岩石力学与井壁稳定

岩石力学与井壁稳定教师：蔚宝华联系电话子邮箱：yubaohua73@126.com提纲岩石力学及其研究对象的特点岩石力学的研究内容岩石力学在井壁稳定中的任务一、岩石力学及其研究对象的特点岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的一门新兴科学。它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价值，而且也是力学和地学相结合的一个基础学科—《岩石力学研究的现状和未来》研究对象：岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体，具有一定的强度。分类：岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型。一、岩石力学及其研究对象的特点玄武岩玄武岩大理石片麻岩不连续性：岩石物理力学性质呈现不连续变化的性质。不均匀性：指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。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。渗透性：有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。赋存环境：地应力、水、温度一、岩石力学及其研究对象的特点二、岩石力学的研究内容岩石的组构特征岩石的物理、水理、热学性质岩石的变形破坏规律岩石的水动力学性质岩石中的初始应力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1、岩石的组构特征物质组成对力学性质的影响一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片状）等含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高－花岗岩、闪长岩、玄武岩含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低－粘土岩、泥岩碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类，岩石的物理力学性质取决于岩石中的CaCO3及酸不溶物的含量CaCO3含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学性质差物质组成对力学性质的影响碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系：强度上：硅质>铁质>钙质>泥质物质组成对力学性质的影响泥页岩的粘土矿物组成蒙脱石伊利石绿泥石高岭石伊蒙混层粘土矿物力学性质蒙脱石含量高→软，易变形，易水化伊利石含量高→硬脆，不易变形，不易水化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1、岩石的组构特征颗粒形状强度：粒状、柱状>片状>鳞状颗粒大小强度：粗粒<细粒排列形式强度：等粒>不等粒2）岩石的结构微结构面：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1、岩石的组构特征2）岩石的结构结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触－岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起－碎屑岩1、岩石的组构特征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1、岩石的组构特征岩石的组构特征给出岩石力学的定性性质，从而保障我们的研究不出现方向性的错误2、岩石的物理、水理、热学性质2、岩石的物理、水理、热学性质岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有：

1.吸水性

2.软化性

3.膨胀性

4.崩解性2、岩石的物理、水理、热学性质①空隙压密阶段(OA)②弹性变形阶段(AB)③微裂隙稳定发展阶段(BC)④微裂隙非稳定发展阶段(CD)⑤破坏后阶段(DE)oABCDE峰前峰后

3、岩石的变形破坏规律

3、岩石的变形破坏规律岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条件不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现象叫流变。岩石变形规律的研究就是要建立应力-应变关系，为求解应力状态提供基础岩石试样的破坏形式

劈裂破坏剪切破坏延性破坏

3、岩石的变形破坏规律岩石破坏规律的研究就是要建立应力作用下岩石是否稳定的标准岩石应力状态变化，可能导致裂缝面上的剪应力增加，微小的剪应力变化即可在裂缝面产生剪胀效应4、岩石的水动力学性质一般情况下主地应力表示方法H地表垂直主应力σv水平最大主应力σH水平最小主应力σh5、岩石中的初始应力西南：印度板块向NNE挤压东部：太平洋板块向W俯冲北部：西伯利亚板块阻挡南部：菲律宾板块向N俯冲三、岩石力学在井壁稳定中的任务制定保持井壁力学稳定的泥浆密度窗口进行井身结构优化确定合理泥浆密度确定井壁失稳的机理优化泥浆性能制定合理钻井对策最小水平主地应力若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。损坏区坍塌最大水平主地应力

a

r=3

a=1

r最大水平主地应力形成的椭圆形井眼长轴在最小水平主地应力方向

泥浆密度低r泥浆密度低导致井壁岩石发生剪切破坏而坍塌掉块σHσhσHσh井眼坍塌破坏形状最大水平主地应力最小水平主地应力泥浆密度高泥浆密度过大：地层剪切破坏产生大量径向微裂缝形成剪切破碎带（造成泥浆的大量侵入使井壁失稳）