2006級(jí)碩士巖石力學(xué)

1、油氣工程巖石力學(xué)碩士研究生專用11.1 概念 巖石力學(xué)是研究巖石和巖體力學(xué)性能的理論和應(yīng)用的科學(xué)，是探討巖石和巖體對(duì)其周圍物理環(huán)境的力場(chǎng)的反應(yīng)的力學(xué)分支。 巖石力學(xué)=應(yīng)力+強(qiáng)度1.2 特點(diǎn)巖石的破裂 結(jié)構(gòu)特征抗拉強(qiáng)度 孔隙流體 風(fēng)化 巖體外載一、 巖石力學(xué)概述2巖石的破裂特性巖石一般處于壓應(yīng)力狀態(tài)，破壞具有局部性。尺寸效應(yīng)巖石的強(qiáng)度和變形特征受巖石材料的性質(zhì)和各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的共同影響?？估瓘?qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度地下水的影響孔隙壓力的影響，通過有效應(yīng)力原理起作用風(fēng)化巖體外載原地應(yīng)力狀態(tài)的確定31.3 研究方法科學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證1.4 發(fā)展史1951年奧地利J. Stini 和

2、 L. Muller等人聯(lián)合地質(zhì)、力學(xué)、工程等學(xué)科專家學(xué)者在奧地利的Salzburg發(fā)起和舉行了以巖石力學(xué)為主題的第一次國(guó)際巖石力學(xué)研討會(huì)。1962年國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)成立。美國(guó)1965年成立了聯(lián)邦巖石力學(xué)委員會(huì)。1981年成立了中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)籌備組，隨后成立了國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)中國(guó)小組。1985年正式成立中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)。專業(yè)委員會(huì)、省級(jí)委員會(huì)成立。41.5 應(yīng)用領(lǐng)域采礦（表面開采與地下開采）能源開發(fā)（水電與核電、油氣儲(chǔ)存、核廢料儲(chǔ)存、地?zé)幔┙煌ㄟ\(yùn)輸建筑軍事石油工程地質(zhì)構(gòu)造分析地震預(yù)測(cè)51 .6 石油工程巖石力學(xué)研究特點(diǎn)特點(diǎn)深度大看不見摸不著固液耦合鉆遇地層的種類繁雜研究領(lǐng)域巖石破

3、碎機(jī)理及地層可鉆性地層防斜井壁不穩(wěn)定問題水力壓裂出砂與防砂套管損壞油藏變形地面下沉6二、彈性力學(xué)基礎(chǔ)2.1 基本概念外力: 表面力（集中力、分布力）、體力內(nèi)力：外力的反作用力：?jiǎn)挝唬篘應(yīng)力:單位面積上的內(nèi)力。單位：MPa應(yīng)變:長(zhǎng)度的變化，角度的變化。無量綱單位。7應(yīng)力符號(hào)說明：v上覆巖層壓力； H最大水平主應(yīng)力； h最小水平主應(yīng)力x y z r 正應(yīng)力；xy yz zx r rz z切向應(yīng)力； r 徑向應(yīng)力；周向應(yīng)力；應(yīng)力的概念8一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)分正應(yīng)力、剪應(yīng)力兩大類。由六個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量描述：=x,y,z,xy,yz,zxR=R/Azyxxyzx9應(yīng)力狀態(tài)：一點(diǎn)應(yīng)力的總和。z zx zyy y

4、x yzx xy xzxz102.2 主應(yīng)力與主應(yīng)變主應(yīng)力應(yīng)力不變量偏應(yīng)力主應(yīng)變11可以證明：通過一點(diǎn)總存在著三個(gè)相互垂直其剪應(yīng)力為零的特殊截面，該截面稱為主面，其外法線方向稱為該點(diǎn)的主方向。作用在主面上的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力。n1213根據(jù)上述方程可求得三個(gè)實(shí)根：123稱為最大、中間及最小主應(yīng)力。I1、I2、I3分別稱為應(yīng)力張量的第一、第二、第三不變量。213n14剪應(yīng)力斜面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為：最大剪應(yīng)力：15球應(yīng)力張量、偏應(yīng)力張量、八面體應(yīng)力及應(yīng)力強(qiáng)度分成球應(yīng)力張量和偏應(yīng)力張量16偏應(yīng)力不變量：八面體是一組特殊的斜截面，其上的應(yīng)力為：17幾何方程： 某點(diǎn)某方向上剪應(yīng)變?yōu)榱悖摲较蚍Q為應(yīng)變主方

5、向，其上的正應(yīng)變稱為主應(yīng)變。182.3 三大方程靜態(tài)平衡方程相容方程物理方程19 靜力平衡方程xyzy2021變形協(xié)調(diào)方程：22物理方程：剪切彈性模量體積彈性模量232.4 平面問題平面應(yīng)力問題平面應(yīng)變問題厚壁筒分析24平面應(yīng)變問題25平面應(yīng)力問題26巖土力學(xué)中關(guān)于位移、應(yīng)變和應(yīng)力的規(guī)定：（1）沿坐標(biāo)軸正方向作用的力和位移分量為正；（2）收縮正應(yīng)變?nèi)檎?；?）壓縮正應(yīng)力取為正；（4）若截面內(nèi)法線相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)向內(nèi)指，則截面上剪應(yīng)力方向相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)向內(nèi)為正，反之亦然。27Mohrs stress circle121228習(xí)題1、下圖所示的矩形板邊緣上均勻地分布著給定載荷，板厚50mm， AB

6、長(zhǎng)500mm，BC長(zhǎng)400mm。（a）確定BC、DA邊上為保持板的平衡必須有用的剪力。（b）相對(duì)于xy參考軸，確定板內(nèi)任一點(diǎn)p的應(yīng)力狀態(tài)。（c）對(duì)于所示的lm軸，確定應(yīng)力分量ll、mm、lm。（d）確定最大主應(yīng)力值和最大應(yīng)力軸相對(duì)x軸的方向。（e）對(duì)于GH面，其外法線與x軸的夾角為，請(qǐng)確定作用在該面上的作為xx、yy、xy和函數(shù)的牽引力分量表達(dá)式，并分別給出=0、60、90時(shí)的tx、ty值。給出=60時(shí)的平面合應(yīng)力。29400kN250kN300kN250kN400kNyxmlxGHptxty3030三、巖石的基本力學(xué)性質(zhì)常溫常壓下巖石的力學(xué)性質(zhì)圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

7、孔隙壓力對(duì)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響313.1 常溫常壓下巖石的力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)條件：圓柱形試件，高徑比2-2.5。加載速率5-8x105Pa/S.R.P. Miller將單軸壓縮下應(yīng)力應(yīng)變曲線分為6大類型。全應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性參數(shù)的確定326大類型彈性變形彈-塑性變形塑彈性變形塑-彈-塑性變形彈-塑-蠕變變形33彈性彈-塑塑-彈塑-彈-塑塑-彈-塑屈服34全應(yīng)力應(yīng)變曲線oABCDOA微裂縫閉合AB彈性變形BC彈塑性變形CD參與變形35切線模量Et=d/d割線模量Es= k/ kkk363.2 圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響圖1-1 Carrara大理巖在不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Pc=100MPa50MPa30

8、MPa0MPa37石灰石38主要結(jié)論：(1) 隨著圍壓的增加，其破壞強(qiáng)度、屈服應(yīng)力及延性都增加。(2) 在三軸不等壓情況下，隨著中間主應(yīng)力2的增加，其破壞強(qiáng)度、屈服應(yīng)力增加，但延性減小。(3) 在三軸不等壓情況下，隨著最小主應(yīng)力3增加，其破壞強(qiáng)度及延性增加，但屈服應(yīng)力保持不變。393.3 溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響圖1-4 溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響25C100 C300 C4041主要結(jié)論：（1）巖石在一定圍壓下，隨著溫度的升高，無論是拉伸或壓縮，其屈服應(yīng)力與強(qiáng)度均要降低，加速了由脆性向延性轉(zhuǎn)化。其影響程度隨著巖石種類及受力狀態(tài)的不同而各異。（2）隨著溫度的升高，彈性模量值逐漸降低。423.4

9、孔隙壓力對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響圖1-6 圍壓50MPa孔隙壓力對(duì)石灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)的影響Pp=0MPa30MPa50MPa43有效應(yīng)力的基本原理 有效應(yīng)力為:=-Pp h1h2A點(diǎn)的總應(yīng)力 =wh1+ sh2A點(diǎn)的孔隙壓力Pp= w(h1+h2)A點(diǎn)的有效應(yīng)力=-Pp= wh1+ sh2- w(h1+h2) =(s- w)h2當(dāng)h1發(fā)生變化時(shí)，A點(diǎn)總應(yīng)力變化，有效應(yīng)力不變。44主要結(jié)論：（1）在一定圍壓下，由于孔隙壓力增大，強(qiáng)度及延性隨之降低。若孔隙壓力逐漸提高，則巖石強(qiáng)度隨之下降，且由延性逐漸轉(zhuǎn)化為脆性。（2）當(dāng)孔隙壓力等于圍壓時(shí)，則相當(dāng)于單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度。45四、巖石的強(qiáng)度與室內(nèi)實(shí)

10、驗(yàn)巖石的破壞與破壞類型巖石的抗壓強(qiáng)度及其影響因素巖石抗拉強(qiáng)度及其影響因素巖石抗剪強(qiáng)度及其影響因素不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度及其影響因素464.1 巖石的破壞與破壞類型一、巖樣的制備圓柱形試件：直徑 1“、1.5”、2“三種H/D比：抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)2.5-3.0彎曲實(shí)驗(yàn)3.0-7.0巴西實(shí)驗(yàn)0.5-1.0沖壓實(shí)驗(yàn)0.2-0.25加工精度：端面磨平到0.02mm；端面與軸線的垂直度誤差在0.001弧度；周邊的不平度直徑差不超過0.3mm.巖芯的代表性：大理石2-3塊，頁(yè)巖5塊，砂巖5-10塊47二、巖石的破壞類型巖石的破壞取決于物理環(huán)境，在低溫、低圍壓及高應(yīng)變速率下，表現(xiàn)為脆性破壞；在高溫、高圍壓及低應(yīng)變速

11、率下，表現(xiàn)為延性破壞。根據(jù)巖石破壞前應(yīng)變的百分?jǐn)?shù)可以將巖石破壞分為5種類型。4849根據(jù)巖石破壞前的應(yīng)變量分為五類：第一類：近地表巖石，破壞前變形量1%，巖石垂直于最小主應(yīng)力方向產(chǎn)生張性破裂。第二類：離地表一定深度，巖石表現(xiàn)少量延性，破壞前應(yīng)變量在1-5%。第三類：離地表2-5Km，破壞面為單一剪切面，破裂面與最大主應(yīng)力方向的夾角小于45，破壞前的應(yīng)變?cè)?-8%。第四類：離開地表10-20Km，處于較高的溫度和圍壓下，破壞時(shí)剪切破碎帶較寬，且有一定的相互錯(cuò)動(dòng)，斷層面與最大主應(yīng)力方向夾角略小于45，破壞前應(yīng)變量在5-10%。第五類：距地表20Km，圍壓大于50MPa，溫度大于500，巖石處于完全

12、延性狀態(tài)，永久應(yīng)變量大于10%。50圖4-2 石灰?guī)r及大理石的破壞特征514.2 巖石抗壓強(qiáng)度及其影響因素一、抗壓強(qiáng)度巖石強(qiáng)度的含義是指巖石不致產(chǎn)生破壞而能抵抗的最大應(yīng)力，巖石力學(xué)中常將破壞應(yīng)力定義為巖石強(qiáng)度。 單軸強(qiáng)度是指巖石試件在單軸載荷下達(dá)到破壞時(shí)的最大應(yīng)力，一般分成抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度等等。 單軸抗壓強(qiáng)度簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度，通常將圓柱體(如5.411cm3)的巖石試件放置在壓力機(jī)上進(jìn)行單軸加壓試驗(yàn)，當(dāng)壓力達(dá)到破壞時(shí)，則試件破壞應(yīng)力稱為巖石抗壓強(qiáng)度。即 c=Pc/A 上式Pc為破壞載荷， A為試件原始橫截面面積。 52二、影響因素1、巖石的內(nèi)在因素礦物成分、顆粒大小、膠結(jié)物及孔隙度是控制強(qiáng)度的

13、內(nèi)在因素。硅質(zhì)膠結(jié)鐵質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)泥質(zhì)膠結(jié)水的滲入促進(jìn)交接軟化，強(qiáng)度大幅降低。2、實(shí)驗(yàn)方法與物理環(huán)境試件直接放在壓機(jī)上加載，端面產(chǎn)生不均勻分布力；高徑比的影響53 端面壓力分布圖 高徑比對(duì)強(qiáng)度的影響 1 1.5 2 2.5 3544.3 巖石的單軸抗拉強(qiáng)度及其影響因素一、抗拉強(qiáng)度 巖石的抗拉強(qiáng)度是指試件在單軸拉伸條件下達(dá)到破壞時(shí)的極限應(yīng)力?？刹捎弥苯踊蜷g接方法來測(cè)定巖石的抗拉強(qiáng)度。直接法： t=P/A間接法即巴西實(shí)驗(yàn)法(Brazilian test) t=2P/dl 55二、巖石抗拉強(qiáng)度影響因素巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，一般前者為后者的1/101/20，甚至為1/50。其抗拉強(qiáng)度低的原因主要

14、是由于巖石內(nèi)部孔隙的影響，一般情況由于巖石內(nèi)部微裂隙、孔隙較為發(fā)育，這種缺陷對(duì)抗拉強(qiáng)度降低尤為敏感，在拉應(yīng)力作用下具有削弱巖石強(qiáng)度的效應(yīng)。巖石的抗拉強(qiáng)度還受到巖石本身內(nèi)部組分的影響，例如礦物成份，顆粒間膠結(jié)物的強(qiáng)度都影響巖石的抗拉強(qiáng)度。 564.4 巖石的抗剪強(qiáng)度一、抗剪強(qiáng)度（內(nèi)聚力0，內(nèi)摩擦角）抗剪強(qiáng)度一般有兩種定義：一種是指試件在法向載荷作用下，巖石剪切破壞面上的最大剪應(yīng)力；另一種定義為純剪切時(shí)(即沒有法向載荷)，剪切破壞面上的最大剪應(yīng)力。 前者考慮到剪切破壞時(shí)巖石中包含著粘聚力和內(nèi)摩擦力；后者僅僅取決于粘聚力。 室內(nèi)常采用直接剪切實(shí)驗(yàn)及三軸實(shí)驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度。 57直接剪切實(shí)驗(yàn)傾斜壓模剪切

15、法 最廣泛采用的是楔形簡(jiǎn)單剪切儀，主要裝置如圖所示，將長(zhǎng)方柱體(101015cm)試件放置在剪切儀中，在壓力機(jī)上施加壓力進(jìn)行剪切破壞試驗(yàn)。當(dāng)載荷P達(dá)到一定值時(shí)，試件沿ab截面剪斷，一般在剪切裝置上下與壓力板之間裝有滾軸，并加上滑潤(rùn)油，在加載過程中可以消除壓力板與剪切儀之間的摩擦阻力。當(dāng)試件產(chǎn)生剪切破壞時(shí)，破裂面上的剪應(yīng)力及正應(yīng)力分別為： =T/A=P/Asin N=N/A=P/Acos 上式中P為試件產(chǎn)生剪切破壞時(shí)的載荷，T為作用在剪切破壞面上的剪力，N為作用在剪切破壞面上的壓應(yīng)力，A為剪切破壞面面積，為水平面與剪切破壞面之間的夾角。 58059剪切破壞實(shí)驗(yàn)時(shí)，同一種巖石采用多個(gè)巖石試件，分別

16、以不同角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)剪切破壞時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)值可以得到一對(duì)及n值，在坐標(biāo)系中繪出不同值的一系列點(diǎn)，用光滑曲線連接這些點(diǎn)，此曲線即為某種巖石剪切破壞時(shí)的強(qiáng)度曲線。它反映巖石抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)參數(shù)，即內(nèi)聚力(曲線與軸的交點(diǎn))與內(nèi)摩擦角(曲線與軸交點(diǎn)的切線與軸的夾角)。 60巖石三軸實(shí)驗(yàn)巖石三軸實(shí)驗(yàn)采用下圖所示三軸實(shí)驗(yàn)儀，將巖石試件放置在壓力室內(nèi)，施加一定的側(cè)向壓力(3)，然后施加垂直壓力(1)，直到巖石破壞。這樣可得到巖石破壞時(shí)1及3值。于是在坐標(biāo)系中可畫出一個(gè)破壞應(yīng)力圓。用相同巖石的試件進(jìn)行不同側(cè)向壓力3及垂直壓力1的破壞實(shí)驗(yàn)，這樣可得到一系列不同的1及3值，可畫出一組破壞應(yīng)力圓。這組破壞應(yīng)力圓的包

17、絡(luò)線，即為巖石抗剪強(qiáng)度曲線。包絡(luò)線上任意點(diǎn)的縱坐標(biāo)即代表在一定圍壓及垂直壓應(yīng)力作用下，沿剪切破裂面的抗剪強(qiáng)度f；任意點(diǎn)的切線與橫坐標(biāo)之間夾角(代表相應(yīng)剪切面上的內(nèi)摩擦角；切線與縱坐標(biāo)相交的截距，即為該剪切破壞面的粘聚力C。 610624.5 不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度巖石或巖塊是指從巖體中切割下出來尺寸較小較完整的巖塊（例如巖芯或人工切割的巖石），含裂隙較少。它的強(qiáng)度及變形性態(tài)主要取決于物理環(huán)境和巖石的組成。巖體是指地殼中充分大的地質(zhì)體的一部分。含有各種不連續(xù)的結(jié)構(gòu)面及軟弱面：如節(jié)理、裂隙、劈理、片理、軟弱夾層及斷層等。巖體中不連續(xù)結(jié)構(gòu)面形成了應(yīng)力傳遞的不連續(xù)面。巖體的有效強(qiáng)度大大低于完整巖石的強(qiáng)度。

18、63結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)一、法向變形在法向載荷作用下，巖石粗糙結(jié)構(gòu)面的接觸面積和接觸點(diǎn)隨載荷增加而增加，結(jié)構(gòu)面間隙呈非線性減小，應(yīng)力與法向變形之間呈指數(shù)關(guān)系。（接觸點(diǎn)的彈性變形、壓碎和間接拉裂隙的產(chǎn)生，以及新的接觸點(diǎn)、接觸面積的增加）。載荷去除后，將引起明顯的后滯和非彈性效應(yīng)。Goodman模型為原位應(yīng)力；n為法向應(yīng)力；n為結(jié)構(gòu)面閉合量。64nn嚙合非嚙合nn65二、剪切變形破壞后巖石的滑動(dòng)方式有兩種：一種是沿滑動(dòng)面產(chǎn)生連續(xù)位移，成為穩(wěn)定滑動(dòng)；其應(yīng)力應(yīng)變曲線為連續(xù)光滑曲線，另一種沿摩擦面產(chǎn)生突跳運(yùn)動(dòng)式位移，其應(yīng)力應(yīng)變曲線為鋸齒狀振蕩，稱為粘滑。影響滑動(dòng)方式的因素有兩方面，一是巖石類型、孔隙度、礦物

19、、斷層泥和水。二是壓力、溫度、加載速率和壓力機(jī)剛度。66三、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度n67四、影響因素加載方式、結(jié)構(gòu)面粗糙程度、膠結(jié)物性質(zhì)、膠結(jié)程度。68習(xí)題一組砂巖三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下，計(jì)算內(nèi)聚力，內(nèi)摩擦角？No.S3/MPaS1/MPa1010022018034023069基本概念蠕變經(jīng)驗(yàn)公式蠕變影響因素蠕變模型五、巖石的流變性705.1 基本概念巖石在長(zhǎng)期載荷作用下，應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間而變化的性質(zhì)成為巖石的流變性。巖石在恒定載荷作用下，其變形隨時(shí)間逐漸緩慢地增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為蠕變(creep)。若控制變形保持不變，應(yīng)力隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減少的現(xiàn)象，稱為松弛（Relaxation）。71t725.2 蠕變經(jīng)驗(yàn)公式描

20、述蠕變本構(gòu)關(guān)系的方法有兩種：經(jīng)驗(yàn)公式法和模型法735.3 影響因素一、應(yīng)力的影響10040.511.510MPa12.51518.120.5天74二、圍壓、溫度對(duì)蠕變性能的影響650MPa55044032040 c80ctt75三、巖石結(jié)構(gòu)及濕度對(duì)巖石蠕變形態(tài)的影響0.1mm0.63mm0.55mm巖鹽顆粒大小對(duì)蠕變的影響t76水HCl干濕度對(duì)蠕變的影響t775.4 蠕變模型 基本元件彈性元件=/E粘性元件 = 塑性元件 =sE s78麥克斯韋爾模式79若應(yīng)力保持恒定= 0，則：若初始時(shí)間t=t0，則初始應(yīng)變?yōu)椋簩⑸鲜椒e分：即：令t0=0,則：80開爾文模式Et81若恒定應(yīng)力= 0，則上式變?yōu)?/p>

21、：設(shè)t=t0時(shí)，解為：若設(shè)t=t0時(shí)，82柏格斯模式E11E2283設(shè)初始時(shí)刻t=0時(shí)，作用一恒定應(yīng)力0，初始瞬時(shí)應(yīng)變0=0/E，則上式解為：84思考題：井深為3000米的鹽膏層，溫度為100C，上覆巖層壓力梯度為0.023MPa/m，水平地應(yīng)力梯度為0.019MPa/m，求井眼鉆井液密度為1.1g/cm3時(shí)的井眼收縮速率？（只考慮穩(wěn)態(tài)蠕變階段，蠕變速率=1.1x10-91.9 1/hr）85六、強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則Maximum extension stress criterionCoulomb-Navier CriterionMohr CriterionHOEK-BROWN CriterionGr

22、iffith Criterion86拉伸破壞準(zhǔn)則 3=-t是水力壓裂的起點(diǎn)或井漏的起點(diǎn)。maxmin87COULOMB-Navier破壞準(zhǔn)則巖石沿某一面發(fā)生剪切破壞，不僅與該面上剪應(yīng)力的大小有關(guān)，而且與該面的正應(yīng)力有關(guān)。巖石并不沿著最大剪應(yīng)力作用面產(chǎn)生破壞，而是沿著其剪應(yīng)力與正應(yīng)力達(dá)到最不利組合的某一面產(chǎn)生破裂。即： f= 0+f在、坐標(biāo)系下，上式為一直線方程。88/4-/289Mohr 破壞準(zhǔn)則從三軸試驗(yàn)可以看出：當(dāng)圍壓較低時(shí)，巖石剪切破裂線近似為一條斜直線。當(dāng)圍壓較高時(shí)，則為一條曲線。其、0均隨圍壓大小而變化。當(dāng)圍壓較高時(shí)，角變小， 0增加。常用拋物線型曲線和雙曲線型曲線描述巖石的抗剪強(qiáng)度

23、。9091HOEK-BROWN 破壞準(zhǔn)則1 最大主應(yīng)力；3最小主應(yīng)力c單軸抗壓強(qiáng)度；mb HOEK-BROWN常數(shù)s，a巖體特征常數(shù)92Griffith 斷裂準(zhǔn)則1393裂紋尖端周向應(yīng)力：94Griffith斷裂準(zhǔn)則95七、聲波在巖石中的傳播固體中彈性波的基本理論表面波有限介質(zhì)中的彈性波聲阻抗、折射和反射聲發(fā)射967-1 固體中彈性波的基本理論1。彈性波的波動(dòng)方程動(dòng)力方程：作用在微單元體dxdydz上的應(yīng)力如圖所示。zyx97X方向運(yùn)動(dòng)微分方程：化簡(jiǎn)后，得：98幾何方程：99物理方程：1002。無限彈性體中波的類型將幾何方程、物理方程帶入動(dòng)力方程，得：101壓縮波又名P波、無旋轉(zhuǎn)波或縱波。由于

24、無旋轉(zhuǎn)，令：即有：102將上式帶入x方向動(dòng)力方程，有：同理，y、z方向，有：103令：Vp為壓縮波傳播的速度，且各方向的波速相等，壓縮波傳播過程中仍包含著剪切變形，具有無旋轉(zhuǎn)及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波傳播方向一致的特點(diǎn)。104剪切波又名S波、畸變波、等體積波或橫波。由于等體積，令：帶入動(dòng)力方程，得：105令：為剪切波波速。剪切波具有等體積及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向垂直的特點(diǎn)。Vp、Vs的關(guān)系為： 對(duì)于泊松比為0-05，必有：106840.10.20.5泊松比Vp/Vs107由于縱波的速度總是比橫波的速度要快，因此，常把縱波稱為初至波（Primary），簡(jiǎn)稱為P波；把橫波稱為續(xù)至波（Secondary）或

25、次波，簡(jiǎn)稱為S波。1087 2 表面波通過前面的討論，在各向同性無限介質(zhì)中，由而且僅有縱波和橫波兩種類型的彈性波。但是，若介質(zhì)存在一個(gè)或多個(gè)界面，并在界面兩側(cè)具有不同的彈性參數(shù)，如固體與空氣的交界面，其情況將如何呢？理論分析和實(shí)際觀測(cè)表明：在界面附近存在著稱為表面波的波形。這種波受到界面的制約，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)的振幅隨著離開界面距離的增加而按指數(shù)規(guī)律減小。109表面波有兩種基本形式，一是瑞利（Rayeigh）波，它存在于介質(zhì)徑向垂直平面內(nèi)，這時(shí)質(zhì)點(diǎn)作橢圓形的逆進(jìn)運(yùn)動(dòng)。另一種表面波稱為勒夫（Love）波。它是當(dāng)半無限介質(zhì)表面上至少覆蓋有一層表面層時(shí)才可能出現(xiàn)。這時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)僅在水平橫向作剪切型振動(dòng)。下

26、面僅介紹瑞利波的一些重要結(jié)論：（1）Vr是Vs的m倍。110（2）表面波的波速Vr與頻率無關(guān)，而僅與介質(zhì)的彈性系數(shù)有關(guān)。因此，表面波在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)波形不會(huì)改變。即不會(huì)出現(xiàn)頻散現(xiàn)象。（3）表面波沿界面一定深度傳播，它的強(qiáng)度隨深度很快衰減，頻率越高，這種沿深度發(fā)生的振幅衰減就越快。（4）面波隨距離的衰減要比體波慢（面波與距離的一次方呈反比，體波與距離的二次方呈反比）。111P S Rt縱波、橫波、面波的傳播次序1127-3 有限介質(zhì)中的彈性波對(duì)于常見的有限體，如圓柱形桿、圓管、以及板等，邊界面具有機(jī)械波導(dǎo)的性質(zhì)，使得在介質(zhì)中傳播的彈性波受到界面的制約，產(chǎn)生了簡(jiǎn)單的和復(fù)雜的制導(dǎo)波。當(dāng)縱波沿圓

27、柱形桿傳播時(shí)，必將產(chǎn)生切向變形，出現(xiàn)縱橫波。當(dāng)橫波沿圓柱形桿傳播時(shí)，也將出現(xiàn)各橫截面之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)彎曲波。桿件具有長(zhǎng)度和直徑兩個(gè)尺寸，可以同時(shí)產(chǎn)生相互影響的軸向振動(dòng)和橫向振動(dòng)。沿桿軸傳播的縱波速度小于無限大介質(zhì)中的縱波速度。1137-4 聲阻抗、折射和反射聲阻抗：介質(zhì)密度與波速的乘積。相當(dāng)于電學(xué)中的電阻。下面討論彈性波在半無限介質(zhì)邊界面處的行為：（1）分界面的一側(cè)，介質(zhì)的密度為，而波速為V；另一側(cè)為真空情況。即=V=0，稱為半無限介質(zhì)的自由面。（2）分界面一側(cè)介質(zhì)的密度為a，波速為Va;而另一側(cè)介質(zhì)的密度為b,波速為Vb。在介質(zhì)的分界面上，必須滿足兩個(gè)條件：114（1）在分界面上，兩種介

28、質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移應(yīng)該相等。界面上質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)必須連續(xù)。（2）在界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)所受的應(yīng)力應(yīng)該相等。分析平面縱波入射到自由表面時(shí)的情形A3,VsA2,VpA1,Vpxyo122115取YZ平面為介質(zhì)的自由面，而入射的縱波與x軸成1角。入射后產(chǎn)生一個(gè)反射縱波，其反射角為2= 1。同時(shí)還反射一個(gè)橫波Vs，反射角為2。11620406080入射角10.40.8A2/A1A3/A1=1/3振幅比1177-6 巖石的聲發(fā)射若干金屬和非金屬材料，當(dāng)受到外力作用時(shí)，會(huì)發(fā)射出音頻范圍或超音頻范圍的彈性波。這種彈性波常常是一種隨機(jī)的非周期性的暫態(tài)過程其產(chǎn)生的原因并不十分清楚。但是這種現(xiàn)象總是伴隨著材料在外力作用下的變

29、形和破壞的發(fā)展而產(chǎn)生的。每一次的發(fā)射都是材料內(nèi)局部所儲(chǔ)存的彈性能的一次突然的釋放。釋放出的彈性能以脈沖波的形式由材料傳播至其表面，當(dāng)這種能量釋放達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)，經(jīng)?？梢员蝗硕犚姟Ｒ虼?，材料在外力作用下，發(fā)生變形和破壞過程中所觀察到的彈性能脈沖式釋放的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射現(xiàn)象，也稱凱塞爾效應(yīng)。118巖石也有聲發(fā)射現(xiàn)象。巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象可能與下述現(xiàn)象有關(guān)：（1）微觀水平上的位錯(cuò)；（2）巖石顆粒之間原有聯(lián)系的破裂；（3）貫穿巖石顆粒的裂隙的發(fā)展。巖石試件在加壓過程中發(fā)生變形，產(chǎn)生的聲發(fā)射經(jīng)壓電陶瓷換能器檢驗(yàn)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，由高通濾波器濾除各種低頻干擾再經(jīng)寬頻帶放大器放大后由磁帶記錄下來。對(duì)聲發(fā)射

30、現(xiàn)象研究過程中所記錄的參數(shù)有：119（1）A.E.累計(jì)值N一定時(shí)間內(nèi)記錄到的超過規(guī)定閥值的聲發(fā)射次數(shù)的總和.（2）A.E.頻度NR單位時(shí)間內(nèi)觀察到的聲發(fā)射次數(shù)。（3）A.E.振幅值A(chǔ)用任意單位表示的每一次聲發(fā)射的最大振幅。（4）A.E.能量E任意單位表示的聲發(fā)射振幅的平方。（5）能量累計(jì)E一定時(shí)間范圍內(nèi)所測(cè)得的全部聲發(fā)射能量的總和。120聲發(fā)射研究結(jié)果（1）聲發(fā)射現(xiàn)象及伴隨的聲信號(hào)是時(shí)間的非周期性函數(shù)。聲發(fā)射的時(shí)間序列沒有周期性。（2）每次聲發(fā)射信號(hào)與其它任何一次聲發(fā)射信號(hào)的波形都不會(huì)完全相同。即每次聲發(fā)射信號(hào)都有它自己的特殊的頻率譜。（3）巖石聲發(fā)射信號(hào)所產(chǎn)生的聲信號(hào)，包含有很寬的頻率成分。

31、100赫到數(shù)十萬赫。聲發(fā)射技術(shù)是研究地應(yīng)力、脆性巖石破壞過程的重要手段。121八、原地應(yīng)力狀態(tài)巖石力學(xué)=應(yīng)力+強(qiáng)度應(yīng)力=原地應(yīng)力+巖石力性+人為擾動(dòng)地應(yīng)力的成因異?？紫秹毫Φ某梢虻貞?yīng)力方向的確定地應(yīng)力大小的確定122地應(yīng)力的成因重力作用假設(shè)：地層為無限大均質(zhì)各向同性彈性體；地層在沉積過程中逐漸被壓實(shí)。一般地層=0.25，水平地應(yīng)力比上覆巖層壓力為1/3；鹽膏層=0.5，水平地應(yīng)力等于上覆巖層壓力。123上覆巖層壓力隨井深的變化v=0.027h01000200030004080上覆巖層壓力v（Mpa)井深/m124構(gòu)造應(yīng)力現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力，如板塊運(yùn)動(dòng)、斷層活動(dòng)；現(xiàn)今巖石力學(xué)性質(zhì)；沉積歷史溫度和孔隙壓

32、力其它因素局域構(gòu)造特征，如斷層、褶皺、鹽丘等地表形態(tài)油藏注采125大洋板塊大陸板塊板塊運(yùn)動(dòng)示意圖126無層面滑移有層面滑移褶皺內(nèi)應(yīng)力的變化127構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響井深應(yīng)力擠壓斷層拉張斷層vhH128地應(yīng)力方向的確定井眼崩塌斷層分析水力壓裂129地應(yīng)力大小的確定由上覆巖層壓力求水平地應(yīng)力用測(cè)井資料確定儀器測(cè)量（ASR,DSA,Flat jack,AE等）水力壓裂130dpumpdPctimeFlat Jack Stress Test131Stress Release Test132Anelastic Strain Relaxation直井需要6個(gè)測(cè)點(diǎn)；斜井需要9個(gè)測(cè)點(diǎn)。Elapsed timed

33、isplacement133應(yīng)變片圍壓微應(yīng)變Differential Strain Analysis134水力壓裂法PfPrPsPaPt135地層抗拉強(qiáng)度：t=Pf-Pr最小水平地應(yīng)力：h=Ps最大水平地應(yīng)力：H=3 h-Pf+ t-Pp136九、地層孔隙壓力預(yù)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)方法預(yù)測(cè)方法137異?？紫秹毫紫秹毫νㄟ^有效應(yīng)力影響巖石的變形和破壞。在沉積過程中一般地層中的孔隙水能夠自由運(yùn)移，形成常壓地層。偏離正常壓力的地層稱為異常壓力地層，分異常高壓和異常低壓兩種。異常壓力特點(diǎn)：地層比較年輕；伴隨高孔隙度；起始于較大埋深；砂泥巖交互層較厚。138異常壓力產(chǎn)生的原因：欠壓實(shí)迅速沉積盆地?cái)?/p>

34、層運(yùn)動(dòng)封閉地層高位水源頭，如高山附近。其它原因，如熱膨脹等。1399.1 地層孔隙壓力預(yù)測(cè)理論基礎(chǔ)在陸地和海上烴類資源普查中，均發(fā)現(xiàn)了異常壓力?？梢源嬖谟谏澳鄮r剖面，也可以存在于蒸發(fā)巖剖面。在地質(zhì)時(shí)代上，形成范圍從新生代到古生代。成因有：沉積壓實(shí)不均、水熱增壓、滲透作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。140地層沉積過程：沉積物壓縮過程是由上覆沉積層重力引起的。隨著上覆巖層的增加，下面的地層逐漸被壓實(shí)。若沉積速度較慢，沉積層內(nèi)巖石顆粒有足夠的時(shí)間進(jìn)行重新緊密排列，使孔隙度減小，孔隙中過剩流體被擠出。如果是“開放”地質(zhì)環(huán)境，被擠出流體就沿阻力小的方向或向低壓高滲方向流動(dòng)，于是便建立了正常壓力環(huán)境。影響地層壓實(shí)的主要因

35、素有：上覆沉積速度；地層滲透率大?。豢紫抖葴p小速度；排出流體能力。1419.2 地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)方法dc指數(shù)法（1）1965賓漢通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，提出了鉆速方程：V=KaNe(P/D)d由鉆速方程可以得到d指數(shù)，進(jìn)一步修正得到dc指數(shù)。dc=n/ m=log(3.282e/N)/log(0.0684P/D)(2)繪制dc指數(shù)隨深度變化圖（3）建立正常趨勢(shì)線AMCO認(rèn)為不同地區(qū)正常趨勢(shì)線變化不大。142dchdc指數(shù)示意圖143(4)運(yùn)用dc指數(shù)計(jì)算孔隙壓力有四種方法：a.反算法 p=(dcn/dc) hb.等效應(yīng)力法 dc指數(shù)反映了泥頁(yè)巖壓實(shí)程度，相等dc指數(shù)其基巖應(yīng)力也相等。而上覆巖層壓力總

36、是等于地層壓力和基巖應(yīng)力之和，正常壓力下基巖應(yīng)力可以求得，這樣，應(yīng)用dc值相同和值相同原理，可得計(jì)算公式：Gp=Gp0+(Go-Gp0)(dcn-dc)/(a*h)a為正常趨勢(shì)線的斜率144dcndcheh145c 伊頓法1976年伊頓通過大量實(shí)踐，得出：Gp=Go-(Go-Gn)(dc/dc)1.2d 對(duì)數(shù)法1967年統(tǒng)計(jì)分析得：p=0.91log(dcn-dc)+1.98146C指數(shù)法1982年P(guān).L. Moore提出的新方法，原理：孔隙壓力增加機(jī)械鉆速增高，增加泥漿密度可使鉆速降低。若增加泥漿密度使機(jī)械鉆速恢復(fù)到原來的值，泥漿密度的增量即為孔隙壓力的增量。2= 1log(3.2808vh

37、1)/log(3.2808vh21/cc值由鄰井資料計(jì)算。1479.3 孔隙壓力預(yù)測(cè)方法地震層速度法1。公式法先建立正常壓實(shí)地層層速度與井深的關(guān)系線。然后建立計(jì)算公式。a等效深度法層速度相同的地層具有相同的有效應(yīng)力。Pp=GnHe+(H-He)Gob比值法正常壓力地層層速度與地層壓力之積等于異常壓力地層層速度與孔隙壓力之積。148Pp=Gn(vn/v)2.圖版法3.直接預(yù)測(cè)法=B(v-vmin)/(vmax-A(v-vmin)Pp=Go-(Go-Gn)(v/vn)3Pp=Go(vmax-v)/(vmax-vmin)1493聲波時(shí)差法等效深度法Gp=Go-(Go-Gn)ln( t0)-ln(tn

38、)/Ch伊頓法Gp=Go-(Go-Gn)(tn/ t)3.6150十、井壁穩(wěn)定的基本原理地層三個(gè)壓力的概念孔隙壓力地層孔隙壓力是指地層中孔隙流體的壓力。坍塌壓力地層坍塌壓力是指井壁產(chǎn)生剪切破壞時(shí)的臨界井眼壓力。破裂壓力地層破裂壓力是指地層產(chǎn)生拉伸破壞時(shí)的臨界井眼壓力。15110.1 井眼圍巖應(yīng)力分布規(guī)律應(yīng)力 強(qiáng)度直井線彈性模型斜井線彈性模型蠕變模型152 直井線彈性井眼圍巖應(yīng)力分布規(guī)律假設(shè)：地層為線性、均質(zhì)、各向同性彈性體。Hh153hHhhH- h154則，井眼圍巖有效應(yīng)力分布規(guī)律為：155井壁上一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：156斜井井眼應(yīng)力分布規(guī)律Hhvzr157158井壁上一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：15910

39、.2 坍塌壓力的計(jì)算Mohr-Coulumb 準(zhǔn)則直井井壁應(yīng)力表達(dá)式：160井壁應(yīng)力與圓周角的關(guān)系：161當(dāng)=90，井壁應(yīng)力分量為：pmz rP1 p2162令1= ， 3= r，則帶入庫(kù)倫準(zhǔn)則，得：163令1= z， 3= r，則帶入庫(kù)倫準(zhǔn)則，得：令1= z， 3= ，則帶入庫(kù)倫準(zhǔn)則，得：16410.3 破裂壓力的計(jì)算拉伸破壞準(zhǔn)則：破裂壓力表達(dá)式：16510.4 計(jì)算示例 某油田井深為2600米的砂巖地層，強(qiáng)度符合Mohr-Coulumb準(zhǔn)則，其內(nèi)聚力為6MPa,內(nèi)摩擦角為43.8度，泊松比為0.2，單軸抗拉強(qiáng)度為0。地層的上覆巖層壓力梯度為22.6KPa/m,地層孔隙壓力梯度為12.2KP

40、a/m,假設(shè)水平地應(yīng)力均勻，且其應(yīng)力梯度為17KPa/m.試求打開該砂巖層的合理鉆井液密度范圍。166解：（1）原地應(yīng)力狀態(tài)上覆巖層壓力v=22.6x2600=58.76MPa;水平地應(yīng)力h=H=17x2600=44.2MPa；（2）孔隙壓力Pp=12.2x2600=31.7MPa;（3）地層破裂壓力Pf=3h-H+t-Pp=3x44.2-44.2+0-31.72=56.68當(dāng)量鉆井液密度為100 x56.68/2600=2.18g/cm3（4）地層坍塌壓力井壁上的應(yīng)力分量r=Pm167= 2h-Pm=88.4-Pmz= v=58.76若： 1= ，3= r,則根據(jù)Mohr-Coulumb定律，有：40.66-0.922Pm=6+(0.6922Pm-18.11)x0.959Pc=36.79當(dāng)量鉆井液密度為：1.42g/cm3該層位合理鉆井液密度范圍是1.42-2.18168解：（1）原地應(yīng)力狀態(tài)上覆巖層壓力v=22.6x2600=58.76MPa;水平地應(yīng)力h=44.2MPa,H=50MPa；（2）孔隙壓力Pp=12.2x2600=31.7MPa;（3）地層破裂壓力Pf=3h-H+t-Pp=3x44.2-50+0-