第16講石油工程巖石力學(xué)回顧與總結(jié)x

1、石油工程巖石力學(xué)課程回顧與總結(jié)常州大學(xué)石油工程學(xué)院呂苗榮2013年11月21日一、基本概念1.1.巖石力學(xué)研究的對(duì)象及特點(diǎn)巖石力學(xué)研究的對(duì)象及特點(diǎn)(1)(1)對(duì)象對(duì)象巖石巖石巖石巖石地殼中堅(jiān)硬的部分地殼中堅(jiān)硬的部分具體研究對(duì)象：具體研究對(duì)象：巖石材料巖石材料(2)(2)方法方法：力學(xué)的觀點(diǎn)、理論、方法：力學(xué)的觀點(diǎn)、理論、方法(3)(3)綜合概念綜合概念：巖石力學(xué)：巖石力學(xué)用用力學(xué)力學(xué)的理論，的理論，觀點(diǎn)和方法去研究觀點(diǎn)和方法去研究巖石材料巖石材料的的力學(xué)行為力學(xué)行為及其及其工工程應(yīng)用程應(yīng)用的學(xué)科。的學(xué)科。應(yīng)力變形破壞一、基本概念2 2、巖石力學(xué)的基本內(nèi)容、巖石力學(xué)的基本內(nèi)容 基本理論基本理論

2、巖體巖體地應(yīng)力地應(yīng)力 材料實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn) 三大部分三大部分 巖體巖體的強(qiáng)度的強(qiáng)度 工程應(yīng)用工程應(yīng)用 巖體巖體的變形的變形 裂隙多相流裂隙多相流 工程應(yīng)用工程應(yīng)用石油工程：井壁穩(wěn)定、壓裂、油井出砂、滲流石油工程：井壁穩(wěn)定、壓裂、油井出砂、滲流礦山、水電中的三大應(yīng)用礦山、水電中的三大應(yīng)用 邊坡工程（天然、工程開挖）邊坡工程（天然、工程開挖） 地下洞室地下洞室 壩基穩(wěn)定。壩基穩(wěn)定。一、基本概念3 3、研究方法、研究方法物理模擬物理模擬巖石物理力學(xué)性質(zhì)常規(guī)實(shí)巖石物理力學(xué)性質(zhì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型如有限元等數(shù)值模擬如有限元等數(shù)值模擬理論分析理論分析用新的力學(xué)分支，理

3、論研用新的力學(xué)分支，理論研究巖石力學(xué)問題究巖石力學(xué)問題三峽水利樞紐工程三峽水利樞紐工程金沙江溪洛渡水電站金沙江溪洛渡水電站錦屏一級(jí)水電站錦屏一級(jí)水電站錦屏一級(jí)水電站地下廠房錦屏一級(jí)水電站地下廠房1錦屏一級(jí)水電站地下廠房錦屏一級(jí)水電站地下廠房2錦屏二級(jí)水電站超長引水隧洞錦屏二級(jí)水電站超長引水隧洞錦屏二級(jí)水電站錦屏二級(jí)水電站錦屏水電站世界級(jí)高邊坡工程錦屏水電站世界級(jí)高邊坡工程龍灘水電站龍灘水電站返回返回返回返回返回返回一、基本概念 4、巖石、巖石由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而形成的自然物體 。 5 5 、巖體、巖體巖體是地質(zhì)體，是經(jīng)過各種地質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成的具有一定工程范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體，內(nèi)部

4、含有構(gòu)造與裂隙6 6、礦物：、礦物：存在地殼中具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物7 7、巖石結(jié)構(gòu)：、巖石結(jié)構(gòu)：巖石礦物顆粒的大小、形狀、表面特征、顆粒相互關(guān)系、脈結(jié)類型。8 8、巖石構(gòu)造：、巖石構(gòu)造：巖石的組成部分在空間排列的情況。 影響影響巖石巖石力學(xué)力學(xué)性質(zhì)性質(zhì)和物和物理性理性質(zhì)的質(zhì)的重要重要因素因素巖體巖體= =巖塊巖塊+ +結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面 巖巖 體體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)面面巖塊巖塊不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面一、基本概念一、基本概念 9 9、天然應(yīng)力（地應(yīng)力）、天然應(yīng)力（地應(yīng)力）（1 1）概念概念：指巖體在天然狀態(tài)下所賦存（工程興：指巖體在天然狀態(tài)下所賦存（工程興建前）

5、的應(yīng)力，又稱建前）的應(yīng)力，又稱“地應(yīng)力地應(yīng)力”，“初始地應(yīng)力初始地應(yīng)力”（2 2）形成因素形成因素：巖體自重（地心引力）：巖體自重（地心引力）+ +地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)+ +地溫梯度地溫梯度+ +滲流等滲流等 1010、二次應(yīng)力、二次應(yīng)力（1 1）概念概念：由于人類活動(dòng)（工程開挖，修建建筑：由于人類活動(dòng)（工程開挖，修建建筑物）影響一定范圍的天然應(yīng)力，這種巖體被擾動(dòng)后物）影響一定范圍的天然應(yīng)力，這種巖體被擾動(dòng)后的應(yīng)力稱為的應(yīng)力稱為“重分布應(yīng)力重分布應(yīng)力”或或“二次應(yīng)力二次應(yīng)力”（2 2）井壁二次應(yīng)力井壁二次應(yīng)力天然應(yīng)力天然應(yīng)力+ +鉆開后的附加應(yīng)力鉆開后的附加應(yīng)力地質(zhì)調(diào)查工程地質(zhì)分區(qū)巖體結(jié)構(gòu)

6、劃分巖石巖體力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)巖體賦存條件分析初始應(yīng)力結(jié)構(gòu)面幾何特征介質(zhì)的模型化物理數(shù)學(xué) 計(jì)算經(jīng)典解析法數(shù)值計(jì)算法正反分析分類確定巖體的質(zhì)量等級(jí)模擬試驗(yàn)物理模擬相似材料經(jīng)驗(yàn)判據(jù)巖體工程設(shè)計(jì)加固措施施 工長期監(jiān)測(cè)反饋分析圖圖1-1 1-1 巖石力學(xué)研究步驟的框圖巖石力學(xué)研究步驟的框圖二、高溫高壓巖石力學(xué) 1、高溫高壓巖石力學(xué)的特殊性 （1）高溫 溫度隨深度而增高。地殼底部500一1000 溫度的升高, 導(dǎo)致巖石和流體介質(zhì)的活化 巖石變形破壞機(jī)制發(fā)生變化, 使其易于塑性流動(dòng)。 （2）高圍壓 圍壓也隨深度而增高, 地殼底部約達(dá)0.8 一1.0GPa, 巖石圈底層和軟流圈約可達(dá)3.0GPa。 圍壓的增高對(duì)巖

7、石變形起著抑制張裂和強(qiáng)化摩擦的作用。二、高溫高壓巖石力學(xué) 1、高溫高壓巖石力學(xué)的特殊性 （3）強(qiáng)約束 地球內(nèi)部塊體處于周圍巖體的包圍之中, 不僅同時(shí)受軸壓和圍壓的作用, 而且其變形還受到強(qiáng)烈的剛度約束。 地球內(nèi)部的這種強(qiáng)約束狀態(tài)對(duì)于巖石失穩(wěn)型式的影響尤為明顯。二、高溫高壓巖石力學(xué) 1、高溫高壓巖石力學(xué)的特殊性 （4）寬時(shí)域 地球內(nèi)部力學(xué)過程涉及非常寬廣的時(shí)間范圍 以應(yīng)變率表示, 其范圍大致為10-20108/s 按照事件的延續(xù)時(shí)間 緩慢的地質(zhì)過程以108a計(jì) 而微震、小震則以10-2s計(jì)。 巖石變形過程中, 作用時(shí)間的延長為巖石介質(zhì)的活化提供條件, 叢而促進(jìn)巖石由脆性向延性過渡。一切地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)

8、動(dòng)一切地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)都是在漫長的地質(zhì)都是在漫長的地質(zhì)年代中發(fā)生的年代中發(fā)生的表面看來似乎表面看來似乎是瞬間發(fā)生的是瞬間發(fā)生的地震地震, , 也有一也有一個(gè)漫長的孕育個(gè)漫長的孕育過程過程, , 是蠕變是蠕變破壞的結(jié)果破壞的結(jié)果 二、高溫高壓巖石力學(xué) 1、高溫高壓巖石力學(xué)的特殊性 （4）大尺度 研究對(duì)象涉及從晶格點(diǎn)陣,到板塊構(gòu)造, 以至全球的不同空間范圍, 其尺度跨10-2107m的量級(jí)。 與工程巖石力學(xué)的研究對(duì)象相比, 尤其具有空間尺度大的特點(diǎn)。 例如, 大地震的震源體尺度可超過百公里, 板塊內(nèi)部構(gòu)造變形的延展范圍可達(dá)數(shù)千公里。 在這種尺度條件下, 應(yīng)力、應(yīng)變的傳播問題往往不可忽視。地球動(dòng)力學(xué)的地

9、球動(dòng)力學(xué)的基本問題是要基本問題是要確定地球內(nèi)部確定地球內(nèi)部固有的流變條固有的流變條件件 一般認(rèn)為一般認(rèn)為, , 地地殼和地幔的變殼和地幔的變形主要是流變形主要是流變和不連續(xù)的斷和不連續(xù)的斷裂裂 二、高溫高壓巖石力學(xué) 1、高溫高壓巖石力學(xué)的特殊性 （5）大變形 地球介質(zhì)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)雖然也包括彈性恢復(fù)、彈性波傳播、以及其它短期作用的小變形事件, 但大量的事件則表現(xiàn)為大變形。 如延性剪切帶糜棱巖中石英顆粒的應(yīng)變量可超過100% 隨著應(yīng)變量的增大, 巖石的變形行為和機(jī)制都有可能發(fā)生相應(yīng)的變化, 出現(xiàn)力學(xué)性質(zhì)非線性和幾何非線性等問題。二、高溫高壓巖石力學(xué) 2、高溫高壓巖石力學(xué)的研究內(nèi)容 固體地球介質(zhì)的力學(xué)

10、行為、變形結(jié)構(gòu)及物理機(jī)制。 變形巖石的力學(xué)行為, 包括變形、破壞和失穩(wěn)三個(gè)方面。二、高溫高壓巖石力學(xué) 3、高溫高壓巖石的行為特征隨著巖性、溫度、壓力、應(yīng)變率和流體介質(zhì)等因素的改變, 巖石的變形、破壞和失穩(wěn)行為會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化 變形行為：彈性粘（塑） 性轉(zhuǎn)變 破壞行為：脆性延性轉(zhuǎn)變 失穩(wěn)行為：漸進(jìn)式突發(fā)式轉(zhuǎn)變?nèi)?、高溫高壓下巖石力學(xué)特性 一般情況下，從上到下地層巖石的可鉆性隨著井深增加在減小，也就是說隨著井深的增加，地層越來越難鉆。 鉆頭平均進(jìn)尺： 在上部地層(2000 米以內(nèi))平均進(jìn)尺在 300-500 米 在 2000 米一 4000 米平均進(jìn)尺只有 200 米左右 在4000 米以下鉆頭的進(jìn)

11、尺不到 100 米。三、高溫高壓下巖石力學(xué)特性 巖石可鉆性 在一定的技術(shù)工藝條件下，巖石按被鉆頭破碎的難易程度的分級(jí)。 可鉆性分類： 巖心鉆探的巖石可鉆性 手動(dòng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的巖石可鉆性 螺旋鉆進(jìn)的巖石可鉆性 鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)的巖石可鉆性 沖擊振動(dòng)鉆進(jìn)的巖石可鉆性 石油鉆井的巖石可鉆性 三、高溫高壓下巖石力學(xué)特性 可鉆性分級(jí) 13級(jí)軟巖石 46級(jí)中硬巖石 79級(jí)硬巖石 1012級(jí)堅(jiān)硬巖石 三、高溫高壓下巖石力學(xué)特性 1、巖石硬度實(shí)驗(yàn)裝置 2、巖石三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)三、高溫高壓下巖石力學(xué)特性 3、可鉆性級(jí)值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理 （1）可鉆性級(jí)值與硬度 （2）可鉆性級(jí)值與單軸抗壓強(qiáng)度 （3）可鉆性級(jí)值與塑性系數(shù) （4）綜合方程三、高溫高壓下巖石力學(xué)特性 4、高溫高壓力學(xué)實(shí)驗(yàn)三、