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1、石油工程岩石力学 Petroleum Engineering Rock Mechanics,教 师：蔚宝华 联系电话：010-89733911-11 电子邮箱：,课程回顾,一个意义：为什么学习岩石力学？ 两个定义 岩石力学的定义 岩石的定义 一个特点：岩石力学研究对象的特点 一个方法：研究岩石力学的方法,本次课的课程提纲,一、岩石的组构特征 二、岩石中的结构面（软弱面） 三、岩石的四个性质 四、岩石的物理 五、岩石的水理性能,1 岩石的物质组成,粘土矿物,硅酸盐类矿物,碳酸盐类矿物,氧化物类矿物,组成岩石的矿物,组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上决定着岩石的力学性质,二、岩石的组构特征
2、,物质组成对力学性质的影响,一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片状）等 含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高花岗岩、闪长岩、玄武岩 含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低粘土岩、泥岩,碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类，岩石的物理力学性质取决于岩石中的CaCO3及酸不溶物的含量 CaCO3含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高 泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学性质差,物质组成对力学性质的影响,碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系： 强度上：硅质铁质钙质泥质,物质组成对力学性质的影响,泥页岩的粘土矿物组成,蒙脱石 伊利石 绿泥石 高岭石 伊蒙混层,粘土矿物,蒙
3、脱石含量高软，易变形，易水化 伊利石含量高硬脆，不易变形，不易水化,2 岩石的结构,岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结与胶结连结,二、岩石的组构特征,颗粒形状 强度： 粒状、柱状片状鳞状,颗粒大小 强度： 粗粒细粒,排列形式 强度： 等粒不等粒,2 岩石的结构,微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等, 降低岩石强度 导致岩石力学性质各向异性,二、岩石的组构特征,2 岩石的结构,结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在
4、一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩,胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起碎屑岩,二、岩石的组构特征,二、岩石的组构特征,基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体重，这种情况下胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关 接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结程度低，岩石强度也不大 间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶结物充填 溶蚀型：胶结物不仅充填在矿物颗粒之间，而且进入到矿物颗粒本身中，胶结强度很高。,岩石的主要胶结类型：,A）基底型 B）间隙型 C）接触型 D）溶蚀型,3 岩石的构造,岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在空间上相互
5、排列及所占的位置。 岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔状构造、杏仁状构造 沉积岩的构造：层理构造 变质岩的构造：片理构造,二、岩石的组构特征,三、岩石中的结构面（软弱面）,结构面就是岩石内具有一定方向性、延展性较大、厚度较小的两维面状地质界面，包括物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等） 结构面的成因类型 结构面的规模与分级 结构面特征及其对岩石性质的影响,一）结构面的成因类型,地质成因类型 原生结构面 构造结构面 次生结构面 力学成因类型 张性结构面 剪性结构面,结构面的地质成因类型,原生结构面：在岩石形成过程中形成的软弱面 岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入体与围岩的接触
6、面； 沉积岩体内的层理面、不整合面； 变质岩体内的片理面，以及片麻构造面等。 在原生结构面中，除了原生裂隙，以及由于受构造运动和风化作用的影响，已经脱开的软弱面外，多具有一定的连结力和较高的强度。,结构面的地质成因类型,构造结构面：岩石形成后的构造运动过程中产生的各种破裂面 断裂面、层间错动面构造作用形成的软弱夹层，以及构造裂隙面等 这类软弱面除了已经胶合者以外，绝大部分都是脱开的 规模较大的，多充填有厚度不等、类型和连续程度不同的充填物，其中大部分已泥化，或者已变成了软弱夹层 就一般情况而言，除了部分构造裂隙以外，大部分构造软弱面的特性都很坏，强度多接近于岩体的剩余强度，往往导致复杂。,结构
7、面的地质成因类型,次生结构面：岩体在外力作用下产生的软弱面 如风化裂隙面、卸荷裂隙面等。风化裂隙面发育深度不大，方向紊乱，连续性很低。但可降低岩体的强度和变形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起岩体在垂直于卸荷自由面方向发生伸长而形成。卸荷裂隙面基本上平行于岩体卸荷自由面。一般来说，次生结构面主要影响地面附近岩体的稳定性。,结构面的力学成因类型,这里所说的结构面是指岩体中的破裂面而言 所谓软弱面的力学成因类型，是指按照形成破裂面的破坏应力的不同，所划分的破裂面的类型。根据野外观察到的事实、大量岩体力学试验的结果以及莫尔库伦破坏理论的分析，认为岩体的破坏只有剪切破坏和拉断破坏两种类型。破裂面的力学成
8、因，应划分为剪性和张性两大类别。,结构面的力学成因类型,张性破裂面：是由张力形成的，在破坏过程中，破坏面两侧岩体仅沿破裂面法向发生分离位移。张性破裂面，一般张开度大，连续性差，形态多不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗糙度大，破碎带宽度变化大，且易被岩脉、矿脉充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面常常具有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征,结构面的力学成因类型,剪性破裂面：是由剪应力而形成的，破裂面两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的滑错位移。具有擦痕、共轭性、规律的位移方向以及断面比较光滑，是剪性破裂面共有的特征，也是鉴定剪性破裂面的主要依据。,正断层上盘相对下盘向下滑动的断层
9、,上盘下降,下盘上升,三）结构面特征及其对岩体性质的影响,产状 连续性 密度 张开度 形态 充填胶结情况 组合关系,软弱面的影响,岩石软弱面对岩体物理力学特性如岩体强度、变形性、渗透性，力学上的连续性及岩体应力分布等都有显著影响。因此，在很多情况下，软弱面是岩体力学问题的一个主要控制因素。从本质上说，软弱面使岩体变得更加软弱，更易于变形而且表现为高度的各向异性。,裂缝性地层套管损坏,Elf公司的岩石力学专家Maury 和Sauzy在研究裂缝性地层套管损坏时首先提出了井眼周围裂缝岩体的剪切位移理论并应用于井壁稳定性分析,裂缝性地层,裂缝性地层扰动产生剪切位移造成套管变形,裂缝岩体的剪切位移造成井
10、眼缩径现象,剪切位移引起的井眼形状变化,X方向井径降低,Y方向井径增加,剪切错动方向,不同剪切位移方向的井眼形状,井下电视测井观测到：裂缝岩体的剪切位移造成井眼缩径现象,井下电视测井显示的破碎性地层在井眼周围产生的剪切位移的情况,剪切位移造成井眼缩径的实例（现场实测结果）,2002年，BP 美国公司在墨西哥湾遇到钻井中井壁稳定问题。 井眼与地层层理面夹角不同（井斜角不同），井壁垮塌程度、垮塌岩石大小、形状不同。,Dusseault 研究破碎性地层井壁稳定性时发现井壁是否稳定与井眼尺寸有关，井眼尺寸越大井壁越不稳定。在研究层理发育的各向异性地层井壁稳定性时发现井壁稳定性与井眼轴线和地层层理面的夹
11、角有关，认为应尽可能以垂直与层理面的方式进入地层，才能保持井壁稳定性。,裂缝发育的破碎性地层,层理发育的各向异性地层,各向异性地层,加拿大科学家的研究结果,三、岩石的不连续性、非均匀性、各向异性和渗透性,岩石的不连续性,岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学性质呈现不连续变化。 对于裂隙性岩石，通常采用裂缝率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。,岩石的不连续性,岩石中的裂隙,岩石的不连续性,a、单向裂隙(或裂隙频率) 单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内，法线与结构面的交割数目，以Kd(1/m)表示。即单向裂隙率的倒数
12、为成组结构面之间的平均间距，以d表示：,式中： Kd -单向裂隙（1/m） d - 结构面间平均间距(m),岩石的不连续性,式中： li - 第i条裂隙面长度(m)； ti - 第i条裂隙面的宽度(m)； A - 被测量的岩石总面积（m）,b、平面裂隙率 平面裂隙率KA是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总和，亦即,岩石的不均匀性,不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统计特征-偏差系数V(%)来估算岩体的不均匀性，即：,式中： -各观测值xi的算术平均值。 -标准差估计值。,式中：N - 试验观测点(次)数。,岩石的各向异性,岩石各
13、向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方面。在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。然而对于不具有层理的岩体，则把它视为各自同性体。,岩石的渗透性,有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。不同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同，渗透性的大小用渗透系数K表示。 岩石的渗透系数不仅与水的物理性质有关，也与岩石的应力状态有关。,岩石轴向渗透性试验原理,岩石渗透仪(轴向渗透
14、) 1-注水管路；2-围压室；3-岩样；4-放水阀,岩石轴向渗透性试验原理,假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可计算如下 式中 K岩石渗透系数(m/s)； Q单位时间里透过试样的水量(m3)； L试样长度(m)；A试样截面积(m2)； P试样两端的水压力差(KPa)；w水的容重(KN/m3）,岩石径向渗透性试验原理,径向渗透试验时，其渗透系数计算 式中 P试样外壁上的水压力(KPa)； L试验段(小孔)长度(m)； R1试件内半径(m)； R2试件外半径(m)； 圆周率。,岩石的渗透系数数值,四、岩石的物理性质,岩石和土一样，也是由固体、液体和 气体三相组成的。 物理性质是指岩石由于三相组成
15、的相对比例关系不同所表现的物理状态。 1、岩石的密度 2、岩石的孔隙性,（一）、岩石的密度,1、颗粒密度(s)：岩石固体部分的质量与其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量： s= ms/Vs s为岩石的颗粒密度 ms为岩石固体部分的质量 Vs为岩石固体部分的体积,（一）、岩石的密度,2、块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体积内的质量，按岩石的含水状态，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指岩石的天然密度。 d=ms/V sat=msat/V =m/V,注意： （1）s与的区别 (s) （2）s与的单位 （g/cm3
16、 kN/m3） （3）测试方法（s-比重瓶法；-量积法）,（一）、岩石的密度,常见岩石的密度,岩石的物理性质,孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用百分数表示)。 裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体积之比称裂隙率。 孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于松散土、石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。 一般岩石的孔隙度在0.1-0.35之间,岩石的物理性质,孔隙比：岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称岩石的孔隙比(多以小数表示) 孔隙比和孔隙度可以互相换算： 式中： e 孔隙比; n孔隙度 密度是试验指标，只有通过试验才能得到具体数值,而孔隙度和孔隙比是计算指标。,例题：,岩石的饱和密度为2.65g/cm3，干密度为2.49g/cm3，请计算岩石的孔隙比和颗粒密度,五、岩石的水理性质,岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有： 1.吸水性 2.软化性 3.抗冻性 4.透水性,（一）、岩石的吸水性,岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。 1.
