岩石的力学性质

关于岩石的力学性质一、岩石的变形特性

(一)岩石弹性、塑性概念岩石的变形有两种情况：一种是外力撤除后岩石的外形和尺寸完全恢复原状，这种变形称为弹性变形或可逆变形；另一种是外力撤除后岩石的外形和尺寸不能完全恢复而产生残留变形，这种情况称为塑性变形或不可逆变形。衡量岩石弹性的指标：弹性模量：波松比：

ε`为横向应变，ε为纵向应变。

第2页,共53页，2024年2月25日，星期天第3页,共53页，2024年2月25日，星期天

图(a)——脆性岩石的变形曲线脆性岩石破坏前没有明显的不可逆变形，当外载一旦达到弹性极限，岩石立即破坏。

图(b)——塑脆性岩石的变形曲线

OA是弹性变形段，A点之后即转入塑性变形区。形变由弹性变形转为塑性变形时的载荷称为屈服极限或流变极限。到达D点后，岩石即发生破碎。

图(c)——塑性岩石变形曲线在较小的载荷作用下就开始塑性变形，其后形变随变形时间的延长而增长，曲线倾角趋近于零。第4页,共53页，2024年2月25日，星期天

岩石从变形到破坏有三种形式：破坏前不存在任何不可逆的变形，则这种破坏称为脆性破坏；破坏前发生大量的不可逆变形，且没有明显的弹性变形阶段，则这种破坏形式称为塑性破坏；破坏前经历明显的弹性变形和塑性变形阶段，则岩石的这种破坏形式称为塑脆性破坏。

三种破坏形式的岩石分别称为脆性岩石，塑性岩石，塑脆性岩石。

(二)岩石的应变破坏形式第5页,共53页，2024年2月25日，星期天2.衡量岩石弹塑性的指标

为衡量岩石的弹塑性，引入塑性系数的概念.

岩石的塑性系数(Kn)：岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形所消耗能量之比。第6页,共53页，2024年2月25日，星期天

按塑性系数的大小将岩石分为6级（见表）。

Kn＝1称为脆性岩石；

1﹤Kn﹤6称为塑脆性岩石Kn≧6称为塑性岩石。第7页,共53页，2024年2月25日，星期天

(三)岩石的变形特性

弹性理论认为理想材料的弹性应变都是暂时的，并随着应力的解除而完全可以恢复。在弹性范围内应力和应变的关系服从虎克定律。

实验得知，在任何应力状态下，矿物都服从虎克定律，而岩石大都不遵守虎克定律。这是因为矿物可以认为是均质连续的，而岩石则不是，受力后常伴有空隙的压实过程。

由表可以看出：岩石的弹性模量是变化的。实验证明它与应变种类和所加载荷的大小都有很大关系第8页,共53页，2024年2月25日，星期天岩石E105公斤/厘米2μ岩石E105公斤/厘米2μ粘土0.030.38~0.45花岗岩2.6~6.00.26~0.29致密泥岩-0.25~0.35玄武岩6~100.25页岩1.2~2.50.10~0.20石英岩7.5~10-砂岩3.3~7.80.30~0.35正长石6.80.25石英岩1.3~8.50.28~0.33闪绿岩7~100.25大理岩3.9~9.2-辉绿石7~110.25白云岩2.1~16.5-岩盐-0.44

岩石的弹性模量和波桑比第9页,共53页，2024年2月25日，星期天岩石弹性模量的变化特点:

（a）载荷小时，弹性模量变化不大，只有当载荷大时，这种差别才显著；（b）拉伸时其弹性模量要随载荷的增加而减少。相反，压缩时弹性模量会随载荷的增加而增加。这是由于在受压缩的情况下，二相邻晶粒的表面原子或表面离子间的距离逐渐缩小，使引力增加，相应地也增加了弹性模量；而在拉伸的情况下却与此相反。（c）岩石的弹性模量不会超过组成它的矿物的弹性模量。这是因为弹性模量在很大程度上决定于相互作用的分子力，而岩石中颗粒接触处的相互作用的力通常小于矿物颗粒间的相互作用力。应变ε应力σ121-拉伸2-压缩第10页,共53页，2024年2月25日，星期天(四)影响岩石弹性、塑性和脆性的因素

影响岩石变形特性的因素主要有岩石的组成成分、受力条件、温度和湿度等。

1．岩石类型及其组成成分①一般岩浆岩和变质岩的弹性模数大于沉积岩，而塑性系数则相反。②对于岩浆岩和变质岩来说，如果组成岩石的矿物具有高的弹性模数，则岩石也有高的弹性模数，但是岩石的弹性模数不会超过造岩矿物的弹性模数。③对于沉积岩来说，弹性模数决定于岩石的碎屑和胶结物以及胶结状况。在胶结物和胶结状况相同的情况下，碎屑颗粒的弹性模数大，则岩石的弹性模数也大；在碎屑颗粒成分相同的情况下，胶结物为硅质者，岩石的弹性模数最大，胶结物为钙质者次之，胶结物为泥质者最小。第11页,共53页，2024年2月25日，星期天2．岩石结构、构造

①造岩矿物颗粒的大小对弹性模数有较大的影响。细粒岩石的弹性模数大于粗粒岩石，如细砂岩的E=3.0x104MPa，而粗砂岩的E=2.77x104MPa。②岩石越均质致密，弹性模数越大，塑性系数越小;岩石结构缺陷越多,裂隙越发育，弹性模数越小，塑性系数越大。③层理对岩石的弹性模数也有明显影响。平行于层理方向的弹性模数E‖大于垂直于层理方向的弹性模数E⊥

。如泥质页岩E‖／E⊥≈2，这是因为岩石颗粒定向排列，在垂直于层面方向加载时，在岩石的弹性限度内形变较大，而沿平行于层理方向加载，形变较小的缘故。第12页,共53页，2024年2月25日，星期天3．应力状态

在不同的应力状态下，岩石的变形性质存在着很大的差别。在单向压缩下岩石表现为脆性的岩石，如果在各向压缩状态下，当三向压缩应力达到一定值时岩石会表观出不同程度的塑性。也即在各向压缩状态下，随着三向压缩应力的增加岩石有从脆性向塑性转变的趋势。深部孔底的岩石受上覆岩层压力、孔内液柱压力和地层孔隙压力的综合作用，处于三向应力状态。模拟孔底状态的三轴试验试验表明，随着围岩压力增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，并且围岩压力越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。对于深井钻井，研究岩石从脆性到塑性的转变点(即从脆性变为塑性的围岩压力，又称临界围压)有很大实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种本质不同的破坏，破碎这两种状态的岩石应采用不同的破碎方式、破碎工具和破碎参数。第13页,共53页，2024年2月25日，星期天2-4第14页,共53页，2024年2月25日，星期天

4．加载速度

岩石静载的弹性模数E往往小于动载的弹性模数万Ed。表列出几种岩石的Ed和E的比值。┌─────────┬────────┬─────────┬─────┐│岩石名称│Ed／E岩石名称Ed／E│├─────────┼────────┼─────────┼─────┤│石英质页岩│1.33│粉砂岩│2.05││石灰岩│1.7—1.86│黑云母片岩│1.40││绢云母片岩│2.56│阳起片岩│I.90││微风化花岗岩│2.75│粗面岩│I.15││亚砂岩│2.90│假像千闪玄武岩│1.33││钙质页岩│2.56│角闪片岩│1.06│└─────────┴────────┴─────────┴─────┘表2-5第15页,共53页，2024年2月25日，星期天5.加载方式

同一种岩石受压缩时，颗粒之间距离缩小，颗粒间相互作用力有所增大，故弹性模数表现提高，而受拉伸时，颗粒之间距离增大，颗粒间相互作用力减小，故弹性模数降低。压缩时的弹性模数是拉伸时弹性模数的1.5～4倍。弯曲时的弹性模数是拉伸时弹性模数的1.1～1.3倍。

6．温度

随着孔深增加，孔底温度也增加，温度对岩石的变形性质有一定的影响。特别是在超深井和地热井中应注意这一因素。随着温度的升高碳酸岩类和硅酸岩类岩石的弹性极限都要降低，弹性模数变小，塑性系数增大,岩石表现从脆性向塑性转化。7.湿度

湿度对岩石的变形性质也有明显的影响。岩石被水或石油浸湿后，其弹性模数均显著下降。如果把泥岩的湿度从3％提高到14％，则弹性模数从7.3x104MPa下降到3.2x104MPa第16页,共53页，2024年2月25日，星期天2-82-72-6第17页,共53页，2024年2月25日，星期天二、岩石的强度特性（一）岩石强度的概念岩石在载荷不断作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷称为极限载荷，单位面积上的极限载荷称为岩石的强度。岩石强度的单位是Pa(帕)或MPa(兆帕)。根据受力条件不同，岩石强度可分为：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度。根据应力状态，岩石强度又可分为单向应力状态下的强度、两向应力状态下的强度和三向应力状态下的强度；根据载荷速度，岩石强度又有静载强度和动载强度的区别。在简单应力状态下，通常采用单向拉伸、压缩、剪切等试验确定岩石的强度。在复杂应力状态下，可以采用三轴试验装置确定岩石的强度。第18页,共53页，2024年2月25日，星期天(二)影响岩石强度的因素

1．岩石的物质成分

矿物强度与含量影响岩石的强度。例如，石英是强度较大的造岩矿物，岩石中石英含量高，并且石英颗粒在岩石中连结成骨架时，则岩石的强度也高；方解石和白云石等强度较小，因此在碳酸盐类岩石中方解石含量增加，则岩石强度降低。

对于沉积岩，胶结物的成分对岩石强度有较大的影响。例如，硅质胶结的砂岩，其抗压强度高达200MPa以上，而钙质胶结的砂岩，强度则为20～100MPa；泥质胶结的砂岩，强度往往在20MPa以下。岩石中胶结物所占比例越大，胶结物对岩石强度影响越大，而被胶结的岩屑或矿物对岩石强度的影响越小。

第19页,共53页，2024年2月25日，星期天2．岩石的结构、构造

矿物颗粒大小对岩石强度有一定的影响。一般说来，细粒岩石的强度高于粗粒岩石的强度，并且颗粒越细，这种影响越大。例如，粗粒花岗岩的抗压强度是80～120MPa，而细粒花岗岩的抗压强度则高达200～250MPa。层理使岩石的强度具有明显的各向异性。垂直于层理方向的抗压强度最大，平行于层理方向的抗压强度最小，与层理方向呈某种角度时的抗压强度介于二者之间。表2一6列出几种岩石的垂直于层理和平行于层理方向上的抗压强度。第20页,共53页，2024年2月25日，星期天2-6第21页,共53页，2024年2月25日，星期天3．岩石的容重和孔隙度

同一种岩石，其孔隙度增加，容重降低，从而岩石强度也降低，反之亦然。例如石灰岩容重由1.5x104N／m3增加到2.7x104N／m3时，其抗压强度就由5MPa增至180MPa。又如砂岩的容重由1.87x104N／m3

增加到2.57x104N／m3

时，其抗压强度也由15MPa增加到90MPa。

一般来说，岩石的孔隙度随其埋藏深度的增加而减小。因此，岩石的强度随其埋藏深度的增加而增大。例如，埋藏在深部的粘土的强度比靠近地表处的粘土的强度大。

第22页,共53页，2024年2月25日，星期天4．加载方式

岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度有很大的差别。在单向应力状态下，岩石的抗压强度最大，而抗拉强度最小，抗剪和抗弯强度介于抗压和抗拉强度之间。根据岩石岩石的强度特性，选择有效的破碎方法，是提高碎岩效率的重要途径。

原因：因为岩石受压缩的颗粒之间的距离缩小，颗粒间相互作用力增加，所以强度增加；而受拉伸时颗粒之间的距离增大，颗粒间相互作用力减弱，所以强度下降。

从表中数据可知，岩石的抗剪强度约为其抗压强度的1／5～1／11；岩石的抗弯强度约为抗压强度的1／5～1／12，而岩石的抗拉强度仅为岩石抗压强度的1／10～1／50。利用岩石抗剪、抗弯和抗拉强度小的特点，寻求相应的破碎方法，对提高碎岩效率非常有利。第23页,共53页，2024年2月25日，星期天2-72-8第24页,共53页，2024年2月25日，星期天5．应力状态

岩石在两向应力和三向应力状态下，其抗压强度比单向应力状态下要高出许多倍。从图中可以看出，岩石的强度极限随着围压的增加而明显增大。例如当围压从零增加到165MPa时，大理岩的抗压强度从136增加到490MPa，，当围压从零增加到155MPa时，砂岩的强度从69增至330MPa。

岩石强度随围压增加而增大的原因是：岩石的围压增大，各向压缩增强，岩石的体积产生压缩，使颗粒间的距离缩短，甚至使矿物颗粒内部体积减小，结果颗粒之间、甚至颗粒内部质点间的相互作用力增强，从而表现为对外载的抗力增大。第25页,共53页，2024年2月25日，星期天6．载荷速度

实验证明，岩石的强度与外载作用的速度、或者说与其内部应力增长的速度有密切的关系。载荷速度越快，则岩石强度越高。

在动载条件下岩石强度增大主要原因：岩石的变形和破坏在一定程度上依赖于时间。如果加载速度太快，则在应力波的作用时间内破碎变形难以得到充分的发展，因而表现出较大的抗力。表2—10列出一些岩石的动载和静载抗拉强度的比较数据。第26页,共53页，2024年2月25日，星期天2-92--9第27页,共53页，2024年2月25日，星期天7．岩样的线性尺寸

大量岩块试验的结果说明，随着岩样线性尺寸的增加，岩石的强度降低。这主要是由于岩石的组成和结构的不均一性，以及裂隙和孔洞存在机率增加的缘故。因此，测定和对比岩石强度时，必须有线性尺寸的规定，否则就不能进行比较。通常作岩石的抗压强度试验时，要求采用5*5*5cm的立方体试样，或者采用长度等于直径的圆柱体岩样。

8．湿度

水对岩石的强度起着显著的影响。当水侵入岩石时，水就顺着裂隙进入，润湿岩石全部自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子的加入改变了岩石的物理状态，削弱了颗粒间的联系，使岩石强度降低。其降低程度决定于岩石内孔隙和裂隙的状况、组成矿物的亲水性和水的物理化学性质。

表2—11列出几种岩石在干燥状态下和被水饱和时的抗压强度。第28页,共53页，2024年2月25日，星期天9.温度

温度对岩石的单向抗压强度

产生一定的影响。例如花岗岩，

其抗压强度与试验温度的关系如

图2—10所示。从曲线可以看出，

随着温度上升，抗压强度下降。

在小于500℃时下降幅度较大，

而大于500℃后，下降幅度较小。2-102-10第29页,共53页，2024年2月25日，星期天三、岩石的表面特性

岩石的表面特性包括岩石的硬度和岩石的研磨性（一）岩石的硬度

1.概念

岩石硬度定义为岩石表面抵抗工具压入的能力。根据测定方法的不同，岩石硬度分为压入硬度、研磨硬度、冲击回弹硬度等。采用不同的硬度目的在于更准确的反映岩石抵抗不同形式载荷的能力。石油工程上多采用压入硬度，在多数情况下工程上所指的岩石硬度即为压入硬度。

2.意义岩石的硬度是岩石综合力学性能的反映，与岩石的强度特性、变形特性密切相关。岩石的硬度较全面反映了岩石的可钻性，且不同的硬度反映了岩石承受不同载荷的能力。第30页,共53页，2024年2月25日，星期天3.压入硬度

利用一定形状尺寸的压头静压入规定尺寸的岩样，得到的载荷—侵深的关系曲线，用岩石破碎极限载荷除以压头面积即为岩石的压入硬度，单位：MPa(兆帕)。压入硬度测试方法最早由俄罗斯科学家史立尼尔提出，故又称史氏硬度。特点：

①岩石压入硬度反映了岩石的组合硬度或胶结硬度，而不是岩石中某一矿物颗粒的硬度；②压入硬度的测定方法是使岩样产生局部压碎，而这种局部压碎是在多向受压状态下进行的，类似钻井过程中钻头破岩的方式，因而较准确的反映了岩石的可钻性。第31页,共53页，2024年2月25日，星期天岩石压入硬度测试仪：第32页,共53页，2024年2月25日，星期天

按压入硬度岩石可钻性分级岩石可钻性与压入硬度存在着相关关系，一般情况下机械钻速和压入硬度成反比。以压入硬度作为衡量可钻性的指标。按压入硬度将岩石的可钻性分为12级。

第33页,共53页，2024年2月25日，星期天第34页,共53页，2024年2月25日，星期天4、影响岩石硬度的因素

(1)岩石的矿物成分

岩石胶结物成分相同，矿物颗粒或岩石碎屑成分不同时，石英及其它坚硬矿物或碎屑含量越多，则岩石硬度越大。如果碎屑成分相同，胶结物不同，则胶结物硬度越大，岩石硬度也越大。例如钙质胶结岩石的硬度是泥质胶结岩石的1.4～1.8倍。另外，在胶结物成分相同的情况下，胶结形式也影响岩石硬度。基底胶结者最硬。

第35页,共53页，2024年2月25日，星期天

(2)结构、

岩石颗粒越小，结构越致密，岩石的硬度越大。岩石多孔，裂隙发育，孔隙度高，密实度低，岩石的硬度将会下降。

(3)构造

层理对岩石硬度的影响正好与对强度的影响相反。垂直层理方向的硬度值最小，而平行层理方向的硬度值最大。这是因为沿层理方向岩石颗粒的定向排列而使硬度升高。实际测定证明：层理弱的岩石，平行层理方向的硬度与垂直层理方向的硬度之比为1.05—1.2。而层理明显的岩石，两者之比可达1.5～1.8左右。这说明了在垂直于岩石层理方向上钻进比较容易。

岩石硬度的这种各向异性现象，可以很好地解释孔斜的原因和规律性，并利用这一现象来实施定向钻进。第36页,共53页，2024年2月25日，星期天(4)应力状态

在各向均匀压缩的情况下，岩石硬度增加。各向压力加大到100MPa时，大理岩的硬度提高到1.86倍，泥灰岩提高到3.06倍,白云岩提高到1.35倍(表2～11)。对泥质碳酸盐岩、砂岩、粉砂岩的试验也表明：硬度可增大到1.1—3.6倍。在常压下硬度越低的岩石，随着围压增加，其数值增长越快。

由此可见，孔底围压越大，岩石硬度越高，破碎岩石越难，钻进速度将会下降。第37页,共53页，2024年2月25日，星期天(5)载荷速度

动载时，随着加载速度的增大，固体内晶格扭曲没有足够时间得到充分松弛，破碎变形得不到充分的发展，所以破碎单位体积岩石所消耗的能量增加，使岩石抗破碎阻力增大。第38页,共53页，2024年2月25日，星期天

从图2—11中可以看出，随着冲击速度增加，大理岩的塑性系数Kn降低，而硬度Hy和屈服极限Po增高，单位体积破碎功a也不断增大。尤其是冲击速度大于30m/s以后，硬度和屈服极限增大更为剧烈。但是，在冲击速度小于10m／s时，硬度变化不大。

冲击速度对低强度、高塑性及多孔性岩石性质的影响,要比对高强度、低塑性岩石的影响大得多。

2-11第39页,共53页，2024年2月25日，星期天(6)液体介质

水的侵入对岩石的硬度有很大的影响。大理岩表面被清水润湿后其硬度下降12％,而被1％的油酸钠水溶液浸湿后，其硬度下降23％。

在液体介质作用下，使固体力学性质发生变化的原因，主要是由于固—液表面产生润湿和吸附所致。被吸附的物质称为吸附质，而表面产生吸附现象的固体称为吸附剂。产生吸附现象时，吸附质对吸附剂的物理—化学亲和力越大，表面层吸附质的浓度也越大，则吸附质降低吸附剂的表面能也越多。

第40页,共53页，2024年2月25日，星期天

(7)工具形状和尺寸

合理的工具形状应使工具压入时岩石的阻力最小。在大理岩上用不同形状的压头作压入试验时发现：不同形状的压头，虽然接触面积相同，但使岩石产生压入破碎所需的载荷却不一样。这说明了不同形状压头压入岩石时所遇到的抗力是不同的，也就是说所得到的硬度值是不同的(见图2—12)。

另外的试验表明，工具形状相同，其尺寸越小，测定的硬度值越大。岩石抗压入阻力因压入面积减小而增大的现象被称为尺寸效应。尺寸效应可能是因为工具与岩石接触面积越小，工具所覆盖的岩石微裂隙等缺陷越少的缘故第41页,共53页，2024年2月25日，星期天第42页,共53页，2024年2月25日，星期天（二）岩石的研磨性

1.岩石的研磨性的概念

在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。

钻头被磨损，一方面增加了钻头的消耗，另一方面降低了破碎岩石的效率。因此，研究岩石研磨性及其规律，将直接关系到钻头寿命、生产效率和成本。岩石研磨性是选择碎岩工具、设计钻头、确定钻进规程参数和制订钻头消耗定额的依据之一。

岩石磨损钻头齿的主要形式为犁削磨损、磨粒磨损。第43页,共53页，2024年2月25日，星期天2.磨粒磨损理论

岩石对钻头的磨损形式以磨粒磨损为主。以下以磨粒磨损理论探讨影响磨损的因素。

根据现代摩擦理论可知，当两物体压紧并作相对移动时，两物体的表面就会产生磨损。磨损量的大小首先决定于两物体间的摩擦力和移动的距离，即摩擦功。

两物体滑动摩擦时所作的功为：

A=s·p·F·v·tN·m

式中p—接触面上的正压力，N／m2；F—接触面积，m2；v—滑动速度，m／s；t—摩擦时间，s；动摩擦系数。

第44页,共53页，2024年2月25日，星期天

固体的体积磨损量V与摩擦功成正比，即V=δA。

此处，δ为体积磨损系数(cm3／N·m)，

H1，H2为与对磨材料的硬度有关的参数；

c为与摩擦磨损环境有关的参数。

因此：

V=δA=δ·s·p·F·v·t

从上式可以看出：材料的研磨性与摩擦力、对磨材料的性能、表面粗糙程度、摩擦面温度、滑移速度、磨损产物的清除情况、参与摩擦的介质等诸多因素有关。

岩石研磨性与任何别的力学性质一样，反映着岩石在具体试验条件下的表现，这些条件的改变，可能导致磨损过程的剧烈变化。第45页,共53页，2024年2月25日，星期天3、影响岩石研磨性的因素

(1)岩石的矿物成分

岩石中造岩矿物的硬度、矿物颗粒间的硬度差，对岩石研磨性都有明显的影响。矿物颗粒本身硬度越大，颗粒间硬度差越大，岩石的研磨性越强。石英及其它坚硬矿物的研磨性很强，其在岩石中所占比例对岩石研磨性影响很大。例如：石英砂岩的研磨性可能比长石砂岩高20倍。

第46页,共53页，2024年2月25日，星期天(2)结构特征

犁削磨损与岩石的表面粗糙度密切相关，通常岩石的表面粗糙度越大研磨性越强。岩石表面的粗糙度由造岩矿物粒度决定。例如粉砂岩的粒度比砂岩