1、第1章 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),1.1 巖石的類型及特點(diǎn) 1.2 巖石的工程力學(xué)性質(zhì) 1.3 巖石可鉆性與研磨性,1.1 巖石的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),（1） 巖石的組成 巖石： 是組成地殼的基本物質(zhì)，它是由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而形成的自然體，具有一定的強(qiáng)度。 礦物： 在地殼中有一定的化學(xué)成份和物理性質(zhì)的自然元素或化合物稱為礦物，是地殼中的各種化學(xué)元素在各種作用下形成的產(chǎn)物。常見的造巖礦物如下表。,化合 組合 元素 礦物 巖石,常見的造巖礦物,花崗巖，是由石英、長石、和云母顆粒組成的。,(2) 巖石的類型 根據(jù)成因分為三類：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖,鉆井中常遇到的巖石,隨著地球上主要地質(zhì)過程

2、的演變，這三類巖石之間可以互相轉(zhuǎn)變。,(3) 沉積巖的類型 根據(jù)沉積巖的成因、成份及結(jié)構(gòu)分為：粘土巖、碎屑巖、碳酸鹽巖等。,(1) 巖漿巖 花崗巖、玄武巖、安山巖、橄欖巖、輝長巖、閃長巖、流紋巖等； (2) 變質(zhì)巖 片麻巖、片巖、大理巖（方解石）、千枚巖、板巖、石英巖等；,沉積巖： 粘土巖：泥巖（頁巖）： 碎屑巖：礫巖、砂巖（粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖）、粉砂巖 碳酸鹽巖：石灰?guī)r、白云巖、鹽巖(易水化)、石膏（易變形）、鹽膏巖 根據(jù)方解石和白云石的相對(duì)含量，碳酸鹽巖分為石灰?guī)r和白云巖。 方解石含量50%為石灰?guī)r；白云石含量50%為白云石； 泥巖60% ，砂巖30%，碳酸鹽巖居第三位。 (4) 過渡

3、巖性（泥質(zhì)、砂質(zhì)、粉砂質(zhì)）： 泥巖砂質(zhì)泥巖粉砂質(zhì)泥巖頁巖； 礫巖砂巖泥質(zhì)砂巖泥質(zhì)粉砂巖粉砂巖； 石灰?guī)r含泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂質(zhì)石灰?guī)r、粉砂質(zhì)石灰?guī)r、含泥質(zhì)白云巖、砂質(zhì)白云巖、粉砂質(zhì)白云巖白云巖。,沉積巖的類型 根據(jù)沉積巖的成因、成份及結(jié)構(gòu)分為：碎屑巖、粘土巖、碳酸鹽巖等。,部分巖漿巖,沉積巖的特點(diǎn) （1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)指巖石的微觀組織特征，包括礦物成分、顆粒大小、形狀及排列方式、顆粒間的膠結(jié)情況等。 特點(diǎn)：礦物成分不確定，顆粒大小不等、顆粒形狀多樣、顆粒分布不均勻、膠結(jié)強(qiáng)度有強(qiáng)有弱。 （2）構(gòu)造特點(diǎn) 構(gòu)造指巖石的宏觀組織特征，是指巖石組分的空間分布及其相互間的位置。如：層理、節(jié)理（裂隙）、孔隙

4、度等。 一般，沉積巖具有明顯的層理特征。,層理： 巖石一層一層疊起來的現(xiàn)象。傾斜的層狀結(jié)構(gòu)是沉積巖的主要構(gòu)造特征。 形成層理的原因： 沉積巖常具有一層一層近似平行的層理，為不同時(shí)期沉積環(huán)境變化所制。最初的層理近似水平，其后受到地殼變動(dòng)影響可能傾斜、彎曲或斷裂。 層理的分類： A、成分相同時(shí)顆粒大小在垂直方向上的變化 B、不同成分顆粒的交替沉積 C、某些礦物顆粒指向相同 D、某種礦物顆粒呈規(guī)律性的分布,在某些巖石中的化學(xué)沉積物，層理表現(xiàn)的很不明顯。有時(shí)在砂巖和層狀巖石中，只有在很大塊巖石中才可以區(qū)別出層理來。 在鉆井地質(zhì)剖面上所表現(xiàn)的巖性變化、軟硬夾層等就是層理變化的反映。,(3)各向異性和非均

5、質(zhì)性 各向異性:如果物體的某一性質(zhì)隨方向的不同而不同,則稱物體具有各向異性。 巖石一般具有各向異性的性質(zhì)。如在垂直于或平行于層理面的方向上，巖石的力學(xué)性質(zhì)（彈性、強(qiáng)度等）有較大的差異。 巖石的各向異性性質(zhì)是由巖石的構(gòu)造特點(diǎn)所決定的。 結(jié)晶礦物的定向排列、層理、片理、節(jié)理等使得巖石具有各向異性的特點(diǎn)。,片理是巖石沿平行的平面分裂為薄片的能力。,不均質(zhì)性: 如果物體中不同部分的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，稱該物體是不均質(zhì)的。,巖石一般為非均質(zhì)體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度 、孔隙度（密度）等不均質(zhì)性造成的。 測定巖石的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，不同部位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果常存在很大的差異，因此，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，取

6、合適的均值作為代表。,生油層（最下面）：泥質(zhì)巖類和碳酸鹽巖類。 泥質(zhì)巖類生油層以泥巖、頁巖為主，其次為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等； 碳酸鹽巖類生油層以灰?guī)r、泥灰?guī)r、石灰?guī)r、白云巖為主。 儲(chǔ)集層（中部）：能夠儲(chǔ)集石油和天然氣，并在其中流動(dòng)的巖層。分為碎屑巖類、碳酸鹽巖類。碎屑巖儲(chǔ)集層為主，碳酸鹽巖儲(chǔ)集層在四川油田、華北油田等存在。 碎屑巖儲(chǔ)集層巖性包括礫巖、礫狀砂巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖。中、細(xì)砂巖儲(chǔ)集層分布最廣，儲(chǔ)油物性最好； 碳酸鹽巖類儲(chǔ)集層巖性包括石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r等，特征：有裂縫、孔洞等。 蓋層（上部）：指位于儲(chǔ)集層之上的一個(gè)封隔儲(chǔ)集層，避免其中油氣

7、向上逸散的保護(hù)層。 常見的蓋層巖性類型為：頁巖、泥巖、鹽巖、石膏和無水石膏等。 其中，頁巖和泥巖蓋層常與碎屑巖儲(chǔ)集層伴生；鹽巖、石膏則多與碳酸鹽巖儲(chǔ)集層共存。,生、儲(chǔ)、蓋組合,第1章 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),1.1 巖石的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1.2 巖石的工程力學(xué)性質(zhì) 1.3 巖石可鉆性與研磨性,1.2 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),物理性質(zhì)：密度，孔隙度，飽和度 水理性質(zhì)：吸水性、透水性、軟化性、抗凍性、可溶性、膨脹性及崩解性 工程力學(xué)性質(zhì)：巖石受力后表現(xiàn)出來的變形特性和強(qiáng)度特性,強(qiáng)度性質(zhì)：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等 變形性質(zhì)：彈性模量及泊松比,幾個(gè)概念： 彈性：巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤銷后變形隨

8、之消失，恢復(fù)到原來的形狀和體積的性質(zhì)稱為彈性，相應(yīng)的變形稱為彈性變形。 塑性：巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤銷后變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)。相應(yīng)的殘余變形稱為塑性變形。 脆性：巖石在外力作用下變形很?。ㄐ∮?%）就發(fā)生破壞的性質(zhì)。相應(yīng)的破壞稱為脆性破壞。 強(qiáng)度：巖石在外力作用下發(fā)生破壞時(shí)所承受的最大應(yīng)力。 抗拉強(qiáng)度巖石單純受拉伸應(yīng)力破壞時(shí)的強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度巖石單純受壓縮應(yīng)力破壞時(shí)的強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度巖石單純受剪切應(yīng)力破壞時(shí)的強(qiáng)度 抗彎強(qiáng)度巖石單純受彎曲應(yīng)力破壞時(shí)的強(qiáng)度,常見巖石的抗壓及抗拉強(qiáng)度,巖石的變形性質(zhì)：彈性模量和泊松比 產(chǎn)生彈性變形的物體在變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系服從虎克定律： =E 彈性模

9、量 ：巖石每增加單位應(yīng)變所需增加的應(yīng)力。 式中：E彈性模量；應(yīng)力；應(yīng)變 泊松比：壓縮應(yīng)力作用下巖石橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比。,常見巖石的彈性模量與泊松比,主要內(nèi)容,一、巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線,二、簡單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度,三、復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度,四、巖石的抗壓入破碎強(qiáng)度,五、影響因素分析,點(diǎn)B：發(fā)生彈性到塑性行為過渡點(diǎn)，稱為屈服點(diǎn)，S稱為屈服應(yīng)力。,CD段：曲線下降，是由于裂縫發(fā)生了不穩(wěn)定傳播，新的裂隙分叉發(fā)展，使巖石開始解體。,一、巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線,BC段：隨著載荷的繼續(xù)增大，變形和載荷呈非線性關(guān)系，裂隙進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這是破壞的先行階段。這一段應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率隨著應(yīng)力的增加逐漸減

10、小到零，曲線向下凹，在巖石中引起不可逆變化。塑性變形階段。,強(qiáng)度獲取方法：對(duì)具體的巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),二、簡單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度,巖石的強(qiáng)度,抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度 抗彎曲強(qiáng)度,通常情況下： 抗壓抗剪抗彎抗拉強(qiáng)度,在巖樣上施加軸向壓縮載荷直至破壞時(shí)單位面積上的載荷，通過單軸抗壓試驗(yàn)來獲得。,巖石抗壓強(qiáng)度：,實(shí)驗(yàn)要求： *施加壓力的方向應(yīng)平行于巖心的軸線 *巖樣長度L應(yīng)適當(dāng)，L/D很小時(shí)，試件中的應(yīng)力分布趨于三軸應(yīng)力狀態(tài)，具有較高的強(qiáng)度；L/D很大時(shí)，將發(fā)生彈性不穩(wěn)定破壞；L/D應(yīng)適中，一般以L/D=2.53.0較好。 *盡量減小端面效應(yīng)，設(shè)法降低試件端面與加壓板間的摩擦。 *試件尺寸取決

11、于組成巖石的顆粒的尺寸，試件直徑與最大顆粒尺寸的比值至少為10：1。因此，原則上應(yīng)盡量采用較大直徑的試件。建議采用2.22.6厘米直徑的試件。,按抗壓強(qiáng)度對(duì)地層進(jìn)行分類,直接測量： 把巖樣加工成拉伸試樣，置于材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行簡單應(yīng)力狀態(tài)下(或稱單軸抗拉伸狀態(tài))的拉伸試驗(yàn)。巖樣拉斷時(shí)的應(yīng)力值即為巖石的抗拉伸強(qiáng)度。,巖石抗拉伸強(qiáng)度,可通過直接和間接抗拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)來確定,實(shí)驗(yàn)要求： *設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膴A緊機(jī)構(gòu)； *制備一定形狀的巖樣； *確保加載方向嚴(yán)格平行于巖樣軸線。,巴西劈裂實(shí)驗(yàn)： 將一個(gè)薄圓盤試件（直徑40mm*厚度25mm）沿其直徑方向加載，在沿著加載直徑上分布著垂直于加載方向拉伸應(yīng)力，如圖所

12、示。,間接測量方法：巴西劈裂實(shí)驗(yàn),圓盤的破裂從圓中心開始,當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到巖樣的抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件在加載點(diǎn)連線上呈現(xiàn)清晰的破裂。巖石的抗張強(qiáng)度可按下式計(jì)算(r半徑，t厚度)：,三、復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖石強(qiáng)度,首先用液壓p使其四周處于三向均勻壓縮的應(yīng)力狀態(tài)，然后保持此壓力（圍壓）不變，對(duì)巖樣加載，直到使其破壞。 可以進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，也可以進(jìn)行三軸拉伸試驗(yàn)。,常規(guī)三軸試驗(yàn),三軸應(yīng)力作用下巖石機(jī)械性質(zhì)的變化,兩方面顯著變化,研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)（或稱臨界壓力）對(duì)深井鉆井具有重要意義：,脆性破壞和塑性破壞是兩種具有本質(zhì)差別的破壞形式，需分別用不同的破碎工具（如不同結(jié)構(gòu)的鉆頭類型），采用不同的破碎方式

13、（沖擊、壓碎、擠壓、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速及水力參數(shù)等）的組合。因此，確定巖石的脆塑性轉(zhuǎn)變的“臨界壓力”將為設(shè)計(jì)和合理選擇使用鉆頭提供科學(xué)依據(jù)。,巖石在三軸應(yīng)力條件下的強(qiáng)度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強(qiáng)度增大。 隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大。巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的壓力（圍壓）稱為臨界壓力。,四、巖石的抗壓入破碎強(qiáng)度（硬度）（formation hardness） 巖石的硬度是巖石抵抗其它物體表面壓入或侵入的能力。 硬度與抗壓強(qiáng)度區(qū)別： 前者只是固體表面的局部對(duì)另一物體壓入或侵入時(shí)的阻力，而后者則是固體抵抗固體整體破

14、壞時(shí)的阻力。 前者反映巖石顆粒的硬度，其對(duì)鉆進(jìn)過程中工具的磨損起重大影響； 后者反映巖石的組合硬度，其對(duì)鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎速度起重大影響。 測量巖石硬度的方法 靜壓入法、沖擊回彈法（擺球硬度）。 石油工業(yè)主要是利用靜壓入的方法測量巖石硬度（巖石的壓入硬度是前蘇聯(lián)史立涅爾提出的，也稱史氏硬度） 。 石油鉆井中，常用的硬度有兩種：史氏硬度和摩氏硬度。,把重量為5.7g的鋼球，用長250mm的線懸起來，從水平方向落下，撞擊在巖樣的側(cè)面上。打擊巖石消耗掉一部分能量，剩余的能量將鋼球回彈起一定的角度。 巖石表面的硬度越高，鋼球回彈的角度越大，鋼球從第一次回跳到完全停跳所經(jīng)歷的回跳次數(shù)也越多。因此，可按回彈角

15、度和回跳次數(shù)來確定巖石的硬度。 試驗(yàn)用的巖樣一般都是圓柱狀巖芯，直徑大于40mm，長度大于65mm，兩端切平，端面與巖芯軸線垂直，受試面還必須拋光。,擺球硬度（沖擊回彈法）,摩氏硬度：表示材料的相對(duì)硬度。測量方法是用兩種材料互相刻劃，在表面留下擦痕者則硬度較低。 用10種礦物為代表，作為摩氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)，依次為： 滑石(1度)、石膏(2度)、方解石(3度)、螢石(4度)、磷灰石(5度)、長石(6度)、石英(7度)、黃玉(8度)、剛玉(9度)、金剛石(10度)。 巖石礦物的硬度是選擇破巖工具的重要參考依據(jù)，若在巖石中占一定比例的礦物的硬度達(dá)到或接近破巖工具工作部位材料的硬度，則工具磨損很快。 史氏

16、硬度的測量方法。,要求：巖樣的長度為3050mm，直徑4050mm，兩端面光滑且相互平行；,試驗(yàn)儀器：巖石壓入硬度測試儀。,巖石的脆性和塑性 三類：脆性巖石（brittle rock）、塑性巖石（plastic rock）和塑脆性巖石（brittle-plastic rock。 在外力作用下，巖石只改變其形狀和大小而不破壞自身的連續(xù)性，這種情況稱為塑性的；巖石在外力作用下，直至破碎而無明顯的形狀改變，這種情況稱為脆性的；介乎于兩者之間的是塑脆性巖石。,脆性和塑脆性巖石的硬度為： 式中：P產(chǎn)生脆性破碎時(shí)壓頭上的載荷(牛頓)； S壓頭的底面積(毫米2)； 對(duì)塑性巖石，取產(chǎn)生屈服(即從彈性變形開始向

17、塑性變形轉(zhuǎn)化)時(shí)的載荷P0代替P，即：,巖石級(jí)別及巖石硬度的關(guān)系,塑性系數(shù)：巖石破碎前耗費(fèi)的總功AF與巖石破碎前彈性變形功AE的比值。 用巖石的塑性系數(shù)KP作為定量表征巖石塑性及脆性大小的參數(shù)。 對(duì)于塑脆性巖石： 脆性巖石K=1；塑性巖石，KP=。,五、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析 1、巖石結(jié)構(gòu) （1）對(duì)晶質(zhì)巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度也較高， 如：玄武巖（斜長石、輝石，6）白云巖（4）石灰?guī)r（5）。 （2）砂巖的強(qiáng)度隨著石英（7）含量的增加而增大； 硅質(zhì)膠結(jié)鈣質(zhì)鐵質(zhì)泥質(zhì)。 （3）同種巖石孔隙度增大，密度降低，強(qiáng)度降低。 因此，巖石的強(qiáng)度一般隨埋藏深度的增加而增大。 2、井底各種壓力

18、 （1）有效應(yīng)力（外壓與內(nèi)壓之差 ）越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越 大，（各向壓縮效應(yīng) ）。 （2）井內(nèi)液柱壓力與孔隙度壓力之差越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越 大。,3、載荷性質(zhì)的影響 巖石對(duì)動(dòng)載的抗力要比靜載大得多，隨著沖擊速度的增大，硬度增大，塑性系數(shù)減小。 但在沖擊速度小于10m/s時(shí)，巖石硬度和塑性系數(shù)變化不大，接近于 靜載時(shí)的數(shù)值。 在10000米深度范圍內(nèi)： 強(qiáng)度：鹽巖 鐵質(zhì)、鈣質(zhì) 泥質(zhì)膠結(jié) 塑性：鹽巖石灰?guī)r泥頁巖石膏白云巖石英巖,第1章 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),1.1 巖石的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1.2 巖石的工程力學(xué)性質(zhì) 1.3 巖石可鉆性與研磨性,1.3 巖石可鉆性和研磨性 1、巖石可鉆性（R

19、ock Drillability） （1） 概念： 指巖石破碎的難易程度，可以理解為在一定的鉆頭規(guī)格、類型及鉆井工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力。 （2）評(píng)價(jià)方法 在鉆壓890(500)N、轉(zhuǎn)速55 rpm的固定條件下，用直徑31.75mm的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進(jìn)2.4mm（3mm）孔深所需的時(shí)間t作為巖石可鉆性指標(biāo)，由此把巖石分為易鉆和難鉆的。 為應(yīng)用方便，常用 作為可鉆性指標(biāo)，稱為可鉆性級(jí)值。,可鉆性級(jí)值越大，巖石越難破碎。,實(shí)驗(yàn)時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如下： 微鉆頭直徑：31.75mm。 鉆壓：牙輪鉆頭：890N20N，PDC鉆頭：500N20N。 轉(zhuǎn)速：55r/min1r/min。 鉆孔

20、深度 牙輪鉆頭：2.6mm。預(yù)鉆深度：0.2mm，計(jì)時(shí)鉆孔深度：2.4mm。 PDC鉆頭：4mm。預(yù)鉆深度：1.0mm，計(jì)時(shí)鉆孔深度：3.0mm。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，在每塊巖心試樣上鉆三個(gè)孔，取其鉆時(shí)平均值作為該巖石試樣的鉆時(shí)T，該巖石的可鉆性級(jí)值,室內(nèi)巖心微鉆頭實(shí)驗(yàn)求取可鉆性,2、巖石的研磨性 鉆井過程中，鉆井工具和巖石產(chǎn)生連續(xù)的或間歇的接觸和摩擦，從而在破碎巖石的同時(shí)，這些工具本身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍甚至損壞。 巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性。 至今尚沒有統(tǒng)一的測定巖石研磨性的方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。,實(shí)驗(yàn)證明，金屬環(huán)的單位摩擦路程的磨損不取決于圓盤的轉(zhuǎn)速，而只與載W成正比，因而可用一個(gè)比例常數(shù)來表示：,摩擦磨損法,優(yōu)點(diǎn)： 在相對(duì)較小的載荷作用下，可使圓環(huán)與巖石試件間的接觸壓力達(dá)到非常高的值； 圓環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使其接觸表面不斷改變，有利于冷卻和清除磨損產(chǎn)物； 巖石試件的平移也保證了巖石的摩擦表面不斷更新，并且使得接觸壓力在實(shí)驗(yàn)過程中保持不變。,巖石的研磨性不僅取決于巖石的結(jié)構(gòu)和組織特點(diǎn)、組成巖石的礦物的性質(zhì)和顆粒大?。▽?duì)于碎屑巖還取決于膠結(jié)強(qiáng)度）等一系列巖石本身的性質(zhì)，還取決于用于磨損的金屬材料的性質(zhì)。,鉆井的工作對(duì)象是巖