中国石油大学钻井工程第1章岩石的工程力学性质
岩石力学实验
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一、实验目的
1．熟练掌握岩石单轴抗压实验试件尺寸测量方法； 2．观察岩石试件破坏过程，准确分析其破坏类型； 3．根据试件破坏单轴压应力，计算岩石的单轴抗压强度； 4．熟悉岩石应力-应变曲线各阶段的意义，计算岩石弹性 模量与割线模量。
1.百分表；2.百分表架；3.试件；4.实验台
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四、实验步骤
(3) 试件直径测量
取岩石试件上中下三断面测量位置，采用游标卡尺分别测量垂直于中轴线 且互成90°方位的试件直径，填入试样尺寸记录表中，并分析直径误差。
上断面
中断面
下断面
互成90°测量
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四、实验步骤
(4) 试件长度测量 将试样断面分为相互垂直的4个方位，采用游标卡尺分别测量不同方
为此，需要在实验室内严格控制某些因素的情况下进行岩石力学实验，然后将所得结果 应用到实践中去。
取样
实验
应用
确定研究 工区、钻 取具有代 表性岩心
室内岩石力学 实验（单轴压 缩、巴西劈裂、 三轴实验等） 获得岩石力学 性质及参数
建立本构方程和破 坏准则，结合地质 环境特征（地应力、 温度、地层压力等） 进行工程实际应用 （如判定井壁破裂 坍塌条件等）
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岩石单轴抗压实验
➢ 实验目的 ➢ 实验原理 ➢ 实验仪器 ➢ 实验步骤 ➢ 结果处理 ➢ 报告编写
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一、实验目的
1、掌握岩石硬度的测定方法； 2、掌握岩石塑性系数的测定方法。
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钻井工程-3-岩石的工程力学性质
眼井径曲线上表现为钻头孔截面没有明显的长轴方向
一、地应力
岩石声发射凯塞尔（Kaiser）效应测地应力
Kaiser 效应
地应力确定方法
当岩石再次加载到先前经受过的应力水平后，其声发射活动将突然增 加，这种岩石的声发射活动能够“记忆”岩石所受过的最大应力的效应被 称为凯塞尔效应
凯塞尔（Kaiser）效应测地应力
差应变试验确定主应力比值
若确定了野外状态的应变值，此时的三向主应力之比为
H:H:H = ( h + v )+(1-) H :( H + v )+(1-) h :( H + h )+(1-) v
式中， εH为水平最大地应力方向应变量， εh为水平最小地应力方向应变量， εv为竖向地应力方向应变量， μ 为泊松比
动态地应力理论
在注水和生产过程中，地层中的流体流动同时压力发生变化，会使得地层变 形，主要体现在水平两个主应力的变化上 地层的地应力发生变化后，会改变地层渗流参数，如渗透率、孔隙度、压缩 系数等，进而进一步影响流体的流动规律。因此，这两个过程是同时发生的， 必须同时考虑 需要分别建立渗流场和应力场的方程，在进行渗流场的计算时，认为位移是
声发射凯塞尔效应测定地应力是利用了岩石具有记忆的特性，测量岩样
曾经承受过的最大压应力
一、地应力
地应力确定方法
v p p 0o 90o 0o 90o (1 tan 2 2)1/2 p p H 2 2 0o 90o 0o 90o 2 1/2 (1 tan 2 ) p p h 2 2 0o 90o 2 45o tan 2 0o 90o
中国石油大学钻井工程第一章地质条件张辉
异常地层压力: 地层压力大于或小于正常地层压力。。
超过正常地层静液压力的地层压力(pp>ph)称为异常高压。 而低于正常地层静液压力的地层压力(pp <ph)称为异常低压。
地层压力当量密度：指某一深度处地层压力用等高度的钻井 液柱压力来等效时，所需钻井液的密度。
(淡、盐水：1.0、1.07g/cm3)
式中：φ — 泥页岩的孔隙度， ％； φ 0 — 泥页岩在地面的孔隙度， ％； c — 常数; H — 井深，米。
由前述声波时差与孔隙度的关系得：
t t 0
m
0
t t f
m
Δ t0 —泥页岩在地面的声波时差
Po、Pp和σ之间的关系可用下图表示
地下各种压力之间的关系
（ Po 、 Pp 和σ 之间的关系） Po= （基岩重力 + 孔隙流体的重力）/ 面积
Po = Pp +σ 由上式可知
上覆岩层压力由基岩和孔隙流体共同承 担。
Po 一定， σ 减小， Pp 增大。 当σ →0时， Pp → Po 。 不管任何原因使基岩应力下降，都会导 致孔隙压力增大。
地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地 层岩石基质和岩石孔隙中流体总重力所产生的 压力，用PO 表示。
p o
基岩重力 流体重力 面积
p 0.00981H[(1)
]
o
ma
H Po
0.00981
（分段计算）
oi i
Po
式中：PO为上覆岩层压力，MPa； H 为地层垂直深度,m；
t t
m
t t
f
m
式中：φ — 岩石孔隙度, ％； Δ t — 地层的声波时差，微秒/米； Δ tm — 基岩的声波时差, 微秒/米； Δ tf — 地层孔隙内流体的声波时差，微秒/米。
石油工程岩石力学基础教学设计
石油工程岩石力学基础教学设计背景作为石油工程专业学生，学习岩石力学是必不可少的基础课程。
通过学习岩石力学，可以帮助学生了解地下岩石构造和力学特性，为今后的石油开采工作打下坚实的基础。
因此，本文将探讨如何设计一套有效的岩石力学基础教学内容，以帮助学生更好地学习和掌握岩石力学知识。
目标本教学设计目的在于：1.帮助学生掌握基本的岩石力学知识，包括应力、应变、弹性、塑性等基本概念和原理。
2.帮助学生了解岩石的物理性质、力学性质及其影响因素。
3.培养学生的科学思维能力和实践动手能力，通过实验和实践，了解岩石在不同条件下的力学行为和特性。
教学内容课程设置本教学设计设置岩石力学的基础课程共计三章，内容包括：第一章岩石力学基础概念本章主要内容包括岩石力学的概念、应力应变概念、弹性、塑性及其应用等基础知识。
第二章岩石力学基本参数本章主要内容包括岩石的物理性质、力学性质和其影响因素等。
第三章岩石力学应用本章主要内容包括岩石力学的应用、力学分析以及实验等相关内容。
教学方法本教学设计采用多种教学方法，旨在激发学生的学习兴趣和发掘潜力。
具体教学方法包括：讲授法通过教师讲授、课件展示等方式，传递岩石力学基础概念。
实验法鼓励学生根据教师的指导和要求，进行一系列的岩石力学实验。
通过实践和观察，了解岩石在不同应力下的应变和力学特性。
讨论法组织学生进行讨论，让学生自由地表达对于岩石力学的看法和问题，并达成一定的共识和解决方法。
案例法通过案例引入，结合实际工程应用问题，让学生更好地理解和掌握岩石力学原理。
教学工具本教学设计使用以下教学工具：课件采用PPT展示教学内容，丰富教学形式，加深学生对教学内容的理解。
实验仪器采用先进的岩石力学实验设备，支持学生进行实验操作，深化学生对岩石力学的理解和掌握。
考核方式本教学设计采用多元化考核方式，以确保学生能够全面掌握岩石力学基础知识。
考核方式包括：作业布置相关的应用题和实验报告，以检查学生对岩石力学理论和实践的掌握程度。
岩石硬度及塑性系数的测定
中国石油大学（钻井工程）实验报告实验日期：2015.10.12 成绩：班级：石工班学号：姓名：教师：同组者：实验1 岩石硬度及塑性系数测定一、实验目的1. 通过实验了解岩石的物理机械性质。
2.通过实验学习掌握岩石硬度、塑性系数的测定方法二、实验原理利用手摇油泵加压，将液压传递给压模（硬质合金压头），推动活塞上升，使岩样与压模、位移传感器接触。
用手摇泵慢速均匀加载，随着载荷的增加，压模将逐渐压入岩样直至破碎，位移传感器测出压入深度，压力传感器测出作用在岩石上的载荷。
测出的载荷、位移信号传给函数记录仪，函数记录仪便自动记录下岩石的载荷与压入深度数据，利用专用软件将该数据导入计算机中进行数据处理，画出载荷与位移的关系曲线计算岩石硬度和塑性系数。
三、实验仪器1．手摇油泵2．压模（d=1.2~2.5mm）3．位移传感器、载荷传感器4．液压罐5．函数记录仪图1仪器设备示意图图2压膜结构四、数据处理1．根据每点作出的曲线求出岩石硬度Py 表1原始数据表表2处理数据表根据表2作出吃入深度与载荷的关系曲线图如下图3岩石的硬度为： SP =y P 其中： P —破碎时最大载荷，单位kg ；S —压模面积，单位2m m 。
由图3知： 在B 点破碎时最大载荷为P =1080kg =10800N ，压模的d =2mm 。
所以， )(49.3439214.3411080041P 22y MPa d P SP =⨯⨯===π 按我国岩石硬度六类12级分类，该岩石为中硬8级。
2． 求塑性系数ODEO OABCOE F S S K ==A A p其中：AF —岩石破碎前耗费的总功，相当于OABCO S ； AE —弹性变形功，相当于面积ODEO S ；O P —屈服极限，kg ； OC —压入岩样深度，mm 。
由图3可得：OABCO S=(0.547-0.066+0.547-0.375)*1080/2ODEO S =(0.375-0.066)*1080/2 所以，12.2S SK ODEOOABCO E F ===A A p 由塑性三类6级分类可知，该岩石塑性级别为2级。
岩石力学与石油工程(1)
岩石力学
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6、岩体外载
对于一般的工程结构来说，在进行应力分析时， 其外载条件是明确的。但对于地下岩体来说，却很难 准确知道在工程扰动之前的应力状态。确定地层的原 地应力状态是岩石力学的一个重要研究课题。
（8）岩石工程稳定性维护技术，包括岩体性质的改 善与加固技术等。
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（9）各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的
应用。 （10）工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术。 模型模拟试验包括数值模型模拟等，这是解决岩石力 学理论和实际问题4的一种重要手段。而原位监测既可 以检验岩体变形与稳定性分析成果的正确与否，同时 也可以及时地发展问题并采取相应的合理措施加以解 决。
②岩石力学与地球物理勘探综合研究；
③钻探技术与井壁稳定性； ④岩石力学与采油技术（水力压裂、出砂与防砂、水平 钻孔）； ⑤油藏变形及地面下沉； ⑥岩石应力与岩石渗透性。
岩石力学
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参考文献： 1、蔡美峰 主编 岩石力学与工程 科学出版社2002；
2、张清 主编 岩石力学基础；
3、谢和平著 岩石力学 科学出版社2004; 4、D.F 科茨著 岩石力学原理 冶金工业出版社1978;
岩石力学
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（6）岩体力学性质。内容包括：①岩体变形与强度 特征及其原位测试技术与方法；②岩体力学参数的弱 化处理与经验估计；③影响岩体力学性质的主要因素； ④岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特 征。
（7）工程岩体的稳定性。内容包括：①各类工程岩 体在开挖荷载作用下的应力、位移分布特征；②各类 工程岩体在开挖荷载作用下的变形破坏特征；③各类 工程岩体的稳定性分析与评价等。
钻井工程实验-岩石硬度及塑性系数测定
中国石油大学钻井工程实验报告实验日期：成绩：班级：学号：姓名：教师：同组者：实验1 岩石硬度及塑性系数测定一、实验目的1.通过实验了解岩石的物理机械性质2.通过实验掌握岩石硬度、塑性系数的测量方法。
二、实验仪器、设备1．手摇泵2.压膜（d=2mm）3.位移传感器、载荷传感器4.液压罐5.函数记录仪三、实验原理利用手摇泵加压，压力传递给压膜（硬质合金压头），岩样与压头和位移传感器接触之后，用手摇泵慢速均匀加载，压头吃入岩样直至破碎，函数记录仪记录整个过程的载荷与位移值，通过载荷与位移的关系曲线计算岩石硬度与塑性曲线。
四、实验步骤五、实验结果实验数据吃入深度载荷/kg/mm0.035-10.172-10.393 6 0.399 17 0.414 38 0.425 67 0.439 103 0.469 169 0.508 290 0.593 393 0.911 226 0.945 207绘制图像如下图一 吃入深度与载荷关系曲线六、数据处理1.硬度计算 依据公式sp p y max=求岩石的硬度，由图一知，岩石破坏时的载荷为393Kg 。
压模的横截面积 22214.34214.34mm d s =⨯=⨯=π岩石的硬度 MPa s p p y 56.122614.38.9393max =⨯==2. 屈服极限由图一知，弹性阶段最大载荷为kgP oy 320=岩石的屈服极限为MPa s p P oy 73.99814.38.9320=⨯==3.塑性系数K ：OEDOOABCO面积面积=k岩石应力应变曲线其中：面积OABCO —岩石破碎前耗费的总功；面积OEDO —弹性变形功。
解：根据实验数据可得下图面积OABCO 和面积OEDO 可以通过数面积内格数来表示。
由上图知（计算方格数目），OABCO 的面积为49.5,OEDO 的面积为3065.1305.49OEDO OABCO ===面积面积k七．思考题1、为什么要求被测岩样两端面必须平行？答：保持两端面平行可以使测得的载荷与吃入深度能真实反映岩石的特性，若不平行，一方面会损坏压模，另一方面，会产生水平方向的分力，会使测得的数据不准，故必须保持岩样两端面平行2、画出的曲线有不规则现象是什么原因？答：画出的曲线不规则原因有：加载速度不均匀导致的实验误差；岩石内部非均质性造成的；仪器系统不稳定造成的测量误差。
简明石油工程岩石力学
简明石油工程岩石力学（讲义）金衍陈勉中国石油大学（北京）2007年8月目 录绪论-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 第一章岩石的基本性质和变形特征----------------------------------------------------------------------5 §1.1 岩石力学性质室内试验-----------------------------------------------------------------------------6 §1.2 岩石的变形与强度-----------------------------------------------------------------------------------16 第二章弹性理论-----------------------------------------------------------------------------------------------25 §2.1 应力分析-----------------------------------------------------------------------------------------------25 §2.2 应变分析---------------------------------------------------------------------------------------------42 §2.3 弹性模型-----------------------------------------------------------------------------------------------49 第三章岩石中的流固耦合问题--------------------------------------------------------------------------51 §3.1 孔隙度和渗透率------------------------------------------------------------------------------------51 §3.2 通过孔隙介质流体的流动------------------------------------------------------------------------52 §3.3 体积变形---------------------------------------------------------------------------------------------54 §3.4 Biot静态孔隙弹性理论---------------------------------------------------------------------------54 §3.5 有效应力的概念------------------------------------------------------------------------------------58 第四章井壁围岩的应力状态-----------------------------------------------------------------------------60 §4.1 垂井井壁围岩应力分布---------------------------------------------------------------------------60 §4.2 大斜度井、水平井的井壁围岩应力分布------------------------------------------------------62 第五章油田地应力及确定方法--------------------------------------------------------------------------66 §5.1 地应力的概念---------------------------------------------------------------------------------------66 §5.2 水力压裂法测地应力-------------------------------------------------------------------------------68 §5.3 分层地应力解释方法------------------------------------------------------------------------------71 第六章钻井过程中的井壁稳定问题--------------------------------------------------------------------74 §6.1 井壁力学失稳的形式与原因---------------------------------------------------------------------74 §6.2 井壁坍塌剥落---------------------------------------------------------------------------------------75 §6.3 井壁破裂---------------------------------------------------------------------------------------------80 §6.4 安全钻井液密度窗口------------------------------------------------------------------------------81 第七章水力压裂--------------------------------------------------------------------------------------------83 §7.1 裂缝几何形状---------------------------------------------------------------------------------------83 §7.2 裂缝延伸模型---------------------------------------------------------------------------------------84 第八章出砂问题--------------------------------------------------------------------------------------------92 §8.1 固相产出---------------------------------------------------------------------------------------------92 §8.2 防砂方法的分类------------------------------------------------------------------------------------93 §8.3 预测出砂机理---------------------------------------------------------------------------------------95 §8.4 数学模型---------------------------------------------------------------------------------------------97 第九章油藏固结问题-------------------------------------------------------------------------------------101第十章岩石动力学与应用----------------------------------------------------------------------------111 §10.1 弹性介质中的纵、横波------------------------------------------------------------------------111 §10.2 利用声波测井确定岩石的弹性和强度参数------------------------------------------------112 §10.3 声波测井在石油工程中的应用---------------------------------------------------------------117 §10.4 地震资料的工程预测理论---------------------------------------------------------------------121绪论1绪论一、岩石力学及其发展历史岩石力学是力学的一个分支。
中国石油大学（华东）钻井工程课后题答案
中国石油大学（华东）钻井工程课后题答案第一章钻井的工程地质条件（P41）1、简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层压力和基岩应力三者之间的关系。
答：P6～P82、简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。
答：P10答：地层在沉积压实过程中，能否保持压实平衡主要取决于四个因素：（1）上覆岩层沉积速度的大小，（2）地层渗透率的大小，（3）地层孔隙减小的速度，（4）排出孔隙流体的能力。
在地层的沉积过程中，如果沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒和颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。
由于上覆岩层继续沉积，岩层压力增加，而下面的基岩的支撑能力并没有增加，孔隙流体必然开始部分地支撑本应有岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力。
如果该地层的周围又有不渗透的地层圈闭，就造成了地层欠压实，从而导致了异常高压的形成。
3、简述在正常压实地层中岩石的密度、强度、空隙度、声波时差和dc 指数随井深变化的规律。
答：密度、强度、dc 指数随井深增加而增大（见P10上、P25下、P15中）；空隙度、声波时差随井深增加而减小（见P12下）。
4、解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力？答：地层破裂压力：P17中。
根据液压实验曲线确定地层破裂压力：见P21中（步骤4、5）。
5、某井井深2000m ，地层压力25MPa ，求地层压力当量密度。
解：根据P13、式（1-12），地层压力D p p p ρ00981.0=地层压力当量密度 )/(274.1200000981.02500981.03m g D p p p =?==ρ6、某井井深2500m ，钻井液密度1.18 g/cm 3，若地层压力27.5MPa/m ，求井底压差。
解：井底压差＝井底钻井液液柱压力－地层压力静液压力： P6、式（1-1）)(94.28250018.100981.000981.0MPa h P h =??==ρ井底压差：)(44.15.2794.28MPa P P P h h =-=-=?7、某井井深3200m ，产层压力为23.1MPa ，求产层的地层压力梯度。
石油钻井工程基础知识
⑶砾岩层。在砾岩层中钻进易发生跳钻、蹩钻和 井壁垮塌。
⑷在当地层软硬交错时，易发生井斜，地层倾角 较大者也易发生井斜。
⑸当岩层中含有可溶性盐类，即钻到石膏层、 盐岩层时，要注意对钻井液性能的影响。
• 一、钻井液性能与钻井工作的关系 • 一）、钻井液密度与钻井的关系 • 密度过大有以下害处： • 1、损害油气层； • 2、降低钻井速度； • 3、过大压差造成压差卡钻； • 4、易憋漏地层； • 5、易引起过高的粘切；
• 6、多消耗钻井液材料及动力；
• 7、抗污染能力下降。
• 密度过低则容易发生井喷、井塌（尤其 是负压钻井）、缩径（对塑性地层，如 较纯的粘土、盐岩层等）及携屑能力下 降等。
• 2、水解聚丙烯腈盐类
• ⑴水解聚丙烯腈钠盐
• 代号Na－HPAN，是聚丙烯腈加NaOH水解 而得的产物。为淡黄色颗粒或粉末，溶 于水，水溶液呈碱性。
• 主要用作聚合物钻井液的降滤失剂，并 有增粘和絮凝作用。抗盐可至饱和而抗 钙较差，抗温性强。
• ⑵水解聚丙烯腈钙盐
• 代号Ca－HPAN或CPAN，为浅黄色、灰白 色颗粒或粉末，水溶性好。
2、化学除砂：加入化学絮凝剂，将细小的砂子 变大而沉降。
3、降低钻井液粘度有利于降低固相含量：因此 在现场维护钻井液时，对固相含量有下列要求。
⑴根据需要配备良好的净化设备，彻底清除无用 固相。
⑵必须严格控制膨润土的含量，所使用钻井液的 密度愈高、井愈深、温度愈高，膨润土的含量 应愈低，一般应控制在30～80kg/m3。
• 二）、钻井液粘度、切力与钻井的关系
第一讲 岩石的工程力学性质
（3）牙轮轴线与钻头轴线夹角：
夹角β 的大小影响到牙轮的空间体积大小和轴承的承受力状况， β 角增大时， 相邻两牙轮的夹角也增加，因而牙轮体积可加大；一般β 角为51º~59º，软地层钻 头β 角较大，硬地层β 角小。
（4）牙轮的形状与布置：
牙轮形状应能在有限空间内尽量加大牙轮的体积，这样可以加大轴承的尺寸， 使轴承有较的的工能力，并保证轮壳有足够的厚度以免断裂。同时在牙轮的外表可 以布置更多的牙齿，以延长切削部分的寿命。
强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验
沉积岩由于层理的影响，在不同的方向上强 度不同。
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。它是 将圆柱形的岩样置于一个高压 (a)压缩试验； (b)拉伸试验。 首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态下，然 后保持此压力不变，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。
（二)岩石的强度 1、岩石强度的概念 岩石在一定条件下受外力的作用而达到破坏时的应力，被称为岩石在这种条件 下的强度。 岩石强度的大小取决于岩石的内聚力和岩石颗粒间的内摩擦力。
2、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
第二讲 牙轮钻头及其破岩原理
牙轮钻头是石油钻井中使用最多、适应性最强的钻头。按钻头上牙 轮的个数可将牙轮钻头分为单牙轮钻头、两牙轮钻头、三牙轮钻头和四 牙轮钻头，其中使用最多的是三牙轮钻头。
一、三牙轮钻头破碎岩石的基本原理 1、钻头的复合运动
牙轮钻头在钻头旋转运动过程中，由于牙轮钻头在运动过程中受到井 底岩石对钻头牙齿的摩阻力，钻头牙轮要向钻头前进时相反的方向旋转， 因此，钻头与井底接触母线上任意点的实际运动速度应为该点随钻头运动 所产生的速度(称为牵连速度)与该点随牙轮旋转所产生的速度(称为相对速 度)的矢量和(称为绝对速度)。
岩石硬度及塑性系数的测定
中国石油大学钻井工程实验报告实验日期：成绩：班级：学号：姓名：教师：同组者：具体实验内容：格式样板如下，字体均用宋体。
实验一岩石硬度及塑性系数的测定一、实验目的（1）通过实验了解岩石的物理机械性质。
（2）通过实验学习掌握岩石硬度、塑性系数的测定方法。
二、实验原理利用手摇泵加压，压力传递给压模（硬质合金压头），岩样与压头和位移传感器接触后，用手摇泵慢速均匀加载，压头吃入岩样直至破碎，函数记录仪记录整个过程的载荷与位移值，通过载荷与位移的关系曲线计算岩石硬度和塑性系数。
三、实验步骤（1）岩样制备：将岩石切割成正方（圆柱）体，其高度不小于50mm，被测量断面应加以研磨，使岩样平滑且互相平行（直径50mm 的岩样两端面不平行度不应超过5mm），岩样制备后应在低于100℃的烘箱中烘干2-2.5 小时，然后放在干燥箱内备用。
（2）用读数显微镜测出压模压头的直径并记录。
（3）打开函数记录仪开关。
（4）将岩样置于硬度仪的岩心托盘上，摇动手摇泵，活塞慢慢上升，移动位移传感器，使岩样先与位移传感器接触，当记录仪显示压力有变化时，说明岩样与压头已接触上，停止摇动手摇泵，此时记录下位移值和压力值，作为零点。
（5）用手摇泵慢速均匀加载，直到岩石破碎（有响声），则该点测试完毕，卸压。
（6）按设置键两次，出现报警界面，再按V 键4次，根据提示插入U 盘，导出数据（两个数据文件存入U 盘，第一路数据是位移，第二路数据是载荷）按菜单键返回，拔除U 盘。
（7）移动岩样，使第一点的破碎坑与第二点相距大于10mm，按以上方法测试第二点，每块岩样做2-3 次。
四、实验数据五、数据处理（需列出详细计算过程）（1）在计算机上进行数据编辑U 盘上的数据可通过专用软件打开，具体操作如下：①将U 盘上的数据分系软件打开，选择setup.exe 安装数据处理系统（按提示进行安装），安装完毕后，双击桌面上的“JLFX100”图标。
②点击“文件〉打开”，选择所需的文件即可进入“曲线分析”窗口；横轴为时间,纵轴为位移传感器（或载荷传感器）数据。
中国石油大学(华东)智慧树知到“石油工程”《岩石力学》网课测试题答案卷3
长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。
住在富人区的她全文为Word 可编辑，若为PDF 皆为盗版，请谨慎购买！中国石油大学（华东）智慧树知到“石油工程”《岩石力学》网课测试题答案（图片大小可自由调整） 第1卷 一.综合考核(共10题)1.岩石的峰值强度随围压的增加而()。
A 、增大B 、减小C 、不变2.岩体的尺寸效应指岩体的强度和弹性模量随试件的增大而增大的现象。
()3.在地下，岩石所受到的应力一般为()。
A.拉应力 B.压应力 C.剪应力4.在岩石力学分析中，一般把岩石看作均质各向同性体。
() A 、错误 B 、正确5.岩石抗压强度实验要求岩心轴径比小于2。
() A 、错误 B 、正确6.水力压裂裂缝扩展方向一般是沿平行于最小主应力的方向扩展。
() A.错误 B.正确7.初始地应力主要包括()。
A 、自重应力和残余应力 B 、构造应力和残余应力 C 、自重应力和构造应力8.岩石的力学性质主要是指岩石的变形特征和强度特征。
()9.岩石在常温常压下的变形特征与深层一致。
() A 、错误B 、正确10.一般情况下裂缝沿垂直于最小主地应力的方向扩展。
由于最小主地应力一般都是水平方向的，因此裂缝一般都是垂直的。
()A.错误B.正确第1卷参考答案一.综合考核1.参考答案：A2.参考答案：错误3.参考答案：B4.参考答案：A5.参考答案：A6.参考答案：A7.参考答案：C8.参考答案：正确9.参考答案：A10.参考答案：B。
岩石硬度及塑性系数的测定
其中： —破碎时最大载荷，单位 ； —压模面积，单位 。
由图3知：在B点破碎时最大载荷为 =1080 =10800N，压模的 =2 。
所以，
按我国岩石硬度六类12级分类，该岩石为中硬8级。
2．求塑性系数
其中：AF—岩石破碎前耗费的总功，相当于 ；
AE—弹性变形功，相当于面积 ；
—屈服极限， ；
1015
0.354
1014
2.433
1060
0.375
1059
2.466
1074
0.408
1073
2.495
1072
0.437
1071
2.515
1081
0.457
1080
2.542
1053
0.484
1052
2.591
835
0.533
834
2.698
708
0.64
707
2.708
669
0.65
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ668
2.715
四、数据处理
1．根据每点作出的曲线求出岩石硬度
表1原始数据表表2处理数据表
吃入深度/载荷/
吃入深度/载荷/
2.058
1
0
0
2.108
7
0.05
6
2.124
36
0.066
35
2.142
54
0.084
53
2.152
74
0.094
73
2.161
111
0.103
110
2.167
129
0.109
128
2.179
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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
安山岩
5～12
0.2～O.3
板岩
2～ 8
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
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)
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。
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。
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
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。
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
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
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。
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
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。
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
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
*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
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。
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