岩石力学与井壁稳定

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3、岩石的变形破坏规律
岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条件 不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现 象叫流变。
•岩石变形规律的研究就是要建立应力-应变 关系，为求解应力状态提供基础
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3、岩石的变形破坏规律
•岩石试样的破坏形式
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劈裂破坏
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剪切破坏
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延性破坏
•岩石破坏规律的研究就是要建立应力作用 下岩石是否稳定的标准
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•2、岩石的物理、水理、热学性质
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•2、岩石的物理、水理、热学性质
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•2、岩石的物理、水理、热学性质
•岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称
为水理性质。主要有：
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1.吸水性
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2.软化性
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3.膨胀性
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4.崩解性
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3、岩石的变形破坏规律
•峰
•峰
前 •D后
•C
•B •E
•A
•o
•① 空隙压密阶段(OA) ② 弹性变形阶段(AB) ③ 微裂隙稳定发展阶段(BC) •④ 微裂隙非稳定发展阶段(CD) ⑤ 破坏后阶段(DE)
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三、岩石力学在井壁稳定中的任务
制定保持井壁力学稳定的泥浆密度窗口
进行井身结构优化 确定合理泥浆密度
确定井壁失稳的机理
优化泥浆性能 制定合理钻井对策
•Hale Waihona Puke Baidu
•泥浆密度低导致井壁岩石发生剪切破坏而坍塌掉块
•最大水平主地应力
•形成的椭圆形井眼长轴 在最小水平主地应力方向
•最大水平主地应 •最小水平力
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•a = 1
主地应力
• r
•损坏区
•r •r = 3
•泥浆密度低
•a
•坍塌
•若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受 的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。
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•井眼坍塌破坏形状 •σ
h
•σH
•σH
•σ
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•最大水平主地应力
•a = 3
•r = 1 •a
•最小水平主地应力
•胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起
－碎屑岩
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•1、岩石的组构特征
3）岩石的构造
•岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在
空间上相互排列及所占的位置。
•岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔
状构造、杏仁状构造
岩石的组构特征给出岩石力学的定性 •沉性积质岩，的从构而造保：障层理我构们造的研究不出现方 •变向质性岩的的错构误造：片理构造
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4、岩石的水动力学性质
•岩石应力状态变化，可能导致裂缝面上的 剪应力增加，微小的剪应力变化即可在裂缝 面产生剪胀效应
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•5、岩石中的初始应力
一般情况下主地应力表示方法
•地 表
•H
•垂直主应力σv
•水平最小主应力 σh
•水平最大主应力σH
•东部：太平洋板块向W俯冲
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•北部：西伯利亚板块阻挡
•南部：菲律宾板块向N俯冲
岩石力学与井壁稳定
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提纲
岩石力学及其研究对象的特点 岩石力学的研究内容 岩石力学在井壁稳定中的任务
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一、岩石力学及其研究对象的特点
•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。 它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境 保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用 价值，而且也是力学和地学相结合的一个基础 学科—《岩石力学研究的现状和未来》
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一、岩石力学及其研究对象的特点
•研究对象：岩石是构成地壳的基本材料，是经
过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集 合体，具有一定的强度。
•分类：岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积
岩和变质岩等三种类型。
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•玄武岩
•玄武岩
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•大理石
•片麻岩
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一、岩石力学及其研究对象的特点
•不连续性：岩石物理力学性质呈现不连续变化的性质。 •不均匀性：指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不 同而异的特性。 •各向异性：是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不 同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方 面。 •渗透性：有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩 石能透过水的能力称为岩石的渗透性。 •赋存环境：地应力、水、温度
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物质组成对力学性质的影响
一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉 石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片 状）等
含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高－花 岗岩、闪长岩、玄武岩
含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低－ 粘土岩、泥岩
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物质组成对力学性质的影响
碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类， 岩石的物理力学性质取决于岩石中的CaCO3 及酸不溶物的含量
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二、岩石力学的研究内容
1. 岩石的组构特征 2. 岩石的物理、水理、热学性质 3. 岩石的变形破坏规律 4. 岩石的水动力学性质 5. 岩石中的初始应力
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•1、岩石的组构特征
1）岩石的物质组成
•硅酸盐类矿物
•组成岩石的矿物
•粘土矿物 •碳酸盐类矿物
•氧化物类矿物
•组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度 上决定着岩石的力学性质
CaCO3含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高 泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学
性质差
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物质组成对力学性质的影响
碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系： 强度上：硅质>铁质>钙质>泥质
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泥页岩的粘土矿物组成
•粘土矿物
蒙脱石 伊利石 绿泥石 高岭石 伊蒙混层
•力学性 质
• 蒙脱石含量高→软，易变形，易水化 • 伊利石含量高→硬脆，不易变形，不易水化
2）岩石的结构
•微结构面：存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间
的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒 间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等
•① 降低岩石强度 •② 导致岩石力学性质各向异性
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•1、岩石的组构特征
2）岩石的结构
•结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起
，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触 －岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩
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•1、岩石的组构特征
2）岩石的结构
•岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、
排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等 反映在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结 晶连结与胶结连结
•颗粒大小 •颗粒形状 •排列形式
强度： 粗粒<细粒 强度： 粒状、柱状>片状>鳞状 强度： 等粒>不等粒
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•1、岩石的组构特征
•泥浆密度高
•剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁
•r
•泥浆密度过大 ：地层剪切破坏 产生大量径向微 裂缝形成剪切破 碎带（造成泥浆 的大量侵入使井 壁失稳）
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•安全泥浆密度的计算方法
•地应力
•给定的泥浆密度
•井周应力应变
•本构模型
•提高泥浆密度
•失稳
•破坏准则 •稳定
•结束
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理 论和计算方法基本成熟