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
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化合 组合 元素 ─→ 矿物 ─→ 岩石
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
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Leabharlann Baidu理构造
➢ 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。
(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
100～250
7～25
岩石名称 页岩
抗压强度 (MPa)
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。
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。
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。
➢ 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
粘土 粉砂 细砂 中砂
粗砂
泥岩 页岩
砂岩
1.0mm
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。
(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。
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
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。
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
常 见 岩 石 的 抗 压 及 抗 拉 强 度
岩石名称 花岗岩
抗压强度 抗拉强 (MPa) 度 (MPa)
(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
特点
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。
玄武岩
矿物结晶颗粒细小， 有的有流纹或气孔
花岗岩 矿物结晶颗粒较大
出露地表的岩石，在各种外力作用下， 沉积岩 经过风化、侵蚀、搬运、沉积、固结而
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 要构造特征。 ➢ 形成层理的原因：
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
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
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Leabharlann Baidu理构造
➢ 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。
(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
100～250
7～25
岩石名称 页岩
抗压强度 (MPa)
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。
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。
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。
➢ 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
粘土 粉砂 细砂 中砂
粗砂
泥岩 页岩
砂岩
1.0mm
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。
(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。
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
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。
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
常 见 岩 石 的 抗 压 及 抗 拉 强 度
岩石名称 花岗岩
抗压强度 抗拉强 (MPa) 度 (MPa)
(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
特点
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。
玄武岩
矿物结晶颗粒细小， 有的有流纹或气孔
花岗岩 矿物结晶颗粒较大
出露地表的岩石，在各种外力作用下， 沉积岩 经过风化、侵蚀、搬运、沉积、固结而
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 要构造特征。 ➢ 形成层理的原因：
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