岩石的分类及性质清楚明了

石油工程岩石力学PetroleumEngineeringRockMechanics

教师：李相臣电子邮箱：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①降低岩石强度②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三的地三质类三型划三分1.岩浆三岩：三是由三岩浆三凝结三形成三的岩三石。2.变质三岩：三矿物三成分三、结三构发三生变三化形三成的三岩石三。3.沉积三岩：三搬运三、沉三积、三成岩三作用三而形三成的三岩石三。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三岩的三分类碎屑三沉积三岩：三砾岩三、砂三岩、三粉砂三岩、三泥页三岩化学三沉积三岩：三石灰三岩、三白云三岩、三燧石三、蒸三发岩生物三沉积三岩：三煤、三石灰三岩岩心三照片砾岩岩心三照片致密三细砂三岩岩心三照片泥岩岩心三照片硬脆三性泥三页岩盐膏三岩岩心三照片4岩石三的工三程分三类以工三程实三用为三目的三的岩三石类三型划三分叫岩石三的工三程分三类(岩体三的工三程分三类)。主三要目三的是三指导三工程三技术三人员三合理三选择三工程三布局三及技三术处三理方三法。完整三岩块三的工三程分三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<30泥质岩，泥质灰岩，部分凝灰岩，绿泥石片岩，千枚岩《岩土三工程三勘察三规范》分类坚硬程度坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度，MPa>6030-6015-305-15<5岩体三的工三程分三类岩石：是三固态三矿物三或矿三物的三混合三物，三由一三种或三多种三矿物三组成三，具三有一三定结三构、三构造三的集三合体三。岩体：含三有结构三面的原三生地三质体三，是三由处三于一三定地三质环三境中三的各三种岩三性和三结构三特征三岩石三所组三成的三集合三体。特点三：显三著的三不连三续性。岩石三质量三指标RQ三D岩石三质量三指标RQ三D三(R三oc三k三Qu三al三it三y三De三si三gn三at三io三n)三:长度大于10三cm的岩三心长三度之三和与三钻孔三总进三尺的三百分三比。(迪尔三，19三64三.)RQ三D求取三的经三验方三法1)三R三QD与裂三隙频三率Kd之间三存在三以下三关系三：2)三R三QD与单三位体三积岩三石中三的节三理总三数Jv之间三存在三以下三关系三：当Jv三<4三.5时，RQ三D取10三0。根据RQ三D的岩三体质三量分三级RQD<2525-5050-7575-90>90岩石质量描述很差差一般好很好等级IIIIIIIVV岩石三的物三理性三质：物理三性质三：物三质不三需要三经过三化学三变化三就表三现出三来的三性质三叫做三物理三性质三。颜色三、气三味、三形态三、熔三点、三硬度三、导三电性三等岩石三的物三理性三质：三指岩三石的三力学三、热三学、三电学三、声三学、三放射三学等三特性三参数三和物三理量三。第二三节三岩石三的物三理性三质岩石三的物三理性三质岩石三和土三一样三，也三是由三固体三、液三体和三气体三组成三的多三相体三系。物理三性质三是指三岩石三由于三三相三组成三的相三对比三例关三系不三同所三表现三的物三理状三态。1.岩石三的密三度2.岩石三的孔三隙性3.岩石三的水三理性(一)岩石三的密三度1.岩石三的颗粒三密度岩石三固体三部分三的质三量与三其体三积的三比值三。它三不包三含孔三隙在三内，三因此三其大三小仅三取决三于组三成岩三石的三矿物三密度三及其三含量三。颗粒三密度固体三部分三质量固体三部分三体积(一)岩石三的密三度2.岩石三的块体三密度是指三岩石三单位三体积三内的三质量三，按三岩石三的含三水状三态，三又有三干密三度（ρd）、三饱和三密度三（ρsa三t）和三天然三密度三（ρ）之三分，三在未三指明三含水三状态三时一三般指三岩石三的天三然密三度。d=三dr三y三sa三t=三sa三tu三ra三te三d常见三岩石三的密三度岩石名称密度(g／cm3)岩石名称密度(g／cm3)花岗岩2.52～2.81石灰岩2.37～2.75闪长岩2.67～2.96白云岩2.75～2.80辉长岩2.85～3.12片麻岩2.59～3.06辉绿岩2.80～3.11片岩2.70～2.90砂岩2.17～2.70大理岩2.75左右页岩2.06～2.66板岩2.72～2.84(二)岩石三的孔三隙特三性孔隙三度：岩石三中孔三隙体三积与三岩石三总体三积之三比(多用三百分三数表三示)。裂隙三率：岩石三中各三种节三理、三裂隙三的体三积与三岩石三总体三积之三比称三裂隙三率。孔隙三度与三裂隙三率含三义相三同，三孔隙三度多三用于三相对三松散三土、三石，三裂隙三率多三用于三结晶三连接三的坚三硬岩三石。一般三岩石三的孔三隙度三在10三%-三35三%之间三。孔隙三比：岩石三中孔三隙的三体积三与固三体颗三粒体三积之三比称三岩石三的孔三隙比(多以三小数三表示)。(二)岩石三的孔三隙特三性孔隙三比和三孔隙三度可以三互相三换算三：密度三是实三验指三标，三只有三通过三实验三才能三得到三具体三数值三，而三孔隙三度和三孔隙三比是三计算三指标三。孔隙三比孔隙三度岩石三的饱三和密三度为2.三65三g/三cm3，干三密度三为2.三49三g/三cm3，计三算岩三石的三孔隙三比和三颗粒三密度三。例题三：岩石三在水溶三液作用三下表三现出三来的三性质三，称三为水理三性质。主三要包三括：(三)岩石三的水三理性三质吸水三性软化三性抗冻三性膨胀三性崩解三性1.岩石三的吸三水性岩石三在一三定的三实验三条件三下吸收三水分的能三力，称三为岩石三的吸三水性。吸水三率(Wa)：岩石三试件三在大三气压三力和三室温三条件三下自三由吸三入水三的质三量(mw1)与岩三样干三质量(ms)之比三，用三百分三数表三示。1.岩石三的吸三水性岩石三的饱三和吸三水率(W三p)：是指三岩石三试件三在高三压(一般三压力三为15三MP三a)或真三空条三件下三吸入三水的三质量(mw2)与岩三样干三质量(ms)之比三，用三百分三数表三示。岩石三的吸三水率(Wa)与饱三和吸三水率(Wp)之比三，称三为饱水三系数。它三反映三了岩三石中三大、三小开三空隙三的相三对比三例关三系。2.岩石三的软三化性岩石三浸水三饱和三后强度三降低的性三质，三称为软化三性软化三系数(KR)为岩三石试三件的三饱和三抗压三强度(σcw)与干三抗压三强度(σc)的比三值岩石三中含三有较三多的亲水三性和可溶三性矿物三，大三开空隙较多三，岩三石的三软化三性较三强，三软化三系数三较小三。KR＞0.三75，岩三石的三软化三性弱三，工三程地三质性三质较三好KR＜0.三75，岩三石软三化性三较强三，工三程地三质性三质较三差常见三岩石三的软三化系三数弹性三模量三随含三水量三的变三化情三况泊松三比随三含水三量的三变化三情况粘聚三力随三含水三量的三变化三情况内摩三擦角三随含三水量三的变三化情三况3.岩石三的抗三冻性岩石三抵抗三冻融三破坏三的能三力，三称为抗冻三性。抗冻三系数(Rd)：岩三石试三件经三反复三冻融三后的三干抗三压强三度(σc2)与冻三融前三干抗三压强三度(σc1)之比三，用三百分三数表三示。质量三损失三率(Km)：冻三融试三验前三后干三质量三之差(ms1－ms2)与试三验前三干质三量(ms1)之比三，以三百分三数表三示。Rd＞75％，Km＜2％，抗冻三性高吸水三率Wa＜5％、三软化三系数KR＞0.三75，饱三水系三数小三于0.三8的岩三石，三抗冻三性高三。3.岩石三的抗三冻性4.岩石三的膨三胀性膨胀三性：岩石三吸水三后体三积增三大引三起岩三石结三构破三坏的三性能三称膨三胀性三。一般三含有三粘土三矿物三的岩三石均三具有—定的三膨胀三性，三特别三是含三有蒙脱三石类三矿物的岩三石膨三胀性三最大三。在铁三路建三设中三，膨三胀岩三地段三路堑三边坡三坍滑三将造三成严三重危三害。钻井三工程三中，三钻遇三膨胀三性岩三石容三易导三致井三眼缩三径、三井壁三坍塌三等问三题。5.岩石三的崩三解性崩解三性：岩石三被水三浸泡三，内三部结三构遭三到完三全破三坏呈三碎块三状崩三开散三落的三性能三。具三有强三烈崩三解性三的岩三石和三土，三短时三间内三即发三生崩三解。我国三西北三地区三的黄三土，三在水三中浸三泡一三天左三右即三崩解三，西三南某三地风三化钙三泥质三粉砂三岩置三于水三中仅三十多三分钟三就全三部崩三解了三。(四)岩石三的热三理性三质岩石三的热三理性是指三岩石三温度三发生三变化三时所三表现三出来三的物三理性三质。三（热胀三冷缩）温度三升高体积三膨胀强度三降低变形三特性三改变体胀三系数三与线三胀系三数体胀三系数三：温三度上三升1℃所引三起的三体积三增量三与初三始体三积的三比值三。线胀三系数三：温三度上三升1℃所引三起的三长度三增量三与初三始长三度的三比值三。岩石三的导三热率岩石三的导三热率是度三量岩三石的三热传三导能三力的三参数三，是三指当三温度三上升1℃时，三热量三在单三位时三间内三传递三单位三距离三的损三耗值三。岩石三导热三率的三影响三因素三：矿物三组成三、结三构构三造以三及赋三存环三境。第三三节三岩三石的三各向三异性三和渗三透性岩石三的不三连续三性岩石三的不三均匀三性岩石三的各三向异三性岩石三的渗三透性1.岩石三的不三连续三性岩石三中普三遍存三在的结构三面，无三论是物质三分异三面还是物质三不连三续面，都三会使三结构三面两三侧附三近的三岩石三物理力学三性质呈现三不连三续变三化。对于三裂隙三性岩三石，三通常三采用三裂缝三率作三为定三量评三价岩三石被三裂隙三切割三后破三碎程三度的三指标三。岩石三中的三裂隙单向三裂隙三(或三裂隙三频率三)单向三裂隙指一三组结三构面三的法三线方三向上三每单三位长三度(m三)内，法线三与结三构面三的交三割数三目，以Kd三(1三/m三)表示三。即三单向三裂隙三率的三倒数三为成三组结三构面三之间三的平三均间三距，三以d表示三。式中三：Kd三—单向三裂隙三（1/三m）d三—结构三面间三平均三间距(m三)平面三裂隙三率平面三裂隙三率Ka是指三岩石三单位三面积三上诸三裂隙三所占三有的三面积三总与三总面三积的三比值三。式中三：li三—第i条裂三隙面三长度(m三)；ti三—第i条裂三隙面三的宽三度(m三)；A三—被测三量的三岩石三总面三积(m三)。不均三匀性：是指三天然三岩体三的物三理、三力学三性质三随空三间位三置不三同而三异的三特性三。分三析现三场岩三体试三验资三料时三可采三用综三合性三的统三计特三征—偏差三系数V(三%)来估三算岩三体的三不均三匀性三。标准三差估三计值各观三测值xi的算三术平三均值2.岩石三的不三均匀三性3.岩石三的各三向异三性岩石三各向三异性是指三天然三岩体三的物三理力三学性三质随三空间三方位三不同三而异三的特三性，三具体三表现三在它三的强度三及变三形特三性等各三方面三。在天三然岩三体条三件下三，使三岩体三具有三各向三异性三的基三本原三因是三由于三岩石三内普三遍存三在着层理三、片三理、三夹层和定向三裂隙三（断三层）系统三所致三。目三前在三实际三工程三中对三于成三层岩三体往三往考三虑其三平行三于层三理和三垂直三于层三理方三向的三差异三性。对于三不具三有层三理的三岩体三，则三把它三视为三各自