巖石力學(xué)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

巖石力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀石油大學(xué)（北京）陳勉什么是“巖石力學(xué)”

巖石力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支。在《中國(guó)大百科全書—力學(xué)卷》中對(duì)巖石力學(xué)的定義為：“巖石力學(xué)是運(yùn)用力學(xué)和物理學(xué)的原理研究巖石的力學(xué)和物理性質(zhì)的一門科學(xué)，目的在于充分掌握和利用巖石的固有性質(zhì)，解決和解釋生產(chǎn)建設(shè)中的實(shí)際問題”。美國(guó)科學(xué)院巖石力學(xué)委員會(huì)1966年曾給巖石力學(xué)下過定義，認(rèn)為：“巖石力學(xué)是研究巖石力學(xué)性能的理論和應(yīng)用的科學(xué)，是探討巖石對(duì)其周圍物理環(huán)境中力場(chǎng)的反應(yīng)的力學(xué)分支”。應(yīng)該指出，第二個(gè)定義更加強(qiáng)調(diào)巖石材料全部賦存于地質(zhì)環(huán)境中，這些材料的自然特征決定于其形成的方式和后來作用于其上的地質(zhì)作用。巖石是“連續(xù)介質(zhì)”嗎？巖石屬于固體，但巖石力學(xué)不但研究巖石骨架物質(zhì)，還研究巖石孔隙、裂隙中的流體的力學(xué)性質(zhì)，及巖石骨架物質(zhì)與孔隙、裂隙中的流體相互耦合作用問題。一般從宏觀的意義上，巖石可以作為連續(xù)介質(zhì)，但是如果考慮到巖體不但有微觀的裂隙，而且有層理、片理、節(jié)理以及斷層等不連續(xù)面，也常常有人把巖體作為非連續(xù)介質(zhì)處理。巖石力學(xué)的理論基礎(chǔ)巖石力學(xué)的理論基礎(chǔ)相當(dāng)廣泛，涉及彈塑性力學(xué)、流體力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、斷裂力學(xué)、工程地質(zhì)等眾多學(xué)科。巖石力學(xué)也涉及許多生產(chǎn)領(lǐng)域，如石油工程、水利水電工程、煤炭開采工程、鐵道交通工程等。土木建筑、礦山建設(shè)、國(guó)防工程、地震預(yù)報(bào)等也都應(yīng)用到巖石力學(xué)的理論和方法。組成礦物決定巖石性質(zhì)嗎？大多數(shù)巖石是由幾種礦物組成的，如玄武巖、花崗巖、頁巖、砂巖、石灰?guī)r等；也有由單一礦物組成的巖石，如石英巖、大理巖等。但是應(yīng)該指出，礦物的力學(xué)性質(zhì)，并不等同于該種礦物所組成的巖石的力學(xué)性質(zhì)，即使是由單一礦物組成的巖石也是如此。例如，由石英組成的石英巖和由方解石組成的大理巖，但是石英與石英巖，方解石與大理巖，兩者的性質(zhì)并不相同。這表明：一方面，由礦物組成的集合體的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，在力學(xué)上起著主要作用，因此，研究巖石的組織和結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)是十分必要的。另一方面，這并不等于說巖石的力學(xué)性質(zhì)與其組成的礦物的性質(zhì)沒有關(guān)系。事實(shí)上，巖石中的礦物成分，也會(huì)對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生十分重要的影響，甚至在某些條件下會(huì)產(chǎn)生決定性的影響。例如，粘土礦物會(huì)使其組成的巖石產(chǎn)生膨脹、溶蝕和軟化等物理和化學(xué)的變化，使巖石的性質(zhì)復(fù)雜起來。巖石、巖體和巖塊巖石是一種自然歷史的產(chǎn)物，是構(gòu)成地殼巖石圈的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，巖石這一術(shù)語，是巖石力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)的一般用語。巖石是一個(gè)泛指的名詞，即作為地殼巖石的統(tǒng)稱，包括巖塊和巖體。所謂巖塊是指脫離天然狀態(tài)母巖的塊體，如鉆取的巖芯、人工鑿取的石料等；而巖體是指一定范圍的天然巖石（地殼巖石圈的自然狀態(tài)）。巖石力學(xué)與工程巖石力學(xué)的發(fā)展是與人類的生產(chǎn)活動(dòng)緊密聯(lián)系的。在原始社會(huì)，人類就利用巖石制作工具和武器。后來逐漸學(xué)會(huì)在巖石中開采礦石，利用巖石作建筑材料。但是，作為一門學(xué)科，巖石力學(xué)是近四十年才發(fā)展起來的。在水電建設(shè)中，大型電站的壩高可達(dá)三百米，石油地質(zhì)鉆井深度已達(dá)10000米以上，而研究地殼變形時(shí)，涉及到的深度達(dá)五、六十公里、溫度在1000℃以上，必需考慮的時(shí)間效應(yīng)為幾百萬年。而且更巨大和復(fù)雜的巖石工程還在日益增加，從而有力地促進(jìn)了巖石力學(xué)的發(fā)展。國(guó)際巖石力學(xué)組織1951年在奧地利成立了國(guó)際上第一個(gè)地區(qū)性的地質(zhì)力學(xué)學(xué)會(huì)--奧地利地質(zhì)力學(xué)學(xué)會(huì)。1957年出版了法國(guó)的的《巖石力學(xué)》專著以來，有關(guān)巖石力學(xué)的著作如雨后春筍，不斷涌現(xiàn)。1962年，由奧地利地質(zhì)力學(xué)學(xué)會(huì)發(fā)起，建立了國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（InternationalSocietyforRockMechanics,簡(jiǎn)稱ISRM）。1965年，由美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)(AGU)、礦冶研究所(AIMMP)、土木學(xué)會(huì)(ASCE)、材料學(xué)會(huì)(ASTM)、地質(zhì)學(xué)會(huì)(GSA)、礦業(yè)學(xué)會(huì)(AIME)等單位聯(lián)合組成巖石力學(xué)學(xué)會(huì)委員會(huì)(IntersocietyCommitteeforRockMechanics,簡(jiǎn)稱ICRM)，后改稱聯(lián)邦巖石力學(xué)委員會(huì)(U.S.NationalCommitteeforRockMechanics,簡(jiǎn)稱USNC/RM)，把巖石力學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域中取得的成果進(jìn)行交流推廣，之后又成立了美國(guó)巖石力學(xué)協(xié)會(huì)，進(jìn)一步推動(dòng)了巖石力學(xué)的發(fā)展，并從1965年起每年舉行一次全國(guó)巖石力學(xué)學(xué)術(shù)大會(huì)，至今沒有間斷過。1966年國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)在里斯本召開了第一屆國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)術(shù)大會(huì)。在這個(gè)時(shí)期巖石力學(xué)作為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科開始進(jìn)入了新的階段。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)出版了《巖石力學(xué)》（季刊）和《國(guó)際巖石力學(xué)及礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào)》并附有巖土力學(xué)文摘（InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences＆GeomechanicsAbstract）。中國(guó)巖石力學(xué)組織在我國(guó)，五十年代開始，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，陸續(xù)建立了一些巖石力學(xué)的研究機(jī)構(gòu)，如中國(guó)科學(xué)院巖土力學(xué)研究所等。1979年起，中國(guó)以團(tuán)體會(huì)員國(guó)名義參加了國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)并成立了國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)中國(guó)小組。1985年成立了中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)，由中國(guó)科學(xué)院學(xué)部委員陳宗基教授任第一任理事長(zhǎng)。1995年國(guó)際巖石力學(xué)第八次會(huì)議在日本千葉召開，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)孫均院士當(dāng)選為國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)副主席，我國(guó)在世界巖石力學(xué)界的地位逐步提高。石油工程巖石力學(xué)組織1997年中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)成立了以石油工程為主要研究對(duì)象的深層巖石力學(xué)專業(yè)委員會(huì)，黃榮樽教授任首屆主任委員。2000年石油大學(xué)陳勉開始擔(dān)任深層巖石力學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任，并作為中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)石油工程界的唯一常務(wù)理事。巖石與人工材料不同巖石力學(xué)的研究對(duì)象是巖石。巖石力學(xué)研究是與巖石本身的固有性質(zhì)不可分的。巖石形成的時(shí)期，最早可在幾十億年前，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中，先后經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。因此，巖石與人工材料有很大的不同。在成巖過程中，組成巖石的礦物顆粒在大小、物理力學(xué)性質(zhì)和熱導(dǎo)率等方面都各不相同，因此在巖漿冷卻時(shí)，顆粒的內(nèi)部和邊界會(huì)產(chǎn)生微裂紋；另一方面，由于晶體之間有摩擦阻力，變形受阻，引起應(yīng)力積累，而形成封閉應(yīng)力。在此后地質(zhì)構(gòu)造的長(zhǎng)期作用之下，巖石中又形成了各種斷裂，如裂隙和斷層。裂紋、斷裂等在外力作用下都具有隨時(shí)間而變化的力學(xué)性能，即流變性。巖石與地質(zhì)運(yùn)動(dòng)地殼本身在動(dòng)力作用下也按一定的速率不斷變化。此外，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，如板塊構(gòu)造、板塊碰撞、火山運(yùn)動(dòng)、造山運(yùn)動(dòng)等的影響下，巖石內(nèi)部還賦存有地應(yīng)力，并包含許多晶體間的滑動(dòng)面、裂紋、節(jié)理、裂隙、層面、弱面、夾層和斷層等。因此，巖石是一種非均質(zhì)、各向異性、非連續(xù)、而且內(nèi)部存在應(yīng)力的復(fù)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在巖石內(nèi)部又包括許多力學(xué)性質(zhì)不同的巖石單元，而每個(gè)單元本身也往往是非均質(zhì)、各向異性和非連續(xù)的。由此可見，巖石的力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)較其他材料復(fù)雜，任何巖石力學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論分析和計(jì)算都必須考慮這些特點(diǎn)。這也是巖石力學(xué)研究的基本出發(fā)點(diǎn)。石油工程所涉及的巖石在與石油工程有關(guān)的巖石力學(xué)研究中，所涉及的地層深度大多在2000-8000米范圍內(nèi)，研究對(duì)象以沉積巖層為主體，巖石處于較高的圍壓（可達(dá)200MPa）、較高的溫度（可達(dá)200℃）和較高的孔隙壓力（可達(dá)200MPa）作用下。這與水電沾的坎基設(shè)計(jì)、高邊坡穩(wěn)定、隧道和巷道的開挖及支護(hù)、建筑的樁基工程、地下洞室城市地鐵建造等不超過1000米深度的地表或淺層問題不同，也不同于以火成巖和變質(zhì)巖的研究主體，深度超過萬米的下地殼、上地幔巖石物理力學(xué)問題。巖石的圍壓石油工程巖石力學(xué)所涉及的圍壓可達(dá)200MPa。事實(shí)上，地層的圍壓來源于非均勻的原地應(yīng)力場(chǎng)，若垂向應(yīng)力源于地層自重，那么應(yīng)力梯度平均為，多數(shù)地區(qū)最大水平應(yīng)力往往大于垂向應(yīng)力，且兩個(gè)水平地應(yīng)力梯度的比值常達(dá)到以上。在山前構(gòu)造帶地區(qū)，不但地應(yīng)力梯度高，水平最大最小地應(yīng)力的比值也很大。因此在研究地應(yīng)力分布規(guī)律（包括數(shù)值大小及主方向）時(shí)，主要依靠水壓致裂、巖石聲發(fā)射試驗(yàn)、巖石剩磁分析、差應(yīng)變分析、地震和構(gòu)造資料反演，測(cè)井資料解釋等間接方法。巖石的溫度石油工程巖石力學(xué)所涉及的溫度可達(dá)200℃。一般的地溫梯度是3℃/100m，高的可超過4℃/100m，具體的地溫梯度往往需要實(shí)際測(cè)定。當(dāng)溫度超過150℃后對(duì)巖石性質(zhì)的影響是十分顯著的。巖石的孔隙壓力石油工程巖石力學(xué)所涉及的沉積巖層的孔隙和裂隙中的高壓流體（包括各種液體和氣體）的孔隙壓力可達(dá)200MPa。常規(guī)的靜水孔隙壓力梯度為，而異常高壓可超過。巖石的脆—塑性轉(zhuǎn)變石油工程巖石力學(xué)所研究的地層力學(xué)是在高圍壓、高溫度和高孔隙壓力狀態(tài)下，其性質(zhì)已完全不同于淺部地層，它可能經(jīng)過脆—塑性轉(zhuǎn)變變成塑性，也可能由于高孔隙壓力的作用呈現(xiàn)脆性破壞。主要研究范圍二十世紀(jì)六十年代以來，巖石力學(xué)在石油工程中日益顯示了其重要性。主要研究范圍包括：深部地層工程地質(zhì)特征研究深層地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)；深部地層環(huán)境下的巖石力學(xué)性質(zhì)；巖石應(yīng)力、滲透性的聲學(xué)響應(yīng)特性及巖石物理力學(xué)性質(zhì)的地球物理解釋；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬及其在油氣勘探與開發(fā)中的應(yīng)用；深層巖石中天然裂縫的形態(tài)、分布和預(yù)測(cè)理論；主要研究范圍固液耦合理論及在油藏工程中的應(yīng)用；井壁圍巖穩(wěn)定性研究巖石破碎機(jī)理研究人工裂縫的起裂、擴(kuò)展及水力壓裂工程設(shè)計(jì)；弱固結(jié)地層的固相產(chǎn)出問題；地層錯(cuò)動(dòng)、蠕變與套管損壞問題數(shù)值方法在石油工程巖石力學(xué)中的應(yīng)用研究石油工程巖石力學(xué)的物理模擬技術(shù)研究巖石力學(xué)的研究方法巖石力學(xué)的研究方法主要是:科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論分析?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)包括室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)地觀測(cè)。室內(nèi)試驗(yàn)一般分為巖石材料試驗(yàn)和模型試驗(yàn)（如地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和大工程模擬試驗(yàn)）?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)地試驗(yàn)是在天然條件下進(jìn)行的，研究包括不連續(xù)面的巖體的性質(zhì)，是巖石力學(xué)研究的重要手段，也是理論研究的主要依據(jù)。巖石力學(xué)的研究方法理論分析是對(duì)巖石的變形、強(qiáng)度、破壞準(zhǔn)則及其在工程中的應(yīng)用等課題進(jìn)行探討。在這方面，長(zhǎng)期以來沿用彈性理論、塑性理論和松散連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論進(jìn)行研究。由于巖石力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，所以這些理論的適用范圍總是有限的。近年來，雖然發(fā)展了一些新的理論（如非連續(xù)介質(zhì)理論），但都不夠成熟。巖石力學(xué)的研究方法60年代以來，數(shù)值分析方法和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用給巖石力學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。用這種方法和計(jì)算技術(shù)可以考慮巖石的非均質(zhì)性，各向異性，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性和流變性，粘、彈、塑性，等等。但是由于巖石力學(xué)的試驗(yàn)方法比較落后，還無法為計(jì)算提供準(zhǔn)確的參數(shù)及合適的邊界條件，使計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用受到限制。巖石力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定巖石的力學(xué)特性參數(shù)包括強(qiáng)度參數(shù)和彈性參數(shù)。涉及的參數(shù)主要為抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦力、內(nèi)摩擦角、波松比和楊氏模量。目前巖石力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)定主要有兩種方法：靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。靜態(tài)法是通過對(duì)巖樣進(jìn)行加載試驗(yàn)測(cè)得其變形而得，所得參數(shù)為巖石靜態(tài)力學(xué)特性參數(shù)。動(dòng)態(tài)法是通過測(cè)定超聲波穿過巖樣的速度得到，所得參數(shù)為巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性參數(shù)。根據(jù)實(shí)際受載情況，巖石的靜態(tài)力學(xué)特性參數(shù)更適合工程需要。巖石力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定迄今為止，巖石的靜態(tài)力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)定方法已比較成熟，有了一套規(guī)范的實(shí)驗(yàn)程序和數(shù)據(jù)處理程序，但靜態(tài)法需從地下取出待研究井段的巖芯，在室內(nèi)做單軸或三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，其缺點(diǎn)是成本高，時(shí)效性差，資料的代表性較差，而動(dòng)態(tài)法利用聲波測(cè)井資料，可把原地應(yīng)力下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性參數(shù)直接求出，可獲得巖層沿深度的連續(xù)的力學(xué)特性資料。巖石力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定一般采用常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)方法。試驗(yàn)機(jī)包括兩種，柔性試驗(yàn)機(jī)和剛性試驗(yàn)機(jī)，柔性試驗(yàn)機(jī)適用于金屬材料。由于柔性試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中要儲(chǔ)存大量的彈性能量，要得到巖石材料的全應(yīng)力應(yīng)變曲線必須使用剛性試驗(yàn)機(jī)。一般剛性試驗(yàn)機(jī)性能精密，造價(jià)昂貴，目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)的美國(guó)MTS815、MTS816和TerraTek巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，具備全面準(zhǔn)確的行為控制、測(cè)試、數(shù)據(jù)后處理功能。溫度、壓力指標(biāo)可滿足深層巖石力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的要求。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)關(guān)系巖石力學(xué)特性參數(shù)的靜態(tài)值和動(dòng)態(tài)值存在著一定的差異，靜態(tài)彈性模量普遍小于動(dòng)態(tài)彈性模量，而靜態(tài)泊松比有的大于動(dòng)態(tài)泊松比，有的小于動(dòng)態(tài)泊松比。根據(jù)實(shí)際受載情況，巖石的靜態(tài)力學(xué)特性參數(shù)更適合工程需要，利用聲波法得到的巖石力學(xué)參數(shù)不能直接用于工程分析中。因此利用現(xiàn)場(chǎng)提供的縱波測(cè)井、密度測(cè)井、地層壓力、部分巖芯等資料，尋找動(dòng)、靜力學(xué)特性參數(shù)之間的關(guān)系以及靜態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系有著積極的意義。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)關(guān)系黃榮樽等學(xué)者通過我國(guó)各主要油田砂泥巖的三軸試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)泊松比隨圍壓增大而增大，巖石的泊松比、彈性模量同所處的深度有關(guān)，并提出了巖石泊松比、彈性模量和強(qiáng)度與地層深度、聲波速度的變化規(guī)律。分層地應(yīng)力由于地層間或?qū)觾?nèi)的不同巖性巖石的物理特性、力學(xué)特性和地層孔隙壓力異常等方面的差別造成了層間或?qū)觾?nèi)地應(yīng)力分布的非均勻性。某些地層特別強(qiáng)烈的地應(yīng)力各向異性對(duì)井壁穩(wěn)定有著非常顯著的影響，而層間應(yīng)力差對(duì)水力壓裂裂縫的擴(kuò)展也起著重要的約束作用，同時(shí)對(duì)定向鉆井和防斜打直方面也有著重要的影響。分層地應(yīng)力目前，對(duì)于分層地應(yīng)力主要采用以下幾類預(yù)測(cè)模型：?jiǎn)屋S應(yīng)變模式：假設(shè)地層在沉積過程中水平向的變形受到限制，則水平方向的地應(yīng)力是由上覆壓力產(chǎn)生，主要包括如下模型:Mattens&Kelly模型，Terzaghi模型，Anderson模型，Newberry模型。單軸應(yīng)變模式?jīng)]有包括構(gòu)造應(yīng)力項(xiàng),適用于弱構(gòu)造運(yùn)動(dòng)地層。

分層地應(yīng)力石油大學(xué)六五模式：假設(shè)地下巖層的地應(yīng)力主要由上覆巖層壓力與水平方向的構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生，且水平方向的構(gòu)造應(yīng)力與上覆壓力成正比，該模式老慮了構(gòu)造應(yīng)力的影響，但沒有剛性地層和巖性對(duì)地應(yīng)力的影響。

分層地應(yīng)力石油大學(xué)七五模式：在石油大學(xué)六五模式的基礎(chǔ)上，假設(shè)地層為勻質(zhì)各向同性的線彈性體，并假定在沉積后期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，地層與地層之間不發(fā)生相對(duì)位移，所有地層兩水平方向的應(yīng)變均為常數(shù)。這種模式意味著地應(yīng)力不但與泊松比有關(guān)，與地層的彈性模量，地應(yīng)力與地層彈性模量成正比，此模式可解釋砂巖地層比相鄰頁巖地層有更高的地應(yīng)力現(xiàn)象。地層斷裂韌性的測(cè)量與預(yù)測(cè)斷裂韌性又稱臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，是裂紋體分析中的關(guān)鍵參量，表征了線彈性裂縫尖端場(chǎng)（應(yīng)力和應(yīng)變）的奇異性強(qiáng)度，其數(shù)值與裂紋體的幾何形狀和所受載荷一般無關(guān)，因而是物質(zhì)材料的一個(gè)基本屬性。陳治喜等人根據(jù)試件加工的嚴(yán)格要求以及可能存在的問題，專門設(shè)計(jì)巖石斷裂韌性測(cè)試巖芯制作加工裝置和斷裂韌性實(shí)驗(yàn)儀。張廣清、陳治喜、袁長(zhǎng)友等人深入地研究了斷裂韌性與其它物理力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系。地層斷裂韌性的測(cè)量與預(yù)測(cè)因?yàn)橛蓽y(cè)井資料可以得到地層密度，聲波時(shí)差或聲波速度以及泥質(zhì)含量，再根據(jù)上述的試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)關(guān)系，巖石的斷裂韌性就可以通過聲波測(cè)井資料、密度測(cè)井資料以及伽馬測(cè)井資料計(jì)算得到。全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)裝置研究井底巖石在各種壓力作用下的物理機(jī)械性能，分析不同鉆井參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)過程中水力、機(jī)械破巖過程、射流場(chǎng)規(guī)律及鉆進(jìn)效果，不斷提高鉆井技術(shù)水平，降低鉆井或成本，一直是世界各國(guó)石油行業(yè)追求的目標(biāo)。全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)裝置自五十年代以來，對(duì)上述的技術(shù)和基礎(chǔ)理論各大石油公司主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆進(jìn)試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行研究和認(rèn)識(shí)。但由于鉆進(jìn)過程的隱蔽性和復(fù)雜性，通常鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)只能測(cè)得多種工藝參數(shù)的綜合效果，而且，目前對(duì)井下地層參數(shù)還不能隨鉆直接測(cè)定和控制。因此，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并不是完全理想的、經(jīng)濟(jì)的和科學(xué)的試驗(yàn)方法。為此，國(guó)外從六十年代開始研制能模擬井底巖不自然環(huán)境和全尺寸鉆頭鉆進(jìn)過程的高溫高壓模擬井筒試驗(yàn)裝置。全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)裝置美國(guó)泰瑞泰克公司（TerraTek,Inc）的鉆井模擬試驗(yàn)裝置是世界上第一個(gè)全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)裝置。它由鉆鉆機(jī)、井眼模擬器、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、巖樣采集加工、井下工具試驗(yàn)容器及井眼穩(wěn)定試驗(yàn)裝置等組成。該裝置模擬井下壓力分別為上覆壓力207MPa，圍壓138MPa，孔隙壓力，液柱壓力103MPa，使用鉆頭直徑為：156-311mm。全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)裝置英國(guó)斯倫貝謝劍橋研究中心（SchlumbergerCambridgeResearch）的全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)裝置1992年基本完成，可模擬5000m井深條件鉆井試驗(yàn)。另外日本通產(chǎn)省資源環(huán)境技術(shù)綜合研究所（NationalInstituteforResourcesandEnvironment）、俄羅斯原全蘇鉆井技術(shù)研究院別爾姆分院、日本石油公司石油開發(fā)技術(shù)研究所（JapanNationalOilCorporationTechnologyResearchCenter）等也分別研制了全尺寸鉆井模擬裝置。全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)裝置二十世紀(jì)九十年代，由中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司組織，大慶油田鉆井研究院等多家單位聯(lián)合攻關(guān)，成功地研制了我國(guó)第一臺(tái)模擬6000米井底壓力環(huán)境的全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)裝置，這為我國(guó)石油鉆井，特別是深井鉆井提供了強(qiáng)有力的中間試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)的手段。該裝置可模擬井底壓力環(huán)境，在不同巖石礦物組份及應(yīng)力狀態(tài)下，選用不同的鉆井參數(shù)、水力參數(shù)，開展優(yōu)選參數(shù)鉆井、噴射鉆井、水力機(jī)械聯(lián)合破巖、破巖工具、鉆柱振動(dòng)試驗(yàn)、井下工具模擬試驗(yàn)和檢測(cè)評(píng)價(jià)。全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)裝置Photo!!!!!井壁穩(wěn)定力學(xué)機(jī)理與應(yīng)用研究井壁失穩(wěn)是指鉆井過程中井眼噴、漏、塌、卡，其主要失穩(wěn)機(jī)理是井壁的張性破裂和剪切破壞，井壁穩(wěn)定問題是鉆井過程中經(jīng)常遇到的復(fù)雜問題。根據(jù)哈里伯頓公司的最新統(tǒng)計(jì)，全球每年花在井壁穩(wěn)定問題上的開支不低于60億美圓。因此，確?？刂凭谑Х€(wěn)是石油工業(yè)界的迫切需要。井壁穩(wěn)定力學(xué)研究由于鉆井過程中的井壁失穩(wěn)是一個(gè)世界性難題，因此受到各國(guó)科研人員的高度重視。但是，由于受石油鉆井工程發(fā)展歷史的影響，長(zhǎng)期以來，研究的重點(diǎn)多集中于化學(xué)防塌方面。在這方面泥漿工作者進(jìn)行了大量行之有效的工作，從化學(xué)的角度出發(fā)研制抑制泥頁巖水化、膨脹和實(shí)現(xiàn)離子活度平衡的新型泥漿處理劑和配方，使井壁失穩(wěn)現(xiàn)象大為減少，井壁穩(wěn)定技術(shù)取得很大進(jìn)展，但是仍然解決不了水化程度弱、強(qiáng)度低的泥頁巖、砂泥巖地層、強(qiáng)地應(yīng)力條件的山前構(gòu)造、弱面地層和井斜及井斜方位引起的井壁穩(wěn)定問題，可見解決井壁失穩(wěn)僅通過使用優(yōu)質(zhì)泥漿是不夠的，有必要從巖石力學(xué)的角度出發(fā)，進(jìn)行井壁穩(wěn)定力學(xué)研究。井壁穩(wěn)定力學(xué)研究我國(guó)學(xué)者將巖石力學(xué)理論用于井壁穩(wěn)定方面的研究起步相對(duì)較晚。80年代初期，巖石力學(xué)的研究主要是用于描述地層蠕變對(duì)套管產(chǎn)生的破壞作用；到了90年代，以黃榮樽教授為代表的國(guó)內(nèi)學(xué)者，在吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，逐步形成了一整套適合我國(guó)油田實(shí)際的井壁穩(wěn)定力學(xué)分析的理論和方法。為巖石力學(xué)在井壁穩(wěn)定分析中的進(jìn)一步深入應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。井壁穩(wěn)定力學(xué)研究陳勉等人在深入分析Yew、Chenevert、Mody模型和大量室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用力學(xué)與化學(xué)耦和的研究方法，提出了新的、更為合理的水化應(yīng)力模型；首次提出了井壁垮塌周期的定量計(jì)算方法。井壁穩(wěn)定力學(xué)研究對(duì)大斜度井和水平井的井壁力學(xué)穩(wěn)定性問題作了深入研究，其井壁穩(wěn)定性模型在Aadnoy模型的基礎(chǔ)上又附加了井壁滲透性因素和考慮了兩個(gè)水平地應(yīng)力不相等的情況，并指出井壁滲透性對(duì)坍塌壓力的計(jì)算影響不大，但對(duì)計(jì)算破裂壓力有較大的影響；針對(duì)我國(guó)西部油田山前構(gòu)造大傾角地層的特點(diǎn)，金衍等人建立了井壁穩(wěn)定的弱面模型，并在塔北地區(qū)得到了成功的應(yīng)用；并將快速Lagrange元分析方法應(yīng)用于軟泥巖鹽膏地層的縮徑預(yù)測(cè)中，其預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果十分吻合。井壁穩(wěn)定力學(xué)研究由于鉆井過程中的井壁失穩(wěn)是一個(gè)世界性難題，因此受到各國(guó)科研人員的高度重視。但是，由于受石油劉向君等人對(duì)煤層井壁不穩(wěn)定的機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為煤層失穩(wěn)是由物理因素、化學(xué)因素、力學(xué)因素和機(jī)械因素綜合影響造成的。此外，劉玉石等人還應(yīng)用損傷力學(xué)理論，從巖體節(jié)理的變形能出發(fā)，建立了硬脆性泥頁巖（含節(jié)理裂隙）的本構(gòu)方程；又以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用固體力學(xué)方法建立了膨脹性泥頁巖水化的本構(gòu)方程，根據(jù)損傷和水化膨脹的特性，建立了有限元計(jì)算模型和相應(yīng)的計(jì)算程序。井壁穩(wěn)定力學(xué)研究總的來講，井壁穩(wěn)定力學(xué)研究應(yīng)從三個(gè)方面入手：巖石力學(xué)參數(shù)、原地應(yīng)力場(chǎng)和井壁穩(wěn)定力學(xué)模型研究。巖石力學(xué)參數(shù)是基礎(chǔ)，地應(yīng)力是井壁失穩(wěn)的根本誘因，合理的井壁穩(wěn)定力學(xué)模型是解決井壁穩(wěn)定的有效途徑。結(jié)合三個(gè)方面的研究，掌握地應(yīng)力狀態(tài)和地層力學(xué)參數(shù)，采用合理的力學(xué)模型，得出能控制井壁失穩(wěn)的泥漿密度范圍，再配合使用優(yōu)質(zhì)泥漿，才能使得井壁穩(wěn)定問題得到最大限度的降低。測(cè)井資料在井壁穩(wěn)定力學(xué)分析中的應(yīng)用從事巖石力學(xué)研究需要取得有關(guān)的巖石力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、泊松比、強(qiáng)度等。過去這些巖石的物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)定都是建立在靜力學(xué)的基礎(chǔ)之上，依靠室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)來完成的。這種方法雖然直觀，理論也簡(jiǎn)單，但耗費(fèi)大量人力、物力，更為重要的是現(xiàn)場(chǎng)取芯困難，不可能取得整個(gè)井身剖面內(nèi)的巖石力學(xué)參數(shù)。因此，長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外專家都在尋找一種更簡(jiǎn)便的方法來確定地層的強(qiáng)度參數(shù)。地層聲波測(cè)井反映聲波在巖石中的傳播速度，與巖石的密度、孔隙度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等密切相關(guān)，它作為衡量巖石強(qiáng)度參數(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，長(zhǎng)期以來一直為眾多學(xué)者所關(guān)注。測(cè)井資料在井壁穩(wěn)定力學(xué)分析中的應(yīng)用目前，利用聲波（結(jié)合密度、自然伽瑪?shù)龋y(cè)井資料確定巖石的彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，已經(jīng)有了一些相對(duì)成熟的公式，應(yīng)用較廣泛。國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)地質(zhì)力學(xué)、多孔彈性介質(zhì)力學(xué)、巖石力學(xué)及聲學(xué)理論，對(duì)井壁圍巖的受力狀態(tài)、地應(yīng)力的測(cè)量技術(shù)、巖石強(qiáng)度的方法，以及泥頁巖水化應(yīng)力的計(jì)算方法等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和分析：測(cè)井資料在井壁穩(wěn)定力學(xué)分析中的應(yīng)用(1)形成了一套完善的室內(nèi)聲發(fā)射Kaiser實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂試驗(yàn)相結(jié)合的地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)。并針對(duì)不同構(gòu)造區(qū)域的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立了分層地應(yīng)力計(jì)算模型，結(jié)合測(cè)井資料的解釋及處理，可求出全井段各地層的三個(gè)主應(yīng)力。測(cè)井資料在井壁穩(wěn)定力學(xué)分析中的應(yīng)用(2)形成了一套巖石強(qiáng)度參數(shù)測(cè)定技術(shù)。建立了利用人造泥頁巖巖心或露頭巖心，通過強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)及測(cè)井資料解釋來確定泥頁巖強(qiáng)度參數(shù)的新方法。測(cè)井資料在井壁穩(wěn)定力學(xué)分析中的應(yīng)用(3)通過大量室內(nèi)巖石動(dòng)、靜彈性參數(shù)及強(qiáng)度參數(shù)的同步測(cè)試，建立了泥頁巖動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)間的相互關(guān)系，以及泥頁巖強(qiáng)度參數(shù)與其聲波速度、泥質(zhì)含量及密度之間的相對(duì)關(guān)系。形成了一套利用測(cè)井資料求算泥頁巖彈性參數(shù)及強(qiáng)度參數(shù)的新技術(shù)。測(cè)井資料在井壁穩(wěn)定力學(xué)分析中的應(yīng)用(4)利用多孔介質(zhì)力學(xué)理論，對(duì)井壁圍巖的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析計(jì)算，并結(jié)合巖石破壞準(zhǔn)則，推導(dǎo)了地層坍塌壓力與破裂壓力的計(jì)算模型。在模型中綜合考慮了地層滲透性、巖石非線性變形性質(zhì)、井斜角、方位角對(duì)井壁受力狀態(tài)的影響。測(cè)井資料在井壁穩(wěn)定力學(xué)分析中的應(yīng)用(5)研究了鹽層和含鹽軟泥巖的塑性變形與溫度、井深、封閉壓力、壓差、地應(yīng)力、時(shí)間、鹽巖層厚度及鹽巖組分等因素之間的關(guān)系，建立了鹽巖和含鹽軟泥巖粘彈性流變的本構(gòu)方程，繪制了控制鹽巖收縮率的鉆井液密度圖版，為順利鉆進(jìn)鹽巖和含鹽軟泥巖提供科學(xué)依據(jù)。井壁穩(wěn)定性鉆前分析傳統(tǒng)的井壁穩(wěn)定性研究往往集中在鉆后，對(duì)施工過程中所碰到的復(fù)雜情況從力學(xué)、化學(xué)上進(jìn)行分析，找出失穩(wěn)原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，指導(dǎo)后續(xù)鉆井。但是由于鉆井過程中的井壁穩(wěn)定問題具有極強(qiáng)的時(shí)效性，加之其后果的嚴(yán)重性，從工程實(shí)際的角度看，要求對(duì)井壁穩(wěn)定問題盡可能做到提前預(yù)知，及早發(fā)現(xiàn)，盡快處理，而國(guó)內(nèi)外對(duì)井壁穩(wěn)定的鉆前預(yù)測(cè)研究的很少，幾乎是空白。井壁穩(wěn)定性鉆前分析二十世紀(jì)九十年代末期，陳勉、金衍等人首次建立了井壁穩(wěn)定的鉆前預(yù)測(cè)問題相關(guān)預(yù)測(cè)模型。在相似構(gòu)造井壁穩(wěn)定分析理論基礎(chǔ)上，研究了利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分層的方法，建立了地震層速度偏差的修正模型，利用趨勢(shì)面理論建立了地震層速度單因素鉆前預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定性模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立了地震層速度智能鉆前預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定性模型，這兩個(gè)模型較為成功解決了塔里木油田、大港油田等數(shù)十口深井、超深井的鉆前泥漿密度確定難題，為成功鉆進(jìn)打下了基礎(chǔ)。井壁穩(wěn)定性鉆前分析由于層速度分辨率低與地震速度與地層受力特性、巖性和巖石物理參數(shù)之間關(guān)系的不確定性，導(dǎo)致層速度模型不能預(yù)測(cè)薄夾層的井壁穩(wěn)定性，且井壁穩(wěn)定預(yù)測(cè)的精度低等缺陷。為了克服上述缺陷，金衍等人提出了地震記錄鉆前預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定的理論與方法。根據(jù)地震動(dòng)力學(xué)的理論，為地震和測(cè)井之間的非線性關(guān)系建立合理的映射關(guān)系，建立了自回歸系數(shù)、分形維數(shù)、最大Lyapunov指數(shù)和突變參數(shù)為輸入層的神經(jīng)元的利用地震記錄創(chuàng)建測(cè)井曲線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，獲得了聲波速度一地層密度數(shù)據(jù)，解決了地層彈性參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)的獲取方法，提出了有效流體壓力的新概念，簡(jiǎn)化了計(jì)算；井壁穩(wěn)定性鉆前分析金衍等人還建立了利用常規(guī)井壁穩(wěn)定力學(xué)方法預(yù)測(cè)鉆前井壁穩(wěn)定的模型和利用非線性函數(shù)曲線擬合預(yù)測(cè)鉆前井壁穩(wěn)定模型，其中提出了地應(yīng)力測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)反演、薄層地應(yīng)力測(cè)試、根據(jù)工程情況簡(jiǎn)易確定安全泥漿密度等新方法。模型適合于第一口探井二開有測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的前提預(yù)測(cè)二開下部待鉆地層的井壁穩(wěn)定性，并隨著完井?dāng)?shù)量的增多，模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性就越好。井壁穩(wěn)定性鉆前分析總體來看，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)井壁穩(wěn)定的力學(xué)研究近十幾年來發(fā)展的很快，也取得了一定的成績(jī)，但要從根本上解決井壁失穩(wěn)問題還要做進(jìn)一步的深入探索。一方面要加強(qiáng)坍塌機(jī)理和流固耦合力學(xué)模型的研究，盡可能對(duì)井壁失穩(wěn)問題作出更為精確的數(shù)學(xué)描述。井壁穩(wěn)定性鉆前分析另一方面，從工程實(shí)際的角度看，應(yīng)加強(qiáng)井壁穩(wěn)定的鉆前預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究，把鉆前預(yù)測(cè)、鉆中監(jiān)測(cè)和鉆后分析作為一個(gè)有機(jī)整體來對(duì)待。另外，利用測(cè)井評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定性不能僅停留在為力學(xué)分析提供必要的地應(yīng)力參數(shù)和巖石強(qiáng)度參數(shù),而應(yīng)與地震、層速度、力學(xué)物理化學(xué)耦合研究井壁穩(wěn)定性原理相結(jié)合,建立一個(gè)更廣泛意義上的井壁穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。水力壓裂物理模擬水力壓裂物理模擬試驗(yàn)是研究水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理的重要方法。由于對(duì)水力壓裂機(jī)理認(rèn)識(shí)的局限性，在分析裂縫擴(kuò)展規(guī)律時(shí)往往采用理想化的假設(shè)條件，在預(yù)測(cè)水力裂縫幾何形態(tài)時(shí)大多采用了過于簡(jiǎn)化的二維模型或三維模型來模擬水力壓裂過程。由于這些簡(jiǎn)化的模型不能正確地反映深部地層水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，因此常常導(dǎo)致壓裂作業(yè)的結(jié)果與實(shí)際情況有很大差異。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)水力裂縫的實(shí)際形態(tài)不可能直接觀察到，目前尚無有效的測(cè)試方法，這就使單純性的理論研究得不到有效論證。因此室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)理論的研究和論證起著不可忽略的作用。水力壓裂數(shù)值模擬水力壓裂數(shù)值模擬主要是關(guān)于水力裂縫的延伸模型的建立和求解。由于裂縫延伸模型對(duì)水力壓裂設(shè)計(jì)有著重要的意義，因此自50年代中期以來，有許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，發(fā)展了各種模型來描述水壓裂縫的幾何形態(tài)和延伸規(guī)律。50年代后期至70年代中期發(fā)展了各種二維模型，此后又出現(xiàn)了各種擬三維模型和全三維模型，其途徑是通過更全面地考慮真實(shí)地層的復(fù)雜性來達(dá)到裂縫幾何形態(tài)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。水力壓裂數(shù)值模擬由于實(shí)際地層和井眼條件的復(fù)雜性，要全面考慮所有的影響因素是十分困難的，而且在數(shù)值分析方法上也存在一定障礙。因此研究人員大多從各自的要求出發(fā)，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化，并采用不同的分析方法建立了各種不同的數(shù)學(xué)物理模型。水力壓裂數(shù)值模擬（1）二維模型在水力壓裂技術(shù)發(fā)展的早期，大多數(shù)壓裂作業(yè)規(guī)模都很小，泵入時(shí)間