岩石力学 c第二章 岩石组成与岩石物理性质

一、岩石的孔隙度
按照孔隙度值来划分或评价储集层，其
标准为：
φ< 5％
பைடு நூலகம்
极差储层
5％＜φ<10％
差储层
10％＜φ<20%
良好储层
φ>20％
特好储层
H
二、岩石的渗透性
上游
浸润线 下游
流线 等势线
土坝蓄水后水透 过坝身流向下游
隧道开挖时，地下 水向隧道内流动
在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透
二、岩石的渗透性
在压力作用下，岩石允许流体通过的性质称 为岩石的渗透性。
习惯上人们常常把那些在地层压力条件下流 体比较容易地沿着连通的孔隙、喉道、裂缝、溶 洞流动的岩石，例如砂岩、裂缝性碳酸盐岩称为 渗透性岩石；而把流体难于在其中流动的岩石、 粘土或页岩、石膏、岩盐等称为非渗透性岩石。 但是这种提法是不严格的，因为一方面渗透是有 条件的，另一方面同一种岩石的渗透能力也是不 断变化的。
一、岩石的孔隙度
CUBIC PACKING OF SPHERES Porosity = 48%
注意球 的排列
方式
一、岩石的孔隙度
RHOMBIC PACKING OF SPHERES
Porosity = 27 %
一、岩石的孔隙度
Packing of Two Sizes of Spheres
Porosity = 14%
大规模的多次火山喷发，随着地壳活动的加强，该处不断下降，不断沉积，四周 的水逐渐汇聚于这一近圆形的小湖盆中，在山旺这个火山口发育较好，把其他周 围小的覆盖，然后盆地不断 下沉，不断沉积形成山旺盆地：沉积岩有页岩 、硅 藻土等
桶状构造
桶状构造的成因，最近比较流行的看法为炽热的岩浆在侵入的过程中，由于受 到热梯度、热力场、速度场、涡流强度和边界条件等诸因素的制约，产生无数 个应力梯度域，在岩石内部产出隐蔽的破裂纹，后期的张应力则使这些破裂纹 明显化，进而形成环状节理发育的圆柱体，将其名为“桶状构造”.从柱体的 横断面上看，他有很多同心圆状的环圈和一个内核所组成。这些圆柱体状若垒
3、变质岩的结 构，有片状结构和非 片状结构两种。片状 结构是在高温高压下， 由重结晶作用和各种 矿物的分离作用而造 成的明暗矿物间互带。
二、岩石的强度 岩石的强度主要取决于矿物强度、结构联结 形式、岩石的结构和整个构造。 对于火成岩、变质岩、化学沉积岩来说， 化学结构连结起主要作用，因此，其组成矿物的 强度越大，岩石的强度就越大。 对于碎屑沉积岩来说，其胶结物对强度影响 程度最大，即其强度主要取决于矿物颗粒间的联 结强度。不同胶结物的联结强度不同：硅质、铁 质＞钙质＞泥质。
第二章 岩石组成与岩石物理性质
第一节 岩石的组成与结构
一、岩石的组成 地壳(earth‘s crust )是由岩石组成的，岩石又是由 矿物组成的，那么矿物又是由什么组成的呢？是由组成地 壳的化学元素：O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg等的化合 物组成的，天然产出的这些元素的化合物即为矿物。
岩石是由一种或几种矿物按一定方式结合而成的天然 集合体 ，如：花岗岩，是由石英、长石、和云母颗粒组成的。
按火成岩中矿物颗粒的大小，也可以将火成岩 分成两类：细粒火成岩（玄武岩、安山岩和流纹岩 等）和粗粒火成岩（辉长岩、闪长岩和花岗岩等）。
一般说来，细粒火成岩大都是喷出岩，它们的 温度先是急剧下降，然后至地面进行冷却；而粗粒 火成岩多是侵入岩，它们的温度是逐渐冷却的。不 少人把侵入岩和喷出岩作为区分火成岩的最重要的 方法。
页岩颗粒致密，渗透性很差，可以形成不透 水层，能防止石油、水、天然气等的流失。
石灰岩占沉积岩总量的20％，是第三 号重要的沉积岩。它以方解石和白云石为 主要造岩矿物，石英和长石的含量不足10 ％。
砂岩的交错层理
反映出古水流方向：砂岩粒度顺着层系由粗变细 ，粗的
方向为古水流方向
藻叠层石白云岩
它的形成：在潮间带，浪很强，藻类为了生存便 形成了这种叠层状的形态以抗击浪潮。
第二节 岩石的结构特点及其对强度的影响
一、岩石的结构 1、火成岩的结构，是由矿物晶体组 成的，岩浆冷却结晶的时间越长，形成 的晶体越大。
2、沉积岩的结构 有两种:一是碎屑结构，二是结晶结构。 碎屑岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而 成的，其中有大量的孔隙，常见的胶结物有 钙质和硅质两种。 结晶沉积岩的结构是由沉积过程中生成 的晶体决定的，晶体形成一种紧密排列结构， 没有孔隙，如岩盐，它不能成为生油、储油 层，但却是油气层的很好的盖层。
岩石循环这个地质学中的重要概念，最 早是James Hutton在200多年前提出来的 ( Hutton, 1795)。
三、岩石分类的作用 一般说来，岩石的物理性质主要由三 个方面的因素决定： 第一，岩石的组成，包括组成岩石的 矿物成分，岩石内部的孔隙度，岩石的饱 和状态和孔隙流体的性质等； 第二，岩石内部的结构，包括矿物颗 粒的大小、形状及胶结情况，岩石内部的 裂隙和其它不连续界面等；
中原
砂岩的扫描电子显微镜照片。照片中可以看到砂岩中的石 英矿物颗粒(黑色)，也可以看到它们之间的孔隙
孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要 的影响。例如，岩石中孔隙体积增加1％，会导 致岩石弹性参数变化10倍，或者更多, 也会导致 岩石渗透率发生几个数量级的变化。
岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得 以生成、矿物得以富集的前提。
粉砂
粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％
注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定
d.粉土的分类
粒径大于0.075mm的颗粒含量超过 土的名称 塑性指数
全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉 土
e.粘性土的分类
粘土 粉质粘土
IP＞17 10＜IP≤17
粒径大于0.075mm的颗粒含量不超 注：塑性指数由相应于76g圆
着的汽油桶，或像一个个的蛋卷 .
岩脉的相互切割“四世同堂”
石柱：都发现于泰山，其形状与桶状构造很 为相似 ，其成因跟桶状构造也相似
2、沉积岩 尽管火成岩占据了地壳总体积的95%之多， 但在地壳表层分布最广泛的却是沉积岩。 沉积岩覆盖了大陆面积的75％(平均厚度 为2km) 和几乎全部的海洋地壳(平均厚度为 1km)面积。
第三，岩石所处的热力学环境，包括温度、 压力和地应力场等。
尽管不同的岩石具有不同的矿物组成、结 构、孔隙度等，所处的热力学环境也大不相同， 但在受到应力（天然的力或是人为的力）作用 时，同一类别内岩石的反应差别较小，并且有 许多相似处。因此，岩石分类方法对于描述多 种岩石的共同特性，是十分有意义的。
构成火成岩的主要元素有氧、硅、铝、钙、 钠、钾、镁和钛，其中几种元素氧化物的含量即 占火成岩总重量的99％左右，特别是二氧化硅的 含量最高，在不同的火成岩中均占总重量的35～ 78％。
在火成岩中，二氧化硅被称作酸性组份；铁、 镁和钙被称作基性组份；钠和钾称作碱性组份。
按照火成岩中二氧化硅含量的多少，一般将 火成岩分为酸性、中性和基性三类。
第三节 岩石的物理性质
岩石的物理性质是指岩石的孔隙度、渗透率、 可压缩性、导电性、传热性的总称。
岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙 组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。在砂岩的 扫描电子显微镜照片，我们可以清楚地看到砂岩 中的石英颗粒，并且还可以看到石英颗粒之间存 在着流体流通的网络。岩石正是这样一种特殊的 多孔介质，一种由固体矿物和流动的孔隙流体组 成的多相体。
岩石的有效孔隙度，是指岩石中有 效孔隙的体积与岩石总体积的比值，以 百分数表示。有效孔隙体积是指参与渗 流的连通孔隙体积，以φ有效、V连通分别 表示岩石的有效孔隙度和连通孔隙体积， 则：
Φ有效=
V连通
V总
一、岩石的孔隙度
实际储层岩石孔隙度值的范围如下： 砂岩孔隙度：10-40％，它取决于砂岩 的性质及其胶结状态。 石灰岩和白云岩孔隙度：5-25% 粘土或页岩孔隙度：20-45％，它取决 于粘土（或页岩）的成因和埋藏深度。
华北
φ=
V孔 V孔 1 V基
V总 V基 V孔
V总
上式中，φ值为无因次量，称为绝对孔隙度。
一、岩石的孔隙度
在油田开发中，参与渗流的连通 孔隙才是有效的，对于那些封闭孔隙， 尽管其中有油气储存，但是很难开采 出来，因此称为无效孔隙。
这样就把孔隙度分为有效孔隙度 和无效孔隙度两种。
一、岩石的孔隙度
火成岩中不含油气。
metamorphite
4、 成岩旋回 由火成岩、沉积岩和变质岩的形成过 程可以看出它们之间有着密切的联系，它 们都是活动着的地球过程的产物，同时， 随着地球上主要地质过程的演变，这三类 岩石之间可以互相转变。
对这种转变过程的研究不但可以加深对 岩石生成过程的认识，还可以了解在某类岩 石变到另一类岩石的转变过程中包含的地质 现象。
3、变质岩 在地球内部高温或高压的情况下，先已 存在的岩石发生各种物理、化学变化使其中 的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新 的矿物组合。
这种过程不同于前面叙述过的火成过 程或沉积过程，一般称之为变质过程，相 应的这一作用叫做变质作用。
例如在保持固态情况下，石灰岩通过 热力变质作用，发生了矿物的重结晶，使 矿物颗粒粒度不断加大，形成了大理岩， 因此，大理岩是一种变质岩。
捕掳体：周围围岩熔融后， 被岩浆所包围的部分围岩。
在各种不相同的地质环境下岩浆都 可以冷凝成岩。
如果岩浆在地下活动，冷凝固化后 可以形成侵入岩；
如果岩浆由火山活动喷发到地表后 才冷凝固化，则形成喷出岩。
昌乐—临朐 火山口奇观：柱状节理
火山喷发后， 在通道内没有喷 出的岩浆冷凝 收缩后产生的类 似于柱体的理。
砂岩包含的矿物颗粒的大小范围约为 116mm至2mm。这些颗粒大多来源于风化等侵 蚀作用后的火成岩的矿物颗粒或岩石碎片，也有 不少颗粒来源于已经存在的砂岩风化的产物。
砂岩的主要矿物是石英，还有长石，特别是 钾长石。在沉积岩总量中，砂岩约占25％。
砂岩是石油、天然气的主力储层。
页 岩 是 由 直 径 不 超 过 116mm 的 细 颗 粒 矿 物 组成的，它占沉积岩总量的50％。页岩以粘土矿 物为主要造岩矿物，也包含许多细颗粒的石英、 长石等其它矿物。尽管页岩含量丰富，但它在地 表的出露却不如砂岩广泛。
组成岩石的矿物有多种，其中常见的有：长石、石英、 辉石、角闪石、云母、橄榄石、方解石、白云石、石膏、石 墨、黄铁矿等。
石英(quartz )
石英(quartz )
Orthoclase（正长石）
方解石(calcite )
方解石(calcite )
diamond
二、岩石的分类 按照不同的成岩过程将岩石分为以下三类： 1、火成岩 一般指岩浆在地下或喷出地表冷凝后形成的 岩石，又称岩浆岩，是组成地壳的主要岩石，占 地壳总体积的95% 。如花岗岩、流纹岩、辉长岩、 玄武岩、闪长岩、安山岩等。 火成岩中不含油气。
过全重50%，塑性指数IP＞10的土称 为粘性土，粘性土根据塑性指数细分
锥体沉入土样中深度为10mm 测定的液限计算而得
一、岩石的孔隙度
一、岩石的孔隙度 岩石的孔隙度是岩石孔隙的总体积与岩石总体 积之比，常用百分数表示。岩石的总体积V总由基质 的体积V基和孔隙体积V孔两部分组成，则岩石的孔 隙度φ表示为：
沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结 而成的岩石。也就是说，它是早先形成的 岩石破坏后，又通过物理或化学作用在地 球表面（大陆和海洋）的低凹部位沉积， 经过压实、 胶结再次硬化，形成的具有 层状构造特征的岩石。
沉积岩的种类很多，但若考虑到矿 物颗粒的大小以及矿物成分等方面的因 素，则可以将沉积岩分为砂岩、页岩和 石灰岩三类。
富含二氧化硅（>65％）的火成岩称为酸性岩， 如花岗岩、流纹岩等；
含二氧化硅少(< 52% )的称为基性岩，如辉 长岩、玄武岩等；
介于二者之间的称为中性岩，这类岩石的典 型代表有闪长岩、安山岩等。
岩脉、围岩、捕掳体
岩脉：由于地壳运动，使得岩 浆进入周围围岩裂缝后冷凝而 成的岩石。
围岩：岩浆周围原先一直 处于固态的物质。
岩石的物理性质与其力学性质密不可分，因 此，研究岩石的物理性质是岩石力学研究的一个 重要内容。
一、岩石的孔隙度
砂土的分类
土的名称
颗粒级配
砾砂
粒径大于2mm的颗粒含量占全重25％～50％
粗砂
粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％
中砂
粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％
细砂
粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％