岩石力学

1、岩石的强度与矿物颗粒、胶结类型与程度的关系：1岩石的强度与矿物颗粒的关系包括两个方面：一是结晶程度和颗粒大小，岩石的结晶程度和颗粒大小对其抗压强度的影响是显著的。

一般来说，结晶岩石比非结晶岩石强度高，细粒结晶的岩石比粗粒结晶的岩石强度高。

二是矿物成分，不同矿物组成的岩石，具有不同的抗压强度，这是由于矿物本身的特点 2 岩石的强度与胶结类型与程度的关系：对沉积岩来说，胶结程度类型和胶结物类型对强度的影响很大。

在胶结程度类型方面，分为基质胶结、接触胶结和孔隙胶结。

基质胶结，岩石颗粒彼此不直接接触，完全受胶结物的包围，岩石强度取决于胶结物的性质；接触胶结，只有岩石颗粒接触的地方才有胶结物胶结，胶结一般不牢固，岩石强度低，透水性强；孔隙胶结，胶结物完全或部分的充填于岩石颗粒之间孔隙中，胶结一般较牢固，岩石强度和透水性较弱。

在胶结物类型方面，石灰质胶结的岩石强度较低，而硅质胶结的具有很高的强度，泥质胶结的岩石强度最低。

2、碎屑质沉积岩非均质性与各向异性对岩石力学性质的影响：非均质性指组成不同，非均质岩石的力学特性由细观单元力学特性和其非均质特性共同决定，岩石的非均质性对其极限强度具有弱化影响；各向异性指储层岩石沿各个方向的物性、电性、热力学性质等不同。

由于碎屑质沉积岩的各向异性明显，所以不能用常规的单轴抗压实验来测定岩石力学性态，而必须在一定的围压下（必要时还要考虑温度的作用）进行试验测定，通常采用的是三轴抗压试验
3、围压、液体介质对于砂岩强度的影响：对于砂岩，随着围压的增加，岩石的杨氏弹性模量、剪切模量和泊淞比均有一定程度的提高。

液体介质的存在，减弱了岩石的胶结，从而降低了岩石的强度。

4、牙轮钻头与PDC 钻头破岩时岩石的破坏形式：牙轮钻头：冲击压力（动载）的作用下，岩石的三向压缩状态下发生剪切破坏，形成破碎坑；PDC钻头：钻压作用下切削吃入岩石，扭矩作用下的岩石发生剪切破坏。

5、弹性变形、塑性变形与蠕变的定义：弹性变形：弹性是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力（卸荷）后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。

其产生的变形称为弹性变形。

塑性变形：塑性是指物体受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力（卸荷）后，变形又不能完全恢复的性质。

不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。

蠕变：指在恒定荷载作用条件下，变形随时间逐渐增长的现象
6、蠕变过程根据应力状态的变化可将此蠕变过程划分为四个阶段。

1瞬时变形：即常应力刚刚作用于岩石试件上就出现的弹性应变。

2初始蠕变或阻尼蠕变，也称第一蠕变阶段：对应着区域Ⅰ。

在此区域应变ε最初随时间增长较快，但增长速率随时间逐渐降低。

这个过程可能伴随着“稳定的”微裂隙以逐渐减小的速率慢慢扩展;3稳态蠕变或等速蠕变，也称第二蠕变阶段：对应着区域Ⅱ。

在此区域曲线有近似常数的斜率，即应变随时间呈近于等速的增长；4加速蠕变（第三蠕变阶段：对应着区域Ⅲ。

其应变速率加快并迅速导致破坏。

这个过程可能伴随着“不稳定的微裂隙的快速张开。

7、蠕变对于钻井工程的影响井径缩小的影响及其措施－钻柱遇阻、下套管遇阻；安全施工时间段－加速蠕变前完成下套管、注水泥作业；套管抗外挤载荷的确定－考虑上覆岩层压力为最大外挤载荷
8、三轴应力试验方法模拟地层应力环境、温度条件下的试验测试，将圆柱状的岩样置于一个高压容器中，首先用液压使其四周处于均匀压缩的应力状态，然后保持此压力不变，对岩样进行纵向加载，直到破坏，记录下纵向的应力和应变关系曲线，获得地层条件下的岩石力学性质，强度特征，变形特征
9、摩尔强度准则：材料在极限状态下，剪切面上的剪应力就达到了随法向应力和材料性质而定的极限值时，发生破坏。

也就是说，当材料中一点可能滑动面上的剪应力超过该面上的剪切强度时，该点就产生破坏，而滑动面的剪切强度［τ］又是作用于该面上法向应力σ的函数。

三向压应力作用下，岩石出现剪切破坏，且仅与最大、最小主应力相关；最大最小主应力差值到达极限，摩尔圆与强度曲线相切，出现破坏；强度曲线－滑动面的剪切强度［τ］是作用于该面上法向应力σ的函数。

10、库伦－摩尔强度准则：三向应力作用下，岩石出现剪切破坏，且仅与最大最小主应力有关，岩石内任一点发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力(τ)应等于或大于材料本身的固有强度(C)和作用于该面上由法向应力σ引起的摩擦阻力之和。

11、应用密度测井的垂直地应力计算中如何考虑地层压力的影响？水平地应力的来源与
计算？出现最大、最小水平地应力的原因：
垂直地应力来源于上覆岩层压力，还受地层
压力的影响。

水平地应力：垂直地应力作用
下岩体受到位移约束，产生水平地应力分量，
且与泊淞比有关。

还受到构造应力的影响。

水平地应力为构造地应力和垂直地应力产
生，构造地应力在不同方向上大小不同，所
以产生最大最小水平地应力
12、水力压裂试验测试方法及典型测试曲线
确定最小水平地应力、抗拉强度方法:水力压
裂裂缝面垂直于最小主应力;对于垂直裂缝
面，破裂压力为水力压裂试压时的最高压力;
已经压开地层形成人工裂缝后，停泵再次压
开地层的压力为闭合压力，其等于最小水平
地应力;破裂压力=闭合压力+岩石的抗拉强
度
1破裂压力Pf :压力最大之点，反映了液压
克服地层的抗拉强度使其破裂，形成井漏，
造成压力突然下降。

2
延伸压力 Ppro
，压
力趋于平缓的点，为裂隙不断向远处扩展所
需的压力。

3瞬时停泵压力Ps ：当裂缝延伸
到离开井壁应力集中区，进行瞬时停泵，从
压降曲线找出裂缝的闭合压力Ps.此时，Ps
与最小水平地应力相平衡。

4裂缝重张压力
Pr ，瞬时停泵后重新开泵向井内加压。

使闭
合的裂缝重新张开。

由于张开闭合裂缝所需
的压力 Pr 与破裂压力Pf相比不需克服岩
石的拉伸强度，
因此可以认为破裂层的拉伸强度等于这两个
压力的差值，即有: St=Pf-Pr。

因此，只要
通过破裂压力试验测得地层的破裂压力、瞬
时停泵压力和裂缝重张压力，结合地层孔隙
压力的测定，利用1、2、3式即可以确定出
地层某深处的最大、最小水平主地应力:①
St=Pf-Pr②σh = Ps③σH=3σh-Pf-αPp+St
13、声发射（凯赛尔）实验测试与确定地应
力的原理和方法：原理：岩石的声发射现象
最重要的特征是七对受过的应力履历的一种
记忆效应，这种效应称为凯赛尔效应。

声发
射活动的频率和振幅与应力有一定的关系，
岩石受力发生微破裂，微破裂发生的频率随
着应力的增加而增加，在单调增加应力作用
下，当应力达到过去已施加过的最大应力时，
声发射现象明显增加。

在声发射信号随载荷
的变化曲线上找出声信号突然明显增加处，
记录下此处的载荷，即为岩石在该地下该方
向上所受的地应力。

方法：通过定向取心、
古地磁定向等，测试岩心水平面不同方向的
凯赛尔应力点即可确定最大最小水平地应
力，也可通过水平面与垂直方向凯赛尔实验
测试确定三个地应力的大小
14、声波测井资料确定地层孔隙压力的原理
与方法：泥质沉积物不平衡压实造成的地层
前压实并产生异常高压，正常压实情况下，
泥质沉积物的垂直有效应力随着埋深的增加
而逐渐增大，孔隙度减小，对于欠压实泥页
岩地层，孔隙度比正常压实情况偏大，即偏
离了正常压实曲线，按照不平衡压实造成地
层欠压实并产生高压的机制，则认为该处存
在异常高压。

方法：声波时差测井
15、泥页岩地层井壁失稳：泥页岩地层岩石
强度低，抗剪切强度很低；水基泥浆为常用
泥浆体系，粘土水化膨胀促使岩石强度降低，
局部压应力增大；井壁岩石的应力状态发生
变化，低营地最大主应力大于原始地应力，
由于是非渗透泥页岩，地应力最小主力为井
筒内的液柱压力，最大最小主应力差增大，
可能出现剪切破坏。

16、井壁失稳影响因素：影响因素：水化膨
胀是主因－泥页岩粘土含量与成份、泥浆的
抑制性；力学方面
－泥浆密度、井内波动压力的影响等
17、坍塌压力对于井壁稳定的重要性：坍塌
应力是指水基泥浆钻井条件下，泥页岩地层
保持井壁稳定所需要的最小泥浆液柱压力，
通常用当量密度表示。

坍塌应力的确定需要
考虑井壁应力条件下岩石的抗剪切强度，通
常最大主应力为垂直地应力或最大水平地应
力，井筒形成后对于非渗透的泥页岩地层，
井壁岩石最小主应力为井筒液柱压力，从力
学角度，为防止井壁岩石发生三向压缩状态
下的剪切破坏，实际泥浆密度应大于坍塌应
力的当量密度
18、水力压裂中砂岩地层破裂压力与地应力、
岩石强度的关系：砂岩地层破裂压力=裂缝重
张压力+岩石抗拉强度。

裂缝重张压力，瞬
时停泵后重新开泵向井内加压。

使闭合的裂
缝重新张开。

由于张开闭合裂缝所需的压力
与破裂压力相比不需克服岩石的拉伸强度，
因此可以认为破裂层的拉伸强度等于这两个
压力的差值，即有St=Pf-Pr
19、低强度地层出砂的原因：上覆岩层压力
石油岩石骨架与岩石内流体压力共同承担
的，由于地层压力降低，施加在岩石骨架上
的压力就越来越大，当茶果地层抗压强度时，
地层就会发生破坏而造成出砂。

20、地层天然裂缝与地应力的关系：天然裂
缝通常是指由于构造运动，在历史地应力作
用作用下，地层岩石产生破坏形成的裂
缝。

一般可以分为：显裂缝，微裂缝，成岩
缝，层理缝。

形式上可以分为：垂直缝、高
角度缝、低角度缝、水平缝。

现今地应力与
历史地应力相关，多为垂直缝和高角度缝，
天然裂缝面也通常垂直于最小水平地应
力。