[最新]巖石及其工程力學(xué)性質(zhì)（55頁詳細(xì)）

1、1,巖石及其工程力學(xué)性質(zhì),1.1 巖石的組成與分類 1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),2,1.1 巖石的組成與分類,一、 巖石的物質(zhì)成分,巖石一種或多種造巖礦物顆粒的集合體。顆粒之間或者由直接接觸面上的聯(lián)系力聯(lián)結(jié)，或者由外來的膠結(jié)物膠結(jié)。 由單一礦物組成的巖石稱為單礦物巖石，如石灰?guī)r、白云巖、硬石膏等；由數(shù)種礦物組成的巖石稱為多礦物巖石,1. 巖石,3,1.1 巖石的組成與分類,一、 巖石的物質(zhì)成分,2. 造巖礦物,礦物: 地殼中的化學(xué)元素（氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂） 在各種地質(zhì)作用下形成的自然產(chǎn)物（單體和化合物）。具 有固定的化學(xué)成分和確定的物理性質(zhì)，多為晶體結(jié)構(gòu),

2、造巖礦物：構(gòu)成巖石主要成分的礦物，稱為造巖礦物,目前人類已發(fā)現(xiàn)的礦物有3000多種，但造巖礦物種類卻少，僅有2030種，常見的造巖礦物只有10余種,4,主要造巖礦物一覽表,1.1 巖石的組成與分類,5,正長石,斜長石,白云母,黑云母,角閃母,方解石,白云石,硬石膏,赤鐵礦,橄欖石,輝 石,主要造巖礦物標(biāo)本,1.1 巖石的組成與分類,6,1. 火成巖（巖漿巖） 由巖漿（硅酸鹽熔體）冷凝而成的巖石。其主要礦物成分是長石、其次是石英、輝石、橄欖石和云母,二、 巖石分類,巖石按成因可分為火成巖、變質(zhì)巖和沉積巖三大類,1.1 巖石的組成與分類,7,二、 巖石分類,1. 火成巖,安山巖,花崗巖,橄欖巖,玄

3、武巖,正長巖,凝灰?guī)r,1.1 巖石的組成與分類,8,二、 巖石分類,2. 變質(zhì)巖 火成巖、沉積巖由于高溫高壓作用或外來物質(zhì)的加入，改變了原來的成分、結(jié)構(gòu)，變成新的巖石,1.1 巖石的組成與分類,9,二、 巖石分類,2. 變質(zhì)巖,1.1 巖石的組成與分類,大理巖,石英巖,板 巖,片麻巖,10,二、 巖石分類,3. 沉積巖,母巖風(fēng)化后產(chǎn)物經(jīng)過搬運(yùn)、沉積及成巖作用而形成的巖石。主要造巖礦物為：長石、石英、云母、粘土礦物、碳酸鹽、硫酸鹽和巖鹽礦物,1.1 巖石的組成與分類,11,二、 巖石分類,3. 沉積巖,1）礫巖及角礫巖,由50以上大于2mm的粗大碎屑膠結(jié)而成，膠結(jié)物的成分有鈣質(zhì)、泥質(zhì)、鐵質(zhì)及硅質(zhì)

4、等。 礫巖：由渾圓狀礫石膠結(jié)而成，巖性成分比較復(fù)雜，常由多種巖石的碎屑和礦物顆粒組成。 角礫巖：由棱角狀的角礫膠結(jié)而成，巖性成分比較單一，主要成分為石英和燧石,渤海灣館陶底礫巖,1.1 巖石的組成與分類,12,二、 巖石分類,3. 沉積巖,2）砂巖,由50以上粒徑介于20.1mm的砂粒膠結(jié)而成。按砂粒的礦物組成，可分為石英砂巖、長石砂巖和巖屑砂巖等。按砂粒粒徑的大小，可分為粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖。根據(jù)膠結(jié)物的成分。又可將砂巖分為硅質(zhì)砂巖、鐵質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)砂巖及泥質(zhì)砂巖幾個亞類,1.1 巖石的組成與分類,13,二、 巖石分類,3. 沉積巖,3）粉砂巖,主要由50%以上的粒徑為0.10.01毫米的粉

5、砂碎屑組成。按碎屑成分劃分為石英粉砂巖、長石粉砂巖、巖屑粉砂巖（少見）和它們間的過渡類型。根據(jù)膠結(jié)物成分劃分為泥質(zhì)粉砂巖、鐵質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖和白云質(zhì)粉砂巖等,1.1 巖石的組成與分類,14,二、 巖石分類,3. 沉積巖,4）頁 巖,由粘土脫水膠結(jié)而成，以粘土礦物為主，大部分有明顯的薄層理，呈頁片狀?？煞譃楣栀|(zhì)頁巖、粘土質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖及炭質(zhì)頁巖。除硅質(zhì)頁巖強(qiáng)度稍高外，其余巖性軟弱，易風(fēng)化成碎片，強(qiáng)度低，與水作用易于軟化而喪失穩(wěn)定性,1.1 巖石的組成與分類,15,二、 巖石分類,3. 沉積巖,5）泥 巖,一種由泥巴及粘土固化而成的沉積巖，其成分和頁巖相似，但頁理不明顯?？煞譃榉凵?/p>

6、質(zhì)泥巖，鈣質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖、鐵質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖。 顆粒粒徑小于0.01mm,1.1 巖石的組成與分類,16,3. 沉積巖,6）石灰?guī)r,二、 巖石分類,簡稱灰?guī)r。礦物成分以方解石為主，其次含有少量的白云石和粘土礦物。常呈深灰、淺灰色，純質(zhì)灰?guī)r呈白色。結(jié)晶結(jié)構(gòu)，晶粒極細(xì)。由生物化學(xué)作用生成的灰?guī)r，常含有豐富的有機(jī)物殘骸。石灰?guī)r中一般都含有一些白云石和粘土礦物，當(dāng)粘土礦物含量達(dá)2550時，稱為泥灰?guī)r；白云石含量達(dá)2550時，稱為白云質(zhì)灰?guī)r,1.1 巖石的組成與分類,17,3. 沉積巖,7）白云巖,二、 巖石分類,是一種沉積碳酸鹽巖。主要由白云石組成，?；烊胧?、長石、方解石和粘土礦物。呈灰白色，性脆

7、，外貌與石灰?guī)r很相似，但強(qiáng)度比石灰?guī)r高，遇稀鹽酸緩慢起泡或不起泡 。按結(jié)構(gòu)可分為結(jié)晶白云巖、殘余異化粒子白云巖、碎屑白云巖、微晶白云巖等,1.1 巖石的組成與分類,18,第1講 巖石及其工程力學(xué)性質(zhì),1.1 巖石的組成與分類 1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),19,一、 巖石的結(jié)構(gòu),1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,巖石的結(jié)構(gòu)是由組成巖石的礦物結(jié)晶程度、顆粒大小及形狀、連結(jié)方式和微結(jié)構(gòu)面所決定的微觀組織特征,結(jié)構(gòu)對巖石工程力學(xué)性質(zhì)的影響： 1）顆粒愈細(xì)，巖石強(qiáng)度及硬度愈高； 2）顆粒間連結(jié)強(qiáng)度愈大，巖石強(qiáng)度及硬度愈高； 3）微結(jié)構(gòu)面愈發(fā)育，巖石強(qiáng)度愈低,20,1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)

8、造,一、 巖石的結(jié)構(gòu),1.巖石顆粒間的連結(jié)方式,根據(jù)顆粒間的連結(jié)方式不同，可將巖石分為結(jié)晶結(jié)構(gòu)和膠結(jié)結(jié)構(gòu),21,2）膠結(jié)結(jié)構(gòu) 巖石顆粒通過膠結(jié)物膠結(jié)在一起,按膠結(jié)物成分,泥質(zhì)膠結(jié),鈣質(zhì)膠結(jié),鐵質(zhì)膠結(jié),硅質(zhì)膠結(jié),按膠結(jié)形式分,基底膠結(jié),孔隙膠結(jié),接觸膠結(jié),膠結(jié)強(qiáng)度：硅質(zhì)鐵質(zhì)鈣質(zhì)泥質(zhì),1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,一、 巖石的結(jié)構(gòu),1.巖石顆粒間的連結(jié)方式,22,微結(jié)構(gòu)面（或缺陷），是指存在于巖石中礦物顆粒內(nèi)部、礦物顆粒及礦物顆粒集合體之間微小的弱面及空隙。包括礦物的解理、晶格缺陷、晶粒邊界、粒間空隙、微裂紋等,巖石為微結(jié)構(gòu)面發(fā)育的多孔介質(zhì)。微結(jié)構(gòu)面對巖石力學(xué)性質(zhì)有著重要的影響： 大大降低巖石的強(qiáng)度

9、微結(jié)構(gòu)面具有方向性時，常導(dǎo)致巖石的各向異性,1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,一、 巖石的結(jié)構(gòu),2.微結(jié)構(gòu)面（缺陷,23,巖石的構(gòu)造是由巖石組分在空間上的分布方式及相互間的位置關(guān)系所決定的宏觀組織特征。典型的構(gòu)造特征有：流紋構(gòu)造、層理、片理、節(jié)理和孔隙度等,1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,二、 巖石的構(gòu)造,構(gòu)造對巖石工程力學(xué)性質(zhì)的影響： 1）流紋構(gòu)造、層理和片理等常造成巖石的各向異性； 2）巖石孔隙度愈大，其強(qiáng)度和硬度愈低,24,1. 火成巖的構(gòu)造特征,塊狀構(gòu)造： 礦物分布雜亂無章，呈致密塊狀。如花崗巖等。 流紋狀構(gòu)造：由于熔巖流動，由一些不同顏色條紋和拉長氣孔等定 向排列所形成的流動狀構(gòu)造。僅出現(xiàn)于噴出巖

10、中，如 流紋巖等。 氣孔狀構(gòu)造：巖漿凝固時，揮發(fā)性氣體未能及時逸出，在巖石中留 下許多圓形、橢圓形或長管形的孔洞。 杏仁狀構(gòu)造：巖石中的氣孔被后期礦物（如石英、方解石等）填充 所形成的形似杏仁的構(gòu)造。如某些玄武巖和安山巖。 條帶狀構(gòu)造：礦物顆粒呈條帶狀分布,1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,二、 巖石的構(gòu)造,25,1. 火成巖的構(gòu)造特征,1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,二、 巖石的構(gòu)造,26,片理發(fā)育是變質(zhì)巖的典型構(gòu)造特征,片麻巖,片巖,板 巖,2. 變質(zhì)巖的構(gòu)造特征,1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,二、 巖石的構(gòu)造,27,層理和孔隙度是沉積巖的典型構(gòu)造特征,層與層之間的界面，稱為層面。上下兩個層面間成分基本均勻

11、一致的巖石，稱為巖層。它是層理最大的組成單位。一個巖層上下層面之間的垂直距離稱為巖層的厚度。 在短距離內(nèi)巖層厚度的減小稱為變??；厚度變薄以至消失稱為尖滅；兩端尖滅就成為透鏡體；大厚度巖層中所夾的薄層，稱為夾層,3. 沉積巖的構(gòu)造特征,1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,二、 巖石的構(gòu)造,28,第1講 巖石及其工程力學(xué)性質(zhì),1.1 巖石的組成與分類 1.2 巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),29,1.簡單應(yīng)力條件下巖石的變形特性,一、 巖石的力學(xué)性質(zhì),1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),典型巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線,巖石從開始受力到最終破壞經(jīng)歷了彈性變形階段（OY段）、彈塑性變形階段（YP段）和脆性破壞階段

12、（P點(diǎn)以后,在彈性變形區(qū)(OY段)，應(yīng)力只引起巖石中孔隙、微裂紋的壓密和骨架的壓縮變形，應(yīng)力卸除后全部變形得以恢復(fù)。彈性應(yīng)變的量級很小，一般在0.005以下。 OY段的斜率是常數(shù)或接近常數(shù)，其斜率定義為巖石的楊氏彈性模量，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律,30,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),1.簡單應(yīng)力條件下巖石的變形特性,在彈塑性變形階段(YP)。巖石內(nèi)部產(chǎn)生新裂紋并不斷擴(kuò)展，當(dāng)細(xì)小裂紋越來越多并互相連通，最終形成較大的貫穿裂縫時，即將達(dá)到巖石的強(qiáng)度極限,在YP段，巖石的變形是不可逆的，應(yīng)力卸除后變形得不到完全恢復(fù)。從彈性到發(fā)生塑性行為的過渡點(diǎn)Y，通常稱為屈服點(diǎn)，相應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。峰值點(diǎn)P的應(yīng)力

13、值稱為強(qiáng)度極限，簡稱強(qiáng)度,在脆性破壞階段(P點(diǎn)以后)，巖石的變形主要是貫穿巖樣內(nèi)裂縫（破裂面）兩側(cè)的巖塊沿破裂面滑移和張開，應(yīng)力迅速下降，巖石解體,一、 巖石的力學(xué)性質(zhì),31,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),1.簡單應(yīng)力條件下巖石的變形特性,一般規(guī)律： 1）當(dāng)巖石受力很小因而變形很小時，可以看作是彈性體，基本服 從虎克定律。常用楊氏彈性模量E、泊松比、剪切彈性模量 G和體積彈性系數(shù)K等參數(shù)來表征巖石的彈性性質(zhì)。 2）當(dāng)巖石中的應(yīng)力超過其屈服應(yīng)力后，巖石成為彈塑性體，其應(yīng) 力應(yīng)變關(guān)系呈非線性，不再服從虎克定律。 3）在簡單應(yīng)力條件下，巖石的破壞為脆性破壞，即在變形量很小 （小于3%）時就發(fā)生破裂,一

14、、 巖石的力學(xué)性質(zhì),32,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),2.三軸應(yīng)力條件下巖石的變形特性,隨著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出由脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍壓越大，巖石破壞前所呈現(xiàn)的塑性也就越大。巖石由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘膰鷫?，稱為“脆-塑轉(zhuǎn)化臨界圍壓,一、 巖石的力學(xué)性質(zhì),33,1）抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 （2）隨著圍壓的增加，巖石強(qiáng)度增大,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),3. 巖石的強(qiáng)度特性,巖石抗壓強(qiáng)度與其它強(qiáng)度的比值,一、 巖石的力學(xué)性質(zhì),34,巖石可鉆性是指巖石被鉆碎的難易程度，表征巖石抵抗鉆進(jìn)的能力,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),二、 巖石可鉆性,1.概念,巖石可鉆性在鉆井工程中的應(yīng)用 （1）破巖

15、工具設(shè)計 （2）鉆井破巖方法和鉆頭類型優(yōu)選 （3）鉆速度和周期預(yù)測 （4）鉆井生產(chǎn)定額編制,35,關(guān)于巖石可鉆性的兩種種觀點(diǎn)： 觀點(diǎn)1：巖石可鉆性是巖石的固有屬性，是巖石的堅固性在 鉆孔方面的表現(xiàn)。該觀點(diǎn)認(rèn)為，難破碎的巖石用各種 方法都難破碎，可以用一個統(tǒng)一的指標(biāo)表征巖石在各 種破碎條件下的抗破碎能力，不受鉆井破巖方式和技 術(shù)條件等因素的限制。 觀點(diǎn)2：巖石可鉆性不僅取決于巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，而且還 與鉆井破巖方法、鉆進(jìn)技術(shù)條件等因素有關(guān)。鉆進(jìn)破 巖方式不同，巖石破碎難以程度也就不同?！按_定可鉆 性的唯一方法是在巖石中實際鉆進(jìn),1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),2.評價方法,二、 巖石可鉆性,36,

16、力學(xué)性質(zhì)法 利用巖石力學(xué)性質(zhì)(強(qiáng)度、硬度等)評價巖石可鉆性。 比功法 用破碎單位體積巖石所消耗的能量評價巖石可鉆性。 微鉆法 用微型鉆頭在微鉆實驗臺上模擬鉆進(jìn)測定巖石可鉆性。 實鉆法 用現(xiàn)場一定技術(shù)條件下的實際鉆進(jìn)速度表示巖石可鉆性,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),2.評價方法,二、 巖石可鉆性,37,1）巖石力學(xué)性質(zhì)法,實驗裝置：50100t材料實驗機(jī) 實驗巖樣,加載速度：0.5MPa/s,MPa,巖石單軸抗壓強(qiáng)度實驗機(jī),1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),2.評價方法,抗壓強(qiáng)度,二、 巖石可鉆性,38,普氏（普洛托奇雅可諾夫，1926）堅固性系數(shù),巖石普氏分級,1）巖石力學(xué)

17、性質(zhì)法,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),2.評價方法,抗壓強(qiáng)度,二、 巖石可鉆性,39,試驗巖樣：505050mm；4060H3050 壓頭：15mm2平底圓柱形工具鋼或硬質(zhì)合金,材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力,1）巖石力學(xué)性質(zhì)法,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),2.評價方法,壓入硬度（史氏硬度,二、 巖石可鉆性,40,1）巖石力學(xué)性質(zhì)法,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),2.評價方法,壓入硬度（史氏硬度,二、 巖石可鉆性,41,巖石壓入硬度分類表,1）巖石力學(xué)性質(zhì)法,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),2.評價方法,壓入硬度（史氏硬度,二、 巖石可鉆性,42,2）微鉆法（尹宏錦，石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2.評價方法,1.

18、3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),微鉆頭實驗裝置 1。巖心； 2。微鉆頭； 3。巖屑杯； 4。渦輪渦桿 5。杠桿； 6。砝碼； 7。鉆深表； 8。調(diào)平絲杠 9。巖心座； 10。壓緊絲杠,二、 巖石可鉆性,43,試驗條件,鉆壓：890N 轉(zhuǎn)速：55rpm 鉆頭直徑：31.75mm 鉆孔深度：2.4mm,可鉆性指標(biāo),鉆孔時間T，秒； 系統(tǒng)誤差修正公式： 可鉆性級值,2）微鉆法（尹宏錦，石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2.評價方法,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),二、 巖石可鉆性,44,油礦地層可鉆性分級標(biāo)準(zhǔn)（石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2）微鉆法（尹宏錦，石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2.評價方法,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),二、 巖石可鉆性,45,大慶油田

19、： 勝利油田： 中原油田： 河南油田： 長慶油田： 四川油田,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),3.巖石可鉆性的預(yù)測方法,二、 巖石可鉆性,1）區(qū)域經(jīng)驗公式法,46,抗壓強(qiáng)度與測井資料的相關(guān)關(guān)系,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),二、 巖石可鉆性,2）測井資料預(yù)測法,4.巖石可鉆性的預(yù)測方法,47,壓入硬度與測井資料的相關(guān)關(guān)系,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),二、 巖石可鉆性,2）測井資料預(yù)測法,4.巖石可鉆性的預(yù)測方法,48,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),二、 巖石可鉆性,2）測井資料預(yù)測法,可鉆性級值與測井資料的相關(guān)關(guān)系,4.巖石可鉆性的預(yù)測方法,49,巖石磨損工具能力稱為巖石的研磨性,巖石研磨性在鉆井工程中的應(yīng)用： 預(yù)測鉆頭壽命 鉆頭設(shè)計 鉆頭選型和鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選 制定材料消耗定額和編制工程與預(yù)算,1.3 巖石的工程力學(xué)性質(zhì),三、 巖石研磨性,1.概念,50,1）摩擦磨損 兩個相互接