石油工程岩石力学-绪论(定稿)
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。
第1讲-岩石力学-绪论
岩石力学的历史
1997年在黄荣樽教授的倡议下，中国岩石力学与 工程学会成立了以石油工程为主要研究对象的深层岩 石力学专业委员会，黄荣樽教授任首届主任委员， 2001年后由陈勉教授担任主任委员。
岩石力学的历史
在与石油工程有关的岩石力学研究中，所涉及的地 层深度大多在1000-8000米范围内，研究对象以沉积岩 层为主体，岩石处于较高的围压（可达200MPa）、较高 的温度（可达200℃）和较高的孔隙压力（可达200MPa ）作用下。
学在国民经济建设中有广泛的应用，如水利建设（三峡大坝岩 石基础的稳定性等）、民用建筑（世贸大厦岩土地基的稳定性 等）、采矿工程（边坡稳定性、洞室围岩的稳定性）、核能工 业（核废料的长期保存等）、石油工程（破岩、井稳、出砂、 水力压裂等）等领域，历史证明不重视岩石力学研究将造成巨 大生命财产损失。
提纲
岩石力学的历史
90年代以后
油藏工程 岩石力学
1996 80年代
采油工程 岩石力学
1992
钻井工程 岩石力学
70年代前
1985
钻井工程 岩石力学 岩石破碎 力学
岩石破碎 力学
岩石破碎 力学
岩石力学的历史
• • • • • • • 深层岩石力学参数预测、监测、检测与精度控制 高温高压下岩石变形、破坏微-细-宏观力学理论 高温高应力强水敏地层井壁围岩稳定控制技术 非平面水力裂缝扩展与控制理论 储层出砂预测与防砂评价 全生命周期井筒完整性设计 多重孔隙介质多场多相流油藏数值模拟技术
人类与岩石的交往也许起源于70—20万年前，“ 北京猿人”所生活的周口店龙骨山岩石洞穴。人类对 岩石最早的认识也许不过是抛掷石块射杀猎物，或做 成锐器砍剁动物骨肉。
岩石力学的历史
《岩石力学》全书复习资料
第一章 绪论1、岩石力学定义:岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学；它是力学的一个分支；它探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。
2、岩石力学研究的目的：科学、合理、安全地维护井巷的稳定性，降低维护成本，减少支护事故。
3、岩石力学的发展历史与概况： （1）初始阶段（19世纪末—20世纪初）1912年，海姆（A.Hmeim ）提出了静水压力理论：金尼克（A.H.ΠHHHHK ）的侧压理论： 朗金（W.J.M.Rankine ）的侧压理论： （2）经验理论阶段（ 20世纪初—20世纪30年代）普罗托吉雅克诺夫—普氏理论：顶板围岩冒落的自然平衡拱理论； 太沙基：塌落拱理论。
4、地下工程的特点：（1）岩石在组构和力学性质上与其他材料不同，如岩石具有节理和塑性段的扩容（剪胀）现象等； （2）地下工程是先受力（原岩应力），后挖洞（开巷）； （3）深埋巷道属于无限域问题，影响圈内自重可以忽略； （4）大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；（5）围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移； （6）地下工程结构容许超负荷时具有可缩性； （7）地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力； （8）几何不稳定结构在地下可以是稳定的； 5、影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素矿物：地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物； 结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及相互结合的情况； 构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系；第二章 岩石力学的地质学基础 1、岩石硬度通常采用摩氏硬度，选十种矿物为标准，最软是一度，最硬十度。
这十种矿物由软到硬依次为：l-滑石； 2-石膏；3-方解石；Hγ1νλν=-H λγH λγ4-萤石；5-磷灰石；6-正长石；7-石英；8-黄玉； 9-刚玉；10-金刚石；2、解理：是指矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性质，裂开的光滑平面称为解理面。
岩石力学与石油工程(1)
岩石力学
21
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。
岩石力学
10
（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。
石油钻井工程中的岩石力学应用研究
石油钻井工程中的岩石力学应用研究石油钻井工程是石油勘探及开发的重要环节，其中岩石力学的应用研究起着非常关键的作用。
岩石力学是研究岩石与力学相互作用的学科，通过分析岩石的物理力学性质，为石油钻井工程的设计和施工提供科学依据。
本文将介绍岩石力学在石油钻井工程中的应用及相关研究进展。
一、岩石力学的基本概念岩石力学是研究岩石在地壳应力下的变形与破裂规律的学科。
岩石在受到外力作用时，会发生各种变形，包括弹性变形、塑性变形和破坏变形等。
岩石力学研究的主要内容包括岩石力学性质的测试与评价、岩石力学参数的确定、岩石结构及其力学特性的分析等。
二、岩石力学在石油钻井中的应用1. 井壁稳定性分析在石油钻井过程中，井壁的稳定性对于钻井安全和石油开采效益具有重要影响。
岩石力学可以通过对井壁岩石性质及其对地应力的响应进行研究，评估井壁的稳定性，并提供相应的支护设计建议。
通过合理控制钻井液的性质和加强井壁支护措施，可以减少井壁垮塌和漏失等问题，提高钻井的顺利进行。
2. 钻井液的设计与优化钻井液在石油钻井工程中起着冷却钻头、清洁井孔等重要作用。
岩石力学可以通过分析岩石的物理力学性质和井壁稳定性需求，推断钻井液的性质要求，并根据具体情况进行设计与优化。
合理选择钻井液的成分和浓度，可以提高钻井液的性能，降低钻井风险，提高钻井效率。
3. 孔隙压力分析在石油钻井过程中，岩石的孔隙压力是衡量油气储层性质和钻井安全性的重要指标。
岩石力学可以通过分析地层中的孔隙结构和孔隙流动规律，推断孔隙压力的分布及其变化趋势，并根据这些数据制定合理施工方案。
合理控制孔隙压力可以减少井喷和井探等钻井事故的发生，为石油勘探开发提供有力的支持。
三、岩石力学在石油钻井领域的研究进展随着石油钻井工程的不断发展，对岩石力学的研究需求也在不断增加。
当前，岩石力学在石油钻井领域的研究主要集中在以下几个方面：1. 岩石力学参数测试方法的改进岩石力学参数的测试是岩石力学研究的基础，其准确性和可靠性直接影响到工程设计的可行性和钻井安全。
中国石油大学钻井工程第1章岩石的工程力学性质剖析讲解
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
名称 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 白云岩 高岭土 氧化铁
常见的造岩矿物
化学成分 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 CaMg(CO3)2 AI2SI2O5(OH)4 2FeO3•3H2O或Fe2O3
100～250
7～25
岩石名称 页岩
抗压强度 (MPa)
各向异性的特点。
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。
(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。
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、
岩石力学第一二章
ROCK MECHANICS AND ENGINEERING
韩同春 浙 大学 浙江大学建筑工程学院 学
第一章 第 章 绪论
一、定义 一 定义 1 岩石 一种或几种矿物的集合体 2 岩石力学 研究岩石的力学性态和应用，探讨岩石对其周围物理 环境中力场反应的学科 具体地说 就是研究岩石在荷 环境中力场反应的学科，具体地说，就是研究岩石在荷 载作用下的应力、变形和破坏规律以及工程稳定性等问 题。 岩石 ≠ 材料
1963年意大利瓦依昂（Vajont）水库岩坡的大规模滑坡 1962年在奥地利萨尔茨堡成立了“国际岩石力学学会” （International Society for Rock Mechanics）。 1966年在里斯本召开了第一次国际岩石力学会议，从此 每四年召开 次。 每四年召开一次。 2003年9月8日～12日在南非约翰内斯堡，召了第十届国 际岩石力学大会，会议主题为：岩石力学的技术路线 专题共17个，分别是：（1）在高应力与强度比条件下岩 体的力学性质；（2）深大露天采场及高陡岩石边坡的设 计 计及稳定分析；（3）岩石及岩体的变形性质；（4）岩 析；（ ） 体 变形性质；（ ） 石及岩体断裂及破坏的模拟；（5）动力效应；（6）隧 道和天井的远距离开挖和机械化开挖；（7）现场试验， 大型试验 野外试验 反分析； 大型试验，野外试验，反分析；
Rd
c2 100% c1
质量损失率（ K m ）是指冻融试验前后干质量之差（ms1 - ms 2）与试 验前干质量的比值，用百分数表示，即：
Km ms1 ms 2 100% m s1
冻融产生破坏的原因？ 产 4 岩石的透水性 定义：在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石被水透过的性 质。 水在岩石中流动规律？ 达西定律。 下式表示
《岩石力学》课程实验指导书(102239).
江西理工大学《岩石力学》课程实验指导书(适用于采矿、地质、土木等专业)专业班级姓名矿业工程实验室采矿工程教研室二○一四年一月前言试验是岩石力学课程教学的重要环节，目的在于辅助课堂教学，直观培养学生的知识结构和动手能力。
本指导书是根据我校《岩石力学》课程实验教学大纲、并结合我校的实验条件而编写的，主要内容有：1、岩石容重的测定；2、岩石含水率的测定；3、岩石单轴抗压强度的测定；4、岩石变形参数的测定；5、岩石单轴抗拉强度的测定；6、点荷载强度指标的测定；7、岩石凝聚力及内摩擦角的测定。
说明：本试验指导书主要依据为：(1)中华人民共和国国家标准：《工程岩体试验方法标准》GB/T50226-1999(2)中华人民共和国水利部：《水利水电工程岩石试验规程》(3)国际岩石力学学会（ISRM）：《岩石力学试验建议方法》由于我们水平有限，文中如有不当之处，欢迎使用者批评指正。
目录第一部分绪论------------------------------------------------------------------------------- 4 第二部分基本实验指导------------------------------------------------------------------- 6 学生试验守则----------------------------------------------------------------------------- 6 试验一岩石容重的测定------------------------------------------------ 7 试验二岩石含水率的测定------------------------------------------- 8 试验三岩石单轴抗压强度的测定----------------------------------- 9 试验四岩石变形参数的测定----------------------------------------- 10 试验五岩石单轴抗拉强度的测定----------------------------------- 12 试验六点荷载强度指标的测定-------------------------------------- 13 试验七岩石凝聚力及内摩擦角的测定（抗剪强度试验）------- 15第一部分绪论本实验指导书是根据《岩石力学》课程实验教学大纲编写，适用于采矿工程等专业。
第2讲-岩石力学-岩石力学及其在石油工程中的应用
岩石力学性质
常见岩石的弹性模量与泊松比
岩石名称
弹性模量 (104MPa)
5～10 5～10 7～15 5～12 7～15 6～12 0.5～10
泊松比
岩石名称
弹性模量 (104MPa)
0.2～8 5～10 5～9.4 2～ 8 1～ 9 1～10 6～20
泊松比
花岗岩 流纹岩 闪长岩 安山岩 辉长岩 玄武岩 砂 岩
岩石外载-孔隙压力
岩石外载-异常孔隙压力来源
岩石外载-水平最小主应力
地层破裂压力（FBP）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力
裂缝延伸压力（FPP）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力 裂缝闭合压力（FCP）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小井底压力，等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最小水 平主地应力。 瞬时停泵压力（ISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于FCP，两者之间的差别一般在0.1～7MPa之间变化，它取决压 裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等。
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
岩石外载-孔隙压力
• 太沙基理论：上覆岩层压力=孔隙压力+有效应力
岩石外载-孔隙压力
岩石外载-孔隙压力
岩石外载-孔隙压力
声波速度同有效应力相关，同样的声波速度意味着同样的有效应力，即AB两点的有效应力相同，A点 的为正常压实地层，因此可通过Terzaghi 理论计算A点的有效应力，即可得到B点的孔隙压力。
岩石力学模型的建立
岩石力学-全部课件
1.5 岩石和岩体的基本概念
1.绪论
岩石和岩体是岩石力学的直接研究对象，因此学习和研究岩石
力学，首先要建立岩石（或岩块）和岩体的基本概念。
几个基本概念
●岩石（Rock）：矿物、岩屑的集合体。 ●结构面（Structural
Plane）： 指地质历史发展过程中，在岩体内形成的 具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。 ●岩块（Rock block 或 Rock）：指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩 体的最小岩石单元体。 ●岩体（Rockmass）：指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组 成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环 境中的地质体。 ●岩体结构（Rockmass Structure）：指岩体中结构面与结构体的排列组合 关系。其包括两个基本要素，即结构面和结构体。
沉积岩
1.绪论
沉积岩是由母岩（岩浆岩、变质岩或早已形成的沉积岩）在地表
经风化剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积和固结作用而形成的 岩石。
●颗粒包括各种不同形状和大小的岩屑及不同矿物。 ●胶结物常见的有钙质、硅质、铁质、泥质等。
沉积岩由颗粒和胶结物组成，各有不同的成分。
沉积岩的物理力学性质不仅与颗粒有关，还与胶结物有很大
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1.5.1岩石和岩体
1.绪论 岩石
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凝聚而成的自然地质体。
岩石可由单种矿物组成。 ●如：纯洁的大理石由方解石组成。 多数的岩石则是由两种以上的矿物组成。 ●如：花岗岩主要由石英、长石、云母三种矿物组成。 按照成因，岩石可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和
14
1.4 岩石力学发展简况
《石油工程岩石力学》教学大纲(刘向君)
《石油工程岩石力学》教学大纲一、课程基本信息1、课程英文名称：Rock Mechanics for Petroleum Engineering2、课程类别：专业选修课程3、课程学时：总学时 32 ，实验学时：44、学分：25、先修课程：工程力学、地质学、石油工程专业课程6、适用专业：石油工程7、大纲执笔：石油工程教研室刘向君8、大纲审批：石油工程学院学术委员会9、制定(修订)时间：2006-11二、课程的目的与任务《石油工程岩石力学》课程是石油工程专业的一门应用基础课程，是石油工程专业改革与建设的产物。
随着国内外油气田开发难度的加大，我国石油天然气工业迫切要求石油工程高等教育能够迅速提供大量思想素质高、知识面宽、基本功扎实、适应能力强和具有开拓创新能力的专业技术人才。
因此，《石油工程岩石力学》课程也是应石油工业新形势而诞生的一门课程。
本课程强调理论与实践相结合，旨在培养和提高学生分析问题和解决问题的能力，使学生掌握分析及解决石油工程相关方面一般性问题的基础理论知识，为学生在其今后的工程实践方面，提供一定的启发和帮助。
三、课程的基本要求为了达到该门课程的目的，就需要学生通过对该门课程的学习，不仅能够了解岩石力学的相关基础理论，而且应该具备应用岩石力学解决相关工程技术问题的意识。
为此，要求：1、掌握岩石力学的基本概念、基本理论、方法和原理；2、岩石力学的基本研究内容与研究方法；3、对常见工程问题如井壁稳定性等有个基本了解；4、初步具备综合分析和应用岩石力学分析解决相关工程技术问题的能力。
四、教学内容、要求及学时分配（一）理论教学绪论（1学时）建立岩石力学的概念、岩石力学研究对象的特殊性、石油工程岩石力学研究对象的特点，了解岩石力学在石油与天然气勘探开发中的重要作用，增强学生工程意识，激励学生学习该课程的积极性。
第一章岩石的分类及性质（2学时）一、岩石的分类二、岩石的物理性质三、岩石的非均质性和各向异性第二章岩石强度及破坏准则（5学时）第一节岩石强度、应力与应变（2学时）一、基本概念二、岩石强度及实验室测试方法三、岩石强度参数的矿场获取方法四、岩石弱胶结结构面对岩石强度的影响五、影响岩石力学性质的因素第二节弹性和弹性模量（1学时）一、线弹性和胡克定律二、弹性模量第三节岩石强度破坏准则（2学时）重点：岩石强度的基本概念、实验室测定技术、影响岩石力学性质的因素第三章应力-应变及地应力测试技术（4学时）第一节岩石应力-应变曲线（1学时）一、岩石的变形类型二、岩石的应力-应变关系曲线三、力学本构关系第二节地应力及其测量技术（3学时）一、地应力二、地应力确定方法三、孔隙压力预测方法重点：岩石应力、应变的基本概念、应力-应变曲线特征、影响岩石变形破坏的因素、地应力确定方法难点：应力-应变曲线特征、力学本构关系第四章粘土矿物水化对岩石强度和地应力的影响（2学时）一、粘土矿物二、粘土矿物与水的相互作用三、粘土矿物水化对岩石强度和应力分布的影响重点：水化对岩石强度和应力分布的影响难点：粘土矿物与水的相互作用第五章流固耦合（2学时）一、基本概念二、岩石的有效应力三、岩石变形对渗流的影响重点：有效应力、流固耦合难点：变形对渗流的影响第六章基于岩石力学开展裂缝静动态特征研究（4学时）第一节裂缝发育影响因素与裂缝分类（1学时）一、影响裂缝发育的因素二、裂缝分类与等级划分第二节裂缝的预测和特征研究（3学时）一、裂缝描述参数二、基于岩石力学进行裂缝的识别与描述三、裂缝的应力敏感性四、裂缝闭合临界流体压力计算重点：应力对裂缝发育的影响、裂缝的应力敏感性、裂缝闭合临界流体压力难点：应力对裂缝发育的影响、裂缝闭合临界流体压力第七章岩石力学在钻井工程中的应用（4学时）一、基本概念（1学时）二、钻井井壁稳定性分析原理（2学时）三、影响井壁稳定性的因素分析（1学时）重点：井壁稳定性分析原理、基本概念难点：井壁稳定性分析原理第八章岩石力学在完井工程中的应用（2学时）一、地层强度、地应力对射孔的影响二、在出砂机理及防砂完井中的应用重点：基本概念难点：基本概念第九章岩石力学在油气田开发工程中的应用（2学时）一、基本概念二、地应力分布对开发井网部署的影响重点：基本概念难点：基本概念（二）实验教学岩石抗张、抗压强度实验（2学时）（演示型）泥页岩水化实验（2学时）（演示型）1、了解岩石的力学行为；2、对井下介质对泥页岩强度的影响有直观的认识；加强对课堂教学内容的理解，培养学生观察和分析实验的能力以及实事求是、严谨踏实的科学作风。
石油工程岩石力学
石油工程岩石力学石油工程岩石力学是石油工程领域中的一个重要分支，它涉及到岩石在石油开采和开发中的应力变形特性、岩石破坏机理、岩石力学参数等方面的理论和实验研究。
岩石力学研究的最终目标是为石油开采提供可靠的技术支撑。
一、岩石的力学性质在石油工程领域中，岩石是非常重要的一个研究对象。
岩石的力学性质是岩石力学研究的核心，主要包括力学性质、物理性质和工程性质等方面。
1.力学性质岩石的力学性质包括弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等。
其中，弹性模量表示了岩石在受力时的弹性变形程度，剪切模量表示了岩石受到剪切应力时的抗剪能力，泊松比表示了岩石在受到应力时体积变化与形变变化的比值，强度则是岩石耐受破坏的极限应力。
2.物理性质岩石的物理性质包括密度、孔隙度、渗透性、热传导性、电导率等方面。
这些性质对于岩石的开采和开发非常重要。
例如，密度和孔隙度可以用来计算岩石的体积和储量，渗透性可以评估岩石中流体的运移特性，热传导性和电导率可以用来预测岩石下的油气储层的温度和电磁性质。
3.工程性质岩石的工程性质包括可塑性、变形能量、破坏模式和采油性能等方面。
这些性质对于岩石的开采和开发技术具有实际意义。
例如，可塑性可以评估岩石的塑性变形特性，变形能量可以评估岩石的变形能力，破坏模式可以指导岩石开采中的破裂预测和控制，采油性能可以指导油气的生产和提高开采效率。
二、岩石力学参数的测定岩石力学参数的测定是岩石力学研究中的关键问题之一，它关系到研究的可靠性和成果的实用性。
岩石力学参数的测定方法包括试验室测定和现场测定两种。
1.试验室测定试验室测定是一种传统的岩石力学参数测定方法，它包括标准试验和特殊试验两种。
标准试验包括压缩试验、引张试验和剪切试验等，通过标准试验可以获得岩石的弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等力学参数。
特殊试验包括三轴试验、比较试验、应力波传播试验等，可以获得岩石的动态特性及其耐久性等参数。
2.现场测定现场测定是一种新兴的岩石力学参数测定方法，可以直接获取岩石在地质环境下的实际力学参数。
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2001年5月1日20点30分，重庆武隆县发生了一起基岩滑坡， 造成79人死亡，摧毁9层楼房一幢。
2000年4月6日武汉烽火村乔木湾发生地面塌陷，4小时内发生大小陷坑19 处，2栋楼房塌进陷坑，16栋楼房不同程度开裂、破损，为1977年来武汉市 内发生的6起塌陷中规模最大的一次。
4
1980年6月3日5点35分，湖北远安盐池河磷矿发生岩崩，摧毁整个盐池河矿 务局，死亡284人。
二、岩石力学的发展历史及现状
岩石力学的研究内容
1. 岩石的变形特征 2 岩体的变形与强度 2. 3. 岩石的强度理论 4. 地应力的测量方法 5. 岩体力学的工程应用
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二、岩石力学的发展历史及现状
岩石力学的发展史
岩石力学来源于生产实践，生产实践也是岩石力学发 展的推动力 岩石力学研究是从20世纪50年代前后才开始的。第二 次世界大战以后世界各国大规模的基本建设，有力地 促进了岩石力学的研究与实践。岩石力学逐渐作为一 门独立的学科出现在世界上，并日益受到重视
岩石的抗压试验
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四、岩石力学的研究方法
长期以来沿用弹性理论、塑性理论和松散连续介质 力学理论进行研究。由于岩石力学性质十分复杂， 所以这些理论的适用范围是有限的。 近年来虽然发展了 近年来虽然发展了一些新的理论（如非连续介质理 些新的理论（如非连续介质理 论），但还不够成熟。 二十世纪六十年代以来，数值计算方法和计算机的 应用给岩石力学的发展创造了条件。这种方法和计 算技术可以考虑岩石的非均质性、各向异性、应力 －应变关系的非线性和流变性。
一研究岩石力学的意义实现安全快速钻井井壁失稳的部分形式井壁失稳的危害对储层产生损害影响勘探成功率井壁失稳实例西部油田某井同一种钻井液密度不同矿化度泥浆控制井眼变形情况盐膏层井眼变形情况二岩石力学的发展历史及现状岩石力学是运用力学和物理学的原理研究岩石的力学和物理性质的一门科学目的在于充分掌握和利用岩石的固有性质解决和解释生产建设中的实际问题中国大百科全书力学卷岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用科学是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应的力学分支美国科学院岩石力学委员会二岩石力学的发展历史及现状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
岩石力学复习重点
岩石力学复习重点第一章、绪论1. 岩石材料的特殊性：岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，岩石经历了漫长的地质构造作用，内部产生了很大的压应力，具有各种规模的不连续面和孔洞，而且还可能含有液相和气相，岩石远不是均匀的、各向同性的弹性连续体。
2. 岩石与岩体的区别：（1）岩石：是组成地壳的基本物质，他是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。
（2）岩体：是指一定工程范围内的自然地质体，他经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹如不整合褶皱断层层理节理劈理等不连续面。
重要区别就是岩体包含若干不连续面。
起决定作用的是岩体强度，而不是岩石强度。
3. 岩体结构的两个基本要素：结构面和结构体。
结构面即岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面与不连续面。
被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结构体。
第二章岩石的物理力学性质1. 名词解释：孔隙比：孔隙的体积（Vv）与岩石固体的体积的比值。
孔隙率：是指岩石试样中孔隙体积与岩石总体积的百分比。
吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石干重量之比的百分率。
其大小取决于岩石中孔隙数量多少盒细微裂隙的连通情况。
膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质。
崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结力，完全丧失强度时的松散物质的性质。
扩容：岩石在压缩载荷作用下，当外力继续增加时，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加的现象。
蠕变：应力恒定，变形随时间发展。
松弛：应变恒定，应力随时间减少。
弹性后效：在卸载过程中弹性应变滞后于应力的现象。
长期强度：当岩石承受超过某一临界应力时，其蠕变向不稳定蠕变发展，当小于该临界值时，其蠕变向稳定蠕变发展，称该临界值为岩石的长期强度。
2. 岩石反复冻融后强度下降的原因：①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时由于矿物的涨缩不均而导致岩石结构的破坏；②当温度减低到0C以下时岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。
第2讲-岩石力学-岩石力学及其在石油工程中的应用
垂直应力
Pp
孔隙压力
最大主应力 • 孔隙压力
岩石机械力学性质
最小主应力
C0
岩石外载-上覆岩层压力
岩石外载-上覆岩层压力
• 密度反演：当没有密度测井数据时，可以通过声波、电阻 率测井等数据进行反演。
The Rock Physics Handbook. Mavko et al., 2003
开发过程中地应力动态变化
二、岩石力学研究的系统性问题
工程角度：井筒的概念，小尺度、静载到动载、弹性塑性粘性、多场耦 合；研究钻头动载破碎力学和三维钻速方程，多场耦合组合岩性的井壁失稳 问题，非平面水力裂缝起裂、扩展机理，测试完井过程的井筒稳定力学；解 决高效钻头设计或优选、钻井液性能设计与工程对策、钻井井身结构和套管 强度设计、水平井压裂和深井压裂有利缝（网）的形成的方法与工程对策； 测试安全与完井井筒完整性。
根据应力应变曲线可确定抗压强度、杨 氏模量及泊松比
应力应变曲线
岩石力学性质-杨氏模量、泊松比
杨氏模量 ：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
应力应变曲线
岩石力学性质
工程地质学
现代地质力学特点 成分 微结构 深部地质体 宏观结构
岩石力学
未来力学行为
强度力学行为 变形力学行为
地应力场
渗流场
温度场
破碎岩石 保持稳定
二、岩石力学研究的系统性问题
尺度：地质物探的大尺度；油藏开发的中等尺度；钻测录试的小尺度和细观 尺度；目前主要后者为主。
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第一节：绪论一、教学目的：通过《岩石力学》课程介绍，揭示课程在石油工程中的重要性，引导学生对该课程的兴趣，认识岩石力学研究对象的特点及其与其它力学课程的联系及差异。
二、基本要求：1、了解内容：✧《岩石力学》学科的研究意义✧《岩石力学》学科的发展历史及发展现状✧《岩石力学》学科的研究内容及研究方法2、掌握内容：⏹岩石力学的定义⏹岩石的定义及分类⏹岩石力学研究对象的特点（岩石力学与弹性力学等力学学科的差异）✧不连续性✧非均质性✧各向异性✧渗透性✧赋存环境（地应力-初始应力、温度、压力、油气水）3、介绍课程的学习目的及基本要求三、课程内容：1、岩石力学的研究意义1 首先，来源于生产实践，生产实践也是岩石力学发展的推动力岩石力学的发生与发展与其它学科一样，是与人类的生产活动紧密相关的。
早在远古时代，我们的祖先就在洞穴中繁衍生息，并利用岩石做工具和武器，出现过“石器时代”。
公元前2700年左右，古代埃及的劳动人民修建了金字塔。
公元前6世纪，巴比伦人在山区修建了“空中花园”。
公元前613-591年我国人民在安徽淠河上修建了历史上第一座拦河坝。
公元前256-251年，在四川岷江修建了都江堰水利工程。
公元前254年左右（秦昭王时代）开始出钻探技术。
公元前218年在广西开凿了沟通长江和珠江水系的灵渠，筑有砌石分水堰。
公元前221-206年在北部山区修建了万里长城。
在20世纪初，我国杰出的工程师詹天佑先生主持建成了北京-张家口铁路上一座长约1公里的八达岭隧道。
在修建这些工程的过程中，不可避免地要运用一些岩石力学方面的基本知识。
2 岩石力学在国民经济建设中有广泛的应用目前国际上已建和正建的大坝，最大高度超过300m，地下洞室的最大开挖跨度超过50m，矿山开采深度超过4000m，边坡垂直高度达1000m，石油开采深度超过9000m，深部核废料处理需要考虑的时间效应至少为1万年，研究地壳形变涉及的深度达50-60km，温度在1000oC以上，时间效应为几百万年。
今后，随着能源、交通、环保、国防等事业的发展，更为复杂、巨大的岩石工程将日益增多。
3 不重视岩石力学研究将造成工程事故国际上有许多工程由于对岩石力学缺乏足够的研究，而造成工程事故。
其中最著名的是法国马尔帕塞（Malpasset）拱坝垮坝及意大利瓦依昂（Vajont）工程的大滑坡。
马尔帕塞薄拱坝，坝高60m，坝基为片麻岩，1959年左坝肩沿一个倾斜的软弱面滑动，造成溃坝惨剧，400余人丧生。
瓦依昂双曲拱坝，坝高261.6米，坝基为断裂十分发育的灰岩。
1963年大坝上游左岸山体发生大滑坡，约有2.7-3.0亿立米的岩体突然下塌，水库中有5000万立米的水被挤出，击起250米高的巨大水浪，高150米的洪波溢过坝顶，死亡3000余人。
近年来，虽然岩石力学得到突飞猛进的发展，但与岩体失稳有关的大坝崩溃，边坡滑动，矿山瓦斯爆炸，围岩地下水灾害等惨剧仍时有发生。
诸如此类的工程实例，都充分说明能否安全经济地进行工程建设，在很大程度上取决于人们是否能够运用近代岩石力学的原理和方法去解决工程上的问题。
当前世界上正建和拟建的一些巨型工程及与地学有关的重大项目都把岩石力学作为主要研究对象。
4 岩石力学在石油工程中的重要应用●井壁稳定性分析●水力压裂●出砂预测●地层可钻性预测钻头优选●定向射孔●套管损坏机理●地面沉降●……四岩石力学的发展历史、现状及，面临的挑战1、形成历史●1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。
●同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。
●1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。
●1957年，第一本《岩石力学》专著出版。
●1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。
●1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。
●1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。
2、发展前沿●岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机理问题●裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题●岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题●软岩的力学特性及其岩体力学问题●水-岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题●高地应力岩体力学问题●岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术●岩体动力学、水力学与热力学问题●岩体流变与长期强度问题●岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。
但是，作为一门学科，岩石力学研究是从20世纪50年代前后才开始的。
当时世界各国正处于第二次世界大战以后的经济恢复时期，大规模的基本建设，有力地促进了岩石力学的研究与实践。
岩石力学逐渐作为一门独立的学科出现在世界上，并日益受到重视。
3、国际岩石力学学会成立前（1962）的概况在国际岩石力学学会成立前，尤其是上世纪二战以后，为适应经济发展的迫切需要，各国都相继建立了一些机构对岩石力学进行专题研究。
当时各国有代表性的研究机构如下：美国：1）美国军部工程兵团(ACE, Army Corps of Engineers U.S.A).2）美国垦务局(Bureau of Reclamation U.S.A).3）卡罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)前苏联：1）全苏水工研究院(ВНИИГ)2）全苏矿山测量研究院(ВНИИΜИ)3）列宁格勒矿业学院4）莫斯科建筑工程学院(ΜИСИ)德国：1）卡尔斯鲁大学(University of Karlsruhe)奥地利：1）国际岩石力学研究所(Interfels)2）维也纳工业大学 (Technische Universtat Wien)瑞士：1）苏黎世工业大学(ETH,Eidgenossische Technische Hochschule Zurich)英国：1）国家煤炭局(National Coal Board, Great Britain)2）伦敦大学帝国科学技术学院(Imperial College of Science and Technology, University of London)法国：1) 法国工业大学固体力学实验室（Ecole Polytechnique, Laboratorire de Mecanique desSolides）2) 法国电力局（Electricite de France）3) 巴黎结构中心研究所（Centre d'Etudes du Batimen Paris）南非：1）南非采矿与冶金研究院（South African Institute of Mining and Metallurgy, SAIMM）2）南非科学与工业研究委员会（CSIR, South African Council for Scientific and Industrial Research）澳大利亚：联邦科学与工业研究组织(CSIRO, Commonwealth Scientific & Industrial Research Organization)日本：（1）日本地质调查研究所（GSJ, Geological Survey of Japan）（2）土木工程研究院(PWRI, Public Works Research Institute)上述研究机构中，不少单位具有悠久的历史，如美国卡罗拉多矿业学院（CSM）成立于1874年，南非采矿与冶金研究院（SAIMM）成立于1894年，澳大利亚（CSIRO）成立于1926年等。
这期间，国际上没有统一的岩石力学学术组织，国际学术交流大都是在国际土力学与基础工程（ISSMFE）国际工程地质协会（IAEG）、国际理论与应用力学联合会（IUTAM）主办的学术会议上进行的。
4、国际岩石力学学会成立以后的进展1962年国际岩石力学学会的成立标志着岩石力学的发展走向一个新阶段，以下重点加以介绍。
1-沿革国际岩石力学学会（ISRM,International Society for Rock Mechanics）是一个非政府、非赢利的国际学术组织，其主要目的是推动和促进国际间岩石力学与工程领域的合作和学术交流。
该学会成立于1962年，比国际土力学与基础工程学会的成立晚26年。
它是在奥地利地质力学学会（Osterrichische Geoellschaft fur Geomechanik,OGG）的基础上建立起来的。
奥地利地质力学学会是国际上第一个岩石力学学术团体，由缪勒教授（L.Muller）发起组织于1951年，会址设在萨尔茨堡（Salzburg）。
该学会自成立之日起，每年召开一次“奥地利地质力学学术讨论会”（Osterrichische Geomechanik-Kolloguium,OGG）。
在1962年10月召开的第13届学术讨论会上，在L.Muller教授倡导下，成立了国际岩石力学学会。
会上推选L.Muller教授担任第一届国际岩石力学学会主席。
此后于1966年9月组织召开了第一届国际岩石力学大会（1st ISRM Congress）。
大会在葡萄牙里斯本召开，参加会议的有来自全世界40个国家或地区的代表共814名，提交论文241篇。
反映了当时国际岩石力学的发展水平。
此后大约每隔4年召开一次大会（Congress）,每年召开区域性会议(Regional Symposium)或年会(Annual Meeting or International Symposium)。
ISRM的官方语言为英语、法语和德语。
法语名称为 Societer Internationale de Mecanique des Roches,SIMR，德语名称为Internationle Gesellschaft fur Felsmechnik,IGF.2-组织1）会员学会的会员由国家小组、团体会员及通讯会员组成。
国家小组(National Group,简称 NG)是代表一个国家或地区（如东南亚地区）的岩石力学学会或委员会参加国际学会的组织。
国家小组的成员是国际学会的个人会员 (Individual member)，或普通会员(Ordinary member)。
团体会员(Corporate member)是与岩石力学有关的公司、协会或其它团体或组织，通常向国际学会提供一定的经济支持，也称赞助会员 (Supporting member)。
通讯会员(Corresponding member)，仅代表个人参加国际学会。
据2002年底统计资料，国际学会共有国家小组47个，普通会员5016个，通讯会员84个，团体会员138个。
——学会秘书处(ISRM Secretariat)的成员为包括：秘书长，《国际岩石力学学会信息通报》(ISRM NEWS JOURNAL)主编，及行政、管理人员。