岩石力学实验技术

二.实验类型及测试参数
3.巴西劈拉实验
实验方法：利用Brazil实验间接测定岩样
的抗拉强度。原理是在岩样的直径方向
上，以恒定的加载速率，连续施加相对
的线形荷载，使之沿直径方向破坏。 岩样尺寸：
直径50.4mm 厚度与直径之比为0.5:1~1:1
二.实验类型及测试参数
3.巴西劈拉实验 P
岩 样
破坏后示意图
•模拟温度:T≤200 ℃
一. 简介
实验设备简介 设备的工作原理
环境条件模拟 计算机自动控制
力学参数
岩石静态、动态 参数测试
声学参数 渗透性参数 其它参数
汇 报 提 纲
一、简介
二、实验类型及测试参数
三、在石油工程领域中的应用
二.实验类型及测试参数
室 内 岩 石 力 学 研 究 方 法
单轴压缩实验
岩石力学实验技术
交流人：李世杰
汇 报 提 纲
一、简介
二、实验类型及测试参数
三、在石油工程领域中的应用
一. 简介
岩石力学发展现状 “岩石力学是研究岩石力学性能的理论和
应用的科学”。它在石油工程领域中的
应用起步较晚，国内外上世纪90年代后
才得到较快发展。
一. 简介
岩石力学发展现状
目前国内外石油工程领域岩石力学的研究主要集中在 以下几方面：
二.实验类型及测试参数
6.蠕变实验
计算公式：
测试参数：蠕变
二.实验类型及测试参数
7.渗透率实验
实验方法：模拟地层条件，进行渗透
率的测试。也可模拟油藏开发不同时
期，进行渗透率同步检测。
测试参数：渗透率
二.实验类型及测试参数
7.渗透率实验
-3 -3 胶结砂岩（地面k =0.67×10 μ ㎡） 弱胶结砂岩（地面k =1004×10 μ ㎡） ㎡） 气 气 胶结砂岩（地面k 气 =7.85×10 μ
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
出砂的力学分析流程
原地应力 强度判断准则 力学本构关系 井筒周应力 井底流压 “安全”生产压差 岩石强度
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
室
内
测 试 分 析
巴西劈拉实验
获得
单轴压缩实验
抗压强度、抗拉强度、 内聚力、内摩擦角 杨氏模量、泊松比等
三轴压缩实验
静 态 法
静态法：是通过对岩样进行 巴西劈拉实验 静态加载，测试获得。
断裂韧性实验 蠕变实验 •••
动 态 法
动态法：是通过测定声波在 室内声波实验 岩样中的传播速度而获得。
声发射实验
二.实验类型及测试参数
1.单轴压缩实验
实验方法：不加侧向约束力，对圆柱状岩样连 续施加轴向载荷，直至破坏。
r 应 a 力 E G 变 2(1 ) 曲 E K 线 3(1 2 )
应 缩
轴向应力差，MPa
a E 压 a
轴
70 60 50 40 30 20 10 0 -0.012 -0.006
d max
轴向应变 径向应变 1 径向应变 2
0.000
时间，h
二.实验类型及测试参数
5.断裂韧性实验
计算公式：K IC
K (Pmax a )
*J I
测试参数：断裂韧性
砂岩
泥岩
实验后的岩样照片
二.实验类型及测试参数
6.蠕变实验
实验方法：保持轴向应力、围压和孔隙压
力恒定（完全伺服控制），测试岩样应变 随时间的变化。
两种类型：
•趋于稳定的蠕变
•非趋于稳定的蠕变
钻
井 液 密 度
B 3 H h PiCo
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
根据影响机理可以把出砂划分为两种类型： 1.主要由流体力影响的出砂：可通过调整流 速来控制。 2.主要由高就地应力和低油井压力影响的出
砂：可以通过调整生产压差、维持地层压力
来控制。
二.实验类型及测试参数
4.声波实验
发射 端帽
频率为 1MHz
t1
岩样
P、S波 转换开关
收、发 波器
示波器
接收 端帽
声波实验原理图
二.实验类型及测试参数
4.声波实验
测 • 测量超声波在端帽中的延迟 量
时间t0 • 计算样品中的传播时间t • 计算动态弹性参数
t t1 t0 L(1 a ) V t Vs 2 (3V p 2 4Vs 2 ) ED 2 2 V p Vs
•石油开采中的流固耦合问题及孔隙结构的变形和坍塌；
•应力场、温度场和渗流场作用下的流固耦合分析； •流固耦合油气藏数值模拟理论和方法研究； •地应力测试技术； •地应力场的演变及天然裂缝的形成与扩展的规律。
一. 简介
实验设备简介
技 术 指 标
•轴向力:σ≤149 吨
•围压:Pc≤138 MPa
•孔隙压力:Pp≤103 MPa
0.006
0.012
(径向) 应变，mm/mm (轴向)
二.实验类型及测试参数
2.三轴压缩实验
D
C
E
F A B
加孔压的三轴压缩实验加载方式
O
二.实验类型及测试参数
2.三轴压缩实验
加孔压的三轴压缩实验
1 Vb Cb dPp 0 Vb 3
Ⅲ
体积应变
Ⅱ
Ⅰ
1 Vb 1 VP Cg d ( 3 PP ) 0 Vb 3 VP PP
P
1. 半球轴承，2—上加载鄂，3—螺孔，4—导杆，5—下加载鄂，6—岩样
样品组件示意图
二.实验类型及测试参数
3.巴西劈拉实验
计算公式：
测试参数：抗拉强度
2P T Dh
二.实验类型及测试参数
4.声波实验
实验方法：用一个矩形、瞬时、高压电脉
冲激发P波或 S波压电晶体，产生一沿着岩 样传播的弹性超声波扰动，然后由装在岩 样另一端端帽上的对应的压电晶体接收。 根据脉冲通过岩样的时间计算P波、 S波的 速度。
与 • 测量超声波传播的总时间t1 计
算 • 计算P波和S波的波速V
D
1 2 2 (V p Vs ) 2 2 2 V p Vs ED 2(1 D ) ED 3(1 2 D )
GD KD
二.实验类型及测试参数
5.断裂韧性实验
实验方法：在模拟围压和上覆压力条件下，
对厚壁圆柱状岩样的内孔中连续施加流体 压力，直至岩样沿预制缝破裂，测得岩样 破裂时的最大流体压力。
2.三轴压缩实验
实验方法： 是在恒定围压（和恒定孔隙压力）条 件下，对圆柱状岩样连续施加轴向载荷，直至岩 样破坏。
不加孔压的三轴压缩实验
Pc Pc Pp
'
бd
加孔压的三轴压缩实验
Pc
'
岩 样
бd
Pc
'
实验也可以模拟地层温度条件
二.实验类型及测试参数
2.三轴压缩实验 ' max ' C Pc 三(P c ) d
二.实验类型及测试参数
5.断裂韧性实验 高压孔隙压力管线 内孔Leabharlann Baidu力与时间关系曲线 υ10mm
内孔压力，MPa
25 20 15 10 5
17mm
Pmax=22.5MPa
75mm
端帽 聚乙烯管 岩样 聚四氟乙烯套 密封圈 端帽
υ75mm
0 断裂韧性岩样尺寸 0 0.1
岩样装配示意图
0.2 0.3 0.4
随着井底流压的 增大，井壁上的 周向压应力逐渐 减小，当最小周 向压应力小于井 壁岩石的抗拉强 度时，井壁将会 出现拉伸破坏。
准
则
3 h H Pi To
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
判
别
剪切破坏准则
库仑法判别准则：
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
室
内
测
试 分 析
抗压强度、杨氏模量、泊松比、 内聚力、内摩擦角等参数
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
确
定
井壁上的最大周向应力: 3 H h Pi 当最大周向压应力超 过井壁岩石的抗压强 度，井壁将会出现压 缩破坏，引起井眼扩 大、崩落、孔眼坍塌 等问题。可根据实验 室数据和应力分析确 定安全生产的钻井液 密度。
围压（MPa）
1
Cg Cb
根据体积应变——围压关系曲线计算压缩系数
二.实验类型及测试参数
2.三轴压缩实验
利用一个单轴压 缩实验和三至五 个三轴压缩实验， 可以绘制莫尔圆 及破裂包络线。
内聚力、内摩擦角

0
二.实验类型及测试参数
2.三轴压缩实验
库仑破裂包络线的表达式：
0 tan
•岩石物理力学性质的井下地球物理解释；
•地层岩石的力学性质及在开采中的变化规律； •地下的岩石物性和声学响应特征； •水力压裂力学研究； •井眼稳定、储层出砂、优化射孔、稠油冷热采等井下 工程研究；
一. 简介
岩石力学发展现状
目前国内外石油工程领域岩石力学的研究主要集中在 以下几方面： •油气藏开采引起的地层错动、蠕变和地面沉降研究；
压密阶段
10
5 0 O 0.000
A
B'
0.004 0.008
D
残余强度
0.012
-0.004
(径向) 应变，mm/mm (轴向)
二.实验类型及测试参数
1.单轴压缩实验
计算公式：
测试参数： 单轴抗压强度、杨氏模量、泊松比
C0 a
max
a E a
r a
二.实验类型及测试参数
地层坍塌应力、破裂压力 “安全”钻井液密度
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
原
地 应 力 分
力学模型
析 z——垂向应力
r——径向应力
r
z 地层
——周向应力
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
建
立 状 态 方
井壁岩石的状态方程：
程
式中：σr 为井眼周围所受径向应力；σθ为井眼周围所受周向 应力；τθr 为井眼周围所受切应力；P i为井内钻井液柱压力； θ 为井眼周围某点径向与最大水平主应力方向的夹角；σH 为 最大地应力；σh 为最小地应力；P p 为地层孔隙压力； α为 有效应力系数；
-3
18 45 60
轴向应变 径向应变1 径向应变2 液测渗透率
峰值点 180 2.0
-3 -3 液测渗透率10 ㎡ 液测渗透率，10 μμ㎡
3
μ ㎡
轴向应力差，MPa 轴向应力差，MPa 轴向应力差，MPa
15 50 36 12 40 27 9 30 6 20
150
18
9 3 10
0 00 -0.010 -0.035 -0.04
液测渗透率，10
1.5 120
2
-3
汇 报 提 纲
一、简介
二、实验类型及测试参数
三、在石油工程领域中的应用
三.在石油工程领域的应用
应用范围
井 壁 稳 定 性
出 砂 预 测
套 管 损 坏 机 理
压 裂 优 化 设 计
地 球 物 理 解 释
地 应 力 测 量
产 能 预 测 、 压 实
三.在石油工程领域的应用
轴向应变 径向应变1 径向应变2 液测渗透率
屈 服 点
轴向应变 径向应变1 径向应变2 液测渗透率
90 1.0 60 0.5 30
1
-0.005 0.000 -0.02
0.000 0.0350.005 0.00
00.0 0 0.010 0.070 0.02 0.04
（径向) 应变，mm/mm （轴向） （径向）应变，mm/mm(轴向） （径向) 应变，mm/mm （轴向）
三轴压缩实验
莫尔破裂包络线
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
判
别
拉伸破坏准则
准
则 式中:
3 T0
3
T0
---
为岩石所受的最小主应力
岩石的抗拉强度
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
判
别
井壁上的最小周向应力: 3 h H Pi
岩样组件示意图
б
上端帽 热缩套
应变传感器 岩样 下端帽
б
max CU 或UCS a
二.实验类型及测试参数
max C0 a
20
1.单轴压缩实验
塑性变形阶段
C0 B
屈服点
C 破坏后阶段
a a
轴向应力，MPa
15
弹性变形阶段
E
r a
-0.016 -0.012 -0.008
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
从力学的角度来说，造成井壁不稳定的原 因主要是地层原有的应力状态被打破，在 井壁上产生应力集中，当井内液柱压力较 低时，井壁周围岩石所受的周应力超过岩 石本身的强度而产生压缩破坏。
三.在石油工程领域的应用
井壁稳定 出砂预测
压裂设计
地震勘探
井壁稳定的力学分析流程
原地应力 强度判断准则 力学本构关系 井筒周向应力 岩石强度 孔隙压力
二.实验类型及测试参数
6.蠕变实验
典型的蠕变曲线
0.瞬时变形阶段：常应力刚刚 作用于岩石上就出现的瞬时弹 性应变εe； Ⅰ.初始蠕变阶段：应变的增长 速率随时间逐渐降低。这个过 程微裂隙以逐渐减小的速率慢 慢扩展。 Ⅱ. 稳态蠕变阶段：应变随时间 呈近于等速的增长。 Ⅲ. 加速蠕变阶段：应变速率加 快，并迅速导致破坏。