地层岩石力学性质与评价方法

地层岩石力学性质与地层岩石力学性质与评价方法评价方法中国北京地层岩石力学性质与评价方法讲义地层岩石力学性质与评价方法讲义授课教师：张辉联系电话：联系电话：010010－－8973370289733702，，1352299009613522990096办公地点：工程东楼办公地点：工程东楼317317EE－－mail:[e-mail]:[e-mail]中国北京地层岩石力学性质与评价方法讲义地层岩石力学性质与评价方法讲义参考书：参考书：1陈庭根，管志川．钻井工程理论与技术.东营：石油大学出版社，20002刘向君，罗平亚.岩石力学与石油工程.北京：石油工业出版社，20043胡相炯，高德利.油气井工程.北京：中国石化出版社，20034洪有密.测井原理与综合解释.东营：石油大学出版社，19935颜婉荪.钻井地质基础.北京：石油工业出版社，19856刘希圣主编.钻井工艺原理.北京：石油工业出版社，19881岩石的组成及分类2岩石的工程性质3地层可钻性与研磨性4地层的分类5地层可钻性评价方法主要内容引言岩石破碎的难易程度与岩石的物理力学性质密切相关，而不同类型的岩石的性质差别较大，因此必须了解岩石的类型、成分、组织结构。1.1岩石组成¾岩石：是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体，具有一定的强度。¾矿物：在地壳中有一定的化学成份和物理性质的自然元素或化合物称为矿物，是地壳中的各种化学元素在各种作用下形成的产物。常见的造岩矿物如下：1岩石的组成及分类化合组合元素─→矿物─→岩石常见的造岩矿物序号名称化学成分1正长石kAISI3O82斜长石NaAISI3O8或CaAI2SI2O83石英SIO24白云母KAI2(SI3AI)O10(OH)25黑云母K2(MgFe)6(SIAI)8O20(OH)46角闪石Na、Ca、Mg、Fe、AI的硅酸盐7辉石Ca、Mg、Fe、AI的硅酸盐8橄榄石(MgFe)2SIO49方解石CaCO310白云岩CaMg(CO3)211高岭土AI2SI2O5(OH)412氧化铁2FeO3•3H2O或Fe2O3第一章岩石的基本知识花岗岩，是由石英、长石、和云母颗粒组成的。1.2岩石的类型根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩成因举例特点玄武岩矿物结晶颗粒细小，有的有流纹或气孔花岗岩矿物结晶颗粒较大沉积岩出露地表的岩石，在各种外力作用下，经过风化、侵蚀、搬运、沉积、固结而形成的岩石砾岩砂岩页岩等具有层理构造和含有化石变质岩已形成岩石，在岩浆活动、地壳运动产生的高温、高压条件下，使原岩石成分、性质发生改变而形成的新岩石大理岩板岩具有片理构造岩浆岩（火成岩）岩浆在地下巨大的压力的作用下沿地壳薄弱地带侵入地壳上部或喷出地表（火山活动），随着温度、压力的变化，冷却凝固而形成。钻井中常遇到的岩石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。(3)沉积岩的类型根据沉积岩的成因、成份及结构分为：碎屑岩、粘土岩、碳酸盐岩等。(1)岩浆岩花岗岩、玄武岩、安山岩、橄榄岩、辉长岩、闪长岩、流纹岩等；(2)变质岩片麻岩、片岩、大理岩（方解石）、千枚岩、板岩、石英岩等；(3)沉积岩：¾粘土岩：泥岩（页岩）：¾碎屑岩：砾岩、砂岩（粗砂岩、中砂岩、细砂岩）、粉砂岩¾碳酸盐岩：石灰岩、白云岩、盐岩(易水化)、石膏（易变形）、盐膏岩¾根据方解石和白云石的相对含量，碳酸盐岩分为石灰岩和白云岩。方解石含量50%为石灰岩；白云石含量50%为白云石；¾泥岩—60%，砂岩—30%，碳酸盐岩居第三位。(4)过渡岩性（泥质、砂质、粉砂质）：泥岩—砂质泥岩—粉砂质泥岩－页岩；砾岩－砂岩－泥质砂岩－泥质粉砂岩－粉砂岩；石灰岩－含泥质灰岩、泥灰岩、砂质石灰岩、粉砂质石灰岩、含泥质白云岩、砂质白云岩、粉砂质白云岩－白云岩。¾沉积岩的类型根据沉积岩的成因、成份及结构分为：碎屑岩、粘土岩、碳酸盐岩等。0.5mm1.0mm0.25mm0.1mm0.01mm粘土粉砂细砂中砂粗砂砾石泥岩页岩砂岩砾岩部分岩浆岩¾沉积岩的特点（1）结构特点结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。特点：矿物成分不确定，颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。（2）构造特点构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置。如：层理、节理（裂隙）、孔隙度等。一般，沉积岩具有明显的层理特征。¾层理：岩石一层一层叠起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。¾形成层理的原因：沉积岩常具有一层一层近似平行的层理，为不同时期沉积环境变化所制。最初的层理近似水平，其后受到地壳变动影响可能倾斜、弯曲或断裂。¾层理的分类：A、成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化B、不同成分颗粒的交替沉积C、某些矿物颗粒指向相同D、某种矿物颗粒呈规律性的分布ƒ在某些岩石中的化学沉积物，层理表现的很不明显。有时在砂岩和层状岩石中，只有在很大块岩石中才可以区别出层理来。ƒ在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层理变化的反映。(3)各向异性和非均质性各向异性:如果物体的某一性质随方向的不同而不同,则称物体具有各向异性。z岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于或平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。z岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。z结晶矿物的定向排列、层理、片理、解理等使得岩石具有各向异性的特点。片理是岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力。解理：矿物在外力作用下，沿一定方向裂成光滑平面的性质。不均质性:如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。z岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的联结强度、孔隙度（密度）等不均质性造成的。z测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大的差异，因此，采用统计学理论，取合适的均值作为代表。¾生油层（最下面）：泥质岩类和碳酸盐岩类。z泥质岩类生油层以泥岩、页岩为主，其次为砂质泥岩、泥质粉砂岩等；z碳酸盐岩类生油层以灰岩、泥灰岩、石灰岩、白云岩为主。¾储集层（中部）：能够储集石油和天然气，并在其中流动的岩层。分为碎屑岩类、碳酸盐岩类。碎屑岩储集层为主，碳酸盐岩储集层仅在四川油田、华北油田存在。z碎屑岩储集层岩性包括砾岩、砾状砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩。中、细砂岩储集层分布最广，储油物性最好；z碳酸盐岩类储集层岩性包括石灰岩、白云岩、白云质灰岩、生物碎屑灰岩、鲕状灰岩等，特征：有裂缝、孔洞等。¾盖层（上部）：指位于储集层之上的一个封隔储集层，避免其中油气向上逸散的保护层。¾常见的盖层岩性类型为：页岩、泥岩、盐岩、石膏和无水石膏等。¾其中，页岩和泥岩盖层常与碎屑岩储集层伴生；盐岩、石膏则多与碳酸盐岩储集层共存。生、储、盖组合1岩石的组成及分类2岩石的工程力学性质3地层可钻性与研磨性4地层的分类5地层可钻性评价方法主要内容2岩石的工程力学性质ƒ物理性质：密度，孔隙度，饱和度ƒ水理性质：吸水性、透水性、软化性、抗冻性、可溶性、膨胀性及崩解性ƒ工程力学性质：岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性强度性质：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等变形性质：弹性模量及泊松比几个概念：„弹性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性，相应的变形称为弹性变形。„塑性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。„脆性：岩石在外力作用下变形很小（小于3%）就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。„强度：岩石在外力作用下发生破坏时所承受的最大应力。抗拉强度—岩石单纯受拉伸应力破坏时的强度抗压强度—岩石单纯受压缩应力破坏时的强度抗剪强度—岩石单纯受剪切应力破坏时的强度抗弯强度—岩石单纯受弯曲应力破坏时的强度岩石名称抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)岩石名称抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)花岗岩100～2507～25页岩5～1002～10流纹岩160～30012～30粘土岩2～150.3～1闪长岩120～28012～30石灰岩40～2507～20安山岩140～30010～20白云岩80～25015～25辉长岩160～30012～35板岩60～2007～20辉绿岩150～35015～35片岩10～1001～10玄武岩150～30010～30片麻岩50～2005～20砾岩10～1502～15石英岩150～35010～30砂岩20～2504～25大理岩100～2507～20常见岩石的抗压及抗拉强度岩石的变形性质：弹性模量和泊松比产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服从虎克定律：σ=Eεƒ弹性模量：岩石每增加单位应变所需增加的应力。式中：E－弹性模量；σ－应力；ε－应变ƒ泊松比：压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比。εσ/=E纵横εεμ=常见岩石的弹性模量与泊松比岩石名称弹性模量(104MPa)泊松比岩石名称弹性模量(104MPa)泊松比花岗岩5～10O.1～0.3页岩O.2～80.2～O.4流纹岩5～10O.1～0.25石灰岩5～100.2～0.35闪长岩7～15O.1～O.3白云岩5～9.40.15～0.35安山岩5～120.2～O.3板岩2～8O.2～0.3辉长岩7～150.1～0.3片岩1～9O.2～O.4玄武岩6～1201～0.35片麻岩1～1O0.1～0.35砂岩0.5～10O.2～0.3石英岩6～200.08～0.25主要内容主要内容一、岩石的应一、岩石的应力力——应变曲线应变曲线二、简单应力二、简单应力条件下岩石的条件下岩石的强度强度三、复杂应力条三、复杂应力条件下岩石的强度件下岩石的强度四、岩石的四、岩石的抗压入破碎抗压入破碎强度强度五、影响因五、影响因素分析素分析OAOA段：段：曲线稍向上凹，这反映了岩石试件内部裂隙逐渐被压密，压实过程ABAB段：段：它的斜率为常数或接近于常数，弹性变形阶段，其斜率定义为岩石的弹性模量E点B：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，σS称为屈服应力。CD段：曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。最高点C的应力称为强度极限σC(如为单轴试验便称为单轴抗压强度)一、岩石的应力一、岩石的应力——应变曲线应变曲线BC段：随着载荷的继续增大，变形和载荷呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验二、简单应力条件下岩石的强度二、简单应力条件下岩石的强度岩石的强度抗压强度抗拉强度抗剪强度抗弯曲强度通常情况下：抗压抗剪抗弯抗拉强度在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，通过单轴抗压试验来获得。岩石抗压强度：岩石抗压强度：实验要求：*施加压力的方向应平行于岩心的轴线*岩样长度L应适当，L/D很小时，试件中的应力分布趋于三轴应力状态，具有较高的强度；L/D很大时，将发生弹性不稳定破坏；L/D应适中，一般以L/D=2.5~3.0较好。*尽量减小端面效应，设法降低试件端面与加压板间的摩擦。*试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少为10：1。因此，原则上应尽量采用较大直径的试件。建议采用2.2~2.6厘米直径的试件。按抗压强度对地层进行分类地层极软软中软中硬极硬抗压强度（MPa）2525-5050-7575-100100-200200直接测量：把岩样加工成拉伸试样，置于材料拉伸试验机上进行简单应力状态下(或称单轴抗拉伸状态)的拉伸试验。岩样拉断时的应力值即为岩石的抗拉伸强度。岩石抗拉伸强度岩石抗拉伸强度可通过直接和间接抗拉伸强度试验来确定实验要求：*设计恰当的夹紧机构；*制备一定形状的岩样；*确保加载方向严格平行于岩样轴线。巴西劈裂实验：将一个薄圆盘试件（直径40mm*厚度25mm）沿其直径