巖石的分類及性質(zhì)（72頁清楚明了）

1、石油工程巖石力學(xué)Petroleum Engineering Rock Mechanics 教 師：李相臣電子郵箱：li_課程回顧一個(gè)意義：為什么學(xué)習(xí)巖石力學(xué)？兩個(gè)定義巖石力學(xué)的定義巖石的定義一個(gè)特點(diǎn)：巖石力學(xué)研究對象的特點(diǎn)一個(gè)方法：研究巖石力學(xué)的方法主 要 內(nèi) 容第一節(jié) 巖石的分類第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)第三節(jié) 巖石的非均質(zhì)性和各向異性第一節(jié) 巖石的分類地球的巖石圈：地球表面的固體部分。由地殼和上地幔頂部巖石組成的地球外殼固體圈層。地球圈層分為地球外圈和地層內(nèi)圈。地球外圈包括大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈。巖石的組構(gòu)特征1.巖石的物質(zhì)組成粘土礦物硅酸鹽類礦物碳酸鹽類礦物氧化物類礦物組成巖石的礦物組

2、成巖石的礦物成分及其相對含量在一定程度上決定著巖石的力學(xué)性質(zhì)2.巖石的結(jié)構(gòu)巖石的結(jié)構(gòu)：巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀、排列方式及微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況與粒間連結(jié)方式等反映在巖塊構(gòu)成上的特征。其中，粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)與膠結(jié)連結(jié)。顆粒形狀 強(qiáng)度：粒狀、柱狀 片狀 鱗狀顆粒大小 強(qiáng)度：細(xì)粒 粗粒排列形式 強(qiáng)度：等粒 不等粒巖石的組構(gòu)特征微結(jié)構(gòu)面：指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒間的軟弱面或缺陷，包括礦物解理、晶格缺陷、粒間空隙、微裂隙、微層理及片理面、片麻理面等 降低巖石強(qiáng)度 導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)各向異性巖石的微結(jié)構(gòu)面巖石的組構(gòu)特征裂縫性地層套管損壞Elf公司的巖石力學(xué)專家Maury 和Sauzy在研究裂縫性地層套

3、管損壞時(shí)首先提出了井眼周圍裂縫巖體的剪切位移理論并應(yīng)用于井壁穩(wěn)定性分析裂縫性地層裂縫性地層擾動產(chǎn)生剪切位移造成套管變形裂縫巖體的剪切位移造成井眼縮徑現(xiàn)象剪切位移引起的井眼形狀變化XYX方向井徑降低Y方向井徑增加剪切錯動方向不同剪切位移方向的井眼形狀井下電視測井觀測到：裂縫巖體的剪切位移造成井眼縮徑現(xiàn)象井下電視測井顯示的破碎性地層在井眼周圍產(chǎn)生的剪切位移的情況剪切位移造成井眼縮徑的實(shí)例（現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果）2002年，BP 美國公司在墨西哥灣遇到鉆井中井壁穩(wěn)定問題。井眼與地層層理面夾角不同（井斜角不同），井壁垮塌程度、垮塌巖石大小、形狀不同。Dusseault 研究破碎性地層井壁穩(wěn)定性時(shí)發(fā)現(xiàn)井壁是否穩(wěn)

4、定與井眼尺寸有關(guān)，井眼尺寸越大井壁越不穩(wěn)定。在研究層理發(fā)育的各向異性地層井壁穩(wěn)定性時(shí)發(fā)現(xiàn)井壁穩(wěn)定性與井眼軸線和地層層理面的夾角有關(guān)，認(rèn)為應(yīng)盡可能以垂直與層理面的方式進(jìn)入地層，才能保持井壁穩(wěn)定性。裂縫發(fā)育的破碎性地層層理發(fā)育的各向異性地層各向異性地層加拿大科學(xué)家的研究結(jié)果基底型：彼此不發(fā)生接觸的礦物顆粒埋在玻璃體中，這種情況下膠結(jié)程度很高，巖石強(qiáng)度與膠結(jié)物有關(guān)。接觸型：僅僅在顆粒的接觸點(diǎn)存在膠結(jié)物，這種膠結(jié)程度低，巖石強(qiáng)度也不大。間隙型：礦物顆粒彼此直接接觸，而顆粒的孔隙被膠結(jié)物充填。溶蝕型：膠結(jié)物不僅充填在礦物顆粒之間，而且進(jìn)入到礦物顆粒本身中，膠結(jié)強(qiáng)度很高。巖石的主要膠結(jié)類型：巖石的組構(gòu)特征

5、基底型接觸型間隙型溶蝕型3 巖石的構(gòu)造巖石的構(gòu)造：巖石的構(gòu)造是指巖石組成成分在空間上相互排列及所占的位置。巖漿巖的構(gòu)造：塊狀構(gòu)造、流紋狀構(gòu)造、氣孔狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造沉積巖的構(gòu)造：層理構(gòu)造變質(zhì)巖的構(gòu)造：片理構(gòu)造巖石的組構(gòu)特征流紋巖氣孔狀構(gòu)造杏仁狀構(gòu)造沉積巖中的層理構(gòu)造白云鉀長片麻巖巖石的地質(zhì)類型劃分1.巖漿巖：是由巖漿凝結(jié)形成的巖石。2.變質(zhì)巖：礦物成分、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化形成的巖石。3.沉積巖：搬運(yùn)、沉積、成巖作用而形成的巖石。母 巖轉(zhuǎn)變過程產(chǎn)生的巖石巖漿巖沉積巖變質(zhì)巖風(fēng)化作用熱和壓力熔融作用沉積巖變質(zhì)巖巖漿巖沉積巖的分類 碎屑沉積巖：礫巖、砂巖、粉砂巖、泥頁巖 化學(xué)沉積巖：石灰?guī)r、白云巖、燧石、蒸

6、發(fā)巖 生物沉積巖：煤、石灰?guī)r巖心照片礫巖巖心照片致密細(xì)砂巖巖心照片泥巖巖心照片硬脆性泥頁巖鹽膏巖巖心照片4 巖石的工程分類以工程實(shí)用為目的的巖石類型劃分叫巖石的工程分類(巖體的工程分類)。主要目的是指導(dǎo)工程技術(shù)人員合理選擇工程布局及技術(shù)處理方法。完整巖塊的工程分類編號類別單軸飽和抗壓強(qiáng)度(MPa)代表性巖石I硬質(zhì)巖 80中細(xì)?；◢弾r，花崗片麻巖，閃長巖，輝綠巖，安山巖，流紋巖，石英砂巖，硅質(zhì)灰?guī)r，硅質(zhì)膠結(jié)礫巖II中等堅(jiān)硬巖30-80灰?guī)r，大理巖，白云巖，砂巖，鈣質(zhì)礫巖，板巖III軟質(zhì)巖6030-6015-305-155巖體的工程分類巖石：是固態(tài)礦物或礦物的混合物，由一種或多種礦物組成，具有一定

7、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的集合體。巖體：含有結(jié)構(gòu)面的原生地質(zhì)體，是由處于一定地質(zhì)環(huán)境中的各種巖性和結(jié)構(gòu)特征巖石所組成的集合體。特點(diǎn)：顯著的不連續(xù)性。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD (Rock Quality Designation):長度大于10cm的巖心長度之和與鉆孔總進(jìn)尺的百分比。(迪爾，1964.)RQD求取的經(jīng)驗(yàn)方法1) RQD與裂隙頻率Kd之間存在以下關(guān)系：2) RQD與單位體積巖石中的節(jié)理總數(shù)Jv之間存在以下關(guān)系：當(dāng)Jv4.5時(shí)，RQD取100。根據(jù)RQD的巖體質(zhì)量分級RQD90巖石質(zhì)量描述很差差一般好很好等級IIIIIIIVV巖石的物理性質(zhì)：物理性質(zhì)：物質(zhì)不需要經(jīng)過化學(xué)變化就表現(xiàn)出來的性

8、質(zhì)叫做物理性質(zhì)。顏色、氣味、形態(tài)、熔點(diǎn)、硬度、導(dǎo)電性等巖石的物理性質(zhì)：指巖石的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、放射學(xué)等特性參數(shù)和物理量。 第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體組成的多相體系。物理性質(zhì)是指巖石由于三相組成的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。1. 巖石的密度2. 巖石的孔隙性3. 巖石的水理性(一) 巖石的密度1. 巖石的顆粒密度巖石固體部分的質(zhì)量與其體積的比值。它不包含孔隙在內(nèi)，因此其大小僅取決于組成巖石的礦物密度及其含量。顆粒密度固體部分質(zhì)量固體部分體積(一) 巖石的密度2. 巖石的塊體密度是指巖石單位體積內(nèi)的質(zhì)量，按巖石的含水狀態(tài)，又有干密度（d）

9、、飽和密度（sat）和天然密度（）之分，在未指明含水狀態(tài)時(shí)一般指巖石的天然密度。d=dry sat=saturated常見巖石的密度巖 石 名 稱密度(gcm3)巖 石 名 稱密度(gcm3)花 崗 巖2.522.81石 灰 巖2.372.75閃 長 巖2.672.96白 云 巖2.752.80輝 長 巖2.853.12片 麻 巖2.593.06輝 綠 巖2.803.11片 巖2.702.90砂 巖2.172.70大 理 巖2.75左右頁 巖2.062.66板 巖2.722.84(二) 巖石的孔隙特性 孔隙度：巖石中孔隙體積與巖石總體積之比 (多用百分?jǐn)?shù)表示)。 裂隙率：巖石中各種節(jié)理、裂隙的

10、體積與巖石總體積之比稱裂隙率。 孔隙度與裂隙率含義相同，孔隙度多用于相對松散土、石，裂隙率多用于結(jié)晶連接的堅(jiān)硬巖石。 一般巖石的孔隙度在10%-35%之間?？紫侗龋簬r石中孔隙的體積與固體顆粒體積之比稱巖石的孔隙比(多以小數(shù)表示)。(二) 巖石的孔隙特性孔隙比和孔隙度可以互相換算：密度是實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，只有通過實(shí)驗(yàn)才能得到具體數(shù)值，而孔隙度和孔隙比是計(jì)算指標(biāo)?？紫侗瓤紫抖葞r石的飽和密度為2.65g/cm3，干密度為2.49g/cm3，計(jì)算巖石的孔隙比和顆粒密度。例題：巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)。主要包括：(三)巖石的水理性質(zhì) 吸水性 軟化性 抗凍性 膨脹性 崩解性1.巖石的吸水性巖

11、石在一定的實(shí)驗(yàn)條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。吸水率(Wa)：巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。1.巖石的吸水性巖石的飽和吸水率(Wp)：是指巖石試件在高壓(一般壓力為15MPa)或真空條件下吸入水的質(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量(ms)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wp)之比，稱為飽水系數(shù)。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關(guān)系。2.巖石的軟化性巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性軟化系數(shù)(KR)為巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(cw)與干抗壓強(qiáng)度(c)的比值巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，大開空隙較

12、多，巖石的軟化性較強(qiáng)，軟化系數(shù)較小。KR0.75，巖石的軟化性弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好KR0.75，巖石軟化性較強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差常見巖石的軟化系數(shù)彈性模量隨含水量的變化情況泊松比隨含水量的變化情況粘聚力隨含水量的變化情況內(nèi)摩擦角隨含水量的變化情況3.巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性?？箖鱿禂?shù)(Rd)：巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強(qiáng)度(c2)與凍融前干抗壓強(qiáng)度(c1)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。質(zhì)量損失率(Km)：凍融試驗(yàn)前后干質(zhì)量之差(ms1ms2)與試驗(yàn)前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分?jǐn)?shù)表示。Rd75，Km2，抗凍性高吸水率Wa5、軟化系數(shù)KR0.75，飽水系數(shù)小于0.8的巖石，抗凍性高

13、。3.巖石的抗凍性4.巖石的膨脹性膨脹性：巖石吸水后體積增大引起巖石結(jié)構(gòu)破壞的性能稱膨脹性。 一般含有粘土礦物的巖石均具有定的膨脹性，特別是含有蒙脫石類礦物的巖石膨脹性最大。 在鐵路建設(shè)中，膨脹巖地段路塹邊坡坍滑將造成嚴(yán)重危害。 鉆井工程中，鉆遇膨脹性巖石容易導(dǎo)致井眼縮徑、井壁坍塌等問題。5.巖石的崩解性崩解性：巖石被水浸泡，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到完全破壞呈碎塊狀崩開散落的性能。具有強(qiáng)烈崩解性的巖石和土，短時(shí)間內(nèi)即發(fā)生崩解。我國西北地區(qū)的黃土，在水中浸泡一天左右即崩解，西南某地風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖置于水中僅十多分鐘就全部崩解了。(四)巖石的熱理性質(zhì)巖石的熱理性是指巖石溫度發(fā)生變化時(shí)所表現(xiàn)出來的物理性質(zhì)。（熱

14、脹冷縮）溫度升高體積膨脹強(qiáng)度降低變形特性改變體脹系數(shù)與線脹系數(shù)體脹系數(shù)：溫度上升1所引起的體積增量與初始體積的比值。線脹系數(shù)：溫度上升1所引起的長度增量與初始長度的比值。巖石的導(dǎo)熱率巖石的導(dǎo)熱率是度量巖石的熱傳導(dǎo)能力的參數(shù)，是指當(dāng)溫度上升1時(shí)，熱量在單位時(shí)間內(nèi)傳遞單位距離的損耗值。巖石導(dǎo)熱率的影響因素：礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及賦存環(huán)境。第三節(jié) 巖石的各向異性和滲透性 巖石的不連續(xù)性 巖石的不均勻性 巖石的各向異性 巖石的滲透性1.巖石的不連續(xù)性巖石中普遍存在的結(jié)構(gòu)面，無論是物質(zhì)分異面還是物質(zhì)不連續(xù)面，都會使結(jié)構(gòu)面兩側(cè)附近的巖石物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)不連續(xù)變化。 對于裂隙性巖石，通常采用裂縫率作為定量評

15、價(jià)巖石被裂隙切割后破碎程度的指標(biāo)。 巖石中的裂隙單向裂隙(或裂隙頻率)單向裂隙指一組結(jié)構(gòu)面的法線方向上每單位長度(m)內(nèi)，法線與結(jié)構(gòu)面的交割數(shù)目，以Kd(1/m)表示。即單向裂隙率的倒數(shù)為成組結(jié)構(gòu)面之間的平均間距，以d表示。式中：Kd 單向裂隙（1/m） d 結(jié)構(gòu)面間平均間距(m)平面裂隙率平面裂隙率 Ka是指巖石單位面積上諸裂隙所占有的面積總與總面積的比值。式中：li 第i條裂隙面長度(m)； ti 第i條裂隙面的寬度(m)； A 被測量的巖石總面積(m)。不均勻性：是指天然巖體的物理、力學(xué)性質(zhì)隨空間位置不同而異的特性。分析現(xiàn)場巖體試驗(yàn)資料時(shí)可采用綜合性的統(tǒng)計(jì)特征 偏差系數(shù)V(%)來估算巖體

16、的不均勻性。標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值各觀測值xi的算術(shù)平均值2.巖石的不均勻性3.巖石的各向異性巖石各向異性 是指天然巖體的物理力學(xué)性質(zhì)隨空間方位不同而異的特性，具體表現(xiàn)在它的強(qiáng)度及變形特性等各方面。在天然巖體條件下，使巖體具有各向異性的基本原因是由于巖石內(nèi)普遍存在著層理、片理、夾層和定向裂隙（斷層）系統(tǒng)所致。目前在實(shí)際工程中對于成層巖體往往考慮其平行于層理和垂直于層理方向的差異性。對于不具有層理的巖體，則把它視為各自同性體。4.巖石的滲透性巖石能透過水的能力稱為巖石的滲透性。有壓水可以透過巖石的孔隙、裂隙而流動，不同巖石或裂隙性不同的巖石的滲透性不同，滲透性的大小用滲透系數(shù)K表示。巖石的滲透系數(shù)不僅與巖石的物理性質(zhì)有關(guān)，也與巖石的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。 巖石軸向滲透性試驗(yàn)原理巖石滲透儀(軸向滲透)1-注水管路；2-圍壓室；3-巖樣；4-放水閥假定巖體滲流符合達(dá)西定律，則滲透系數(shù)可采