（岩土工程专业论文）地层条件下岩石力学特性研究.pdf

c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm a s t e rd e g r e et h e s i s 地层条件下岩石力学特性研究 s t u d y o fm e c h a n i c sp a r a m e t e r so fr o c k s u n d e rj t l0 r m a t l o nl j o n d l t l o n l l l 1 j 学科专业：岩土工程 研究方向：岩土结构工程 作者姓名：吴华 指导教师：俞然刚教授 二。一。年五月 o s t u d yo fm e c h a n i c sp a r a m e t e r so fr o c k s u n n e rt io r m a n o nl j o n n l t l o n l1 nj d1 at h e s i ss u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w uh u a s u p e r v i s o r ：p r o f y ur a n g a n g c o l l e g eo f a r c h i t e c t u r e & s t o r a g ee n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：矽口年j 月办e 1 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：，年上月夕口日 日期：扩，3 年3 - 月；矿日 摘要 目前，国内外对岩石力学特性的研究并不多，而地层条件下岩石力学特性的研究更 少。因此，地层条件下的岩石力学特性是一项值得研究的课题。 通过模拟地层条件下的室内岩石力学试验建立有关的动态模型是普遍采用的方法， 考虑多因素影响的岩石力学性质动态模型的建立，将是今后的主要研究方向。 本文结合前人已有的试验资料，对岩石力学特性各影响因素之间的关系进行理论分 析，建立了不同模型参数的计算方法。为后来岩石力学特性的工程应用做了充分的理论 准备。 将工神经网络理论应用到数值计算方法中，利用其强大的自学习和非线性表达能 力，提出数值分析与人工神经网络结合进行岩性参数估计的思路。 利用三轴应力测试仪进行岩石力学三轴试验，分析其参数结果，得出符合当地动静 态岩石力学转换关系、地层孔隙压力与岩石力学参数关系、压力剖面中岩石力学基础参 数等。结合测井资料数据和有效应力原理，确定出符合基于岩石力学参数的地层孔隙压 力模型。 运用该方法对大庆萨零组几口井的地层压力剖面进行了分析，建立了相应的地层压 力检测剖面与岩石力学剖面。检测压力值与实测压力值对比精度达8 5 以上。 利用常规的地面压裂施工压力和瞬时停泵压力等资料，建立井底压力与考虑拟三维 裂缝扩展模型时的就地岩石力学参数关联式，初步探讨了求取就地岩石力学参数的新方 法。 采用动态应力强度因子积分公式作为裂缝垂向延伸的判据，使新模型兼具拟三维模 型的简单和真三维模型的精确。利用裂缝宽度既与裂缝净压力有关，又与杨氏模量相关 的特点，建立不同时间段的井口压力与弹性模量之间的对应关系曲线。泊松比的值由黄 荣樽所建立的黄氏破裂压力计算模型反算求得。 井底压力与考虑三维裂缝扩展模型时的就地岩石力学参数模型的建立，使得就地岩 石力学参数的评估结果更符合实际。该方法可用来进行实时分析，也可进行压后评估， 对提高压裂设计的水平和低渗难采储量的经济开发效益，具有重要的现实意义。 关键词：岩石力学特性，力学参数，参数模型 s t u d yo fm e c h a n i c sp a r a m e t e r so f r o c k s u n n e r 。0 r m a t l o nl 0 n n l t l o n 1 一 j l w uh u a ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y ur a n g a n g a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t u d yo f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f r o c ki sn o ts om u c h ，a n d t h es t u d yo fm e c h a n i c sp a r a m e t e r so fr o c k su n d e rf o r m a t i o nc o n d i t i o ni se v e nl e s s s o ，t h es t u d yo f m e c h a n i c sp a r a m e t e r so fr o c k su n d e rf o r m a t i o nc o n d i t i o ni saw o r t h ys u b j e c to fs t u d y b ys i m u l a t i n gt h ef o r m a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ei n d o o rr o c km e c h a n i c st e s t st oe s t a b l i s ht h e d y n a m i cm o d e li s t h em e t h o dc o m m o n l yu s e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c kd y n a m i c sm o d e l c o n s i d e r i n gm u l t i p l ef a c t o r s ，w i l lb et h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h ef u t u r e i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n ge x p e r i m e n t a ld a t aw i t ht h e i rp r e d e c e s s o r so nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fr o c k ，im a d et h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rt h ev a r i o u sf a c t o r s ，a n dc a l c u l a t e dt h e d i f f e r e n tm o d e l p a r a m e t e r s a l lo ft h e s ea r em a d es u f f i c i e n tt h e o r e t i c a lp r e p a r a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fr o c km e c h a n i c a l p r o p e r t i e s n u m e r i c a la n a l y s i sa n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw e r ec o m b i n e df o rp a r a m e t e re s t i m a t i o no f l i t h o l o g y u s i n gi t sp o w e r f u le x p r e s s i o no fs e l f - l e a r n i n ga n dn o n l i n e a rc a p a c i t y , ih a v ep r o p o s e dt h ei d e a ro f c o m b i n en u m e r i c a la n a l y s i sw i t ha r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r kf o rl i t h o l o g ye s t i m a t i o n ih a v eu s e dt r i a x i a lt e s t so f r o c km e c h a n i c so ns t r e s st e s t i n gi n s t r u m e n tt oa n a l y z et h er e s u l t so fi t s p a r a m e t e r s a n do b s t a i n e dt h e t h er e g i o nt h a tw a sc o n s i s t e n tw i t ht h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e ns t a t i ca n d d y n a m i cr o c km e c h a n i c s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o r m a t i o np o r ep r e s s u r ea n dr o c km e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ， t h ep r e s s u r ep r o f i l ei nt h eb a s i so f r o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r s ，e t c c o m b i n a t i o no fl o g g i n gi n f o r m a t i o na n d d a t a , t h em e t h o dw a si d e n t i f i e dw h i c hw a si nl i n ew i t ht h eu s eo fr o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r st os t r i k ea f o r m a t i o np r e s s u r e u s i n gt h i sm e t h o d ，ih a v ea n a l y s i s e ds e v e r a lw e l l si nd a q i n gs a l i n gf o r m a t i o np r e s s u r ep r o f i l e s ，a n d e s t a b l i s h e dt h ec o r r e s p o n d i n gf o r m a t i o np r e s s u r ed e t e c t i o ns e c t i o na n dt h es e c t i o no fr o c km e c h a n i c s t h e t e s t e dp r e s s u r ea n dt h em e a s u r e dp r e s s u r ew e r ec o m p a r e dm o r et h a n8 5 a c c u r a c y b yu s i n gt h ed a t ao fc o n v e n t i o n a lg r o u n df r a c t u r i n gp r e s s u r e a n dt h ei n s t a n t a n e o u ss t o pp u m p p r e s s u r e ，t h er a l a t i o n a lt h a tb o t t o m h o l ep r e s s u r ea n d c o n s i d e r a t i o no ft h ep r o p o s e d3 df r a c t u r ep r o p a g a t i o n m o d e lo ft h ei ns i t ur o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r sh a sb e e nw o r k e du p t h i sp a p e rm a d eap r e l i m i n a r ys t u d y o fan e wm e t h o df o rs t r i k i n gi ns i t ur o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r s u s e di n t e g r a lf o r m u l ao fd y n a m i cs t r e s si n t e n s i t yf a c t o ra st h ev e r t i c a le x t e n s i o no ft h ec r i t e r i o n , t h e n e wm o d e lb o t hh a v et h es i m p l i c i t yo f p r o p o s e d3 dm o d e la n dt h ep r e c i s i o no f t r u e3 dm o d e l m a k eu s eo f t h er e l a t i o n s h i pa m o n gc r a c kw i d t h ，n e t - p r e s s u r ea n dy o u n g sm o d u l u s ，ih a v ee s t a b i s h e dt h e c o r r e s p o n d i n gc u r v eb e t w e e nw e l l h e a dp r e s s u r eo fd i f f e r e n tt i m ep e r i o d sa n de l a s t i cm o d u l u s p o i s s o n s r a t i ov a l u e sh a v e b e e ni n v e r s e db yh u a n gb u r s tp r e s s u r ec a l c u l a t i o nm o d e l b o t t o mh o l ep r e s s u r ea n dt h em o d e l so fc o n s i d e r e d3 dc r a c kp r o p a g a t i o nm o d e li ns i t ur o c k m e c h a n i c sp a r a m e t e r s ，h a v em a d et h ea s s e s s m e n to fs i t ur o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r sm o r er e a l i s t i c t h e m e t h o dn o to n l yc a nb eu s e dt oc o n d u c tr e a l - t i m ea n a l y s i sa n dp r e s sp o s t - e v a l u a t i o n ，b u ta l s oh a si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v et h el e v e lo ff r a c t u r i n ga n dh y p o t o n i cd i f f i c u l tt or e c o v e r a b l er e s e r v e so f e c o n o m i cd e v e l o p m e n tb e n e f i t s k e yw o r d s ：r o c km e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，p a r a m e t e rm o d e l 摘 目录 a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 岩石力学特性研究的发展现状。2 1 2 1 岩石基本性质的试验研究2 1 2 2 岩石力学参数求取方法的研究2 1 2 3 智能科学方法在岩石力学问题中的应用3 1 2 4 岩石力学反分析的研究4 第二章岩石力学特性6 2 1 有效应力原理。6 2 2 岩石的变形特性6 2 2 1 岩石的本构方程6 2 2 2 岩石弹性参数的确定7 2 2 3 岩石力学参数的测井计算方法7 2 3 岩石的破坏及破坏准则1 0 本章小结。1 3 第三章岩石力学特性试验1 4 3 1 岩石动静态力学参数试验1 4 3 1 1 岩石单轴压缩试验1 4 3 1 2 岩石动态力学参数试验1 5 3 1 3 岩石静态力学参数试验1 7 3 2 声波测试技术1 8 3 2 1 岩体声波测试技术的理论基础18 3 2 2 影响岩石波速的主要因素2 0 3 2 3 测井资料在岩石力学性质分析中的应用2 0 本章小结2 3 第四章岩石力学特性影响因素2 4 4 1 岩石力学动静参数的关系一2 4 4 2 埋深对岩石力学特性的影响2 6 4 3 水对岩石力学特性的影响2 8 4 4 围压对岩石力学特性的影响2 9 4 5 岩石裂缝与力学参数的关系3 0 4 5 1 岩石裂缝与弹性波速度的关系3 l 4 5 2 岩石裂缝与强度参数的关系3 1 4 6 温度对岩石力学特性的影响3 2 4 6 1 高温对岩石力学特性的影响。3 2 4 6 2 不同温压下岩石弹性波速的研究3 3 4 6 3 温度对弹性模量的影响3 4 4 6 4 温度对岩石渗透率的影响3 6 本章小结3 6 第五章数值分析与人工神经网络3 8 5 1 智能岩石力学3 8 5 1 1 人工智能3 8 5 1 2 智能岩石力学及其内容3 9 5 1 3 智能岩石力学的研究思路4 0 5 2 岩石力学数值方法4 l 5 2 1 岩石力学数值方法的作用与优势一4 1 5 2 2 数值模拟方法4 l 5 3 数值模拟与人工神经网络4 2 5 3 1 人工神经网络4 2 5 3 2 人工神经网络数值模拟4 3 本章小结4 5 第六章岩石力学特性的工程应用4 6 6 1 岩石力学参数求取地层压力一4 6 6 1 1 岩石力学参数法求取原理4 7 6 1 2 岩石力学参数求取地层压力理论4 8 6 1 3 确定地层压力的方法4 8 6 1 4 实例验证5 0 6 2 考虑三维裂缝扩展模型的岩石力学参数反演5 2 6 2 1 由地面压裂施工压力求井底压力的方法5 3 6 2 2 就地岩石力学参数与裂缝扩展模型5 5 6 2 3 岩石力学参数的求解6 0 6 2 4 实例研究6 2 本章小结6 5 结。论6 6 参考文献6 8 致谢。7 4 现象的一门新兴 科学。它是解决岩石工程技术问题的理论基础。值得一提的是，岩石材料全部赋存于地 质环境中，它们的形成方式和后来作用于其上的地质作用取决于材料的自然特征。完整 岩石材料的力学性质以及岩体中地质构造的不连续面的数量和性质决定了遭受多次应 力变动岩体的性能。这两类控制岩石力学特性的因素的相对重要程度是不确定的，其主 要取决于工程的规模与不连续面数量的关系和相对方位关系。 1 9 5 9 年1 2 月法国马尔帕塞( m a l p a s s e t ) 坝的破坏，以及1 9 6 3 年1 0 月意大利瓦扬 ( v a j o n t ) 坝的失败，从反面告诉人们：必须具有对岩体地质因素定量分析的科学实验技 术和现代化计算机分析技术。因此，有组织地研究岩石力学特性的要求就被提了出来【1 1 。 岩石的力学参数是石油钻井、压裂工程设计，构造应力场计算及裂缝预测的基础。 地层中裂缝的发育以及油田工程中的许多问题( 如压裂、套管变形等) 均与岩石力学性质 密切相关。 岩石样品通过静态加载测量其变形可获得静态力学参数( 抗压强度、弹性模量、泊 松比) 。而测定超声波妒波，s 波) 在岩石中的传播速度( ，功，转换后可获得岩石的 动态力学参数( 动模量、动泊松比等) 。 岩石力学性质、波速特性受控于岩石的组成、结构、孔裂隙数量及其分布等内在因 素。从一般测试获得的岩石力学参数为地表条件下的特性，与真实地层条件下的岩石力 学参数存在着差别，而且这种差别往往和地区、埋藏深度、岩性、温度、所处的应力、 岩石中流体饱和状况等有关，因而经验公式也不具有普遍意义。 目前，国内外对岩石力学特性的研究并不多，而就地层条件下岩石力学特性的研究 就更少。因此，地层条件下的岩石力学特性是一项值得研究的课题。通过模拟地层条件 下的室内岩石力学试验来建立有关的动态模型是普遍采用的方法，考虑多因素影响的岩 石力学性质动态模型的建立，将是今后主要的研究方向。 第一章绪论 1 2 岩石力学特性研究的发展现状 1 2 1 岩石基本性质的试验研究 岩石试验是岩石力学的基础，是研究岩石力学与工程的重要手段之一。它既是获取 岩石本构关系的客观物理基础，也是岩石力学参数的来源。弄清天然岩石的基本特性是 检验各种理论和概念、技术和方法正确性的客观基础，也正是岩石力学发展的关键课题。 随着科学技术的进步，现阶段我国在岩石力学、断裂力学理论方面取发展很快，岩 石力学试验水平也有了很大地提高，单轴拉伸试验、三轴试验、岩石剪切试验等接近国 际领先水平。三峡及其它一大批重大工程在我国的建设对岩石力学提出了更高的要求， 也间接推动了岩石力学实验及理论的创新。一些非常规的岩石力学特性的研究也在国内 蓬勃发展，如岩石损伤力学的c t 实验、岩石的多轴卸载破坏试验等1 2 1 。 1 2 2 岩石力学参数求取方法的研究 岩石力学参数一般是指岩石的弹性参数( 如弹性模量，剪切模量、体积弹性模量与 泊松比等) 和强度参数( 如单轴抗压强度、岩石抗剪强度、岩石抗张强度、内聚力和内摩 擦角等) 。目前岩石力学参数的确定方法主要有两种：一是在实验室对岩样进行实测， 二是用地球物理测井资料确定岩石力学参数。 1 岩石三轴应力测试方法 图1 1 三轴压缩试验的不同应力途径图 f i g l 一1 s t r e s sa p p r o a c ho ft r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t 在模拟地层条件下，应用岩石三轴应力测试方法可以确定弹性模量、泊松比、抗压 强度、内聚力和内摩擦角等岩石力学参数。测试时，一般需要在特定的围压下进行，如 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 果有必要还需要模拟温度等其它环境因素。三轴应力试验就是通过特殊的加载框架，模 拟出深部地层的三向应力状态，通常采用的是拟三轴试验。 三轴应力测试过程中，先将岩石放置于注满液压油的高压釜中，然后调整围压至试 验的设定值，或用加热线圈等将岩芯加热至一定的温度，再施加轴向压力。试验条件是 可以依据不同的测试目的而自由组合设计的。把三轴试验测得数据中的奇异点舍去，可 绘制出岩样的应力应变曲线。将试验结果进行分析计算，求取岩样的力学参数( 图1 1 ) 。 2 岩体声波测试技术 岩体声波测试技术是工程地质勘察和岩石力学研究的主要手段之一，目前己被国内 外广泛应用。在六十年代初，声波测试技术在我国已有应用，但没有得到充分的重视。 近几年来，这方面获得了很大发展，为此召开过多次经验交流会。据不完全统计，研制 声波测试仪器和使用的单位已有许多家，所用仪器由原来的一种发展到几种。配套设备 和换能器的种类也增加到几十件，并且在仪器的多道化、轻便化和数字化等方面都有许 多改进。 声波测试技术是利用声波在岩体中的传播特性，如纵、横波速、波的振幅衰减和波 的频谱特性等，来判断岩体岩石和岩体的物理力学性质。目前国内主要应用的是波速测 定，对振幅和频谱的测试及应用还在探索中。主要应用领域：岩石物理力学参数的测试， 例如岩石的动弹性模量和泊松比；利用声波参数结合地质因素对岩体进行工程地质分 类，评价地下工程围岩的稳定性；利用声波测井，进行工程地质分层，查明裂隙位置， 确定风化层厚度，探测地下洞室围岩扰动区范围等，为工程设计开挖及处理提供依据， 对工程岩体施工及加固措施的质量检查，等等。 1 2 3 智能科学方法在岩石力学问题中的应用 埋藏在不同地质环境下的岩体非常复杂，由于其具有力学行为的高度不确定性和非 线性的特点，当我们采用以连续介质力学为基础的确定性研究方法求解岩体力学问题 时，会造成建立的岩石力学模型过于复杂，而且要确定的力学参数也非常多的情况。迄 今为止，能够真实反映地层条件下的岩体特性理论体系尚未建立，很多问题仍未得到恰 如人意的解答。 由于岩体力学性质的复杂性，在实际的岩石工程中，依靠实践经验进行技术决策的 方法仍然起到相当重要的作用。把从大规模的工程建设中积累的大量实践经验用于人工 智能方法并使其更好地发挥作用，对中国的岩土工程建设和研究无疑是一笔宝贵的财 3 第一章绪论 富。首先，在我国发展起来的是人工智能中的专家系统，张清于1 9 8 8 年最早利用专家系 统进行岩体分类；随后，根据不同技术问题的分类相继开发了多种专家库，如采矿巷道 围岩设计专家系统等。为中国岩土的发展起到了推动作用，把离散的数据采用模糊法、 概率统计法等进行归纳总结【2 1 。 1 9 9 1 年，张清将人工神经网络引入岩石力学与工程，用于岩石力学行为预测和巷道 分类指标聚类分析，近年来又把它应用于岩石工程系统和岩石工程参数重要性分析。人 工神经网络是在现代神经科学研究成果的基础上，依靠人脑基本特征，模仿生物神经系 统的功能或结构而发展起来的一种新型信息处理系统或计算体系。其多层前馈式神经网 络可用于解决复杂函数的逼近问题。神经网络函数逼近的方法完全不同于传统的函数回 归逼近方法，它不像传统的函数回归逼近方法那样要求对函数求显式表达式，也不用假 设函数模式及其特征。 神经网络逼近函数的方法是：首先，学习样本所包含的知识，然后根据学习所获得 的知识逐步的调整网络内连接各神经元之间的“权值”和“阈值”。该方法是以隐含的方式 来表达复杂函数的映射关系。若构造的神经网络适当，且用来学习的样本丰富并具代表 性，我们就能有效的学到样本中所蕴含的复杂函数映射关系。 数学上己经证明，一个三层前馈式神经网络就能够逼近任意复杂的非线性函数，前 提条件是这个三层前馈式神经网络只包含一个隐含层，且隐含层中神经元数量是有限 的。只要学会了这个未知函数的映射，就可对非线性函数的进行插值估计。神经网络在 解决函数逼近方面还具有简便、容错能力强等优点。因此，探讨利用人工神经网络的函 数逼近能力对岩体力学参数进行估值是一件很有意义的工作。 1 2 4 岩石力学反分析的研究 过去研究岩石力学的的各种方法如岩石力学理论分析及岩石数值模拟等都是在知 道已知量的基础上运用正向推导，根据建立的岩石模型，对其的本构关系、物理力学特 性进行求解。对岩石力学模型的研究就是在已知的定理、公理上，加以客观或假设的条 件进行推导；对岩石力学参数的研究就是通过取样、试验、分析，最后得出结果。现阶 段，随着岩石工程规模的增大，对岩石力学研究方法的要求也在提高。传统的正向推理 已经不能满足实际工程的需要，因此岩石力学反分析研究显得越来越重要。 由于岩石的各向异性、分布不均匀性等特点，其物理力学性质十分复杂。无论是现 场测定还是实验室分析都存在不同程度的误差，结果无法精确表达出岩石的力学特性。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 室内试验往往需要考虑到尺寸效应的问题；现场试验测得的数据具有较大离散性，施工 现场的扰动问题也是非常繁琐。寻找一种可靠的、准确的、经济的方法来进行岩石力学 计算变得十分迫切。 f l - - 十世纪七十年代以来，依据现场测试的资料的分析方法，解决了工程中大量问 题。利用现场测试的数据包括岩石的全部或部分应力、应变、变形等，来求解岩石的本 构模型、物理力学参数、边界条件等称作反分析。1 9 7 2 年k a v a n a g h 和c l o u g h 发表了反 演弹性固体的弹性模量有限元，此后运用现场测试所得数据来求解岩石计算参数和模型 的方法开始发展起来。1 9 7 6 年k i r s t a n 提出了量测变形反分析法，m a i e r ，g i o d a ，c i v i d i n i 和s a k u r a i 等对量测变形反分析法加以细化和深入研究，该方法在世界范围内被引入到 大量工程中去，成为解决各种复杂岩土力学问题的关键依据。该方法在利用现场数据的 同时，通过理论推导使复杂问题简单化，使理论研究和实际应用更加紧密的结合在一起。 现场所测得的相关数据必须保持客观准确，因为数据的准确与否直接关系到最终所得结 果是否符合实际，甚至关系到整个工程的质量。因此在计算的过程中，去现场取得可靠 参数是必不可少的。 工程实践推动了理论的发展，反演在工程分析中扮演着重要的角色。目前，我国在 这方面通过大量的研究工作已有了很大地进展。从过去简单的线弹性反演发展到非线性 反演、粘塑性反演；从有限元位移反演到边界元位移反演等。反演的目的不单单为了得 到模型参数，更重要的是把得到的参数分析拟合去建立新的模型。反演在工程施工评价， 工程优化设计等方面也起到至关重要的作用f 2 l 。 第二章岩石力学特性 第二章岩石力学特性 岩石力学是研究岩石在载荷作用下的变形和破坏规律的学科。岩石力学性质是由其 材料的特点所决定的，岩石材料有别于其它材料的主要特点表现为岩石的非均质性、各 向异性、孔隙裂隙性、以及力学特性的尺度相关性、环境相关性和加载频率相关性等。 2 1 有效应力原理 在t e r z a g h i 岩土力学研究成果的基础上，b i o t 建立了岩石孔隙弹性理论，给出了岩 石广义有效应力原理： = 一吒口e ( 2 1 ) 式中：砖有效应力张量； 作用于岩石骨架和流体上的总应力张量； 只孔隙流体压力。 露= 矗出 ， 式中：磊克罗乃克尔( k r o n e c k e r ) 系数； a 有效应力系数，a = 1 k a k o 。 膨，肠分别为岩石排水( 保持b 不变) 体积模量和岩石骨架材料体 积模量。 对岩石变形和破坏而言，有效应力系数a 的取值范围在0 a l 之间，并与岩石孔隙 度、孔隙形状、矿物组分及所受应力状态等多种因素有关。 有效应力原理表明，在外部总应力和孔隙流体压力共同作用下，岩石的变形和破坏 特性可由有效应力来描述和预测。 2 2 岩石的变形特性 2 2 1 岩石的本构方程 岩石的变形是用本构方程来描述的，本构方程指出了岩石应变与应力、温度、时间 等参数的相互关系，广义虎克定律是最简单的本构方程，它描述了岩石的线弹性性质， 见式( 2 3 ) ： 6 ( 2 3 ) 耻嚣 协5 ， 屹= 臀 7 第二章岩石力学特性 息息相关。在工程中利用测井所得的数据资料可以较为容易得出岩石的力学参数。 岩石的力学参数只有泊松比y 和剪切弹性模量g 是相互独立的，其余的力学参数如 杨氏弹性模量e 、体积压缩系数( c 6 、c ) 、b i o t 弹性系数仅和岩石机械强度( 单轴抗压 强度c d 、岩石粘聚力f 、内摩擦角妒) 等都可以利用泊松比v 和剪切弹性模量g 这两个参 数经换算、推导得到。 ( 1 ) 岩石动态力学参数确定 泊松比v 依据弹性力学的理论，根据纵横波测井资料由( 2 6 ) 式，代入相关参数可得连续的动 态泊松比值： y：05x(at,atc)=-i( 2 一6 ) l ，= ：一 【一6 ) ( 以a t e ) 2 一l 式中：v 地层的动态泊松比，无量纲； a t e 、如分别为地层的纵、横波时差，1 t , l f 。 假如已知横波时差资料，我们可以将纵波时差及密度测井资料进行拟合回归，得到 横波时差方程，求得在没有横波时差井段的泊松比。假如研究区段内没有横波时差，可 以建立横波时差，然后代入上式求得岩石的泊松比。 剪切弹性模量g 剪切弹性模量是施加的应力与切向应变之比， g = p b v 。 ( 2 7 ) 式中：单位换算因子，伊9 2 9 0 3 0 4 x 1 0 一； 仍地层密度，g c m 3 ； k 剪切速度，石胁。 利用基本的测井资料，我们可以非常轻松地推导出岩石其它的动态弹性参数的计算 式。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 1 岩石动态弹性参数 t a b l e 2 - 1d y n a m i ce l a s t i cp a r a m e t e r so fr o c k 动态弹性参数计算公式 施加的单向应力与 杨氏模量( 层)2 g ( 1 + y ) 法向应之比 体积弹性模量( 局)流体静压力与体积应变之比 献忘j3 p l 地层压缩系数( c 6 ) 体积形变与流体静压力之比 ( 有孔隙度时) k b 1 骨架压缩系数( g 。)骨架体积变化与 ( 无孔隙度时)流体静压力之比 p m o t m o ? 3 m ? j x 乒) b i o t 弹性系数( 口)与孔隙压力成比例 1 一c m o c b 如果岛以g c m 3 为单位，a t 以从f , 为单位，则e 、& 、g 需要乘以一个换算因子 = 9 2 9 0 3 0 4 1 0 7 的弹性系数，e 、屹、g 三个模量单位为m p a 。 ( 2 ) 岩石机械强度参数的确定 单轴抗压强度岛 它与岩石杨氏模量和泥质含量之间的经验关系为： 砂泥岩地层： c o = 0 0 0 4 5 e ( 1 一) + o 0 0 8 e ( 2 - 8 ) 碳酸盐岩地层： c o = o 0 0 2 6 e ( 1 一) + o 0 0 8 e x h ( 2 9 ) 岩石粘聚力r f 是衡量岩石抗剪强度的重要指标。r 可根据测井资料按式( 2 1o ) 计算。 刚朋4 3 3 圳7 d e n 2 x 呻小( 等 唑掣 p 内摩擦角缈 内摩擦角缈是岩石的强度参数，可通过岩心三轴试验确定，也可通过式( 2 1 1 ) 确定。 缈：2 6 5 4 x l g k + 何可) + 2 0 _ ) ) ( 乃1 8 0 ( 2 - 1 1 ) 其中：m = 5 8 9 3 1 7 8 5f 式中，各参数物理意义同前。 岩石弹性参数间的关系 9 第二章岩石力学特性 在岩石的弹性参数中只有杨氏模量和泊松比是相互独立的，另外的计算参数如剪切 模量g 、体积模量k 、体积压缩系数c 和拉梅常数兄等均可运用上述的两个独立参数导 出。 k ： 墨 3 ( 1 2 v ) g ：上 2(1+y)(2-12) c ：上 k e y a = 一 ( 1 + y ) ( 1 2 v ) 岩石的杨氏模量和泊松比的变化与岩石的结构和所受的围压相关，由于在岩石结构 中存在各种界面及空隙，其都具有非线性的特征。岩石在受到不同围压作用下其杨氏模 量和泊松比是变化的，根据大量试验，我们发现随着岩石所受围压的增大，杨氏模量和 泊松比也相应增大，表达式如下： 肚磊+ q ? ( 2 - 1 3 ) i = v o + a 2 磅 式中：e ，1 ，岩石在围压巴下的杨氏模量和泊松比； 疡，v d 岩石在单轴应力下的杨氏模量和泊松比； 口，b j ，( 2 ，b 2 围压影响系数。 2 3 岩石的破坏及破坏准则 岩石的主要破坏形式有以下三种：拉伸破坏、剪切破坏和塑性流动。对于脆性岩石， 其破坏形式主要是拉伸及剪切破坏，塑性流动破坏一般出现于塑性岩石中。在石油工程 中最常遇到的是脆性破坏，它是由于岩石在应力作用下，发生裂纹( 原生及次生) 的扩展、 交叉、合并，逐步发展成为贯穿的宏观破裂面，导致岩石破坏。 在理论研究过程中，根据实际工程分析总结得出岩石的破坏准则有以下几种： 1 拉伸破坏准n ( t e n s i l ef a i l u r ec r i t e r i o n ) 根据实验分析，岩石的抗压强度较其抗拉强度高得多。抗拉强度的值通常只有抗压 强度的十分之一至四十分之一。岩石处于单向拉伸或各种复杂应力条件下，只要其所受 的最小有效主应力达到岩石的抗拉强度( 拉应力为负值) ，拉伸破坏即可发生，而其它主 应力对拉伸破坏的影响较小。拉伸破坏准则可表示为： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 0 3 2 一s t 式中：o ，岩石所受的最小有效主应力； 品岩石抗拉强度。 2 库仑纳维儿准贝, 1 ( c o u l o m b - n a v i e rc r i t e r i o n ) 库仑纳维儿准则假定，岩石的剪切破坏发生于某一平面上，这种平面称为破裂面。 当岩石