钻井工程地质条件—岩石

第二节岩石的工程力学性质一、岩石的类型及结构特点1.岩石的组成岩石是矿物颗粒的集合体，颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结，或者由外来的胶结物胶结。大多数岩石由两种以上的矿物成分组成。矿物是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物。除了硫、碳的矿物及少数金属外，绝大多数矿物是由两种以上元素组成的化合物。主要造岩矿物一览表（P22，表1-1）。2.岩石的类型岩石可分为三大类：火成岩（岩浆岩）——由岩浆（硅酸盐）容体冷凝而成。如花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。变质岩——火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。如花岗岩→片麻岩，石灰岩→大理岩，石英砂岩→石英岩等。沉积岩——母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。如泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩、石膏、岩盐。沉积岩类型（1）碎屑岩母岩风化后的物质经机械沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒（岩石碎屑、矿物碎屑）由胶结物（泥质、铁质、钙质、硅质）胶结在一起。第二节岩石的工程力学性质砾岩：颗粒大于1mm。主要是火成岩、变质岩碎屑，碎屑间由胶结物充填。砂岩：颗粒0.1~1mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物粉砂岩：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺寸0.1~0.01mm。泥岩：颗粒小于0.01mm。主要成分为粘土矿物，并含有部分碎屑物质（石英、长石、云母等）。巨砾：＞1m；粗砾：100~1000mm；中砾：10~100mm；细砾：1~10mm粗砂：0.5~1mm；中砂：0.25~0.5mm；细砂：0.1~0.25mm（2）化学沉积岩母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用后形成晶质岩石。碳酸盐岩——石灰岩，主要成分为石灰石（CaCO3）白云岩，主要成分为白云石（MgCa(CO3)2）硫酸盐岩——石膏（CaSO4）岩盐——石盐（NaCl）在沉积岩中：泥岩—60%，砂岩—30%，碳酸盐岩居第三位。3.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关系。如层理、页理、节理（裂隙）、孔隙度等。第二节岩石的工程力学性质第二节岩石的工程力学性质层理—岩石一层层迭起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。形成层理的原因：①颗粒大小在纵向上的变化②岩石成分在纵向剖面上的变化③某些矿物颗粒的定向排列颗粒大小变化岩石成分变化某些矿物颗粒定向排列（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，则称物体的这种特性为各向异性。岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于和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。岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。结晶矿物颗粒的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。不均质性如果物体中的不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。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）的不均匀性所造成的。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，应采用统计学理论，取合适的均值作为代表。第二节岩石的工程力学性质二、岩石的机械性质（力学性质）1.概念岩石的力学性质——岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性。弹性——岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，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，外力撤除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量很小（小于3%）时就发生破坏的性质。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的最大应力。抗拉强度—岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。抗压强度—岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。抗剪强度—岩石单纯受剪切应力作用时的强度抗弯强度—岩石单纯受弯曲应力作用时的强度第二节岩石的工程力学性质第二节岩石的工程力学性质•弹性模量和泊松比杨氏模量：EG（1-26）（1-27）泊松比：zyzxzxyzxx，（1-28）（1-29）弹性系数之间的关系：剪切模量：)1(2EG（1-30）2.简单应力条件下岩石的力学性质简单应力条件：岩石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。（1）试验方法第二节岩石的工程力学性质APctrpt0APs223bhPlb（2）一般规律：①在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏。②岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较小时，弹性模量接近常数，且各种应变情况下的弹性模量相差不大。当载荷较大时，在受压缩的情况下，弹性模量将随载荷的增大而增大；在受拉伸的情况，弹性模量则随载荷的增大而减小。③在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。④抗拉强度＜抗弯强度＜抗剪强度＜抗压强度。⑤垂直于地层层面方向的岩石强度＞平行于地层层面方向的岩石强度。第二节岩石的工程力学性质3.复杂应力条件下岩石的力学性质(1)三轴岩石试验第二节岩石的工程力学性质σ1σ2=σ3σ1σ1σ1σ2σ3σ2=σ3σ2σ3常规三轴试验：σ1＞σ2=σ3P=σ2=σ3P=σ2=σ3σ1σ1压缩拉伸σ1＜σ2=σ3σ1＞σ2=σ3(2)一般规律岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，岩石强度增大。随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，临界压力不同。在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。第二节岩石的工程力学性质σ3=0σ3=23.5σ3=500σ3=850σ3=1650σ3=3260XXXXσ3=0σ3=27.5σ3=55.5σ3=155σ3=217.54.岩石的硬度和塑性系数硬度的概念岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。硬度与抗压强度区别：硬度是岩石表面的局部抵抗另一物体压入或侵入破碎时的能力，抗压强度则是岩石整体抗压碎能力。塑性系数表征岩石塑性和脆性大小的参数。压入硬度和塑性系数的测定方法——压入试验第二节岩石的工程力学性质岩石硬度试验装置771—液缸缸体；2—液缸柱塞；3--岩样；4—压头5—压力计；6—千分表；7—柱塞导向杆6第二节岩石的工程力学性质岩石硬度和塑性系数的计算：第二节岩石的工程力学性质塑性系数Kp:面积面积岩石破碎前弹性变形功岩石破碎前耗费的总功ODEOABCAAKEFp类脆塑脆性塑别性低塑性————→高塑性性级别123456塑性系数K11－22－33－44－66－∞岩石按塑性系数分类（1-31）硬度Py:类别软中软中硬硬坚硬极硬级别123456789101112MPa≤11～2.52.5～55～1010～1515～2020～3030～4040～5050～6060～7070MPa第二节岩石的工程力学性质对脆性和塑脆性岩石：SPPy（1-32）SPPy0MPa（1-33）对塑性岩石：岩石按硬度的分类三、影响岩石力学性质的因素分析1.岩石结构（1）对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高。如武岩（斜长石、辉石，6）＞白云岩（白云石，4）＞石灰岩（石灰石，3）。（2）砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；硅质胶结＞钙质＞铁质＞泥质。（3）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。因此，岩石的强度一般随埋藏深度的增加而增大。2.井底各种压力（1）有效地应力越大，岩石强度越大，塑性越大。（2）井内液柱压力与孔隙压力之差越大，岩石强度越大，塑性越大。3.载荷性质的影响（1）抗压＞抗剪＞抗弯＞抗拉。（2）岩石对动载的抗力要比静载大得多。随着冲击速度增大，硬度增大，塑性系数减小。但在冲击速度小于10米/秒时，岩石硬度和塑性系数变化不大，接近于静载时的数值。在10000米深度范围内：强度：岩盐＜泥页岩＜石灰岩＜石膏＜白云岩，砂岩强度取决于胶结物及胶结程度。塑性：岩盐＞石灰岩＞泥页岩＞石膏＞白云岩＞石英岩第二节岩石的工程力学性质四、岩石的可钻性和研磨性1.岩石可钻性(RockDrillability）（1）概念岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻头破碎的能力。（2）评价方法在钻压889.7N（200磅）、转速55r/min的固定条件下，用钻头直径31.75mm（1-1/4in）的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm孔深所需要的时间td作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻的和难钻的。为应用方便，常用Kd=Log2td作为可钻性指标，称为可钻性级值。（3）可钻性分级第二节岩石的工程力学性质级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩtd/秒＜44~＜88~＜1616~＜3232~＜6464~＜128128~＜256256~＜512512~＜1024≥1024Kd＜22~＜33~＜44~＜55~＜66~＜77~＜88~＜99~＜10≥10分类极软软中软中中硬硬极硬2.岩石研磨性（RockAbrasiveness）岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。至今尚没有统一的测定岩石研磨性的方法和分级标准。第二节岩石的工程力学性质