第一章鉆井工程地質(zhì)條件—巖石

1、第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)一、巖石的類型及結(jié)構(gòu)特點一、巖石的類型及結(jié)構(gòu)特點1. 巖石的組成巖石的組成巖石巖石是礦物顆粒的集合體，顆粒之間或者靠直接接觸面上的作用力聯(lián)結(jié)，或者由外來的膠結(jié)物膠結(jié)。大多數(shù)巖石由兩種以上的礦物成分組成。 礦物礦物是具有固定的化學(xué)成分和確定的物理性質(zhì)的天然無機化合物。除了硫、碳的礦物及少數(shù)金屬外，絕大多數(shù)礦物是由兩種以上元素組成的化合物。主要造巖礦物一覽表（P22，表1-1）。2. 巖石的類型巖石的類型巖石可分為三大類：巖石可分為三大類： 火成巖（巖漿巖）由巖漿（硅酸鹽）容體冷凝而成。如花崗巖、玄武巖、 橄欖巖、安山巖等。 變質(zhì)巖火成巖和沉積巖等

2、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。如花崗巖片麻巖，石灰?guī)r大 理巖，石英砂巖石英巖等。 沉積巖母巖風(fēng)化后的產(chǎn)物經(jīng)過搬運、沉積和成巖作用而形成的巖石。如泥 巖、砂巖、石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽 。 n沉積巖類型沉積巖類型 （1） 碎屑巖碎屑巖母巖風(fēng)化后的物質(zhì)經(jīng)機械沉積作用后形成的巖石。碎屑顆粒（巖石碎屑、礦物碎屑）由膠結(jié)物（泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)）膠結(jié)在一起。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)礫巖礫巖：顆粒大于1mm。主要是火成巖、變質(zhì)巖碎屑，碎屑間由膠結(jié)物充填。砂巖砂巖：顆粒0.11mm。石英、長石、輝石、角閃石、云母等礦物顆粒+膠結(jié)物粉砂

3、巖粉砂巖：介于砂巖和泥巖之間的一類巖石，顆粒尺寸0.10.01mm。泥泥 巖巖：顆粒小于0.01mm。主要成分為粘土礦物，并含有部分碎屑物質(zhì) （石英、長石、云母等）。巨礫：1m；粗礫：1001000mm；中礫：10100mm；細(xì)礫：110mm粗砂：0.51mm；中砂：0.250.5mm；細(xì)砂：0.10.25mm （2） 化學(xué)沉積巖化學(xué)沉積巖母巖風(fēng)化后的溶解物質(zhì)經(jīng)化學(xué)沉積作用后形成晶質(zhì)巖石。碳酸鹽巖石灰?guī)r，主要成分為石灰石（CaCO3） 白云巖，主要成分為白云石（MgCa(CO3)2）硫酸鹽巖石膏（CaSO4） 巖 鹽 石鹽（NaCl）在沉積巖中：泥巖60%，砂巖30%，碳酸鹽巖居第三位。3.

4、沉積巖的特點沉積巖的特點（1）結(jié)構(gòu)特點）結(jié)構(gòu)特點結(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、顆粒間的聯(lián)結(jié)情況等。特點：特點：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)強度有強有弱。（2）構(gòu)造特點）構(gòu)造特點構(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關(guān)系。如層理、頁理、節(jié)理（裂隙）、孔隙度等。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì) 層理層理巖石一層層迭起來的現(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： 顆粒大小在縱向上的變化 巖石成分在縱向剖面上的變化 某

5、些礦物顆粒的定向排列顆粒大小變化巖石成分變化某些礦物顆粒定向排列（3）各向異性和非均質(zhì)性）各向異性和非均質(zhì)性各向異性各向異性n如果物體的某一性質(zhì)隨方向的不同而不同，則稱物體的這種特性為各向異性。n巖石一般具有各向異性的性質(zhì)。如在垂直于和平行于層理面的方向上，巖石的力學(xué)性質(zhì)（彈性、強度等）有較大的差異。n巖石的各向異性性質(zhì)是由巖石的構(gòu)造特點所決定的。結(jié)晶礦物顆粒的定向排列、層理、片理、節(jié)理等使得巖石具有各向異性的特點。不均質(zhì)性不均質(zhì)性n如果物體中的不同部分的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，稱該物體是不均質(zhì)的。n巖石一般為非均質(zhì)體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的聯(lián)結(jié)強度、孔隙度（密度）的不均勻性所造成的。

6、n測定巖石的力學(xué)性質(zhì)時，不同部位的實驗結(jié)果常存在很大的差異。因此，應(yīng)采用統(tǒng)計學(xué)理論，取合適的均值作為代表。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)二、巖石的機械性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)）二、巖石的機械性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)）1.1.概念概念巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石受力后表現(xiàn)出來的變形特性和強度特性。彈性彈性巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形隨之消失， 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。塑性塑性巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形不能完全恢 復(fù)的性質(zhì)。相應(yīng)的殘余變形稱為塑性變形。脆性脆性巖石在外力作用下變形量很?。ㄐ∮?%）時就發(fā)生破壞的性質(zhì)。 相應(yīng)的破壞稱為脆性破壞。

7、強度強度巖石在外力作用下發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力。 抗拉強度抗拉強度巖石單純受拉伸應(yīng)力作用時的強度。 抗壓強度抗壓強度巖石單純受壓縮應(yīng)力力作用時的強度。 抗剪強度抗剪強度巖石單純受剪切應(yīng)力作用時的強度 抗彎強度抗彎強度巖石單純受彎曲應(yīng)力作用時的強度第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì) 彈性模量和泊松比彈性模量和泊松比楊氏模量：EG（1-26）（1-27）泊松比：zyzxzxyzxx，（1-28）（1-29）彈性系數(shù)之間的關(guān)系：彈性系數(shù)之間的關(guān)系：剪切模量：)1(2EG（1-30）2. 簡單應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)簡單應(yīng)力條件下巖石的力

8、學(xué)性質(zhì)簡單應(yīng)力條件：巖石受單一外載（壓、拉、剪、彎）作用。 （1）試驗方法）試驗方法第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)APctrpt0APs223bhPlb （2 2）一般規(guī)律）一般規(guī)律： 在簡單應(yīng)力條件下，大部分巖石都接近彈性脆性體，巖石的破壞 表現(xiàn)為脆性破壞。 巖石的彈性模量與所加載荷大小及應(yīng)變種類有關(guān)。當(dāng)載荷較 小時，彈性模量接近常數(shù)，且各種應(yīng)變情況下的彈性模量相 差不大。當(dāng)載荷較大時，在受壓縮的情況下，彈性模量將隨 載荷的增大而增大；在受拉伸的情況，彈性模量則隨載荷的 增大而減小。 在動外力（如聲波）作用下，大多數(shù)巖石服從直線虎克定律。 抗拉強度抗彎強度抗剪強度抗壓強度

9、。 垂直于地層層面方向的巖石強度平行于地層層面方向的巖石強度。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)3. 復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)(1) (1) 三軸巖石試驗三軸巖石試驗第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)12=3111232=323 常規(guī)三軸試驗：常規(guī)三軸試驗：12=3P=2=3P=2=311壓縮拉伸12=312=3(2) (2) 一般規(guī)律一般規(guī)律n巖石在三軸應(yīng)力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強度增大。n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)的也塑性越大。巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的壓力（圍壓）稱為臨界

10、壓力。不同的巖石，臨界壓力不同。n在各向均勻壓縮狀態(tài)下，巖石永遠(yuǎn)不會破壞。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)3=03=23.53=5003=8503=16503=3260XXXX3=03=27.53=55.53=1553=217.513，MPa13，MPa 4.4.巖石的硬度和塑性系數(shù)巖石的硬度和塑性系數(shù)n硬度的概念硬度的概念巖石抵抗其它物體表面壓入或侵入的能力。石油工業(yè)中的巖石硬度是壓入硬度，也稱為史氏硬度，是由前蘇聯(lián)史立涅爾提出的。n 硬度與抗壓強度區(qū)別硬度與抗壓強度區(qū)別：硬度是巖石表面的局部抵抗另一物體壓入或侵入破碎時的能力，抗壓強度則是巖石整體抗壓碎 能力。n塑性系數(shù)塑

11、性系數(shù) 表征巖石塑性和脆性大小的參數(shù)。n壓入硬度和塑性系數(shù)的測定方法壓入硬度和塑性系數(shù)的測定方法壓入試驗壓入試驗第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì) 巖石硬度試驗裝置 771液缸缸體；2液缸柱塞；3-巖樣；4壓頭5壓力計；6千分表；7柱塞導(dǎo)向桿6第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)n巖石硬度和塑性系數(shù)的計算：巖石硬度和塑性系數(shù)的計算：第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)塑性系數(shù)塑性系數(shù)Kp:面積面積巖石破碎前彈性變形功巖石破碎前耗費的總功ODEOABCAAKEFp類脆塑脆性塑別性低塑性高塑性性級 別123456塑性系數(shù) K1122334466巖石按塑性

12、系數(shù)分類（1-31）硬度硬度P Py y: : 類別軟中軟中硬硬堅硬極硬級別123456789101112MPa112.5 2.55 510 101515202030304040505060607070MPa第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)對脆性和塑脆性巖石：SPPy（1-32）SPPy0MPa（1-33）對塑性巖石： 巖石按硬度的分類三、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析三、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析1.巖石結(jié)構(gòu)巖石結(jié)構(gòu)（1）對晶質(zhì)巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度也較高。如武巖（斜長石、輝石，6） 白云巖（白云石，4）石灰?guī)r（石灰石，3）。 （2）砂巖的強度隨著石英（7）含

13、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，強度降低。因此，巖石的強度一般隨埋藏深度的增加而增大。2. 井底各種壓力井底各種壓力（1）有效地應(yīng)力越大，巖石強度越大，塑性越大。（2）井內(nèi)液柱壓力與孔隙壓力之差越大，巖石強度越大，塑性越大。3. 載荷性質(zhì)的影響載荷性質(zhì)的影響（1）抗壓 抗剪 抗彎 抗拉。（2）巖石對動載的抗力要比靜載大得多。隨著沖擊速度增大，硬度增大，塑性系數(shù)減小。但在沖擊速度小于10米/秒時，巖石硬度和塑性系數(shù)變化不大，接近于靜載時的數(shù)值。在10000米深度范圍內(nèi)：強度：巖鹽泥頁巖石灰?guī)r石膏白云巖，砂巖強度取決于膠結(jié)物及膠結(jié)程度。 塑性：巖鹽石灰?guī)r泥

14、頁巖石膏白云巖石英巖第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)四、巖石的可鉆性和研磨性四、巖石的可鉆性和研磨性 1. 巖石可鉆性巖石可鉆性(Rock Drillability）（1）概念）概念巖石可鉆性可理解為巖石破碎的難易性，它反映了是巖石抵抗鉆頭破碎的能力。（2）評價方法）評價方法在鉆壓889.7N（200磅）、轉(zhuǎn)速55r/min的固定條件下，用鉆頭直徑31.75mm（1-1/4in）的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進(jìn)2.4mm孔深所需要的時間td作為巖石可鉆性指標(biāo)，由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。為應(yīng)用方便，常用 Kd=Log2td 作為可鉆性指標(biāo)，稱為可鉆性級值。（3）可鉆性分級）可鉆性分級第二節(jié)第