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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 1.2 岩石的工程力学性质 1.3 岩石可钻性与研磨性,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,(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,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
2、、碳酸盐岩等。,沉积岩：泥岩60% ，砂岩30%，碳酸盐岩居第三位。 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 (2) 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； (3) 变质岩 片麻岩、片岩、大理岩（方解石）、千枚岩、板岩、石英岩等； (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
3、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、颗粒间的联结情况等。 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、页理、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
4、，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、强度等）有较大的差异。 岩石的各向异性性质是由岩石的构
5、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。,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、颗粒间的联结强度 、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，去合适的均值作为代表。,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,1.2 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
6、 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力应力破坏时的强度 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
7、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。,如果材料是各向同性的，则有： 物体在弹性变形阶段，剪切变形同样也服从虎克定律，即 =G 式中： 剪应力； 剪应变； G切变模量(或剪切弹性模量)。 对于同一材料，三个弹性常数E、G和之间有如下的关系：,常见岩石的弹性模量与泊松比,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
8、岩石的强度,岩石的强度,抗压强度 抗拉强度 抗压强度 抗弯曲强度,通常情况下： 抗压抗剪抗弯抗拉强度,指岩石抵抗外力压缩的能力，其数值大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可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
9、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。,内压胀裂实验： 对圆筒状岩样施以均匀内压，直到圆筒胀裂的试验方法。通过运用拉梅厚壁圆筒应力理论，可确定岩样的抗拉伸强度。,巴西劈裂实验： 这一试验是将一个薄圆盘试件沿其直径方向上加载，在沿着加载直径上分布着垂
10、直于加载方向拉伸应力如图所示。,间接测量,圆盘的破裂是从圆的中心开始,并沿着加载直径向上下两个方向扩展开来。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),1. 常规三轴试验 常规三轴试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态，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(12=3=p)，也可以进行三轴拉伸试验。,三、复杂应力条件下的岩石强度,三轴应力作用下岩石机械性质的变化,两方面显著变化,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
11、着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，临界压力不同。,四、岩石的抗压入强度（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、研磨法。石油工业主要是利用静压入的方法测量岩石
12、硬度（岩石的压入硬度是前苏联史立涅尔提出的，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。,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)。 岩石矿物的摩氏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摩氏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。 下面介绍史氏硬度的测量方法。,要求：岩样的长度为3050
13、mm，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。 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
14、石级别及岩石硬度的关系,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。 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。 对于塑脆性岩石： 脆性岩石K=1；塑性岩石，KP=。,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、钻速55n/min的固定条件下，用直径31
15、.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，称为可钻性极值。,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，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。,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
16、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: 脆性、塑性、脆塑性,
