力场平衡一般在表面水平的情况下仅仅和密度相关，密度一样的话平衡
第六篇 ：地应力平衡方法以及注意事项
第六篇：地应力平衡方法以及注意事项 注意：只有采用弹塑性本构模型时需要地应力平衡，弹性本构不需要地应力平衡！ 第一部分地应力平衡方法简介 地应力平衡主要有五种方法： （1）自动平衡：第一步创建分析步geostatic ，这种方法注意只能在第一步只能有土和重力的情况下能使用，有其他部件或者接触时计算不能收敛，效果是最好的，方便简单！ （2）*initial conditions,type=stress,geostatic 该方法需给出不同材料区域的最高点和最低点的自重应力及其相应坐标。所采用的几何模型一般较规则,表面大致水平,地应力平衡的好坏一般只受岩体密度的影响,无论采用弹性或弹塑性本构模型都能很好的达到平衡,可以不必局限于仅受泊松比的影响,能够通过考虑水平两个方向的侧压力系数值来施加初始应力场。计算速度快,收敛性好。缺点就是不能够很好平衡具有起伏表面的几何模型,需知道平整后模型的上覆岩体自重。 高版本在CAE里也能操作 用计算器算出每个分界面上的应力和坐标对应填入，也比较方便不需要修改关键字
（3）*initial conditions,type=stress,geostatic,user 导入ODB里的方法，也比较简单，高版本可在截面上操作，不需要修改关键字 你放入ODB后，填入第一步不需要填名称就是1 ，增量步就是你第一步计算的最后一个增量步 （4）*initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或inp) 该方法中的文件FILENAME.INP获取方法为:首先将已知边界条件施加到模型上进行正演计算,然后一般是将计算得到的每个单元的应力外插到形心点处并导出6个应力分量(也可以导出积分点处的应力分量,视要求平衡的精确程度而定)。其所采用的几何模型可以考虑地表起伏不平的情况以及岩土材料极其不均匀的情况,适用范围广。但由于外插的应力有一定误差,因此采用弹塑性本构模型时,可能会导致某些点的高斯点应力位于屈服面以外,当大面积的高斯点上的应力超出屈服面之后,应力转移要通过大量的迭代才能完成,而且有可能出现解不收敛的情况。在仅考虑自重情况下只能考虑受泊松比的影响带来的侧压力系数效应,因此平衡后的效果不一定很理想,但无疑其适用性很强。 最麻烦，也是最容易出错的，不喜欢使用 （5）*initial conditions,type=stress,geostatic,user 该方法采用用户子程序SIGINI来定义初始应力场,可以定义其为应力分量为坐标、单元号、积分点号等变量的函数,要达到精确平衡需已知具体边界条件,在实际中应用较少。 注意：除了第一种方法geostatic 选的是自动，其他都是fixed,其他四种方法第一步除了土外可以有其他部件，效果一般很差，可以多循环几次！
地应力平衡
ABAQUS地应力平衡： 进行地应力平衡的原因陈述如下：我们建立的几何模型一般都和工程实际情况一致，例如边坡的几何模型与边坡实际尺寸相一致。但是由于边坡的沉降和徐变作用，可以想像到，现在的边坡应该是由一个体积更大的原始边坡在很久以前由于受到重力作用和边界约束条件，逐渐形成了现今的边坡形态。但是对于那个原始的边坡形态，我们不得而知。假如能准确知晓，我们就能够建立原始边坡的几何模型，接着对边坡施加重力和边界条件，受力后边坡形态应该和现在的边坡相一致，其内力就是初始应力场（地应力），这样就不用专门施加地应力了。但现实情况是我们不能知晓原始边坡的形态。现在的边坡几何模型就是其实际形态，受力之后将会变成一个与现状不一致的边坡，这不符合现在的实际情况。如果我们计算出现今边坡的内力，并将其作为边坡的初始应力场，再去和外力平衡，这样我们建立的模型就和现实边坡情况相一致了。 对于涉及开挖、回填的动态岩土工程问题，地应力平衡是正确模拟施工过程的前提条件。初始应力的加载必须满足地应力平衡，而地应力平衡就是为了使地基仅存在初始应力，而不存在初始应变。当地基自重是产生地应力场的主要因素时，重力是外力，初始应力场是内力，将提取出的内力施加于模型后再施加重力，此时内力和外力平衡，该状态就是工程建设的初始状态。 在表面水平的情况下，ABAQUS中初始地应力场的平衡一般只和密度有关，土体的密度一样，平衡的效果就好，别的参数对地应力平衡的结果影响很小。对于表面不平的情况，尽量通过inp文件导入初始应力的方法进行地应力平衡。 ABAQUS中进行地应力平衡的时间点的选择十分重要，地应力平衡是指在工程建设之前, 地表的位移应为零, 而土体的应力却存在。也就是说不管土体原来的样子如何（例如高山, 河流, 丘陵, 平原等）,进行地应力平衡的正确时间点应当是在我们对它做任何扰动之前. 具体采取的办法如下所述，我们对所建立的边坡几何模型施加和实际模型一致的重力和边界条件，得到变形以后边坡的内力，变形后边坡形状和原始边坡略有不同，其内力可近似作为现状边坡的内力，将其作为初始应力施加于现在的边坡中，接着施加外力（重力）来平衡初始应力，这样就建立了一个与现今边坡形态基本相同的边坡模型，这样之后的分析计算才是符合实际的。 地应力平衡中，重力是外力，应力场是内力，为了内力与外力平衡，我们需要将由外力作用产生的内力作为初始应力场施加于模型中，再加上外力，这样就达到了内力和外力平衡的效果。 常见的地应力平衡的三种方法： 1.地表水平土层分层水平的情况下的地应力平衡 地表水平而且土层分层水平的情况下的地应力平衡是最简单的情况, 事实上也是大多数计算用到的平衡方法, 这个时候可以用ABAQUS提供的*initial conditions, type=stress, geostatic 方法来做 2.地表不水平或土体分层不规则的情况下，首先将已知边界条件施加到模型上进行正演计算,然后将前面重力计算所得的应力数据导入的方式来进行地应力平衡, 该方法的核心思想是，重力作用于土体,然后提取每个单元的应力（S11,S22,S33,S12,S13,S23）, 最后将这些应力数据以.csv格式的文件读入inp文件中作为初始应力, 从而达到平衡土体位移的效果。 3. 不预设地应力
地应力计算公式
地应力计算公式 （一）、井中应力场的计算及其应用研究（秦绪英，陈有明，陆黄生 2003年6月） 主应力计算 根据泊松比μ、地层孔隙压力贡献系数V 、孔隙压力0P 及密度测井值b ρ可以计算三个主应力值： ()001H v A VP VP μσσμ??=+-+??-?? ()001h v B VP VP μσσμ??=+-+??-?? H v b dh σρ=?? 相关系数计算： 应用密度声波全波测井资料的纵波、横波时差（p t ?、s t ?）及测井的泥质含量sh V 可以计算泊松比μ、地层孔隙压力贡献系数V 、岩石弹性模量E 及岩石抗拉强度T S 。 ① 泊松比 222 20.52() s p s p t t t t μ?-?= ?-? ② 地层孔隙压力贡献系数 222 22 (34) 12() b s s p m ms mp t t t V t t ρρ??-?=-?-? ③ 岩石弹性模量 22 22234s p b s s p t t E t t t ρ?-?= ? ??-? ④ 岩石抗拉强度 2 2 (34)[(1)]T b s p sh sh S a t t b E V c E V ρ=???-????-+?? 注：,,,m ms mp t t ρρ??分别为密度测井值，地层骨架密度，横波时差和纵波时差值。,,a b c 为地区试验常数。 其它参数 不同地区岩石抗压强度参数是参照岩石抗拉强度数值确定,一般是8～12倍,也可以通过岩心测试获得。岩石内摩擦系数及岩石内聚力是岩石本身固有特性参数,可以通过测试分析获得。地层孔隙压力由地层水密度针对深度积分求取,或者用重复地层测试器RFT 测量。也可以通过地层压裂测试获得,测试时,当井孔压力下降至不再变化时,为储层的孔隙压力。
有限元特辑II 初始地应力平衡
有限元特辑II初始地应力平衡 技术邻作者：闷油瓶 文章所包含相关领域及技术点：应力平衡、abaqus、有限元Motivation 在ABAQUS中，提供了5种定应力平衡方法，分别是 1.(AUTOBALANCE)自动平衡法; 2.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，GEOSTATIC; 3.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，FILE=file，INC=i nc; 4.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，INPUT=XX．DAT; 5.*INITIAL CONDITIONS，TYPE=STRESS，GEOSTATIC，USER。 以上5种方法并不是每一种适用于所有的岩土模型，方法从易到难。方法①的自动平衡法，它省去了自重应力以及生成相应初应力文件和导入的麻烦。在(GEOSTATIC)地应力中选择自动增量步就能使用自动地应力平衡功能，还能指定允许的位移变化容限。不过自动地应力平衡支持有限的几种材料如弹性，塑性等，而其起单元也有一定的要求。 方法②为关键字定义初始地应力法，这种方法需要给出不同材料区域的最高和最低点的自重应力及其相应坐标。所采用的几何模型一般较
规则，表面水平，能够通过考虑水平两个方向的侧压力系数值来施加初始应力场。关键字定义初始地应力法只适合土体表面水平的土体，而初始地应力提取法由于外插的应力有一定的误差，因此对于材料是弹塑性的复杂土体，应力转移要通过大量的迭代才能完成，而其有可能出现不收敛的情况，平衡效果可能不是很理想。 方法③是ODB导入法，这种方法可使用之前算过的ODB文件结果，也就是说提前计算一个初始应力ODB文件，定义初始应力时直接指定ODB文件即可。 方法④初始应力提取法，首先将已知边界条件施加到模型上进行计算，然后是将计算得到的每个单元的应力外插到形心点出，导出S1 1，S22，S33，S12，S13，S23六个应力分量。这种方法是最为通用的方法，可以实用于不同材料，不规则的地形，适用性强。 方法⑤是采用用户子程序SIGINI来定义初始应力场，可以定义其为应力分量为坐标、单元号、积分点号等变量的函数，要达到精确平衡需已知具体边界条件，在实际中应用较少。 N小问 I.为何要施加初始地应力？ II.什么工况下，施加初始地应力？ III.什么时间点施加地应力？ IV.施加过程中及之后需要的注意事项？
地应力平衡方法介绍
6.19 Enhancements to the geostatic procedure Products: Abaqus/Standard Abaqus/CAE Benefits: The geostatic procedure for obtaining the initial equilibrium state has been enhanced so that you no longer have to specify initial stresses that are close to the equilibrium state to obtain a solution corresponding to the original configuration. Description: The geostatic procedure is normally used as the first step of a geotechnical analysis; in such cases gravity loads (and possibly other types of loads) are applied during this step. Ideally, the loads and initial stresses should exactly equilibrate and produce zero deformations. However, in previous releases of Abaqus the geostatic procedure did not enforce this condition. In complex problems it may be difficult to specify initial stresses and loads that equilibrate exactly. Consequently, the displacements corresponding to the equilibrium solution might be large unless a special procedure is used to enforce small displacements. The enhanced geostatic procedure allows you to obtain equilibrium in cases when the initial stress state is unknown or is known only approximately. Abaqus automatically computes the equilibrium corresponding to the initial loads and the initial configuration, allowing only small displacements within user-specified tolerances. The procedure is available with continuum and cohesive elements with pore pressure degrees of freedom and the corresponding stress/displacement elements. The elastic, porous elastic, Cam-clay plasticity, and Mohr-Culomb plasticity material models are supported. Although the list of supported materials includes materials that exhibit inelastic behavior, the procedure is intended to be used in analyses in which the material response is primarily elastic; that is, inelastic deformations are small. The new enhancements are available from the Incrementation tabbed page when you create or edit a geostatic step in Abaqus/CAE. You must select automatic incrementation to access the new controls. The default settings for increment size and maximum displacement change are shown in Figure 6–6. Figure 6–6 The Incrementation options for a geostatic step.
超深基坑工程预加轴力施加方法的分析和意见
超深基坑工程预加轴力施加方法的分析和意见 发表时间：2018-08-13T14:33:11.730Z 来源：《基层建设》2018年第19期作者：夏国燕 [导读] 摘要：预加轴力是超深基坑工程研究的重点。 杭州萧山城区建设有限公司 摘要：预加轴力是超深基坑工程研究的重点。以现阶段超深基坑工程施工情况为基础，结合近年来预加轴力研究工作特点，明确新时代发展对超深基坑工程提出的建设要求，了解预加轴力的作用，分析超深基坑工程预加轴力施工架方法，以期为工程建设施工提供保障。 关键词：超深基坑工程；预加轴力；施工方法；意见 在社会经济不断发展，科技技术持续革新的背景下，人们的生活质量越来越高，对基础设施和住房的要求也随之提高。从最初的茅草屋、泥泞路、独木桥逐渐发展成了砖房、石板路，再到现如今的高楼大厦、地铁火车。与此同时，新的施工建设材料也得到了研发和推广，大量现代化施工技术得到了应用，但也涌现出了全新的工程问题。下面以超深基坑工程为例，对其施工建设工作中的预加轴力施工方法进行深层探索。 1.国内外研究现状分析 对基坑变形检测、研究及预测、管理的相关工作一直都是工程界关注的难题。因为基坑工程中包含很多不确定因素，如地质条件、水文条件及周边环境等都拥有自己的特点，各项工程间不能随意借鉴和引用，所以几十年的基坑变形研究工作发展速度极为缓慢，且远远低于结构工程的有效性研究进度，成为了当前影响工程行业持续发展的主要因素。在二十世纪七十年代初期，以可靠性理论为基础的结构设计方案初步形成且得到推广，基坑工程领域的学者还在对土体物理力学数据的随机性和概率划分等进行深层探索，但直到现如今，这些问题都没有得到有效解决，虽然获取了一定成果，但没有提出完善的系统理论，因此相关的问题研究还要继续进行。 2.工程介绍 本文选择的超深基坑工程是某市建造的地下停车库，具体开挖深度达到了三十四点三米。基坑工程影响范围包含了十层土体，工程影响范围内下层土体性质高，属于泥质粉砂岩，但在开挖到八点三米到二十六米时，土体变成了淤泥质粉质粘土，性能过低。施工单位选择的围护结构是桩撑式，在本次工程施工中一共有八道支撑。除了第一和第五道属于混凝土支撑外，其他每道钢支撑设计的预加轴力都控制在300kN[1]。 3.数值计算模型 依据Adina有限元软件构建的数值计算模型，可以从几何模型、材料参数设计和工况模拟三个角度进行深层探索。下面对其中两点进行分析： 3.1几何模型 其一，土层模型。这一阶段是结合实际需求划分为十层，具体形式如下所示： 图1 土体模型 其二，围护结构。施工人员在围护结构的状体位置选择引用了实体单位，并结合抗弯刚度等原理实施模拟检测。以桩体实际配筋情况可以分为两种单元；一方面是钢筋较少部分桩体单元；另一方面是配筋较多的部分桩体单元。通过引用truss桁架线进行模拟支撑体系，可以获取以下几点内容：第一，对弹性模量提出混凝土支撑与钢支撑；第二，对截面积提出满足实践需求的内容；第三，对线单元的初期应变进行设计，确保其满足支撑预加轴力的模拟[2]。 3.2工况模拟 其一，开挖工况设计分析。具体内容主要分为以下几点：第一，地应力平衡；第二，依据单元生死功能模拟围护桩体施工；第三，开挖第一层土体；第四，设计第一道混凝土支撑；第五，重复进行第三和第四步工作，一直到获取第八道钢支撑为止；第六，开挖最后一层土体；第七，浇筑基坑底板。 其二，支撑预加轴力施加方法。通过整合实践设计需求，钢支撑的中间支撑都要加大预加轴力，因此在模型中也要对其实施模拟。现阶段落实的有限元模拟工作，在truss单元中加大预加轴力的方法是：truss单元同周边实体单元依据结点约束方程的形式进行连接，再依据不同的方式给予truss单元初始应力。方法有施加初始应力、改变温度及设计初始条件等。 通过上述方法对预加轴力实施模拟，有助于保障truss单元同周边实体单元在结点约束方程中来调节内力和变形。但在实践施工中，各层钢支撑是依据多种类型钢支撑构成的，在协调内力与变形的过程中，每一根钢支撑的内力都会出现改变，并与设计预加力产生差异性，进而难以满足施工现场需求。因为在现场施工中，工作人员通常情况下会引用千斤顶来加大预加力，这样有助于确保每根钢支撑的预加力和设计预加力一致。 总体来说，施工人员要寻找一个更为科学的模拟基坑开挖钢支撑预加力的施加方式，并注重研究下述几点内容：第一，在完成支撑架设工作后，工作人员要对支撑处于围护结构的对应位置提出一对相反的模拟预加力；第二，在支撑力和维护结构力的作用点中，明确传力
基于ABAQUS的无渗流偏压隧道开挖分析(包含地应力平衡分析)
基于ABAQUS的无渗流偏压隧道开挖分析（包含地应力平 衡分析） 1 隧道建模及地应力平衡 1.1 工程概况 本模型截取的一段隧道通过山体坡度30°左右一侧，隧道开挖及初衬断面为五心圆各项参数如表2.1所示。隧道跨度13.36m，高11.71m，偏压部分覆盖层厚度约为20m。隧道区地下水主要为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，垂直隧道中轴线向东120米勘察孔水位为65米，向西120米勘察孔水位为10米。施工过程中隧道单位正常涌水量3.43m3/d，中等富水。具体围岩初衬参数将在后文建模时给出。 表2.1 隧道断面参数(单位：cm) r[1]R[1]r[4]R[4]h[1]h[2]h[3]a b h H B 1.2 隧道建模及偏压判定 结合隧道工程勘察报告和规范取围岩和初衬参数值如表2.2所示，隧道初衬厚度为30cm。 表2.2 围岩和初衬参数取值 弹性模量/GPa泊松比密度/Kg/m3内摩擦角/°内聚力/MPa V级围岩 1.80.382200250.3 初衬250.22400// 文献指出，取模型边界为隧道开挖直径8倍时，其地震和静力计算对隧道的影响可以忽略不计。本模型取隧道开挖直径的10倍，力求将边界影响降低到最小，同时兼顾计算工作量。建模时先简化山体坡脚30°一侧为一顶角120°的圆锥，按照隧道实际位置确定隧道后，在山体上切下符合隧道开挖直径10倍的计算模型（如图2.2），这样会使模型上表面近似山体的曲面，较符合实际地形条件，模型自前向后偏压角度略有减小。与直接将上表面简化为平面的模型相比，其计算结果和实际工程的符合性有较大提升，对隧道内部应力的分布也反映的更为准确。本章将对无渗流条件下的静力偏压情况进行模拟，以便和后文中渗流作用下
分岔隧道稳定性研究
第5章 知识要点：
分岔隧道稳定性研究
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分岔式隧道简介 ABAQUS 的模拟方法 大拱段数值计算 连拱段数值计算 小间距隧道数值计算 本章小结
本章导读： 首先简要介绍了分岔式隧道的两种常见形式：Ⅰ型分岔隧道和Ⅰ型分岔隧道，接下来介绍 ABAQUS 在分岔式隧道模拟中涉及到的主要模拟方法：地应力平衡、喷锚支护和施工开挖多步骤分 析，然后分别对分岔式隧道中的大拱、连拱和小间距拱的施工开挖全过程进行了平面和三维的数值 模拟，并提出了可供工程设计施工参考借鉴的结论。
5.1 分岔式隧道简介
高速公路隧道一般设置为上下行分离的双洞，且两洞室的间距保持在 30m 左右，通常称之为标 准间距的分离隧道。 有时受地质施工等因素的限制不得不采用小间距隧道形式或连拱隧道形式，如果相邻隧道的间 距小于规范的距离，则为小间(净)距隧道。招宝山隧道为我国第一座超小净距（<0.28B）并行隧道。 国内外不少专家学者研究了小间距隧道，其围岩变形特点表明，小净距隧道在设计、施工中必须慎 重对待中央岩柱的稳定性，应采取必要的设计、施工措施，减小开挖对中央岩的扰动，确保小净距 隧道的施工安全。连拱隧道是一种比较特殊的隧道结构，其常用施工方法为：l）三导洞超前施工方 法，2）中导洞超前施工方法，3）无导洞超前施工方法。在日本及意大利为中心的澳大利亚、瑞士、 法国等欧洲隧道修建技术发达的国家，连拱及小间距隧道已有相当的设计施工经验。以日本为例， 在山岭重丘区的高等级公路隧道和城市浅埋隧道中大量选用了连拱隧道。其施工方法主要有以下几 种:三导洞（中央+侧壁）半断面施工方法、三导洞全断面施工方法（中央十侧壁） 、三导洞（中央+ 侧壁）CD 施工方法、中央导洞 CD 施工方法、中央导洞配合两拱顶盾构导洞施工方法以及中央盾 构导洞施工方法。 在近二十年高速公路建设实践中，隧道工程技术人员创造性地提出了小间距隧道和连拱隧道这 两种新的隧道建设形式，并在工程中成功地得到大量的运用，为山区高速公路的建设作出了重要贡 献（图 5-1） 。 分岔隧道是目前在更为复杂地形地质条件下修建山区高速公路过程中提出的一种新的隧道建设
第7章 初始地应力场的生成及应用
第7章初始地应力场的生成及应用 在土木工程或采矿工程领域中，初始地应力场的存在和影响不容忽略，它既是影响岩体力学性质的重要控制因素，也是岩体所处环境条件下发生改变时引起变形和破坏的重要力源之一。因此，要想较真实地进行工程模拟仿真，就必须保证初始地应力场的可靠性。初始地应力场生成的主要目的是为了模拟所关注分析阶段之前岩、土体已存在的应力状态。本章即介绍FLAC3D中初始地应力场的生成方法及应用。 本章重点： ?常用的初始地应力场生成方法 ?常见工程初始地应力场的生成 ?路基施工过程的模拟 7.1 初始地应力场生成方法 在FLAC3D中，初始应力场的生成办法较多，但通常用的是以下三种方法，即弹性求解法、改变参数的弹塑性求解法以及分阶段弹塑性求解法。下面将以表7-1所述简单模型为例，介绍这三种生成初始地应力场的方法。 表7-1 模型尺寸、土体密度及变形参数 1×1×2 1×1×2 2000 30 10 0.35 7.1.1 弹性求解法 初始地应力的弹性求解法生成是指将材料的本构模型设置为弹性模型，并将体积模量与剪切模量设置为大值，然后求解生成初始地应力场。例叙述的是采用该法生成上述简单模型的初始地应力场的过程。 例7.1弹性求解生成初始地应力场 new gen zone brick size 1 1 2 model elas prop bulk 3e7 shear 1e7 fix z ran z 0 fix x ran x 0 fix x ran x 1 fix y ran y 0 fix y ran y 1 ;开始一个新的分析 ;生成网格模型 ;设置弹性本构模型 ;设置体积模量和剪切模量 ;固定z=0平面所有节点z向速度;固定x=0平面所有节点x向速度;固定x=1平面所有节点x向速度;固定y=0平面所有节点y向速度;固定y=1平面所有节点y向速度
地应力知识
地应力知识 简介 地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。 随着水利水电、矿山、交通与城建等边坡、洞室及深基坑等事故的明显增加从而使人们对地应力引起较为广泛的注意与重视，所以，地应力研究不但具有重要的实际意义，而且具有重要的理论意义。 一地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。30多年来的实测和理论分析表明，地应力形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括： 板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学等也可引起相应的应力场，其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。 1大陆板块边界受压引起的应力场 以中国大陆板块为例，由于受到印度板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，包括发生变形，产生水平受压应力场。2地幔热对流引起的应力场 由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下对流和蠕动。地幔热对流引起地壳下面的水平切向应力，在亚洲形成由孟加拉湾一直延伸到贝加尔湖的最低重力槽。 3由地心引力引起的应力场（也称为重力场） 重力场，是各种应力场中唯一能够计算的应力场。重力应力为垂直方向应力，是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全
等于自重应力，因为板块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。 4岩浆侵入引起的应力场 岩浆侵入挤压、冷凝收缩和成岩，均在周围底层中产生相应的应力场，其过程也是相当复杂。熔融状态的岩浆处于静水压力状态，对其周围施加的是各个方向相等均匀压力，但是热的岩浆侵入后逐渐冷凝收缩，并从接触面界面逐渐向内部发展，不同的热膨胀系数及热力学过程会使侵入岩浆自身及其周围岩体应力产生复杂的变化过程。 岩浆侵入引起的应力场是一种局部应力场。 5地温梯度引起的应力场 地层的温度随着深度增加而升高，一般为a=3℃/100m。由于地温梯度引起地层中不同深度不相同的膨胀，从而引起地层中的压应力，其值可达相同深度自重应力的数分之一。6地表剥蚀产生的应力场 地壳上升部分岩体因为风化、侵蚀和雨水冲刷搬运而产生剥蚀作用。剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比由地层厚度引起的自重应力还要大得多的水平应力值。因此，在某些地区，水平应力除与构造应力有关外，还和地表剥蚀有关。 二地应力的研究观点 对地应力的研究已有一百多年的历史了，但总的说来，现在主要有三种观点： 1“静水应力式”分布的观点 它最早是海姆(Heim)于1878年提出的“静水压力”假说。 以后（1905~1912年），又提出相应的应力计算公式。1925年，金尼克也提出了弹性理论计算法及相应的公式。但事实表明，它们只能适用于一定的环境条件下，如，埋深较大的未受到扰动的地层。