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1、0,岩石力学基础,第二章 岩石的物理性质及工程分类,1,知识回顾,岩石的结构和分类 岩石的微观结构 岩石的宏观结构,成 岩 旋 回 图,2,主要内容,2.1 岩石的工程性质 2.2 岩石的物理性质指标 2.3 岩石的非均质性和各向异性 2.4 岩石的工程分类,3,1）岩浆岩的性质 岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大。 深成岩具结晶联结，晶粒粗大均匀，孔隙度小、裂隙较不发育，岩块大、整体稳定性好，但值得注意的是这类岩石往往由多种矿物结晶组成，抗风化能力较差，特别是含铁镁质较多的基性岩，则更易风化破碎，故应注意对其风化程度和深度的调查研
2、究。 浅成岩中细晶质和隐晶质结构的岩石透水性小、抗风化性能较深成岩强，但斑状结构岩石的透水性和力学强度变化较大，特别是脉岩类，岩体小。 喷出岩常具有气孔构造、流纹构造和原生裂隙，透水性较大。此外，喷出岩多呈岩流状产出，岩体厚度小，岩相变化大，对地基的均一性和整体稳定性影响较大。,2.1 岩石的工程性质,4,2）沉积岩的性质 碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著。此外，碎屑的成分、粒度、级配对工程性质也有一定的影响。 粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，受力后变形量大，浸水后易软化和泥化。若含蒙脱石成分，还具有较大的膨胀性。这两种岩石对水工建筑物地基和建筑场
3、地边坡的稳定都极为不利，但其透水性小，可作为隔水层和防渗层。 化学岩和生物化学岩抗水性弱，常具不同程度的可溶性。硅质成分化学岩的强度较高，但性脆易裂，整体性差。碳酸盐类岩石如石灰岩、白云岩等具中等强度，一般能满足水工设计要求，但存在于其中的各种不同形态的喀斯特，往往成为集中渗漏的通道。易溶的石膏、盐岩等化学岩，往往以夹层或透镜体存在于其他沉积岩中，质软，浸水易溶解，常常导致地基和边坡的失稳。,2.1 岩石的工程性质,5,3）变质岩的性质 变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。一般情况下，由于原岩矿物成分在高温高压下重结晶的结果，岩石的力学强度较变质前相对增高。 变质岩的片
4、理构造(包括板状、千枚状、片状及片麻状构造)会使岩石具有各向异性特征，水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。,2.1 岩石的工程性质,6,岩石的物理性质是指岩石的强度、密度、孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。 岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。在砂岩的扫描电子显微镜照片，可以清楚地看到砂岩中的石英颗粒，并且还可以看到石英颗粒之间存在着流体流通的网络。岩石正是这样一种特殊的多孔介质，一种由固体矿物和流动的孔隙流体组成的多相体。,2.2 岩石的物理性质,7,2.2 岩石的物理性质,砂岩的扫描电子显微镜照片。照片中可以看
5、到 砂岩中的石英矿物颗粒(黑色)，也可以看到它们之间的孔隙,8,2.2 岩石的物理性质,孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要的影响。例如，岩石中孔隙体积增加1，会导致岩石弹性参数变化10倍，或者更多, 也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化。 岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成、矿物得以富集的前提。 岩石的物理性质与其力学性质密不可分，因此，研究岩石的物理性质是岩石力学研究的一个重要内容。,9,1）岩石的强度（ rock strength ） 岩石的强度主要取决于矿物强度（ mineral strength ） 、结构联结形式、岩石的结构和整个构造。 对于火成岩、变质岩、化学沉积岩
6、来说，化学结构连结起主要作用，因此，其组成矿物的强度越大，岩石的强度就越大。 对于碎屑沉积岩来说，其胶结（cementation ）物对强度影响程度最大，即其强度主要取决于矿物颗粒间的联结强度（cementation strength ）。不同胶结物的联结强度不同：硅质、铁质钙质泥质。,2.2 岩石的物理性质,10,2）岩石的密度 岩石密度是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm3。它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力和选取建筑材料等必需的参数。岩石密度又分为颗粒密度和块体密度。 颗粒密度：岩石的颗粒密度(s)是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。它不包括孔隙在内，因此其大小仅取决于组成岩
7、石的矿物密度及其含量。岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。 块体密度：块体密度(或岩石密度)是指岩石单位体积内的质量，按岩石试件的含水状态，又有干密度(d)、饱和密度(sat)、和天然密度()之分，在未指明含水状态时一般是指岩石的天然密度。,2.2 岩石的物理性质,11,3）岩石的孔隙度(porosity ) 岩石的孔隙度是岩石孔隙的总体积与岩石总体积之比，常用百分数表示。岩石的总体积V总由基质的体积V基和孔隙体积V孔两部分组成，则岩石的孔隙度表示为： = 上式中，值为无因次量，称为绝对孔隙度。,2.2 岩石的物理性质,12,在油田开发中，参与渗流的连通孔隙才是有效的，对于那些封闭
8、孔隙，尽管其中有油气储存，但是很难开采出来，因此称为无效孔隙。这样就把孔隙度分为有效孔隙度和无效孔隙度两种。 岩石的有效孔隙度，是指岩石中有效孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。有效孔隙体积是指参与渗流的连通孔隙体积，以有效、V连通分别表示岩石的有效孔隙度和连通孔隙体积，则： 有效=,2.2 岩石的物理性质,13,实际储层岩石孔隙度值的范围如下： 砂岩孔隙度：10-40，它取决于砂岩的性质及其胶结状态。 石灰岩和白云岩孔隙度：5-25% 粘土或页岩孔隙度：20-45，它取决于粘土（或页岩）的成因和埋藏深度。 按照孔隙度值来划分或评价储集层，其标准为： 20 特好储层,2.2 岩石的物理
9、性质,14,4）岩石的渗透性(rock permeability ) 在压力作用下，岩石允许流体通过的性质称为岩石的渗透性。 习惯上人们常常把那些在地层压力条件下流体比较容易地沿着连通的孔隙、喉道、裂缝、溶洞流动的岩石，例如砂岩、裂缝性碳酸盐岩称为渗透性岩石；而把流体难于在其中流动的岩石、粘土或页岩、石膏、盐岩等称为非渗透性岩石。,2.2 岩石的物理性质,15,最先研究岩石渗滤能力大小这一现象的是法国工程师达西。他利用人工砂体研究了水的渗滤。达西的实验表明人工砂体单位面积水流的体积变化率Q/A与进口和出口两个端面间的水头差H成正比，而与砂体的长度成反比。即：,2.2 岩石的物理性质,16,后来
10、的研究者发现，达西定律(Darcys law )可以应用于其它流体，把上式中的比例常数k改写为k、为流体的粘度,k为表征岩石性质的系数，即渗透率，就可以了。后来经进一步修正，得到达西定律的通式为:,上式中： Q 为通过孔隙介质的流量，厘米3秒； A 为流体通过的横断面积，厘米2 ； 为流体的粘度，厘泊； k 为岩石的渗透率，达西； dp/dx 为单位长度上的压力降，大气压厘米。,2.2 岩石的物理性质,17,达西定律成立的前提条件是： (1)假设流体与岩石之间不发生物理化学反应； (2)渗滤介质中只存在一种流体。 渗透率的单位是达西，它的物理意义是孔隙介质允许粘度为1厘泊的流体，在压力梯度为1
11、大气压厘米的作用下，通过截面面积为1平方厘米的流量为1立方厘米秒，此时孔隙介质的渗透率称为1达西。,2.2 岩石的物理性质,18,实际油藏大多是油水（或气），甚至是油、气、水三相共存于孔隙中。注水开发的油田，油水不仅是共存而且还同时流动。为了研究多相流体在岩石中的渗滤能力与性质，引入了绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率的概念。 绝对渗透率K 岩石完全为某种流体所饱和时，岩石与流体之间不发生物理化学反应，在压力作用下岩石允许该种流体所通过能力的大小。（达西所描述的渗透率）,2.2 岩石的物理性质,19,有效渗透率Ke 当岩石为两种或多种流体饱和时，岩石允许其中某种流体渗滤能力的大小。不论此时其流
12、体流动与否。 相对渗透率Kr 岩石的有效渗透率与绝对渗透率的比值。,2.2 岩石的物理性质,20,5）岩石中的油气水饱和度(saturation ) 储层岩石的孔隙空间中，总是会有油气水三相。在油层温度和压力下，岩石孔隙空间中的流体是按一定方式分布的。 储集层岩石的孔隙中，某种流体占据孔隙空间的体积百分数，称为该流体的饱和度。,2.2 岩石的物理性质,21,S0= Sw= 且有：S o+Sw=1,2.2 岩石的物理性质,若储集层的孔隙中只含有油和水两相，油和水所占据的孔隙空间分别为Vo、Vw，岩石的孔隙度为，岩石中的孔隙总体积为Vp，岩石的总体积为Vb，则含油饱和度So和含水饱和度Sw分别为：
13、,22,若储集层中，除含油和水外，还含有气体，则含气饱和度为： Sg= 此时，油气水的饱和度应满足： SoSwSg1,2.2 岩石的物理性质,23,6）岩石的粒度组成与比表面积 岩石的粒度组成是指构成岩石的各种大小不同的颗粒含量，以百分数表示。 粒度组成的通用分析方法是筛分析法（sieve analysis method）。即采用孔径不同的一系列筛子将岩心颗粒按大小分成数组，然后称量每组的质量即可得到每个粒度范围内的质量百分比。筛孔的表示法通常是按每英寸长的孔数来表示的，称为目。 对于粒度小于0.074-0.053mm的细粒，一般用沉降分析法确定。,2.2 岩石的物理性质,24,根据颗粒大小将
14、碎屑岩（conglomerate ）分为如下三大类： 砂 岩 主要粒度组成 1-0.1 mm 细砂岩 主要粒度组成 0.1-0.0lmm 粉砂岩 主要粒度组成小于 0.0lmm 岩石的比表面积是指单位体积的岩石内颗粒的总表面积。单位用厘米2厘米3表示。岩石中细颗粒越多，它的比表面就越大，反之就越小。 砂 岩 小于950厘米2厘米3 细砂岩 950-2300厘米2/厘米3 粉砂岩 大于2300厘米2/厘米3,2.2 岩石的物理性质,25,7）膨胀性、崩解性及软化性 泥页岩地层和富含粘土矿物的地层与外来流体接触后，因粘土矿物具有较强的亲水性，致使岩石中颗粒间的水膜增厚，或者使水渗入矿物晶体内部，从
15、而引起岩石的体积或长度膨胀，这就是岩石的膨胀性。 由于吸水膨胀作用，致使岩石内部出现非均匀分布的应力，加之有的胶结物被溶掉，因而造成岩石中颗粒及其集合体分散，称之为岩石的崩解性。,2.2 岩石的物理性质,26,岩石的软化性是指岩石浸水后引起其强度降低的性能，这种浸水造成岩石强度降低的作用称为水对岩石的软化作用。而岩石抵抗水软化作用的能力主要取决于岩石中亲水性和易溶性（可溶性）矿物或胶结物的类型和含量，此外也与岩石中孔隙及裂隙的发育程度密切相关。 泥页岩地层是石油钻井过程中遇到的最主要的地层类型，而粘土矿物又大量存在于各种储集层和非储集层中，因此，石油开发过程中，研究地层与外来水溶液接触时所表现
16、出来的各种物理、化学作用过程对于石油开发具有重要的指导意义。,2.2 岩石的物理性质,27,8）岩石的热理性 岩石的热理性是指岩石温度发生变化时所表现出来的物理性质。与其他力学材料一样，岩石也具有热胀冷缩的性质，并且有时表现得相当明显。当温度升高时，岩石不仅发生体积及线膨胀，而且其强度也要降低，变形特性也随之改变。表征岩石热理性的参数主要有体胀系数、线胀系数、热导率等。,2.2 岩石的物理性质,28,（1）体胀系数及线胀系数 岩石受热后体积或长度发生膨胀的性质称为热胀性，常用体胀系数和线胀系数来度量。 体胀系数是指温度上升1所引起体积的增量与其初始体积之比。 线胀系数是指温度上升1所引起长度的增量与其初始长度之比。 一般认为，岩石的体胀系数为线胀系数的三倍。,2.2 岩石的物理性质,29,（2）热导率 岩石的热导率
