東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)石油工程3第一章上課版

1、石油工程石油工程31、學(xué)時(shí)分配：、學(xué)時(shí)分配：6學(xué)時(shí)。學(xué)時(shí)。 2、本章重點(diǎn)：、本章重點(diǎn)： （1）地下壓力特征；）地下壓力特征； （2）異常高壓的形成及地層壓力的預(yù)測、檢測方法）異常高壓的形成及地層壓力的預(yù)測、檢測方法 （3）地層破裂壓力的獲取方法）地層破裂壓力的獲取方法 （4）巖石的工程力學(xué)性質(zhì)）巖石的工程力學(xué)性質(zhì) 3、難點(diǎn)：、難點(diǎn)： （1）異常高壓的形成及地層壓力的預(yù)測、檢測方法）異常高壓的形成及地層壓力的預(yù)測、檢測方法 （2）地層破裂壓力的獲取方法）地層破裂壓力的獲取方法 4、解決方法：、解決方法： （1）利用多媒體圖片和動(dòng)畫進(jìn)行展示）利用多媒體圖片和動(dòng)畫進(jìn)行展示 5、作業(yè)：、作業(yè)： P40

2、，1；P41，2；3；4；5；8；15石油工程石油工程3（一）靜液壓力（一）靜液壓力（hydrostatic pressure） 靜液壓力靜液壓力由液柱自身的重力所引起的壓力由液柱自身的重力所引起的壓力, ,其大小與液其大小與液 體的密度與液柱的垂直高度或深度體的密度與液柱的垂直高度或深度。一、地下各種壓力的概念一、地下各種壓力的概念 llhghp式中：式中：p ph h- -靜液靜液壓力，壓力，MpaMpa；-液體密度液體密度,g/cm3,g/cm3； h hl l- -液柱垂直高度，液柱垂直高度，m m。 靜液壓力梯度靜液壓力梯度 單位深度的液柱壓力稱為靜液壓力梯度單位深度的液柱壓力稱為靜

3、液壓力梯度: : ghpGllhh石油工程石油工程3 靜液壓力梯度受液體密度的影響和含鹽濃度、氣體的靜液壓力梯度受液體密度的影響和含鹽濃度、氣體的濃度以及溫度梯度的影響。濃度以及溫度梯度的影響。 油氣井鉆井中遇到的有代表性的平均靜液壓力梯度有油氣井鉆井中遇到的有代表性的平均靜液壓力梯度有兩類：兩類：淡水和淡鹽水盆地，淡水和淡鹽水盆地，Gh為為0.0098 MPam 鹽水盆地，鹽水盆地，Gh為為0.0105 MPam 石油工程石油工程3（二）上覆巖層壓力（二）上覆巖層壓力（Overburden pressure） 上覆巖層壓力上覆巖層壓力地層某地層某處的上覆巖層壓力是該處以上地層（包括巖處的上覆

4、巖層壓力是該處以上地層（包括巖 石基質(zhì)和巖石孔隙中流體）總重力所產(chǎn)生的壓力。石基質(zhì)和巖石孔隙中流體）總重力所產(chǎn)生的壓力。 )1(00981.0maoDp面面積積流流體體重重力力基基巖巖重重力力+=poioioDp00981.0（分段計(jì)算）（分段計(jì)算）式中：式中：p0 -上覆巖層壓力，上覆巖層壓力，MPa；D-地層地層垂直垂直深度深度,m；-巖石孔隙度，巖石孔隙度，%；ma-巖石骨架密度，巖石骨架密度，g/cm3；-孔隙中流體密度，孔隙中流體密度，g/cm3；0-地層密度，地層密度， g/cm3。石油工程石油工程3上覆巖層壓力梯度上覆巖層壓力梯度: : iioiioioDDDpG00981.0

5、上覆巖層壓力隨深度增加而增大。上覆巖層壓力隨深度增加而增大。 沉積巖的平均密度大約為沉積巖的平均密度大約為2.5g/cm2.5g/cm3 3，上覆巖層壓力梯度平均為，上覆巖層壓力梯度平均為0.0227MPa/m0.0227MPa/m。（介于：。（介于：0.01070.01070.0290 MPa0.0290 MPam m） 在實(shí)際鉆井過程中，以鉆臺(tái)作為上覆巖層壓力的基準(zhǔn)面。在實(shí)際鉆井過程中，以鉆臺(tái)作為上覆巖層壓力的基準(zhǔn)面。 地層密度確定：地層密度確定： 密度測井法密度測井法: : 參考參考礦場地球物理測井礦場地球物理測井（p88p88） 聲波測井法：聲波測井法： o = Tma -2.11*(

6、 T - Tma ) / ( T f+ T ) Tma-巖石骨架的聲波時(shí)差，巖石骨架的聲波時(shí)差， s/m; T-地層的聲波時(shí)差，地層的聲波時(shí)差， s/m T f -地層孔隙內(nèi)流體的聲波時(shí)差，地層孔隙內(nèi)流體的聲波時(shí)差， s/m石油工程石油工程3（三）地層壓力（三）地層壓力（formation pressureformation pressure） 地層壓力地層壓力指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱地層指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱地層 孔隙壓力孔隙壓力（formation pore pressure），用用pp 表示。表示。 正常地層壓力正常地層壓力 等于地層流體的靜液壓力，等于地層流體

7、的靜液壓力， pp =ph=ph。 異常地層壓力異常地層壓力 地層壓力大于或小于正常地層壓力。地層壓力大于或小于正常地層壓力。 超過正常地層壓力的地層壓力超過正常地層壓力的地層壓力( (pp ph)ph)稱為異常高壓。稱為異常高壓。 低于正常地層靜液壓力的地層壓力低于正常地層靜液壓力的地層壓力(pp ph)(pp pp+ 3 321石油工程石油工程3破裂壓力預(yù)測方法破裂壓力預(yù)測方法哈伯特哈伯特威利斯法威利斯法馬修斯馬修斯凱頓法凱頓法伊頓法伊頓法黃榮樽法黃榮樽法液壓試驗(yàn)法液壓試驗(yàn)法3.3.預(yù)測方法預(yù)測方法石油工程石油工程3（1）Hubbert&Willis（1957） 認(rèn)為：認(rèn)為： 三維

8、不均勻應(yīng)力狀態(tài)，三維不均勻應(yīng)力狀態(tài)，1 12 23 3，3 3= (= (1/31/2)1 1 井內(nèi)液壓力必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平地井內(nèi)液壓力必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平地 應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。 （2）Mathews & Kelly(1967) 認(rèn)為：認(rèn)為： 水平均勻地應(yīng)力狀態(tài)，水平均勻地應(yīng)力狀態(tài)，3 3= =2 2=K=Ki i(D)(D)1 1 井內(nèi)液柱壓力必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平井內(nèi)液柱壓力必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平 地應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。地應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。 )(0pipfppKpp（1-21）)(2/ 13/ 1 (0p

9、pfpppp1)2/13/1 (pfpp（1-20）石油工程石油工程3（3）Eaton(1969) 認(rèn)為：認(rèn)為： 水平均勻地應(yīng)力狀態(tài)，水平均勻地應(yīng)力狀態(tài)， 井內(nèi)液壓必須克服地層孔隙壓力和最小有效水井內(nèi)液壓必須克服地層孔隙壓力和最小有效水 平地應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。平地應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。 123)(10ppfpppp（1-22）（1-23）石油工程石油工程3（4 4）黃榮樽（）黃榮樽（19851985） 認(rèn)為：認(rèn)為： 井壁巖石處于三維不均勻應(yīng)力狀態(tài)，井壁巖石處于三維不均勻應(yīng)力狀態(tài)， 1 1 2 23 3 ； 水平地應(yīng)力由上覆巖層壓力和構(gòu)造力水平地應(yīng)力由上覆巖層壓力和構(gòu)造力 兩部分產(chǎn)生；兩部分產(chǎn)生

10、； 當(dāng)當(dāng) 井內(nèi)液壓力超過井壁上某一點(diǎn)處的地層孔隙壓力、井內(nèi)液壓力超過井壁上某一點(diǎn)處的地層孔隙壓力、 切切 向（周向）有效應(yīng)力和巖石的抗拉強(qiáng)度，地層開裂。向（周向）有效應(yīng)力和巖石的抗拉強(qiáng)度，地層開裂。式中：式中：，由現(xiàn)場壓裂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得；由現(xiàn)場壓裂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得；S St t 巖心抗拉試驗(yàn)求得巖心抗拉試驗(yàn)求得。tpOSSpfSppKpp)(12(3ssK石油工程石油工程34.4.現(xiàn)場液壓試驗(yàn)法現(xiàn)場液壓試驗(yàn)法 步驟：步驟： 1 1、下套管固井侯凝后，鉆、下套管固井侯凝后，鉆4-5m4-5m新井眼；新井眼； 2 2、上提鉆頭至套管鞋內(nèi)；、上提鉆頭至套管鞋內(nèi)； 3 3、關(guān)閉防噴器（閘板）和節(jié)流閥；、關(guān)閉

11、防噴器（閘板）和節(jié)流閥； 4 4、緩慢啟動(dòng)泵，小排量（、緩慢啟動(dòng)泵，小排量（0.66-1.32L/S) 0.66-1.32L/S) 向井內(nèi)注入鉆井液；向井內(nèi)注入鉆井液； 5 5、記錄注入量和立管壓力并隨時(shí)繪制、記錄注入量和立管壓力并隨時(shí)繪制 二者關(guān)系曲線；二者關(guān)系曲線； 6 6、當(dāng)立壓開始下降并趨與平緩后，停泵；、當(dāng)立壓開始下降并趨與平緩后，停泵； 7 7、求出地層的破裂壓力。、求出地層的破裂壓力。石油工程石油工程3石油工程石油工程3一、地下各種壓力的概念一、地下各種壓力的概念 1. 靜液壓力：靜液壓力： ph=0.00981h hl l； 2. 上覆巖層壓力上覆巖層壓力的概念；的概念； 3.

12、 基巖應(yīng)力；基巖應(yīng)力； 4. 地層壓力地層壓力; 正常地層壓力：水力學(xué)開啟系統(tǒng)正常地層壓力：水力學(xué)開啟系統(tǒng) 異常高壓：水力學(xué)封閉系統(tǒng)異常高壓：水力學(xué)封閉系統(tǒng) 5、異常低壓和異常高壓的成因、異常低壓和異常高壓的成因本節(jié)小結(jié)本節(jié)小結(jié): PPpo+=石油工程石油工程3二、地層壓力評(píng)價(jià)方法二、地層壓力評(píng)價(jià)方法 1. 地層壓力預(yù)測方法地層壓力預(yù)測方法聲波時(shí)差法聲波時(shí)差法 2. 地層壓力監(jiān)測（檢測）方法地層壓力監(jiān)測（檢測）方法dc 指數(shù)法指數(shù)法三、地層破裂壓力三、地層破裂壓力 1. 地層破裂壓力的基本概念地層破裂壓力的基本概念 2.地層破裂壓力的預(yù)測方法地層破裂壓力的預(yù)測方法 石油工程石油工程3思考題：思

13、考題： 1 1、在正常壓力地層聲波時(shí)差和、在正常壓力地層聲波時(shí)差和d dc c指數(shù)隨井深變化的規(guī)律是什么？指數(shù)隨井深變化的規(guī)律是什么？ 2 2、利用聲波時(shí)差和、利用聲波時(shí)差和d dc c指數(shù)為什么能夠預(yù)測或監(jiān)測異常高壓地層？指數(shù)為什么能夠預(yù)測或監(jiān)測異常高壓地層？ 3 3、為什么現(xiàn)場一般在下套管固井后進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)？、為什么現(xiàn)場一般在下套管固井后進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)？ 4 4、如何根據(jù)壓裂試驗(yàn)曲線計(jì)算地層破裂壓力、如何根據(jù)壓裂試驗(yàn)曲線計(jì)算地層破裂壓力p pf f和構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)和構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)K Kssss？ 5 5、液壓試驗(yàn)時(shí)，如果井口壓力接近地面設(shè)備的承壓能力時(shí)地層仍、液壓試驗(yàn)時(shí)，如果井口壓力接近地面設(shè)備

14、的承壓能力時(shí)地層仍未壓裂，此時(shí)該怎么辦？未壓裂，此時(shí)該怎么辦？石油工程石油工程3一、巖石的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、巖石的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1. 1. 巖石的組成巖石的組成 巖石巖石 是礦物顆粒的集合體，顆粒之間或者靠直接接觸面上的作用力是礦物顆粒的集合體，顆粒之間或者靠直接接觸面上的作用力聯(lián)結(jié)，或者由外來的膠結(jié)物膠結(jié)。大多數(shù)巖石由兩種以上的礦物成聯(lián)結(jié)，或者由外來的膠結(jié)物膠結(jié)。大多數(shù)巖石由兩種以上的礦物成分組成。分組成。 礦物礦物 是具有固定的化學(xué)成分和確定的物理性質(zhì)的天然無機(jī)化合物。是具有固定的化學(xué)成分和確定的物理性質(zhì)的天然無機(jī)化合物。除了硫、碳的礦物及少數(shù)金屬外，絕大多數(shù)礦物是由兩種以上元素除了硫、

15、碳的礦物及少數(shù)金屬外，絕大多數(shù)礦物是由兩種以上元素組成的化合物。組成的化合物。 主要造巖礦物一覽表主要造巖礦物一覽表（P22，表，表1-1）。 石油工程石油工程32.2.巖石的類型巖石的類型 巖石可分為三大類：巖石可分為三大類： 火成巖（巖漿巖）火成巖（巖漿巖）-由巖漿（硅酸鹽）容體冷凝而成。如花崗巖、由巖漿（硅酸鹽）容體冷凝而成。如花崗巖、 玄武巖、橄欖巖、安山巖等。玄武巖、橄欖巖、安山巖等。 變質(zhì)巖變質(zhì)巖-火成巖和沉積巖等由于高溫高壓作用或外來物質(zhì)的加入，火成巖和沉積巖等由于高溫高壓作用或外來物質(zhì)的加入， 改變了原來的成分、結(jié)構(gòu)，變成新的巖石。改變了原來的成分、結(jié)構(gòu)，變成新的巖石。 如如:

16、 :花崗巖花崗巖片麻巖，石灰?guī)r片麻巖，石灰?guī)r大理巖，石英砂巖大理巖，石英砂巖石英巖等。石英巖等。 沉積巖沉積巖-母巖風(fēng)化后的產(chǎn)物經(jīng)過搬運(yùn)、沉積和成巖作用而形成的巖石。母巖風(fēng)化后的產(chǎn)物經(jīng)過搬運(yùn)、沉積和成巖作用而形成的巖石。 如：泥巖、砂巖、石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽如：泥巖、砂巖、石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽 。 石油工程石油工程3沉積巖類型沉積巖類型 (1) (1) 碎屑沉積巖碎屑沉積巖 母巖風(fēng)化后的物質(zhì)經(jīng)機(jī)械沉積作用后形成的巖石。碎屑顆粒（巖石母巖風(fēng)化后的物質(zhì)經(jīng)機(jī)械沉積作用后形成的巖石。碎屑顆粒（巖石碎屑、礦物碎屑）由膠結(jié)物（碎屑、礦物碎屑）由膠結(jié)物（泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、硅

17、質(zhì)）膠結(jié)在一起）膠結(jié)在一起。礫巖：礫巖：顆粒大于顆粒大于1mm1mm。主要是火成巖、變質(zhì)巖碎屑，碎屑間由膠結(jié)物充填。主要是火成巖、變質(zhì)巖碎屑，碎屑間由膠結(jié)物充填。砂巖：砂巖：顆粒顆粒0.10.11mm1mm。石英、長石、輝石、角閃石、云母等礦物顆粒。石英、長石、輝石、角閃石、云母等礦物顆粒+ +膠結(jié)物膠結(jié)物粉砂巖：粉砂巖：介于砂巖和泥巖之間的一類巖石，顆粒尺寸介于砂巖和泥巖之間的一類巖石，顆粒尺寸0.010.010.1mm0.1mm。泥泥 巖：巖：顆粒小于顆粒小于0.01mm0.01mm。主要成分為粘土礦物，并含有部分。主要成分為粘土礦物，并含有部分 碎屑物質(zhì)（石英、長石、云母等）。碎屑物質(zhì)（

18、石英、長石、云母等）。巨礫：巨礫：1m1m；粗礫：；粗礫：1001001000mm1000mm；中礫：；中礫：1010100mm100mm；細(xì)礫：；細(xì)礫：1 110mm10mm粗砂：粗砂：0.50.51mm1mm；中砂：；中砂：0.250.250.5mm0.5mm；細(xì)砂：；細(xì)砂：0.10.10.25mm0.25mm石油工程石油工程3 (2) (2) 化學(xué)沉積巖（結(jié)晶沉積）化學(xué)沉積巖（結(jié)晶沉積） 母巖風(fēng)化后的溶解物質(zhì)經(jīng)化學(xué)沉積作用后形成晶質(zhì)巖石。母巖風(fēng)化后的溶解物質(zhì)經(jīng)化學(xué)沉積作用后形成晶質(zhì)巖石。 碳酸鹽巖碳酸鹽巖石灰?guī)r，主要成分為石灰石（石灰?guī)r，主要成分為石灰石（CaCO3） 白云巖，主要成分為

19、白云石（白云巖，主要成分為白云石（MgCa(CO3)2） 硫酸鹽巖硫酸鹽巖石膏（石膏（CaSO4） 巖巖 鹽鹽 石鹽（石鹽（NaCl） 在沉積巖中：泥巖在沉積巖中：泥巖60%，砂巖，砂巖30%，碳酸鹽巖居第三，碳酸鹽巖居第三位位。 石油工程石油工程33.3.沉積巖的特點(diǎn)沉積巖的特點(diǎn) （1 1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):指巖石的微觀組織特征，包括礦物成分、顆粒大小、形指巖石的微觀組織特征，包括礦物成分、顆粒大小、形狀及排列方式、顆粒間的聯(lián)結(jié)情況等。狀及排列方式、顆粒間的聯(lián)結(jié)情況等。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：礦物成分不確定、顆粒大小不等、顆粒形狀多樣、顆粒礦物成分不確定、顆粒大小不等、顆粒形狀多樣、顆粒分

20、布不均勻、膠結(jié)強(qiáng)度有強(qiáng)有弱。分布不均勻、膠結(jié)強(qiáng)度有強(qiáng)有弱。 （2 2）構(gòu)造特點(diǎn)）構(gòu)造特點(diǎn) 構(gòu)造構(gòu)造:指巖石的宏觀組織特征，是指巖石組分的空間分布及其指巖石的宏觀組織特征，是指巖石組分的空間分布及其相互間的位置關(guān)系。如層理、頁理、節(jié)理（裂隙）、孔隙度等相互間的位置關(guān)系。如層理、頁理、節(jié)理（裂隙）、孔隙度等。 石油工程石油工程3 層理層理巖石一層層迭起來的現(xiàn)象。巖石一層層迭起來的現(xiàn)象。 傾斜的層狀結(jié)構(gòu)是沉積巖的主要構(gòu)造特征。傾斜的層狀結(jié)構(gòu)是沉積巖的主要構(gòu)造特征。 形成層理的原因：形成層理的原因： 顆粒大小在縱向上的變化顆粒大小在縱向上的變化 巖石成分在縱向剖面上的變化巖石成分在縱向剖面上的變化 某

21、些礦物顆粒的定向排列某些礦物顆粒的定向排列顆粒大小變化顆粒大小變化巖石成分變化巖石成分變化某些礦物顆粒定向排列某些礦物顆粒定向排列石油工程石油工程3(3(3）各向異性和非均質(zhì)性）各向異性和非均質(zhì)性 a:各向異性：各向異性： 如果物體的某一性質(zhì)隨方向的不同而不同，則稱物體如果物體的某一性質(zhì)隨方向的不同而不同，則稱物體具有具有各向異性。各向異性。 巖石一般具有各向異性的性質(zhì)。如在垂直于和平行于層理面的巖石一般具有各向異性的性質(zhì)。如在垂直于和平行于層理面的 方向上，巖石的力學(xué)性質(zhì)（彈性、強(qiáng)度等）有較大的差異。方向上，巖石的力學(xué)性質(zhì)（彈性、強(qiáng)度等）有較大的差異。 巖石的各向異性性質(zhì)是由巖石的構(gòu)造特點(diǎn)所

22、決定的。巖石的各向異性性質(zhì)是由巖石的構(gòu)造特點(diǎn)所決定的。 結(jié)晶礦物顆粒的定向排列、層理、片理、節(jié)理等使得巖石具有各向結(jié)晶礦物顆粒的定向排列、層理、片理、節(jié)理等使得巖石具有各向 異性的特點(diǎn)。異性的特點(diǎn)。石油工程石油工程3b:不均質(zhì)性不均質(zhì)性如果物體中不同部分的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，稱該物體是不均質(zhì)如果物體中不同部分的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，稱該物體是不均質(zhì)的。的。 巖石一般為非均質(zhì)體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)巖石一般為非均質(zhì)體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度、度、 孔隙度（密度）的不均勻性所造成的?？紫抖龋芏龋┑牟痪鶆蛐运斐傻摹?測定巖石的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，不同部位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果常

23、存在很大的差異。因測定巖石的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，不同部位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果常存在很大的差異。因此，應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，取合適的均值作為代表。此，應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，取合適的均值作為代表。石油工程石油工程3二、巖石的機(jī)械性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)）二、巖石的機(jī)械性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)） 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)巖石巖石受力后表現(xiàn)出來的受力后表現(xiàn)出來的變形特性變形特性和和強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性。指巖石在載荷作用下開始破壞時(shí)的最大應(yīng)力指巖石在載荷作用下開始破壞時(shí)的最大應(yīng)力( (強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限) )以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律?？蛊茐牡哪芰推茐囊?guī)律。 指巖石在各種載荷作

24、用下的變形規(guī)律指巖石在各種載荷作用下的變形規(guī)律( (包括巖包括巖石的彈性變形、塑性變形、粘性流動(dòng)和破壞規(guī)律石的彈性變形、塑性變形、粘性流動(dòng)和破壞規(guī)律) )。石油工程石油工程31.1.變形特性變形特性 彈性彈性巖石巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形隨之在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形隨之消失，恢復(fù)到原來的形狀和體積的性質(zhì)。相應(yīng)的變形稱為彈性消失，恢復(fù)到原來的形狀和體積的性質(zhì)。相應(yīng)的變形稱為彈性變形。變形。 塑性塑性巖石巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形不能完在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形不能完 全恢復(fù)的性質(zhì)。全恢復(fù)的性質(zhì)。相應(yīng)的殘余變形稱為塑性變形相應(yīng)的殘余變形稱為塑性變形

25、。 脆性脆性巖石在外力作用下變形量很?。◣r石在外力作用下變形量很小（ 抗剪抗剪 抗彎抗彎 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度強(qiáng)度獲取獲取方法：方法：對(duì)具體的巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)具體的巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn) 石油工程石油工程33.3.簡單應(yīng)力條件下巖石力學(xué)性質(zhì)簡單應(yīng)力條件下巖石力學(xué)性質(zhì)APc 巖石抵抗外力壓縮的能力巖石抵抗外力壓縮的能力, ,大小等于在巖樣上施加軸向壓縮載荷直大小等于在巖樣上施加軸向壓縮載荷直至破壞時(shí)單位面積上的載荷。至破壞時(shí)單位面積上的載荷。a:a:巖石抗壓強(qiáng)度巖石抗壓強(qiáng)度（1 1）巖石強(qiáng)度試驗(yàn)）巖石強(qiáng)度試驗(yàn)石油工程石油工程3b:b:巖石抗拉伸強(qiáng)度巖石抗拉伸強(qiáng)度*設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膴A緊機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膴A緊機(jī)

26、構(gòu)；*制備一定形狀的巖樣；制備一定形狀的巖樣；*確保加載方向嚴(yán)格平行于巖樣軸確保加載方向嚴(yán)格平行于巖樣軸線。線。實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)要求測量方法測量方法間接抗拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)間接抗拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)直接抗拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)直接抗拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)石油工程石油工程3trpt0抗拉試驗(yàn)抗拉試驗(yàn)-巴西實(shí)驗(yàn)巴西實(shí)驗(yàn) 破裂從圓的中心開始破裂從圓的中心開始, ,沿加載直徑向上下擴(kuò)展。巖石的抗張強(qiáng)沿加載直徑向上下擴(kuò)展。巖石的抗張強(qiáng)度可按下式計(jì)算：度可按下式計(jì)算：石油工程石油工程3APs223bhPlbc:抗剪試驗(yàn)抗剪試驗(yàn) d:抗彎試驗(yàn)抗彎試驗(yàn) 石油工程石油工程3破壞方式破壞方式石油工程石油工程3（2 2）一般規(guī)律：）一般規(guī)律： 在簡單應(yīng)

27、力條件下，大部分巖石都接近彈性脆性體，巖石的破壞表在簡單應(yīng)力條件下，大部分巖石都接近彈性脆性體，巖石的破壞表現(xiàn)為脆性破壞?，F(xiàn)為脆性破壞。 巖石的彈性模量與所加載荷大小及應(yīng)變種類有關(guān)。當(dāng)載荷較小時(shí)，巖石的彈性模量與所加載荷大小及應(yīng)變種類有關(guān)。當(dāng)載荷較小時(shí)，彈性模量接近常數(shù)，且各種應(yīng)變情況下的彈性模量相差不大。當(dāng)載彈性模量接近常數(shù)，且各種應(yīng)變情況下的彈性模量相差不大。當(dāng)載荷較大時(shí)，荷較大時(shí)，在受壓縮的情況下，彈性模量將隨載荷的增大而增大；在受壓縮的情況下，彈性模量將隨載荷的增大而增大；在受拉伸的情況，彈性模量則隨載荷的增大而減小。在受拉伸的情況，彈性模量則隨載荷的增大而減小。 在動(dòng)外力（如聲波）作

28、用下，大多數(shù)巖石服從直線虎克定律。在動(dòng)外力（如聲波）作用下，大多數(shù)巖石服從直線虎克定律。 一般情況下一般情況下 抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度。 垂直于地層層面方向的巖石強(qiáng)度平行于地層層面方向的巖石強(qiáng)度。垂直于地層層面方向的巖石強(qiáng)度平行于地層層面方向的巖石強(qiáng)度。 石油工程石油工程3（1 1）常規(guī)三軸試驗(yàn)）常規(guī)三軸試驗(yàn)(a)液壓作用下的壓（拉）試驗(yàn)（常規(guī)液壓作用下的壓（拉）試驗(yàn)（常規(guī)三軸試驗(yàn)）三軸試驗(yàn)）1 12 2 = = 3 3(c)液壓作用下的壓扭試驗(yàn)液壓作用下的壓扭試驗(yàn)1 1(b)三個(gè)液缸的柱塞進(jìn)行三面壓縮試驗(yàn)三個(gè)液缸的柱塞進(jìn)行三面壓縮試驗(yàn)（真三軸試驗(yàn)）（

29、真三軸試驗(yàn)）1 12 2 3 3(d)液壓作用下的兩面柱塞壓縮液壓作用下的兩面柱塞壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)1 12 2 3 3石油工程石油工程3 常規(guī)三軸試驗(yàn)：常規(guī)三軸試驗(yàn)：1 P=2 = 3（a）壓縮試驗(yàn)）壓縮試驗(yàn)P=1 = 2（b）拉伸試驗(yàn)）拉伸試驗(yàn)3 石油工程石油工程3（2 2） 一般規(guī)律一般規(guī)律 v巖石在三軸應(yīng)力條件下的強(qiáng)度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石巖石在三軸應(yīng)力條件下的強(qiáng)度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強(qiáng)度增大。強(qiáng)度增大。 v隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的也塑性越大壞前呈現(xiàn)的也塑性越大。巖石從脆性向塑

30、性轉(zhuǎn)變的壓力（圍壓）巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的壓力（圍壓）稱為臨界壓力。不同的巖石，臨界壓力不同。稱為臨界壓力。不同的巖石，臨界壓力不同。 v 在各向均勻壓縮狀態(tài)下，巖石永遠(yuǎn)不會(huì)破壞。在各向均勻壓縮狀態(tài)下，巖石永遠(yuǎn)不會(huì)破壞。3=03=23.53=503=853=1653=326XXXX3=03=27.53=55.53=1553=217.513，MPa13，MPa石油工程石油工程35.5.巖石的硬度和塑性系數(shù)巖石的硬度和塑性系數(shù) 硬度的概念硬度的概念 巖石抵抗其它物體表面壓入的能力巖石抵抗其它物體表面壓入的能力。石油工業(yè)中的巖石硬度是石油工業(yè)中的巖石硬度是壓壓入入 硬度，也稱為史氏硬度，是由前蘇聯(lián)史

31、立涅爾提出的。硬度，也稱為史氏硬度，是由前蘇聯(lián)史立涅爾提出的。 硬度與抗壓強(qiáng)度區(qū)別：硬度與抗壓強(qiáng)度區(qū)別： 硬度是巖石表面的硬度是巖石表面的局部局部抵抗外力壓入的能力，抗壓強(qiáng)度則是巖抵抗外力壓入的能力，抗壓強(qiáng)度則是巖石整體抗壓的能力。石整體抗壓的能力。 塑性系數(shù)塑性系數(shù) 表征巖石塑性和脆性大小的參數(shù)。表征巖石塑性和脆性大小的參數(shù)。石油工程石油工程3巖石硬度試驗(yàn)裝置巖石硬度試驗(yàn)裝置 771 1液缸缸體；液缸缸體； 2 2液缸柱塞；液缸柱塞； 3-3-巖樣；巖樣； 4 4壓頭壓頭 5壓力計(jì)；壓力計(jì)； 6千分表；千分表； 7柱塞導(dǎo)向桿柱塞導(dǎo)向桿6壓入硬度和塑性系數(shù)的測定方法壓入硬度和塑性系數(shù)的測定方法

32、壓入試驗(yàn)壓入試驗(yàn)石油工程石油工程3巖石硬度和塑性系數(shù)的計(jì)算：巖石硬度和塑性系數(shù)的計(jì)算： 塑性系數(shù)塑性系數(shù): :面積面積巖石破碎前彈性變形功巖石破碎前耗費(fèi)的總功ODEOABCAAKEFp石油工程石油工程3巖石按塑性系數(shù)分類（巖石按塑性系數(shù)分類（3類、類、6級(jí)）級(jí)）石油工程石油工程3硬度硬度P Py y: : 對(duì)脆性和塑脆性巖石對(duì)脆性和塑脆性巖石：SPPySPPy0MPa 對(duì)塑性巖石：對(duì)塑性巖石：巖石按硬度的分類（巖石按硬度的分類（6 6類、類、1212級(jí)）級(jí)） P破壞載荷；破壞載荷； P0彈性變形載荷彈性變形載荷 S壓頭的底面積壓頭的底面積MPa 石油工程石油工程3三、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析

33、三、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析 1.1.巖石結(jié)構(gòu)巖石結(jié)構(gòu) （1）對(duì)晶質(zhì)巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度也較高。對(duì)晶質(zhì)巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度也較高。 如玄武巖（斜長石、輝石，如玄武巖（斜長石、輝石，6）白云巖（）白云巖（4）石灰?guī)r（）石灰?guī)r（3）。）。 （2）砂巖的強(qiáng)度隨著石英（砂巖的強(qiáng)度隨著石英（7）含量的增加而增大；）含量的增加而增大； 硅質(zhì)膠結(jié)鈣質(zhì)鐵質(zhì)泥質(zhì)。硅質(zhì)膠結(jié)鈣質(zhì)鐵質(zhì)泥質(zhì)。 （3）同種巖石孔隙度增大，密度降低，強(qiáng)度降低。）同種巖石孔隙度增大，密度降低，強(qiáng)度降低。 因此，巖石的強(qiáng)度一般隨埋藏深因此，巖石的強(qiáng)度一般隨埋藏深 度的增加而增大。度的增加而增大。 2.

34、 2. 井底各種壓力井底各種壓力 （1）有效應(yīng)力（外壓與內(nèi)壓之差）越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。有效應(yīng)力（外壓與內(nèi)壓之差）越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。 （各向壓（各向壓 縮效應(yīng)）?？s效應(yīng)）。 （2）井內(nèi)液柱壓力與孔隙壓力之差越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。井內(nèi)液柱壓力與孔隙壓力之差越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。石油工程石油工程33. 3. 載荷性質(zhì)的影響載荷性質(zhì)的影響 巖石對(duì)動(dòng)載的抗力要比靜載大得多。隨著沖擊速度增大，硬度增大，巖石對(duì)動(dòng)載的抗力要比靜載大得多。隨著沖擊速度增大，硬度增大，塑性系數(shù)塑性系數(shù) 減小。減小。 但在沖擊速度小于但在沖擊速度小于10米米/秒時(shí)，巖石硬度和塑性系數(shù)變化不大，

35、接近秒時(shí)，巖石硬度和塑性系數(shù)變化不大，接近于靜載時(shí)的數(shù)值。于靜載時(shí)的數(shù)值。 在在10000米深度范圍內(nèi)：米深度范圍內(nèi)： 強(qiáng)度：巖鹽泥頁巖石灰?guī)r石膏白云巖；強(qiáng)度：巖鹽泥頁巖石灰?guī)r石膏白云巖； 砂巖強(qiáng)度取決于膠結(jié)物及膠結(jié)程度。砂巖強(qiáng)度取決于膠結(jié)物及膠結(jié)程度。 塑性：巖鹽石灰?guī)r泥頁巖石膏白云巖石英巖塑性：巖鹽石灰?guī)r泥頁巖石膏白云巖石英巖石油工程石油工程3四、巖石的可鉆性和研磨性四、巖石的可鉆性和研磨性 1. 1. 巖石可鉆性巖石可鉆性( (Rock Drillability） （1 1）概念）概念 巖石可鉆性可理解為巖石破碎的難易性，它反映了是巖石抵抗鉆巖石可鉆性可理解為巖石破碎的難易性，它反映了是

36、巖石抵抗鉆 頭破碎的能力頭破碎的能力。 （2 2）評(píng)價(jià)方法）評(píng)價(jià)方法 在鉆壓在鉆壓889.7N（200磅）、轉(zhuǎn)速磅）、轉(zhuǎn)速55r/min的固定條件下，用直徑的固定條件下，用直徑31.75mm（1-1/4in）的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進(jìn)）的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進(jìn)2.4mm孔深所需孔深所需要的時(shí)間要的時(shí)間td 作為巖石可鉆性指標(biāo)，由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。作為巖石可鉆性指標(biāo)，由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。 為應(yīng)用方便，常用為應(yīng)用方便，常用 Kd=Log2td 作為可鉆性指標(biāo)，稱為作為可鉆性指標(biāo)，稱為可鉆性級(jí)值可鉆性級(jí)值。 石油工程石油工程3級(jí)別級(jí)別td/秒秒 44881616323264641281282562565125121024 1024 Kd 22 33 44 55 66 77 88 99 1010分類分類極軟極軟軟軟中軟中軟中中中硬中硬硬硬極硬極硬（3 3）可鉆性分級(jí)）可鉆性分級(jí)2. 2. 巖石研磨性（巖石研磨性（ Rock Abrasiveness） 巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性。巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性。 至今尚沒有