岩石物理学5(岩石的变形)ppt

1、2021-11-8地球物理与石油资源学院1岩石物理学岩石物理学授课人：黄文新地球物理与石油资源学院长江大学联系方式： E-mail： tel: 8060418(o) 137072191812021-11-8地球物理与石油资源学院2岩石物理学岩石物理学第第1 1章章 岩石岩石第第2 2章章 岩石孔隙度和渗透率岩石孔隙度和渗透率 第第3 3章章 岩石中波的传播与衰减岩石中波的传播与衰减 第第4 4章章 岩石的弹性岩石的弹性第第5 5章章 岩石的变形岩石的变形第第6 6章章 岩石的断裂岩石的断裂 第第7 7章章 岩石的强度岩石的强度第第8 8章章 岩石的其它特性岩石的其它特性2021-11-8地球物

2、理与石油资源学院3第第 5 5章章 岩石的变形岩石的变形 5.1 5.1 应力应力 5.2 5.2 岩石的本构关系岩石的本构关系 5.3 5.3 岩石的蠕变岩石的蠕变 5.4 5.4 岩石实验岩石实验岩石物理学岩石物理学2021-11-8地球物理与石油资源学院4第第5 5章章 岩石的变形岩石的变形 在力的作用下，岩石原始的长度、体积和形状都会发在力的作用下，岩石原始的长度、体积和形状都会发生变化。受力后变形是岩石最常见的力学性质。生变化。受力后变形是岩石最常见的力学性质。 本章重点介绍与岩石有关的变形特点，特别是在地球本章重点介绍与岩石有关的变形特点，特别是在地球内部高温高压环境下岩石的变形特

3、征。内部高温高压环境下岩石的变形特征。2021-11-8地球物理与石油资源学院55.1 5.1 应力应力(stress)(stress)第第5 5章章 岩石的变形岩石的变形5.1.1 5.1.1 力和应力力和应力图图51 51 应力的概念应力的概念 作用在岩石内部作用在岩石内部O O点的力可以这样来描述点的力可以这样来描述( (图图2. 2. 1):1):对于通过对于通过O O点的任意方向点的任意方向OP(v),OP(v),设想有一个设想有一个与与 OP OP垂直且面积为垂直且面积为 S S的小切面，该切面所的小切面，该切面所切开的两部分之间存在相互作用力切开的两部分之间存在相互作用力F(F(

4、这里忽这里忽略力矩不计略力矩不计) )，我们把，我们把: : (51)定义为在定义为在O O点相应于点相应于OPOP方向的应力。方向的应力。2021-11-8地球物理与石油资源学院6第二，应力不仅与岩石内部的受力情况有关，第二，应力不仅与岩石内部的受力情况有关， 而且与切面方向而且与切面方向的选择也有关。的选择也有关。5.1 5.1 应力应力(stress)(stress)定义中包括两个重要概念定义中包括两个重要概念: :第一，应力是单位面积上的作用力第一，应力是单位面积上的作用力; ; 岩石力学中规定压应力为正，拉应力为负。这与弹性理论中岩石力学中规定压应力为正，拉应力为负。这与弹性理论中关

5、于应力正负的习惯规定恰好相反。采用这样的规定，有两方关于应力正负的习惯规定恰好相反。采用这样的规定，有两方面的原因面的原因: :第一，在地球科学中，地球介质所受力多为压应力，第一，在地球科学中，地球介质所受力多为压应力，而不是张应力而不是张应力; ;第二，在土力学、构造地质学等与岩石力学有密第二，在土力学、构造地质学等与岩石力学有密切联系的学科中，已经采用了压应力为正的规定。因此，岩石切联系的学科中，已经采用了压应力为正的规定。因此，岩石力学中尽管许多公式的形式与弹性力学一致，但要注意，应力力学中尽管许多公式的形式与弹性力学一致，但要注意，应力正负的规定是与弹性力学相反的。正负的规定是与弹性力

6、学相反的。2021-11-8地球物理与石油资源学院7 如果在如果在O O点选择一组正交的坐标点选择一组正交的坐标(x1,x2,x3)(x1,x2,x3)，用，用i,ji,j (i,j= 1,2,3) (i,j= 1,2,3)表示法线为表示法线为i i方向切面上方向切面上j j方向的应力，将得到九个量方向的应力，将得到九个量 。5.1 5.1 应力应力(stress)(stress) (52)5.1.2 5.1.2 主应力主应力 在岩石内部某一点，若某一法线为在岩石内部某一点，若某一法线为的切面上求得的应力矢量的切面上求得的应力矢量T T与与方向一致，则该切面上剪应力必定为零。这时称方向一致，则

7、该切面上剪应力必定为零。这时称方向为该点方向为该点的主方向的主方向, ,相应的切面为主平面，主平面上的正应力称为主应力。可相应的切面为主平面，主平面上的正应力称为主应力。可以证明，在任何一点都存在着三个主方向，而且这三个主方向互相以证明，在任何一点都存在着三个主方向，而且这三个主方向互相垂直。垂直。主平面主应力 其余为剪切应力2021-11-8地球物理与石油资源学院85.1 5.1 应力应力(stress)(stress) 在岩石力学中，经常取三个主方向为坐标轴，在这种坐标系中，应力在岩石力学中，经常取三个主方向为坐标轴，在这种坐标系中，应力张量有非常简单的形式。若把主应力记为张量有非常简单的

8、形式。若把主应力记为1 1 2 2 和和 3 3 ，则应力，则应力张量为：张量为：在岩石力学中，我们总是规定：在岩石力学中，我们总是规定： 即用即用 1 1代表最大主应力，用代表最大主应力，用 2 2代表最小主应力，代表最小主应力，而而 3 3则表示中等主应力。则表示中等主应力。2021-11-8地球物理与石油资源学院95.1.3 5.1.3 地应力地应力5.1 5.1 应力应力(stress)(stress) 处理地质间题时，常用的应力符号处理地质间题时，常用的应力符号:垂直方向的主应力，垂直方向的主应力，HmaxHmax水平方向最大主应力，水平方向最大主应力，HminHmin水平方向最小主

9、应力来。水平方向最小主应力来。2021-11-8地球物理与石油资源学院105.1 5.1 应力应力(stress)(stress)1 1、没有构造应力的地壳上部的应力场、没有构造应力的地壳上部的应力场 所谓没有构造应力，就是只考虑岩石自重引起的应力场，并且假所谓没有构造应力，就是只考虑岩石自重引起的应力场，并且假定岩石在水平方向没有变形定岩石在水平方向没有变形 。显然。显然 ，v v =* *g g* *h h （53） （54）其中其中是岩石的密度是岩石的密度, g, g是重力加速度，是重力加速度，h h是深度是深度, , 是岩石的泊松比。是岩石的泊松比。2021-11-8地球物理与石油资源

10、学院115.1 5.1 应力应力(stress)(stress)2 2、地应力的简单计算、地应力的简单计算( (英文板书）英文板书）（1 1） Isotropic rocks Isotropic rocks (2) Anisotropic rocks(2) Anisotropic rocks3 3、地应力在石油工程中应用、地应力在石油工程中应用2021-11-8地球物理与石油资源学院12地层可以近似看作横向各向同性介质主要研究水平方向上最大地应力最小地应力弹性模量和应力关系 应力与横波速度关系 导出横向各向同性地层中地应力计算公式 主要应用地层弹性参数的计算最大最小水平地应力的计算最大最小安全

11、钻井泥浆密度的计算水力压裂裂缝高度预测各向异性参数的计算2021-11-8地球物理与石油资源学院132021-11-8地球物理与石油资源学院141 1）各向同性地应力计算模型）各向同性地应力计算模型 利用电缆地层测试或压力恢复测试资料，在不考虑构造应力影响情况下，各向同性模型计算水平应力公式为：ppbxPPP01 泊松比泊松比P Pob ob 上覆岩层压力上覆岩层压力P Pp p 孔隙流体压力孔隙流体压力 Biot Biot 常量常量针对：针对： 声波全波测井声波全波测井 偶极横波测井偶极横波测井 无横波资料无横波资料一、应力与应变关系的地应力计算模式一、应力与应变关系的地应力计算模式2021

12、-11-8地球物理与石油资源学院152021-11-8地球物理与石油资源学院16根据图1泊松比和应力分布，沿x方向的泊松比 yxxyv/zxxzv/类似有沿y方向和z方向的泊松比，杨氏模量为： xxxE/yyyE/zzzE/xzyyxzyzxzxvxyvyxvzyvyzvxzv图1 各向异性岩石地应力模型2 2）各向异性地应力计算模型）各向异性地应力计算模型2021-11-8地球物理与石油资源学院17在x方向的应变 :0 xxyyxyzzxzxEEvEv在y方向的应变 :0yyxxyxzzyzyEEvEv将地层看成横向各向同性，根据虎克定律有 xzxyyxyzvvvvppzzxyxxyxyxy

13、yxxPPEEvvvvv1ppzzyyxxyyxxyyxyPPEEvvvvv1其中其中为为BoitBoit常量常量, Pp, Pp为孔隙流体压力为孔隙流体压力。 针对：针对： 正交偶极横波测井正交偶极横波测井 2021-11-8地球物理与石油资源学院182021-11-8地球物理与石油资源学院19石石002002井各向同性模型计算地应力图井各向同性模型计算地应力图 实测应力值：实测应力值：x x=74.1Mpa =74.1Mpa y y=81.8Mpa=81.8Mpa处理应力值：处理应力值：x x=72.2Mpa =72.2Mpa y y=81.6Mpa=81.6Mpa五、应用实例五、应用实例

14、 2021-11-8地球物理与石油资源学院20 T85489T85489井各向异性模型计算地应力图井各向异性模型计算地应力图 2021-11-8地球物理与石油资源学院21二、地层破裂压力计算二、地层破裂压力计算 井内泥浆密度过大使岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度 导致地层破裂压力 MP（泥浆柱压力 ）增大减小增大到一定程度变为负值岩石所受周向应力由压缩变为拉伸 伸力大到足以克服岩石的抗拉强度 地层产生破裂造成井漏 破裂发生在 最小处。 或01802021-11-8地球物理与石油资源学院22PMyxyxaPP)(2)(pMyxaPP 3令 =0，此时的 值即为泥浆漏失,将 代入求得地层破裂时

15、井内液体压力即破裂压力MPtStPyxMtPMyxSaPPSaPP33当钻井泥浆密度 时，岩层破裂 MMPP22021-11-8地球物理与石油资源学院23三、井壁坍塌压力计算三、井壁坍塌压力计算 井内液柱压力较低 造成井壁周围岩层所受压力，超过岩石本身的强度 如果超过岩石本身的强度 井壁坍塌 脆性地层 产生坍塌掉块 导致井径扩大 塑性地层 井眼内产生塑性变形 导致缩径2021-11-8地球物理与石油资源学院24岩石剪切破坏与否主要受岩石所受岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到最大最小应力控制，从井壁受力到最大最小应力控制，从井壁受力状态中可以发现岩石的最大最小主状态中可以发现岩石的最大最小主应力分

16、别为其周向应力和径向应力应力分别为其周向应力和径向应力 说明导致井眼失稳的关键原因是井壁岩石所受的周向应力和径向应力差值 当0270090或12cos此时 有最大值 r在 时最易产生失稳坍塌现象 0027090和2021-11-8地球物理与石油资源学院25井壁坍塌压力井壁坍塌压力 )245() 1() 1(2)3(022ctgKKKaPCKSSPPyxm2021-11-8地球物理与石油资源学院26石002井井眼坍塌和稳定性预测图 实测破裂压实测破裂压力值：力值：Pf=96.9MpaPf=96.9Mpa处理破裂压处理破裂压力值：力值：Pf=97.5MpaPf=97.5Mpa2021-11-8地球

17、物理与石油资源学院27四、确定最大最小安全钻井泥浆密度四、确定最大最小安全钻井泥浆密度地应力 井内泥浆柱压力 联合作用于井壁 如果应力超过井壁强度剪切破坏或拉伸破坏 井壁失稳井内浆柱压力 过低脆性地层坍塌、掉块井径扩大塑性地层产生变形缩径过高脆性地层裂缝疏松地层渗漏2021-11-8地球物理与石油资源学院28 最小最大安全钻井液密最小最大安全钻井液密度计算表达式为：度计算表达式为： tPyxSaPP3max) 1() 1(2)3(min22KKaPpCKPyx)245(0 ctgK砂岩中一般取30 02021-11-8地球物理与石油资源学院29 T85489井井眼坍塌和稳定性预测（各向异性）图

18、 2021-11-8地球物理与石油资源学院30在水力压裂过程中，当增加井在水力压裂过程中，当增加井眼压力时，在与最小主应力眼压力时，在与最小主应力（xx或或yy）方向相垂直的平面）方向相垂直的平面上出现破裂裂缝。诱导这一裂缝上出现破裂裂缝。诱导这一裂缝所需压力称为开裂或破裂压力，所需压力称为开裂或破裂压力，一旦裂缝已经压开，保持裂缝开一旦裂缝已经压开，保持裂缝开口所需要的压力（在垂直裂缝的口所需要的压力（在垂直裂缝的情形下）将等于最小总水平应力，情形下）将等于最小总水平应力，这一应力就是通常所说的闭合应这一应力就是通常所说的闭合应力，在构造缓冲区，最小主应力力，在构造缓冲区，最小主应力通常是水

19、平的，因此裂缝将沿着通常是水平的，因此裂缝将沿着垂直面出现。垂直面出现。闭合应力闭合应力取决于两组变量，生产层及围岩层的最小取决于两组变量，生产层及围岩层的最小水平应力的分布和大小及压裂液的流动特水平应力的分布和大小及压裂液的流动特性。这些变量确定如下参数：性。这些变量确定如下参数： 所产生裂缝的方向和几何形状（高度、所产生裂缝的方向和几何形状（高度、长度和宽度）。长度和宽度）。 是一次压裂多层，还是一次压裂一层，或是一次压裂多层，还是一次压裂一层，或者是分组压裂及同时压裂。者是分组压裂及同时压裂。 水力压裂设计参数，例如功率、泵压以及水力压裂设计参数，例如功率、泵压以及支撑剂输送能力等。支撑

20、剂输送能力等。 压裂液的流动特性和效率。压裂液的流动特性和效率。水力压裂设计水力压裂设计 五、实际应用五、实际应用2021-11-8地球物理与石油资源学院31 利用应力强度因子预测裂缝高度利用应力强度因子预测裂缝高度在压裂过程中，在压裂过程中，压裂液产生张力。压裂液产生张力。在纵向压裂的情况在纵向压裂的情况下，它的压力与地下，它的压力与地球的水平压应力相球的水平压应力相抵消。如果地层的抵消。如果地层的顶部或底部的应力顶部或底部的应力强度因子强度因子K K超过地超过地层的断裂韧性因子层的断裂韧性因子K KLCLC的话，则预计的话，则预计裂缝沿纵向延伸。裂缝沿纵向延伸。因此预测裂缝是否因此预测裂缝

21、是否纵向延伸取决于在纵向延伸取决于在裂缝纵向终至处的裂缝纵向终至处的应力强度因子。应力强度因子。应力强度因子的计算应力强度因子的计算topbot射孔层段射孔层段 r=Pm(1-)r=Pm(1-) 断裂韧性因子断裂韧性因子K KLCLC=(r+Tao)2/E=(r+Tao)2/E* *(z(z* *h)h)1/21/2 6 -10)1 (0045. 0008. 0 (26. 0clclbVVcETao2021-11-8地球物理与石油资源学院32 利用最小水平应力预测裂缝高度利用最小水平应力预测裂缝高度水力压裂后裂缝是否延伸水力压裂后裂缝是否延伸主要取决生产层及围岩层的最主要取决生产层及围岩层的最

22、小水平应力分布和大小以及压小水平应力分布和大小以及压裂液的流动特性，从预测的角裂液的流动特性，从预测的角度考虑，压裂后裂缝是否延伸度考虑，压裂后裂缝是否延伸主要受最小水平应力的控制，主要受最小水平应力的控制，一般地，临近层的最小主应力一般地，临近层的最小主应力与目的层最小主应力之差是决与目的层最小主应力之差是决定裂缝纵向延伸的主要因素，定裂缝纵向延伸的主要因素，利用这个差来计算在每个压力利用这个差来计算在每个压力步增量时的裂缝高度并定性地步增量时的裂缝高度并定性地确定和输出每个压力水平上的确定和输出每个压力水平上的诱导裂缝几何形状诱导裂缝几何形状 射孔层内最小水平应力射孔层内最小水平应力值的选

23、择对裂缝高度的预测值的选择对裂缝高度的预测起着重要作用，考虑到裂缝起着重要作用，考虑到裂缝的上下延伸，射孔层内最小的上下延伸，射孔层内最小水平应力的变化，对射孔层水平应力的变化，对射孔层内最小水平应力值分不同的内最小水平应力值分不同的情况进行选取。情况进行选取。射孔层段射孔层段平均最小水平应力平均最小水平应力2021-11-8地球物理与石油资源学院33A A井资料处理及分析井资料处理及分析射孔层段：射孔层段：1769.8-1799.41769.8-1799.4米米估计的层段最小估计的层段最小水平应力为：水平应力为：22.6Mpa22.6Mpa处理井段为：处理井段为：1700-18001700-

24、1800米。米。高应力带障碍：高应力带障碍：17601760米（上延伸）米（上延伸）处理井段底部：处理井段底部：1799.41799.4米米裂缝限制在：裂缝限制在：1760-1799.41760-1799.4米米增加泵压或不增加增加泵压或不增加 裂缝高度不增加裂缝高度不增加高应力高应力带障碍带障碍处理井处理井段底部段底部2021-11-8地球物理与石油资源学院34B B井资料处理及分析井资料处理及分析 射孔层段及估算的最小主应力射孔层段及估算的最小主应力大小分别为：大小分别为：1770-17761770-1776米米 11.24Mpa11.24Mpa1778-1782米米 12.24Mpa射孔

25、层段为：射孔层段为：1778-17821778-1782米米处理井段处理井段1760-18001760-1800米米高应力障碍：高应力障碍： 1777.251777.25米（向上）米（向上）高应力障碍高应力障碍 1782.51782.5米（向下）米（向下）泵压增量由泵压增量由150psi150psi增加到增加到750psi750psi，裂缝高度不再增高。穿透地层的裂缝高度不再增高。穿透地层的深度（翼长）会增大深度（翼长）会增大射孔层段为：射孔层段为：1770-17761770-1776米，米， 处理井段：处理井段： 1760-18001760-1800米米高应力障碍：高应力障碍： 176917

26、69米（向上）米（向上）高应力障碍高应力障碍 1776.751776.75米（向下）米（向下）泵压增量由泵压增量由150psi150psi增加到增加到750psi750psi，裂缝高度不再增高。穿透地层的深裂缝高度不再增高。穿透地层的深度（翼长）会增大度（翼长）会增大 2021-11-8地球物理与石油资源学院35C C井资料处理及分析井资料处理及分析 射孔层段为射孔层段为1773-17991773-1799米，米， 估计的最小水平应力为估计的最小水平应力为23.26Mpa,23.26Mpa, 处理井段为处理井段为1750-18501750-1850米。米。裂缝向上延伸井段：裂缝向上延伸井段：1

27、773-1757.7501773-1757.750米米裂缝向上延伸井段：裂缝向上延伸井段：1799-1846.1251799-1846.125米米不再增加泵压增量或泵压增加到不再增加泵压增量或泵压增加到450psi450psi裂缝高度不再增加裂缝高度不再增加 泵压增量达到泵压增量达到600psi,600psi,处理井段将会全处理井段将会全部压开部压开向上高应向上高应力障碍带力障碍带向下高应向下高应力障碍带力障碍带射孔层段射孔层段2021-11-8地球物理与石油资源学院36 D D井资料处理及分析井资料处理及分析射孔层段为射孔层段为5983-60025983-6002米米处理井段处理井段5950

28、-60205950-6020米米估计的应力读数为估计的应力读数为75Mpa75Mpa裂缝向上延伸到裂缝向上延伸到 5976.3755976.375米米 裂缝向下延伸到裂缝向下延伸到 6009.1256009.125米米 向上高应向上高应力带障碍力带障碍向下高应向下高应力带障碍力带障碍射孔层段射孔层段裂裂缝缝高高度度2021-11-8地球物理与石油资源学院37射孔层段有三个分别为射孔层段有三个分别为: :4853.54889.54853.54889.5米米 64.7Mpa64.7Mpa5111.55189.05111.55189.0米米 68.0Mpa68.0Mpa5305.05339.0530

29、5.05339.0米米 68.0Mpa68.0Mpa射孔层段为射孔层段为4853.5-4889.54853.5-4889.5米米处理井段为处理井段为4800.0-4940.04800.0-4940.0米，米，泵压增量为泵压增量为150psi:150psi:裂缝向上延伸到裂缝向上延伸到4848.3754848.375米受米受阻，向下延伸到阻，向下延伸到48904890米米泵压增量增到泵压增量增到300psi:300psi:裂缝向上没有延伸，向下延裂缝向上没有延伸，向下延伸到伸到49224922米，米，继续增加泵压增量，裂缝向上延伸到继续增加泵压增量，裂缝向上延伸到4809.3754809.375

30、米受米受阻而终止延伸，向下延伸到阻而终止延伸，向下延伸到4930.3754930.375米遇阻米遇阻泵压增量达到泵压增量达到600psi600psi时，向下延伸到时，向下延伸到5048.3755048.375米米 泵压增量增大于泵压增量增大于300psi300psi，裂缝向，裂缝向上延伸的终止段上延伸的终止段2021-11-8地球物理与石油资源学院38射孔层段射孔层段5111.5-51895111.5-5189米米 处理井段处理井段5100.0-52105100.0-5210米米 泵压增量为泵压增量为150psi150psi时，裂缝时，裂缝 向上延伸到向上延伸到5108.3755108.375

31、米，向下延伸到米，向下延伸到5197.3755197.375米。米。泵压增量加到泵压增量加到300psi300psi，裂缝向上不延伸，向下，裂缝向上不延伸，向下延伸至延伸至5208.1255208.125米，米，泵压增量到泵压增量到450psi450psi，射孔层段上部全部压开，射孔层段上部全部压开，裂缝向下延伸到裂缝向下延伸到5305.1255305.125米。米。向上延伸高向上延伸高应力障碍带应力障碍带向下延伸高向下延伸高应力障碍带应力障碍带2021-11-8地球物理与石油资源学院39射孔层段射孔层段5305-53395305-5339米米 处理井段处理井段5300-54005300-54

32、00米米 泵压增量为泵压增量为150psi150psi：裂缝向上延：裂缝向上延伸至伸至53075307米，向下到射孔层底部米，向下到射孔层底部53395339米，米， 泵压增量加到泵压增量加到300psi300psi，裂缝向上，裂缝向上延伸到延伸到5306.255306.25米，向下不延伸，米，向下不延伸， 泵压增量到泵压增量到450psi,450psi,裂缝向上延裂缝向上延伸到伸到53055305米，向下不延伸，米，向下不延伸，裂缝向上、向裂缝向上、向下延伸到射孔下延伸到射孔层段顶底深度层段顶底深度2021-11-8地球物理与石油资源学院405.2 5.2 岩石的本构关系岩石的本构关系第第5

33、 5章章 岩石的变形岩石的变形 描述岩石或岩体的应变或应变率依赖于应力描述岩石或岩体的应变或应变率依赖于应力 、温度、温度T T、时间、时间t t和和其他因索等变化的关系式，称为本构关系，即其他因索等变化的关系式，称为本构关系，即 f(f(，T T，t.)t.)，本构关系是岩石最重要的力学规律之一。这是因为：一方面，利用本构关系是岩石最重要的力学规律之一。这是因为：一方面，利用这些关系式，可以知道在给定应力状态和环境下岩石变形的实际行这些关系式，可以知道在给定应力状态和环境下岩石变形的实际行为，提供应力与应变间的联系；对于非常简单的情况，即只当应变为，提供应力与应变间的联系；对于非常简单的情况

34、，即只当应变与应力有关时，本构关系就变成了弹性理论中所说的应力与应力有关时，本构关系就变成了弹性理论中所说的应力应变关应变关系。另一方面，因为我们通常观测的是地球介质的应变或应变率，系。另一方面，因为我们通常观测的是地球介质的应变或应变率，本构关系对于了解地球内部应力状态和环境本构关系对于了解地球内部应力状态和环境条件是极为有用的。条件是极为有用的。 2021-11-8地球物理与石油资源学院415.2 5.2 岩石的本构关系岩石的本构关系5.2.1 5.2.1 基本概念基本概念 材料的延性性质又可以分成与时间有关和与时间无关的两类。材料的性质与材料的延性性质又可以分成与时间有关和与时间无关的两

35、类。材料的性质与方向无关，则称这种材料为方向无关，则称这种材料为各向同性各向同性；否则，称之为；否则，称之为各向异性各向异性。 弹性：当施加于物体上的应力撤除后，物体的变形恢复到加应力以前的情况，弹性：当施加于物体上的应力撤除后，物体的变形恢复到加应力以前的情况，这种物体的变形可以恢复的性质叫做弹性这种物体的变形可以恢复的性质叫做弹性塑性：材料的变形不能完全恢复，这是由于材料发生了破裂或塑性变形塑性：材料的变形不能完全恢复，这是由于材料发生了破裂或塑性变形破裂（或断裂）：当施加的应力达到一定程度后，材料会发生破坏，由完破裂（或断裂）：当施加的应力达到一定程度后，材料会发生破坏，由完 整的整体分

36、成若干分离的部分，这种宏观形式的破坏整的整体分成若干分离的部分，这种宏观形式的破坏 如果材料破裂不伴有如果材料破裂不伴有( (或少量的或少量的) )永久变形，称材料是脆性的，反之则永久变形，称材料是脆性的，反之则称材料是延性的或韧性的。称材料是延性的或韧性的。2021-11-8地球物理与石油资源学院425.2 5.2 岩石的本构关系岩石的本构关系5.2.1 5.2.1 基本概念基本概念第二，在深入地表以下第二，在深入地表以下1010一一20 km20 km后，围压和温度都增加了，岩石表现出明显后，围压和温度都增加了，岩石表现出明显的延性和塑性性质。岩石的应变中除了可恢复的弹性部分外还有不可恢复

37、的的延性和塑性性质。岩石的应变中除了可恢复的弹性部分外还有不可恢复的永久变形部分；因此，随着深度的增加，岩石性质逐渐由脆性过渡到延性。永久变形部分；因此，随着深度的增加，岩石性质逐渐由脆性过渡到延性。果，图果，图5-15-1表示了岩石脆性变形、延性变形以及脆性一延性过渡时岩石变形的表示了岩石脆性变形、延性变形以及脆性一延性过渡时岩石变形的形态特征。脆性形态特征。脆性- -延性过渡延性过渡( (简写为简写为BDT)BDT)一般是在一定的温度压力范围内完成一般是在一定的温度压力范围内完成的。的。 第一，靠近地表处的岩石处于脆性状态，应力与应变之间接近于弹性的关系，第一，靠近地表处的岩石处于脆性状态

38、，应力与应变之间接近于弹性的关系，但是这里常遇到层状的结构，因而它的力学性质常常是各向异性的。此外，但是这里常遇到层状的结构，因而它的力学性质常常是各向异性的。此外，岩石材料通常包含有孔隙孔隙中可能充满孔隙流体岩石材料通常包含有孔隙孔隙中可能充满孔隙流体( (气，水，气，水，)，因此岩，因此岩石是由固体骨架和孔隙流体组成的两相体，孔隙流体和孔隙压力对岩石的变石是由固体骨架和孔隙流体组成的两相体，孔隙流体和孔隙压力对岩石的变形特征有很大的影响。形特征有很大的影响。 具体到岩石材料，由于它的结构和所处的环境条件与其他材料不同因此，在具体到岩石材料，由于它的结构和所处的环境条件与其他材料不同因此，在

39、研究岩石的本构关系时，有三个方面的问题值得特别注意：研究岩石的本构关系时，有三个方面的问题值得特别注意：2021-11-8地球物理与石油资源学院435.2 5.2 岩石的本构关系岩石的本构关系5.2.1 5.2.1 基本概念基本概念图图5-2 5-2 岩石的脆性，延性以及脆性岩石的脆性，延性以及脆性- -延性过渡延性过渡2021-11-8地球物理与石油资源学院445.2 5.2 岩石的本构关系岩石的本构关系5.2.1 5.2.1 基本概念基本概念 表表5-15-1中见到，当某些延性特征出现时，我们称这种温度压力为中见到，当某些延性特征出现时，我们称这种温度压力为BDTBDT的下限。的下限。如果

40、温度压力增高，所有的延性待征都出现时，则称之为如果温度压力增高，所有的延性待征都出现时，则称之为BDTBDT的上限，介于上的上限，介于上下限间的区城，通常叫做碎裂流动下限间的区城，通常叫做碎裂流动(cataclastic flow)(cataclastic flow)，它常常具有脆性破坏，它常常具有脆性破坏的特征的特征, ,也具有延性变形的特征。也具有延性变形的特征。表5-1脆性和延性的比较2021-11-8地球物理与石油资源学院455.2 5.2 岩石的本构关系岩石的本构关系5.2.1 5.2.1 基本概念基本概念 第三，时间的效应，在讨论地震波的传播或工程建筑等应力变化较快的问题第三，时间

41、的效应，在讨论地震波的传播或工程建筑等应力变化较快的问题中，岩石的反应接近于弹性。但当应力作用时间很长，长到用地质年代来衡中，岩石的反应接近于弹性。但当应力作用时间很长，长到用地质年代来衡量时，应力和应变随时间的缓慢变化，即所谓应力松弛和孺变现象，就不能量时，应力和应变随时间的缓慢变化，即所谓应力松弛和孺变现象，就不能忽略了。这种随时间的变化反映了岩石材料的非弹性性质。当深入地球内部忽略了。这种随时间的变化反映了岩石材料的非弹性性质。当深入地球内部时，随着围压和温度的增加，这种性质也会更加突出起来。时，随着围压和温度的增加，这种性质也会更加突出起来。5.2.2 5.2.2 岩石典型的本构关系岩

42、石典型的本构关系2021-11-8地球物理与石油资源学院465.2 5.2 岩石的本构关系岩石的本构关系5.2.2 5.2.2 岩石典型的本构关系岩石典型的本构关系 图图5-3 5-3 岩石典型的单向应力岩石典型的单向应力( (压缩压缩) ) 下应力下应力应变关系应变关系 OAOA段段应力应力应变曲线呈向上的弯曲，表明应变曲线呈向上的弯曲，表明随应力的增加，应变增长速度减慢，仿佛岩随应力的增加，应变增长速度减慢，仿佛岩石随应力增加（作功石随应力增加（作功) )而变硬，所以而变硬，所以OAOA段也段也被称为被称为“作功硬化作功硬化”阶段。从微观机制来看，阶段。从微观机制来看，OAOA段的弯曲是由

43、于天然岩石中存在的许多微段的弯曲是由于天然岩石中存在的许多微裂纹在应力作用下闭合而造成的。裂纹在应力作用下闭合而造成的。 ABAB段段线弹性阶段，线弹性阶段，ABAB斜率斜率( (即岩石的有效杨氏模量即岩石的有效杨氏模量) )由岩石固态物由岩石固态物质的弹性常数和包含的孔隙情况所确定。质的弹性常数和包含的孔隙情况所确定。 BCBC段段应力应力应变曲线又一次偏离直线，这时岩石的非弹性变形开始明显出现，应变曲线又一次偏离直线，这时岩石的非弹性变形开始明显出现，非弹性体积应变增加，即出现岩石的膨胀非弹性体积应变增加，即出现岩石的膨胀(dilatancy)(dilatancy)现象。随应力增加，应变现

44、象。随应力增加，应变增长速率亦加快，仿佛岩石变软了似的，所以增长速率亦加快，仿佛岩石变软了似的，所以BCBC段也称为应变段也称为应变”软化价段软化价段”。2021-11-8地球物理与石油资源学院475.2 5.2 岩石的本构关系岩石的本构关系5.2.2 5.2.2 岩石典型的本构关系岩石典型的本构关系 图图5-3 5-3 岩石典型的单向应力岩石典型的单向应力( (压缩压缩) ) 下应力下应力应变关系应变关系 OAOA，ABAB，BCBC三个阶段中包含的研究课题有：三个阶段中包含的研究课题有：岩石在流体静水压下性质的变化，孔隙弹性岩石在流体静水压下性质的变化，孔隙弹性力学以及在差应力作用下岩石的

45、膨胀现象等力学以及在差应力作用下岩石的膨胀现象等 C C点点- -表示岩石在一定条件下所能承受的最大表示岩石在一定条件下所能承受的最大裁符，它是应力裁符，它是应力- -应变曲线的极大值，对应变曲线的极大值，对应的峰值应力叫做岩石的强度或破坏压力，应的峰值应力叫做岩石的强度或破坏压力，一旦岩石受力达到了其强度，岩石就会发生一旦岩石受力达到了其强度，岩石就会发生宏观的破坏因此应力宏观的破坏因此应力应变曲线可以由应变曲线可以由C C点分成两部分，点分成两部分，C C点以前叫做破坏前区域点以前叫做破坏前区域( (也也叫做峰值应力以前区域叫做峰值应力以前区域) )C C点后叫做破坏后点后叫做破坏后区域区域( (也叫做降值应力以后区域也叫做降值应力以后区域) ) CD段主要研究的问题是：岩石破坏的稳定性问题，岩样变形的局部化问题等。段主要研究的问题是：岩石破坏的稳定性问题，岩样变形的局部化问题等。DEDE段段岩石的宏观破裂已经完成，断裂面已经形成。岩石的宏观破裂已经完成，断裂面已经形成。2021-11-8地球物理与石油资源学院485.3 5.3 岩石的蠕变岩石的蠕变 蠕变是岩石的一种与时间有关的特性：在长时间应力作用下，岩石永久变形不蠕变是岩石的一种与时间有关的特性：在长时间应力作用下，岩石永久变形不断增长