中国石油大学钻井工程第1章岩石的工程力学性质

要构造特征。
形成层理的原因： 沉积岩常具有一层一层近似平行的层理，为不同时期沉 积环境变化所制。最初的层理近似水平，其后受到地壳变动影 响可能倾斜、弯曲或断裂。
层理的分类：
A、成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化 B、不同成分颗粒的交替沉积
C、某些矿物颗粒指向相同
D、某种矿物颗粒呈规律性的分布
特点：矿物成分不确定，颗粒大小不等、颗粒形状多样、 颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。
（2）构造特点 构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其 相互间的位置 。如：层理、页理、节理（裂隙）、孔隙度等。 一般，沉积岩具有明显的层理特征。
层理： 岩石一层一层叠起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主
*尽量减小端面效应，设法降低试件端面与加压
板间的摩擦。
*试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件
直径与最大颗粒尺寸的比值至少为10：1。因此， 原则上应尽量采用较大直径的试件。建议采用 2.2~2.6厘米直径的试件。
按抗压强度对地层进行分类
地层
抗压强度
极软
<25
软
25-50
中软
50-75
中
75-100
O.2～0.3
辉长岩
7～15
0.1～0.3
片岩
1～ 9
O.2～O.4
玄武岩
6～12
01～0.35
片麻岩
1～1O
0.1～0.35
砂 岩
0.5～10
O.2～0.3
石英岩
6～20
0.08～0.25
二、简单应力条件下岩石的强度
岩 石 的 强 度
抗压强度 抗拉强度 抗压强度 抗弯曲强度 通常情况下：
抗压>抗剪>抗弯>抗拉强度
用10种矿物为代表，作为摩氏硬度的标准，依次为：滑石(1度)、
石英(7度)、黄玉(8度)、刚玉(9度)、金刚石(10度)。
石膏(2度)、方解石(3度)、萤石(4度)、磷灰石(5度)、长石(6度)、
岩石矿物的摩氏硬度是选择破岩工具的重要参考依据，若在岩
不均质性
如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体 是不均质的。
岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗 粒间的联结强度 、孔隙度（密度）等不均质性造成的。
测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很 大的差异，因此，采用统计学理论，去合适的均值作为 代表。
第1章 岩石的工程力学性质
1.1 岩石的类型及结构特点
1.2 岩石的工程力学性质
1.3 岩石可钻性与研磨性
1.2 岩石的工程力学性质
物理性质：密度，孔隙度，饱和度
水理性质：吸水性、透水性、软化性、抗冻
性、可溶性、膨胀性及崩解性
工程力学性质：岩石受力后表现出来的变形特性
和强度特性 强度性质：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等
σ σ =σ
1
σ
1
2
3
σ σ
2
3
(a)液压作用下的压（拉）试 验（常规三轴试验）
(b)用三个液缸的柱塞进行的 三面压缩试验（真三轴试验）
三轴应力作用下岩石机械性质的变化 两 方 面 显 著 变 化
岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围 压的增大，岩石强度增大。 随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围 压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大。岩石从 脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。 不同的岩石，临界压力不同。
四、岩石的抗压入强度（硬度）（formation hardness）
岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。 硬度与抗压强度区别：
① 前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则
是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。
② 前者反映岩石颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响； ③ 后者反映岩石的组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。
第1章 岩石的工程力学性质
1.1 岩石的类型及结构特点
1.2 岩石的工程力学性质
1.3 岩石可钻性与研磨性
1.1 岩石的类型及结构特点
（1） 岩石的组成
岩石： 是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质 作用下按一定规律聚集而形成的自然体，具有一定 的强度。 矿物： 在地壳中有一定的化学成份和物理性质的自然元素 或化合物称为矿物，是地壳中的各种化学元素在各 种作用下形成的产物。常见的造岩矿物如下表。
岩石名称
抗压强度 (MPa)
抗拉强度 (MPa)
常 见 岩 石 的 抗 压 及 抗 拉 强 度
花岗岩
7～25
页 岩
5～100
2～10
流纹岩
12～30
粘土岩
2～15
0.3～1
闪长岩
120～280
12～30
石灰岩
40～250
7～20
安山岩
140～300
10～20
白云岩
80～250
15～25
辉长岩
160～300
间接测量
间接抗拉伸强度试验 内压胀裂实验： 对圆筒状岩样施以均匀内压，直到圆筒胀裂的试验方法。 通过运用拉梅厚壁圆筒应力理论，可确定岩样的抗拉伸强度。 巴西劈裂实验： 这一试验是将一个薄圆盘试件沿其直径方向上加载，在沿 着加载直径上分布着垂直于加载方向拉伸应力如图所示。
圆盘的破裂是从圆的中心开始,并沿着加载直径向上下两个方向扩展开来。当拉 应力达到岩样的抗拉强度时，试件在加载点连线上呈现清晰的破裂。岩石的抗张 强度可按下式计算(r半径，t厚度)
岩石名称
弹性模量 (104MPa)
泊松比
岩石名 称
弹性模量 泊松比 (104MPa)
花岗岩
5～10
O.1～0.3
页 岩
O.2～8
0.2～O.4
流纹岩
5～10
O.1～ 0.25
石灰岩
5～10
0.2～0.35
闪长岩
7～15
O.1～O.3
白云岩
5～9.4
0.15～0.35
Biblioteka Baidu
安山岩
5～12
0.2～O.3
板岩
2～ 8
根据沉积岩的成因、成份及结构分为：碎屑岩、粘土岩、碳酸盐岩等。
(1)沉积岩：泥岩—60% ，砂岩—30%，碳酸盐岩居第三位。 粘土岩：泥岩（页岩）： 碎屑岩：砾岩、砂岩（粗砂岩、中砂岩、细砂岩）、粉砂岩 碳酸盐岩：石灰岩、白云岩、盐岩(易水化)、石膏（易变形）、盐膏岩 (2) 岩浆岩 花岗岩、玄武岩、安山岩、橄榄岩、辉长岩、闪长岩、流纹岩等； (3) 变质岩 片麻岩、片岩、大理岩（方解石）、千枚岩、板岩、石英岩等； (4) 过渡岩性（泥质、砂质、粉砂质）： 泥岩—砂质泥岩—粉砂质泥岩－页岩； 砾岩－砂岩－泥质砂岩－泥质粉砂岩－粉砂岩； 石灰岩－含泥质灰岩、泥灰岩、砂质石灰岩、粉砂质石灰岩、含泥质白云 岩、砂质白云岩、粉砂质白云岩－白云岩。
变形性质：弹性模量及泊松比
几个概念： 弹性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形随之消失， 恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性，相应的变形称为 弹性变形。 塑性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形不能完全 恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。 脆性：岩石在外力作用下变形很小（小于3%）就发生破坏的性 质。相应的破坏称为脆性破坏。
花岗岩
矿物结晶颗粒较大
沉积岩
出露地表的岩石，在各种外力作用下， 经过风化、侵蚀、搬运、沉积、固结而 形成的岩石
砾岩 砂岩 页岩等
具有层理构造和含 有化石
已形成岩石，在岩浆活动、地壳运动产 变质岩 生的高温、高压条件下，使原岩石成分、 性质发生改变而形成的新岩石
大理岩 板岩
具有片理构造
沉积岩的类型
在某些岩石中的化学沉积物，层理表现的很不明显。有时
在砂岩和层状岩石中，只有在很大块岩石中才可以区别出 层理来。
在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层
理变化的反映。
(3)各向异性和非均质性
各向异性 如果物体的某一性质随方向的不同而不同,则称物体具有各 向异性。
岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于或平行于层理 面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的 差异。 岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。 结晶矿物的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有 各向异性的特点。
10
11 12
白云岩
高岭土 氧化铁
CaMg(CO3)2
AI2SI2O5(OH)4 2FeO3•3H2O或Fe2O3
(2) 岩石的类型
钻井中常遇到的岩石
根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩
成 因 举例 玄武岩 特 点 矿物结晶颗粒细小， 有的有流纹或气孔
岩浆岩 （火成 岩）
岩浆在地下巨大的压力的作用下沿地壳 薄弱地带侵入地壳上部或喷出地表（火 山活动），随着温度、压力的变化，冷 却凝固而形成。
沉积岩的类型
根据沉积岩的成因、成份及结构分为：碎屑岩、粘土岩、碳酸盐岩等。
0.01mm 0.1mm
0.25mm
0.5mm
1.0mm
粘土 粉砂 细砂 泥岩 页岩
中砂 砂岩
粗砂
砾石 砾岩
部分岩浆岩
沉积岩的特点
（1）结构特点
结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、 形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。
测量岩石硬度的方法
静压入法、冲击回弹法、研磨法。石油工业主要是利用静压入的方法测 量岩石硬度（岩石的压入硬度是前苏联史立涅尔提出的，也称史氏硬 度） 。
石油钻井中，常用的硬度有两种：史氏硬度和摩氏硬度。
摩氏硬度：表示材料的相对硬度。测量方法是用两种材料互相
刻划，在表面留下擦痕者则硬度较低。
内压胀裂实验 巴西劈裂实验
t
P r0 t
三、复杂应力条件下的岩石强度
1. 常规三轴试验
常规三轴试验是最为常用的一种三轴应力试验方 法。首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应 力状态，然后保持此压力（围压）不变，对岩样加 载，直到使其破坏。可以进行三轴压缩试验(σ 1＞ σ 2=σ 3=p)，也可以进行三轴拉伸试验。
强度：岩石在外力作用下发生破坏时所承受的最大应力。 抗拉强度—岩石单纯受拉伸力应力破坏时的强度 抗压强度—岩石单纯受压缩应力破坏时的强度 抗剪强度—岩石单纯受剪切应力破坏时的强度 抗弯强度—岩石单纯受弯曲应力破坏时的强度
岩石名称
抗压强度 (MPa) 100～250 160～300
抗拉强 度 (MPa)
x y
z
E
物体在弹性变形阶段，剪切变形同样也服从虎克定律，即 τ =Gγ 式中： τ ——剪应力； γ ——剪应变； G——切变模量(或剪切弹性模量)。
对于同一材料，三个弹性常数E、G和μ 之间有如下的关系：
G E 2(1
)
常 见 岩 石 的 弹 性 模 量 与 泊 松 比
化合 组合 元素 ─→ 矿物 ─→ 岩石
常见的造岩矿物
序号 名称 化学成分
1
2 3 4 5 6 7 8 9
正长石
斜长石 石英 白云母 黑云母 角闪石 辉石 橄榄石 方解石
kAISI3O8
NaAISI3O8或CaAI2SI2O8 SIO2 KAI2(SI3AI)O10(OH)2 K2(MgFe)6(SIAI)8O20(OH)4 Na、Ca、Mg、Fe、AI的硅酸盐 Ca、Mg、Fe、AI的硅酸盐 (MgFe)2SIO4 CaCO3
12～35
板 岩
60～200
7～20
辉绿岩
150～350
15～35
片 岩
10～100
1～10
玄武岩 砾岩 砂 岩
150～300 10～150 20～250
10～30 2～15 4～25
片麻岩 石英岩 大理岩
50～200 150～350 100～250
5～20 10～30 7～20
岩石的变形性质：弹性模量和泊松比
硬
100200
极硬
>200
（MPa）
岩石抗拉伸强度
可通过直接和间接抗拉伸强度试验来确定 直接测量：
把岩样加工成拉伸试样，置于材料 拉伸试验机上进行简单应力状态下(或 称单轴抗拉伸状态)的拉伸试验。岩样 拉断时的应力值即为岩石的抗拉伸强度。
实验要求： *设计恰当的夹紧机构； *制备一定形状的岩样； *确保加载方向严格平行于岩样轴线。
产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服从虎克定律：
σ =E
弹性模量 ：岩石每增加单位应变所需增加的应力。
E /
式中：E－弹性模量；－应力；－应变
泊松比：压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比。
横 纵
如果材料是各向同性的，则有： x y y x
强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验
岩石抗压强度：
指岩石抵抗外力压缩的能力，其数 值大小等于在岩样上施加轴向压缩 载荷直至破坏时单位面积上的载荷， 可通过单轴抗压试验来获得。
实验要求：
*施加压力的方向应平行于岩心的轴线 *岩样长度L应适当，L/D很小时，试件中的应力
分布趋于三轴应力状态，具有较高的强度；L/D 很大时，将发生弹性不稳定破坏；L/D应适中， 一般以L/D=2.5~3.0较好。