岩石的分类及性质（72页清楚明了）

1、石油工程岩石力学Petroleum Engineering Rock Mechanics 教 师：李相臣电子邮箱：li_课程回顾一个意义：为什么学习岩石力学？两个定义岩石力学的定义岩石的定义一个特点：岩石力学研究对象的特点一个方法：研究岩石力学的方法主 要 内 容第一节 岩石的分类第二节 岩石的物理性质第三节 岩石的非均质性和各向异性第一节 岩石的分类地球的岩石圈：地球表面的固体部分。由地壳和上地幔顶部岩石组成的地球外壳固体圈层。地球圈层分为地球外圈和地层内圈。地球外圈包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈。岩石的组构特征1.岩石的物质组成粘土矿物硅酸盐类矿物碳酸盐类矿物氧化物类矿物组成岩石的矿物组

2、成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上决定着岩石的力学性质2.岩石的结构岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结与胶结连结。颗粒形状 强度：粒状、柱状 片状 鳞状颗粒大小 强度：细粒 粗粒排列形式 强度：等粒 不等粒岩石的组构特征微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等 降低岩石强度 导致岩石力学性质各向异性岩石的微结构面岩石的组构特征裂缝性地层套管损坏Elf公司的岩石力学专家Maury 和Sauzy在研究裂缝性地层套

3、管损坏时首先提出了井眼周围裂缝岩体的剪切位移理论并应用于井壁稳定性分析裂缝性地层裂缝性地层扰动产生剪切位移造成套管变形裂缝岩体的剪切位移造成井眼缩径现象剪切位移引起的井眼形状变化XYX方向井径降低Y方向井径增加剪切错动方向不同剪切位移方向的井眼形状井下电视测井观测到：裂缝岩体的剪切位移造成井眼缩径现象井下电视测井显示的破碎性地层在井眼周围产生的剪切位移的情况剪切位移造成井眼缩径的实例（现场实测结果）2002年，BP 美国公司在墨西哥湾遇到钻井中井壁稳定问题。井眼与地层层理面夹角不同（井斜角不同），井壁垮塌程度、垮塌岩石大小、形状不同。Dusseault 研究破碎性地层井壁稳定性时发现井壁是否稳

4、定与井眼尺寸有关，井眼尺寸越大井壁越不稳定。在研究层理发育的各向异性地层井壁稳定性时发现井壁稳定性与井眼轴线和地层层理面的夹角有关，认为应尽可能以垂直与层理面的方式进入地层，才能保持井壁稳定性。裂缝发育的破碎性地层层理发育的各向异性地层各向异性地层加拿大科学家的研究结果基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结程度低，岩石强度也不大。间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶结物充填。溶蚀型：胶结物不仅充填在矿物颗粒之间，而且进入到矿物颗粒本身中，胶结强度很高。岩石的主要胶结类型：岩石的组构特征

5、基底型接触型间隙型溶蚀型3 岩石的构造岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在空间上相互排列及所占的位置。岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔状构造、杏仁状构造沉积岩的构造：层理构造变质岩的构造：片理构造岩石的组构特征流纹岩气孔状构造杏仁状构造沉积岩中的层理构造白云钾长片麻岩岩石的地质类型划分1.岩浆岩：是由岩浆凝结形成的岩石。2.变质岩：矿物成分、结构发生变化形成的岩石。3.沉积岩：搬运、沉积、成岩作用而形成的岩石。母 岩转变过程产生的岩石岩浆岩沉积岩变质岩风化作用热和压力熔融作用沉积岩变质岩岩浆岩沉积岩的分类 碎屑沉积岩：砾岩、砂岩、粉砂岩、泥页岩 化学沉积岩：石灰岩、白云岩、燧石、蒸

6、发岩 生物沉积岩：煤、石灰岩岩心照片砾岩岩心照片致密细砂岩岩心照片泥岩岩心照片硬脆性泥页岩盐膏岩岩心照片4 岩石的工程分类以工程实用为目的的岩石类型划分叫岩石的工程分类(岩体的工程分类)。主要目的是指导工程技术人员合理选择工程布局及技术处理方法。完整岩块的工程分类编号类别单轴饱和抗压强度(MPa)代表性岩石I硬质岩 80中细粒花岗岩，花岗片麻岩，闪长岩，辉绿岩，安山岩，流纹岩，石英砂岩，硅质灰岩，硅质胶结砾岩II中等坚硬岩30-80灰岩，大理岩，白云岩，砂岩，钙质砾岩，板岩III软质岩6030-6015-305-155岩体的工程分类岩石：是固态矿物或矿物的混合物，由一种或多种矿物组成，具有一定

7、结构、构造的集合体。岩体：含有结构面的原生地质体，是由处于一定地质环境中的各种岩性和结构特征岩石所组成的集合体。特点：显著的不连续性。岩石质量指标RQD岩石质量指标RQD (Rock Quality Designation):长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。(迪尔，1964.)RQD求取的经验方法1) RQD与裂隙频率Kd之间存在以下关系：2) RQD与单位体积岩石中的节理总数Jv之间存在以下关系：当Jv4.5时，RQD取100。根据RQD的岩体质量分级RQD90岩石质量描述很差差一般好很好等级IIIIIIIVV岩石的物理性质：物理性质：物质不需要经过化学变化就表现出来的性

8、质叫做物理性质。颜色、气味、形态、熔点、硬度、导电性等岩石的物理性质：指岩石的力学、热学、电学、声学、放射学等特性参数和物理量。 第二节 岩石的物理性质岩石的物理性质岩石和土一样，也是由固体、液体和气体组成的多相体系。物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。1. 岩石的密度2. 岩石的孔隙性3. 岩石的水理性(一) 岩石的密度1. 岩石的颗粒密度岩石固体部分的质量与其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。颗粒密度固体部分质量固体部分体积(一) 岩石的密度2. 岩石的块体密度是指岩石单位体积内的质量，按岩石的含水状态，又有干密度（d）

9、、饱和密度（sat）和天然密度（）之分，在未指明含水状态时一般指岩石的天然密度。d=dry sat=saturated常见岩石的密度岩 石 名 称密度(gcm3)岩 石 名 称密度(gcm3)花 岗 岩2.522.81石 灰 岩2.372.75闪 长 岩2.672.96白 云 岩2.752.80辉 长 岩2.853.12片 麻 岩2.593.06辉 绿 岩2.803.11片 岩2.702.90砂 岩2.172.70大 理 岩2.75左右页 岩2.062.66板 岩2.722.84(二) 岩石的孔隙特性 孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用百分数表示)。 裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的

10、体积与岩石总体积之比称裂隙率。 孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于相对松散土、石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。 一般岩石的孔隙度在10%-35%之间。孔隙比：岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称岩石的孔隙比(多以小数表示)。(二) 岩石的孔隙特性孔隙比和孔隙度可以互相换算：密度是实验指标，只有通过实验才能得到具体数值，而孔隙度和孔隙比是计算指标。孔隙比孔隙度岩石的饱和密度为2.65g/cm3，干密度为2.49g/cm3，计算岩石的孔隙比和颗粒密度。例题：岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括：(三)岩石的水理性质 吸水性 软化性 抗冻性 膨胀性 崩解性1.岩石的吸水性岩

11、石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。1.岩石的吸水性岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。2.岩石的软化性岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)的比值岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙较

12、多，岩石的软化性较强，软化系数较小。KR0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好KR0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差常见岩石的软化系数弹性模量随含水量的变化情况泊松比随含水量的变化情况粘聚力随含水量的变化情况内摩擦角随含水量的变化情况3.岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(c2)与冻融前干抗压强度(c1)之比，用百分数表示。质量损失率(Km)：冻融试验前后干质量之差(ms1ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示。Rd75，Km2，抗冻性高吸水率Wa5、软化系数KR0.75，饱水系数小于0.8的岩石，抗冻性高

13、。3.岩石的抗冻性4.岩石的膨胀性膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破坏的性能称膨胀性。 一般含有粘土矿物的岩石均具有定的膨胀性，特别是含有蒙脱石类矿物的岩石膨胀性最大。 在铁路建设中，膨胀岩地段路堑边坡坍滑将造成严重危害。 钻井工程中，钻遇膨胀性岩石容易导致井眼缩径、井壁坍塌等问题。5.岩石的崩解性崩解性：岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈碎块状崩开散落的性能。具有强烈崩解性的岩石和土，短时间内即发生崩解。我国西北地区的黄土，在水中浸泡一天左右即崩解，西南某地风化钙泥质粉砂岩置于水中仅十多分钟就全部崩解了。(四)岩石的热理性质岩石的热理性是指岩石温度发生变化时所表现出来的物理性质。（热

14、胀冷缩）温度升高体积膨胀强度降低变形特性改变体胀系数与线胀系数体胀系数：温度上升1所引起的体积增量与初始体积的比值。线胀系数：温度上升1所引起的长度增量与初始长度的比值。岩石的导热率岩石的导热率是度量岩石的热传导能力的参数，是指当温度上升1时，热量在单位时间内传递单位距离的损耗值。岩石导热率的影响因素：矿物组成、结构构造以及赋存环境。第三节 岩石的各向异性和渗透性 岩石的不连续性 岩石的不均匀性 岩石的各向异性 岩石的渗透性1.岩石的不连续性岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学性质呈现不连续变化。 对于裂隙性岩石，通常采用裂缝率作为定量评

15、价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。 岩石中的裂隙单向裂隙(或裂隙频率)单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内，法线与结构面的交割数目，以Kd(1/m)表示。即单向裂隙率的倒数为成组结构面之间的平均间距，以d表示。式中：Kd 单向裂隙（1/m） d 结构面间平均间距(m)平面裂隙率平面裂隙率 Ka是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总与总面积的比值。式中：li 第i条裂隙面长度(m)； ti 第i条裂隙面的宽度(m)； A 被测量的岩石总面积(m)。不均匀性：是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统计特征 偏差系数V(%)来估算岩体

16、的不均匀性。标准差估计值各观测值xi的算术平均值2.岩石的不均匀性3.岩石的各向异性岩石各向异性 是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方面。在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。对于不具有层理的岩体，则把它视为各自同性体。4.岩石的渗透性岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，不同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同，渗透性的大小用渗透系数K表示。岩石的渗透系数不仅与岩石的物理性质有关，也与岩石的应力状态有关。 岩石轴向渗透性试验原理岩石渗透仪(轴向渗透)1-注水管路；2-围压室；3-岩样；4-放水阀假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可采