岩石力学2章

第一节岩石的组成与结构一、岩石的组成地壳(earth‘scrust)是由岩石组成的，岩石又是由矿物（mineralogy）组成的，那么矿物又是由什么组成的呢？是由组成地壳的化学元素：O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg等的化合物组成的，天然产出的这些元素的化合物即为矿物。第二章岩石的组成与岩石的物理性质矿物（mineral）是均匀的，通常是由无机作用形成的，具有一定化学成分和特定的原子排列（结构）的均匀固体，不能用物理的方法把它分成在化学上互不相同的物质，如：石英(quartz)、长石(feldspar)、方解石(calcite)等；岩石是由一种或几种矿物按一定方式结合而成的天然集合体，如：花岗岩（granite），是由石英、长石、和云母颗粒(grain)组成的。组成岩石的矿物有多种，其中常见的有：长石、石英、辉石、角闪石、云母、橄榄石、方解石、白云石、石膏、石墨、黄铁矿等。二、岩石的分类按照不同的成岩过程将岩石分为以下三类：1、火成岩(IgneousRock)一般指岩浆（magma）在地下或喷出地表冷凝后形成的岩石，又称岩浆岩，是组成地壳的主要岩石，占地壳总体积的95%。如花岗岩、流纹岩、辉长岩、玄武岩、闪长岩、安山岩等。火成岩中不含油气。构成火成岩的主要元素有氧、硅、铝、钙、钠、钾、镁和钛，其中几种元素氧化物的含量即占火成岩总重量的99％左右，特别是二氧化硅的含量最高，在不同的火成岩中均占总重量的35～78％。在火成岩中，二氧化硅被称作酸性组份；铁、镁和钙被称作基性组份；钠和钾称作碱性组份。按照火成岩中二氧化硅含量的多少，一般将火成岩分为酸性、中性和基性三类。富含二氧化硅（65％）的火成岩称为酸性岩，如花岗岩、流纹岩等；含二氧化硅少(52%)的称为基性岩，如辉长岩、玄武岩等；介于二者之间的称为中性岩，这类岩石的典型代表有闪长岩、安山岩等。在各种不相同的地质环境下岩浆都可以冷凝成岩。如果岩浆在地下活动，冷凝固化后可以形成侵入岩(IntrusiveRocks)；如果岩浆由火山活动喷发到地表后才冷凝固化，则形成喷出岩(ExtrusiveRocks)。按火成岩中矿物颗粒(grain)的大小，也可以将火成岩分成两类：细粒(finegrain)火成岩（玄武岩、安山岩和流纹岩等）和粗粒(coarsegrain)火成岩（辉长岩、闪长岩和花岗岩等）。一般说来，细粒火成岩大都是喷出岩，它们的温度先是急剧下降，然后至地面进行冷却；而粗粒火成岩多是侵入岩，它们的温度是逐渐冷却的。不少人把侵入岩和喷出岩作为区分火成岩的最重要的方法。结晶温度类型矿物组成高温中间低温基性中性酸性CaMg橄榄石Fe斜长石Mg辉石FeMgFe闪石黑云母石英K长石白云母六类火成岩喷出岩（细粒岩）侵入岩（粗粒岩）玄武岩辉长岩安山岩闪长岩流纹岩花岗岩图2.4火成岩的基性、中性、酸性分类和6种代表性岩石(引自Smith,D.G.,1981)2、沉积岩(SedimentaryRock)尽管火成岩占据了地壳总体积的95%之多，但在地壳表层分布最广泛的却是沉积岩。沉积岩覆盖了大陆面积的75％(平均厚度为2km)和几乎全部的海洋地壳(平均厚度为1km)面积。沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结（consolidate）而成的岩石。也就是说，它是早先形成的岩石破坏后，又通过物理或化学作用在地球表面（大陆和海洋）的低凹部位沉积，经过压实、胶结再次硬化，形成的具有层状构造特征的岩石。沉积岩的种类很多，但若考虑到矿物颗粒的大小以及矿物成分等方面的因素，则可以将沉积岩分为砂岩(sandstone)、页岩(shale)和石灰(Marianna)岩三类。砂岩（sandstone）包含的矿物颗粒的大小范围约为116mm至2mm。这些颗粒大多来源于风化等侵蚀作用后的火成岩的矿物颗粒或岩石碎片，也有不少颗粒来源于已经存在的砂岩风化的产物。砂岩的主要矿物是石英，还有长石，特别是钾长石。在沉积岩总量中，砂岩约占25％。砂岩是石油、天然气的主力储层。页岩（shale）是由直径不超过116mm的细颗粒矿物组成的，它占沉积岩总量的50％。页岩以粘土矿物为主要造岩矿物，也包含许多细颗粒的石英、长石等其它矿物。尽管页岩含量丰富，但它在地表的出露却不如砂岩广泛。页岩颗粒致密，渗透性很差，可以形成不透水层，能防止石油、水、天然气等的流失。石灰岩（Marianna）占沉积岩总量的20％，是第三号重要的沉积岩。它以方解石和白云石为主要造岩矿物，石英和长石的含量不足10％。3、变质岩(MetamorphicRock)在地球内部高温或高压的情况下，先已存在的岩石发生各种物理、化学变化使其中的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新的矿物组合。这种过程不同于前面叙述过的火成过程或沉积过程，一般称之为变质过程，相应的这一作用叫做变质作用。例如在保持固态情况下，石灰岩通过热力变质作用，发生了矿物的重结晶，使矿物颗粒粒度不断加大，形成了大理岩（marble），因此，大理岩是一种变质岩。火成岩中不含油气。4、成岩旋回(Rockcycle)由火成岩、沉积岩和变质岩的形成过程可以看出它们之间有着密切的联系，它们都是活动着的地球过程的产物，同时，随着地球上主要地质过程的演变，这三类岩石之间可以互相转变。对这种转变过程的研究不但可以加深对岩石生成过程的认识，还可以了解在某类岩石变到另一类岩石的转变过程中包含的地质现象。岩石循环这个地质学中的重要概念，最早是JamesHutton在200多年前提出来的(Hutton,1795)。成岩旋回图三、岩石的分类的作用一般说来，岩石的物理性质主要由三个方面的因素决定：第一，岩石的组成，包括组成岩石的矿物成分，岩石内部的孔隙度，岩石的饱和状态和孔隙流体的性质等；第二，岩石内部的结构，包括矿物颗粒的大小、形状及胶结情况，岩石内部的裂隙和其它不连续界面等；第三，岩石所处的热力学环境，包括温度、压力和地应力场等。尽管不同的岩石具有不同的矿物组成、结构、孔隙度等，所处的热力学环境也大不相同，但在受到应力（天然的力或是人为的力）作用时，同一类别内岩石的反应差别较小，并且有许多相似处。因此，岩石分类方法对于描述多种岩石的共同特性，是十分有意义的。一、岩石的结构1、火成岩的结构，是由矿物晶体组成的，岩浆冷却结晶的时间越长，形成的晶体越大。第二节岩石的结构特点及其对强度的影响2、沉积岩的结构有两种:一是碎屑结构，二是结晶结构。碎屑岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而成的，其中有大量的孔隙，常见的胶结物有钙质和硅质两种。结晶沉积岩的结构是由沉积过程中生成的晶体决定的，晶体形成一种紧密排列结构，没有孔隙，如岩盐(Rocksalt)，它不能成为生油、储油层，但却是油气层的很好的盖层。3、变质岩的结构，有片状结构和非片状结构两种。片状结构是在高温高压下，由重结晶作用和各种矿物的分离作用而造成的明暗矿物间互带。二、岩石的强度（rockstrength）岩石的强度主要取决于矿物强度（mineralstrength）、结构联结形式、岩石的结构和整个构造。对于火成岩、变质岩、化学沉积岩来说，化学结构连结起主要作用，因此，其组成矿物的强度越大，岩石的强度就越大。对于碎屑沉积岩来说，其胶结（cementation）物对强度影响程度最大，即其强度主要取决于矿物颗粒间的联结强度（cementationstrength）。不同胶结物的联结强度不同：硅质、铁质＞钙质＞泥质。岩石的物理性质是指岩石的孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。在砂岩的扫描电子显微镜照片，我们可以清楚地看到砂岩中的石英颗粒，并且还可以看到石英颗粒之间存在着流体流通的网络。岩石正是这样一种特殊的多孔介质，一种由固体矿物和流动的孔隙流体组成的多相体。第三节岩石的物理性质砂岩的扫描电子显微镜照片。照片中可以看到砂岩中的石英矿物颗粒(黑色)，也可以看到它们之间的孔隙孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要的影响。例如，岩石中孔隙体积增加1％，会导致岩石弹性参数变化10倍，或者更多,也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化。岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成、矿物得以富集的前提。岩石的物理性质与其力学性质密不可分，因此，研究岩石的物理性质是岩石力学研究的一个重要内容。一、岩石的孔隙度(porosity)岩石的孔隙度是岩石孔隙的总体积与岩石总体积之比，常用百分数表示。岩石的总体积V总由基质的体积V基和孔隙体积V孔两部分组成，则岩石的孔隙度φ表示为：φ=上式中，φ值为无因次量，称为绝对孔隙度。总基孔基孔总孔VV1VVVVV在油田开发中，参与渗流的连通孔隙才是有效的，对于那些封闭孔隙，尽管其中有油气储存，但是很难开采出来，因此称为无效孔隙。这样就把孔隙度分为有效孔隙度和无效孔隙度两种。岩石的有效孔隙度，是指岩石中有效孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。有效孔隙体积是指参与渗流的连通孔隙体积，以φ有效、V连通分别表示岩石的有效孔隙度和连通孔隙体积，则：Φ有效=总连通VV实际储层岩石孔隙度值的范围如下：砂岩孔隙度：10-40％，它取决于砂岩的性质及其胶结状态。石灰岩和白云岩孔隙度：5-25%粘土或页岩孔隙度：20-45％，它取决于粘土（或页岩）的成因和埋藏深度。按照孔隙度值来划分或评价储集层，其标准为：φ5％极差储层5％＜φ10％差储层10％＜φ20%良好储层φ20％特好储层二、岩石的渗透性(rockpermeability)在压力作用下，岩石允许流体通过的性质称为岩石的渗透性。习惯上人们常常把那些在地层压力条件下流体比较容易地沿着连通的孔隙、喉道、裂缝、溶洞流动的岩石，例如砂岩、裂缝性碳酸盐岩称为渗透性岩石；而把流体难于在其中流动的岩石、粘土或页岩、石膏、岩盐等称为非渗透性岩石。但是这种提法是不严格的，因为一方面渗透是有条件的，另一方面同一种岩石的渗透能力也是不断变化的。最先研究岩石渗滤能力大小这一现象的是法国工程师达西。他利用人工砂体研究了水的渗滤。达西的实验表明人工砂体单位面积水流的体积变化率Q/A与进口和出口两个端面间的水头差ΔH成正比，而与砂体的长度成反比。即：LHKAQAQdxdp.k后来的研究者发现，达西定律(Darcy’slaw)可以应用于其它流体，把上式中的比例常数k改写为k／μ、μ为流体的粘度,k为表征岩石性质的系数，即渗透率，就可以了。后来经进一步修正，得到达西定律(Darcy’slaw)的通式为：上式中：Q为通过孔隙介质的流量，厘米3／秒；A为流体通过的横断面积，厘米2；µ为流体的粘度，厘泊；k为岩石的渗透率，达西；dp/dx为单位长度上的压力降，大气压／厘米。达西定律成立的前提条件是：(1)假设流体与岩石之间不发生物理化学反应；(2)渗滤介质中只存在一种流体。渗透率的单位是达西，它的物理意义是孔隙介质允许粘度为1厘泊的流体，在压力梯度为1大气压／厘米的作用下，通过截面面积为1厘米2的流量为1厘米3／秒，此时孔隙介质的渗透率称为1达西。实际油藏大多是油水（或气），甚至是油、气、水三相共存于孔隙中。注水开发的油田，油水不仅是共存而且还同时流动。为了研究多相流体在岩石中的渗滤能力与性质，引入了绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率的概念。绝对渗透率K岩石完全为某种流体所饱和时，岩石与流体之间不发生物理化学反应，在压力作用下岩石允许该种流体所通过能力的大小。（达西所描述的渗透率）有效渗透率Ke当岩石为两种或多种流体饱和时，岩石允许其中某种流体渗滤能力的大小。不论此时其流体流动与否。相对渗透率Kr岩石的有效渗透率与绝对渗透率的比值。三、岩石中的油气水饱和度(saturation)储层岩石的孔隙空间中，总是会有油气水三相。在油层温度和压力下，岩石孔隙空间中的流体是按一定方式分布的。储集层岩石的孔隙中，某种流体占据孔隙空间的体积百分数，称为该流体的饱和度。若储集层的孔隙中只含有油和水两相，油和水所占据的孔隙空间分别为Vo、Vw，岩石的孔隙度为φ，岩石中的孔隙总体