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1、第1章 岩石的工程力学性质,1.1 岩石的类型及结构特点,（1）岩石的组成岩石：是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体，具有一定的强度。矿物：在地壳中有一定的化学成份和物理性质的自然元素或化合物称为矿物，是地壳中的各种化学元素在各种作用下形成的产物。常见的造岩矿物如下表。,化合 组合元素 矿物 岩石,常见的造岩矿物,花岗岩，是由石英、长石、和云母颗粒组成的。,(2)岩石的类型根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩,钻井中常遇到的岩石,随着地球上主要地质过程的演变，这三类岩石之间可以互相转变。,(3)沉积岩的类型根据沉积岩的成因、成份及结构分为：碎屑岩、
2、粘土岩、碳酸盐岩等。,(1)岩浆岩花岗岩、玄武岩、安山岩、橄榄岩、辉长岩、闪长岩、流纹岩等；(2)变质岩片麻岩、片岩、大理岩（方解石）、千枚岩、板岩、石英岩等；,沉积岩：粘土岩：泥岩（页岩）：碎屑岩：砾岩、砂岩（粗砂岩、中砂岩、细砂岩）、粉砂岩碳酸盐岩：石灰岩、白云岩、盐岩(易水化)、石膏（易变形）、盐膏岩根据方解石和白云石的相对含量，碳酸盐岩分为石灰岩和白云岩。方解石含量50%为石灰岩；白云石含量50%为白云石；泥岩60%，砂岩30%，碳酸盐岩居第三位。(4)过渡岩性（泥质、砂质、粉砂质）：泥岩砂质泥岩粉砂质泥岩页岩；砾岩砂岩泥质砂岩泥质粉砂岩粉砂岩；石灰岩含泥质灰岩、泥灰岩、砂质石灰岩、粉
3、砂质石灰岩、含泥质白云岩、砂质白云岩、粉砂质白云岩白云岩。,沉积岩的类型根据沉积岩的成因、成份及结构分为：碎屑岩、粘土岩、碳酸盐岩等。,部分岩浆岩,沉积岩的特点（1）结构特点 结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的胶结情况等。特点：矿物成分不确定，颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。（2）构造特点 构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置。如：层理、节理（裂隙）、孔隙度等。一般，沉积岩具有明显的层理特征。,层理：岩石一层一层叠起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。形成层理的原因：沉积岩常具有一层一
4、层近似平行的层理，为不同时期沉积环境变化所制。最初的层理近似水平，其后受到地壳变动影响可能倾斜、弯曲或断裂。层理的分类：A、成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化 B、不同成分颗粒的交替沉积 C、某些矿物颗粒指向相同 D、某种矿物颗粒呈规律性的分布,在某些岩石中的化学沉积物，层理表现的很不明显。有时在砂岩和层状岩石中，只有在很大块岩石中才可以区别出层理来。在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层理变化的反映。,(3)各向异性和非均质性 各向异性:如果物体的某一性质随方向的不同而不同,则称物体具有各向异性。岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于或平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性
5、、强度等）有较大的差异。岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。结晶矿物的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。,片理是岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力。,不均质性:如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。,岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的胶结强度、孔隙度（密度）等不均质性造成的。测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大的差异，因此，采用统计学理论，取合适的均值作为代表。,生油层（最下面）：泥质岩类和碳酸盐岩类。泥质岩类生油层以泥岩、页岩为主，其次为砂质泥岩、泥质粉砂岩等；碳酸盐岩类生油层以灰岩、泥灰岩、石灰岩、白云岩
6、为主。储集层（中部）：能够储集石油和天然气，并在其中流动的岩层。分为碎屑岩类、碳酸盐岩类。碎屑岩储集层为主，碳酸盐岩储集层仅在四川油田、华北油田存在。碎屑岩储集层岩性包括砾岩、砾状砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩。中、细砂岩储集层分布最广，储油物性最好；碳酸盐岩类储集层岩性包括石灰岩、白云岩、白云质灰岩、生物碎屑灰岩、鲕状灰岩等，特征：有裂缝、孔洞等。盖层（上部）：指位于储集层之上的一个封隔储集层，避免其中油气向上逸散的保护层。常见的盖层岩性类型为：页岩、泥岩、盐岩、石膏和无水石膏等。其中，页岩和泥岩盖层常与碎屑岩储集层伴生；盐岩、石膏则多与碳酸盐岩储集层共存。,生、储、盖组合,第1章 岩
7、石的工程力学性质,1.1 岩石的类型及结构特点1.2 岩石的工程力学性质1.3 岩石可钻性与研磨性,1.2 岩石的工程力学性质,物理性质：密度，孔隙度，饱和度水理性质：吸水性、透水性、软化性、抗冻性、可溶性、膨胀性及崩解性工程力学性质：岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性,强度性质：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等变形性质：弹性模量及泊松比,几个概念：弹性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性，相应的变形称为弹性变形。塑性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。脆性：岩石在外力作用下变形很小（小
8、于3%）就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。强度：岩石在外力作用下发生破坏时所承受的最大应力。抗拉强度岩石单纯受拉伸应力破坏时的强度 抗压强度岩石单纯受压缩应力破坏时的强度 抗剪强度岩石单纯受剪切应力破坏时的强度 抗弯强度岩石单纯受弯曲应力破坏时的强度,常见岩石的抗压及抗拉强度,岩石的变形性质：弹性模量和泊松比 产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服从虎克定律：=E弹性模量：岩石每增加单位应变所需增加的应力。式中：E弹性模量；应力；应变泊松比：压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比。,常见岩石的弹性模量与泊松比,主要内容,一、岩石的应力应变曲线,二、简单应力条件下岩石的强度,
9、三、复杂应力条件下岩石的强度,四、岩石的抗压入破碎强度,五、影响因素分析,点B：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，S称为屈服应力。,CD段：曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。,一、岩石的应力应变曲线,BC段：随着载荷的继续增大，变形和载荷呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。,强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验,二、简单应力条件下岩石的强度,岩石的强度,抗压强度抗拉强度抗剪强度抗弯曲强度,通常情况下：抗压抗剪抗弯抗拉强度,在岩
10、样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，通过单轴抗压试验来获得。,岩石抗压强度：,实验要求：*施加压力的方向应平行于岩心的轴线*岩样长度L应适当，L/D很小时，试件中的应力分布趋于三轴应力状态，具有较高的强度；L/D很大时，将发生弹性不稳定破坏；L/D应适中，一般以L/D=2.53.0较好。*尽量减小端面效应，设法降低试件端面与加压板间的摩擦。*试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少为10：1。因此，原则上应尽量采用较大直径的试件。建议采用2.22.6厘米直径的试件。,按抗压强度对地层进行分类,直接测量：把岩样加工成拉伸试样，置于材料拉伸试验机上进行简单应
11、力状态下(或称单轴抗拉伸状态)的拉伸试验。岩样拉断时的应力值即为岩石的抗拉伸强度。,岩石抗拉伸强度,可通过直接和间接抗拉伸强度试验来确定,实验要求：*设计恰当的夹紧机构；*制备一定形状的岩样；*确保加载方向严格平行于岩样轴线。,巴西劈裂实验：将一个薄圆盘试件（直径40mm*厚度25mm）沿其直径方向加载，在沿着加载直径上分布着垂直于加载方向拉伸应力，如图所示。,间接测量方法：巴西劈裂实验,圆盘的破裂从圆中心开始,当拉应力达到岩样的抗拉强度时，试件在加载点连线上呈现清晰的破裂。岩石的抗张强度可按下式计算(r半径，t厚度)：,三、复杂应力条件下的岩石强度,首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力
12、状态，然后保持此压力（围压）不变，对岩样加载，直到使其破坏。可以进行三轴压缩试验，也可以进行三轴拉伸试验。,常规三轴试验,三轴应力作用下岩石机械性质的变化,两方面显著变化,研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井具有重要意义：,脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别用不同的破碎工具（如不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）的组合。因此，确定岩石的脆塑性转变的“临界压力”将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。,岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，岩石强度增大。随
13、着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。,四、岩石的抗压入破碎强度（硬度）（formation hardness）岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。硬度与抗压强度区别：前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。前者反映岩石颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；后者反映岩石的组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。测量岩石硬度的方法 静压入法、冲击回弹法（摆球硬度）。石油工业主要是利用静压入的方法测量岩石硬度（岩石的压入硬度是前苏联史
14、立涅尔提出的，也称史氏硬度）。石油钻井中，常用的硬度有两种：史氏硬度和摩氏硬度。,把重量为5.7g的钢球，用长250mm的线悬起来，从水平方向落下，撞击在岩样的侧面上。打击岩石消耗掉一部分能量，剩余的能量将钢球回弹起一定的角度。岩石表面的硬度越高，钢球回弹的角度越大，钢球从第一次回跳到完全停跳所经历的回跳次数也越多。因此，可按回弹角度和回跳次数来确定岩石的硬度。试验用的岩样一般都是圆柱状岩芯，直径大于40mm，长度大于65mm，两端切平，端面与岩芯轴线垂直，受试面还必须抛光。,摆球硬度（冲击回弹法）,摩氏硬度：表示材料的相对硬度。测量方法是用两种材料互相刻划，在表面留下擦痕者则硬度较低。用10
15、种矿物为代表，作为摩氏硬度的标准，依次为：滑石(1度)、石膏(2度)、方解石(3度)、萤石(4度)、磷灰石(5度)、长石(6度)、石英(7度)、黄玉(8度)、刚玉(9度)、金刚石(10度)。岩石矿物的硬度是选择破岩工具的重要参考依据，若在岩石中占一定比例的矿物的硬度达到或接近破岩工具工作部位材料的硬度，则工具磨损很快。史氏硬度的测量方法。,要求：岩样的长度为3050mm，直径4050mm，两端面光滑且相互平行；,试验仪器：岩石压入硬度测试仪。,岩石的脆性和塑性 三类：脆性岩石（brittle rock）、塑性岩石（plastic rock）和塑脆性岩石（brittle-plastic rock
16、。在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，这种情况称为塑性的；岩石在外力作用下，直至破碎而无明显的形状改变，这种情况称为脆性的；介乎于两者之间的是脆塑性岩石。,脆性和脆塑性岩石的硬度为：式中：P产生脆性破碎时压头上的载荷(牛顿)；S压头的底面积(毫米2)；对塑性岩石，取产生屈服(即从弹性变形开始向塑性变形转化)时的载荷P0代替P，即：,岩石级别及岩石硬度的关系,塑性系数：岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前弹性变形功AE的比值。用岩石的塑性系数KP作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。对于塑脆性岩石：脆性岩石K=1；塑性岩石，KP=。,五、影响岩石力学性质的因素分析 1、岩石
17、结构（1）对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高，如：玄武岩（斜长石、辉石，6）白云岩（4）石灰岩（5）。（2）砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；硅质胶结钙质铁质泥质。（3）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。因此，岩石的强度一般随埋藏深度的增加而增大。2、井底各种压力（1）有效应力（外压与内压之差）越大，岩石强度越大，塑性越 大，（各向压缩效应）。（2）井内液柱压力与孔隙度压力之差越大，岩石强度越大，塑性越 大。,3、载荷性质的影响 岩石对动载的抗力要比静载大得多，随着冲击速度的增大，硬度增大，塑性系数减小。但在冲击速度小于10m/s时，岩石硬度和塑性系数变化不大，
18、接近于 静载时的数值。在10000米深度范围内：强度：盐岩 铁质、钙质 泥质胶结 塑性：盐岩石灰岩泥页岩石膏白云岩石英岩,第1章 岩石的工程力学性质,1.1 岩石的类型及结构特点1.2 岩石的工程力学性质1.3 岩石可钻性与研磨性,1.3 岩石可钻性和研磨性 1、岩石可钻性（Rock Drillability）（1）概念：指岩石破碎的难易程度，可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。（2）评价方法 在钻压890(500)N、转速55 rpm的固定条件下，用直径31.75mm的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm（3mm）孔深所需的时间t作为岩石可钻性指标，由此
19、把岩石分为易钻和难钻的。为应用方便，常用 作为可钻性指标，称为可钻性级值。,可钻性级值越大，岩石越难破碎。,实验时的各项技术指标如下：微钻头直径：31.75mm。钻压：牙轮钻头：890N20N，PDC钻头：500N20N。转速：55r/min1r/min。钻孔深度 牙轮钻头：2.6mm。预钻深度：0.2mm，计时钻孔深度：2.4mm。PDC钻头：4mm。预钻深度：1.0mm，计时钻孔深度：3.0mm。实验时，在每块岩心试样上钻三个孔，取其钻时平均值作为该岩石试样的钻时T，该岩石的可钻性级值,室内岩心微钻头实验求取可钻性,2、岩石的研磨性 钻井过程中，钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦，
20、从而在破碎岩石的同时，这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。至今尚没有统一的测定岩石研磨性的方法和分级标准。,实验证明，金属环的单位摩擦路程的磨损不取决于圆盘的转速，而只与载W成正比，因而可用一个比例常数来表示：,摩擦磨损法,优点：在相对较小的载荷作用下，可使圆环与岩石试件间的接触压力达到非常高的值；圆环的转动使其接触表面不断改变，有利于冷却和清除磨损产物；岩石试件的平移也保证了岩石的摩擦表面不断更新，并且使得接触压力在实验过程中保持不变。,岩石的研磨性不仅取决于岩石的结构和组织特点、组成岩石的矿物的性质和颗粒大小（对于碎屑岩还取决于胶结
21、强度）等一系列岩石本身的性质，还取决于用于磨损的金属材料的性质。,钻井的工作对象是岩石，岩石性质与钻井工作的关系密切。(1)岩石机械性能影响钻井速度 强度、硬度、塑性、研磨性影响钻进的速度与钻头进尺;(2)岩石性质影响钻井液性能 钻到石膏岩层、盐岩层等，会破坏泥浆的性能；(3)岩石性质影响井眼质量：井壁垮塌、缩径、井斜、井漏泥页岩极易遇水膨胀，使井径缩小，造成起下钻遇阻，甚至卡钻、泥包钻头、井塌等。砾岩，可能产生跳钻、蹩钻和井壁垮塌。石灰岩一般较硬，钻速慢，进尺少，有的石灰岩裂缝缝洞发育，钻遇时会发生井漏、蹩钻等。当钻到软硬交错层时易产生井斜。,岩石特性对钻井的影响,泡水前岩石：完整坚硬,泡水
22、后岩石：水化分散,小结,砾岩、砂岩、粉砂岩泥岩（页岩）石灰岩、白云岩、盐岩、石膏、盐膏岩,强度性质：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、硬度、可钻性、研磨性变形性质：弹性模量及泊松比,岩石力学性质,小结,岩石应力应变曲线,影响岩石力学性质的因素,结构井底各种压力载荷性质,本章重点1 岩石各向异性的概念抗压强度的概念与计算硬度、塑性系数的概念与计算岩石应力应变曲线（塑脆性岩石）岩石可钻性、研磨性的概念6 岩石在三轴应力条件下的强度与变形特性 岩石在三轴应力条件下的强度明显增加，随着围压的增大，岩石强度增大。随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏呈现的塑性也越大。,作业,1、对某岩样进行单轴抗压强度实验，已知岩样破坏时轴向载荷为139KN，岩样直径为5cm，求岩样的抗压强度。2、用平底圆柱形压头测定某岩样硬度，已知岩样产生脆性破碎时压头上的载荷为1.35KN，压头直径为0.8mm，求该岩样的硬度。,
