岩石及其工程力学性质55清楚明了

1岩石及其工程力学性质1.1岩石的组成与分类1.2岩石的结构与构造1.3岩石的工程力学性质21.1岩石的组成与分类一、岩石的物质成分

岩石一种或多种造岩矿物颗粒的集合体。颗粒之间或者由直接接触面上的联系力联结，或者由外来的胶结物胶结。

由单一矿物组成的岩石称为单矿物岩石，如石灰岩、白云岩、硬石膏等；由数种矿物组成的岩石称为多矿物岩石。1.岩石

31.1岩石的组成与分类一、岩石的物质成分2.造岩矿物

矿物:地壳中的化学元素（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁）在各种地质作用下形成的自然产物（单体和化合物）。具有固定的化学成分和确定的物理性质，多为晶体结构。造岩矿物：构成岩石主要成分的矿物，称为造岩矿物。目前人类已发现的矿物有3000多种，但造岩矿物种类却少，仅有20~30种，常见的造岩矿物只有10余种。

莫氏硬度标：滑石(1)、石膏(2)、方解石(3)、萤石(4)、磷灰石(5)、长石(6)、石英(7)、黄玉(8)、刚玉(9)、金刚石(10)还可用指甲(2~2.5)、铜钥匙(3)、小钢刀(5.5)、玻璃(6)等常见物刻划矿物的大致硬度等级。4分

类

名称化学成分密度莫氏硬度硅酸盐类

正长石KAlSi3O82.576斜长石NaAlSi3O82.626石英SiO22.657白云母KAl3SiO10(OH)22.7~3.12~2.5黑云母K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)22.8~3.22.5~3角闪石Ca2(Mg,Fe,Al)5(AlSi)8O22(OH)23.25~6辉石Ca(Mg,Fe,Al)(Al,Si)2O63.2~3.45~6橄榄石(Mg,Fe)2SiO43.2~4.16.5碳酸盐类

方解石CaCO32.723.0白云石CaMg(CO3)22.853.5~4硫酸盐类

石膏CaSO4·2H2O2.322硬石膏CaSO42.93~3.5氧化物

赤铁矿Fe2O35.186粘土类高岭土Al4(Si4O10)(OH)82.652~2.5其它岩盐NaCl2.162.5主要造岩矿物一览表1.1岩石的组成与分类5正长石斜长石白云母黑云母角闪母方解石白云石硬石膏赤铁矿橄榄石辉石主要造岩矿物标本1.1岩石的组成与分类61.火成岩（岩浆岩）

由岩浆（硅酸盐熔体）冷凝而成的岩石。其主要矿物成分是长石、其次是石英、辉石、橄榄石和云母。

二、岩石分类岩石按成因可分为火成岩、变质岩和沉积岩三大类。按岩浆活动方式分侵入岩喷出岩（火山岩）:玄武岩、安山岩、凝灰岩深成岩：花岗岩浅成岩：橄榄岩、辉长岩、花岗班岩根据SiO2含量分超基性岩，SiO2含量<45%，橄榄岩基性岩，SiO2含量45~52%，玄武岩、辉绿岩中性岩，SiO2含量52~65%，安山岩、闪长岩酸性岩，SiO2含量>65%，花岗斑岩，花岗岩1.1岩石的组成与分类7二、岩石分类1.火成岩

安山岩花岗岩橄榄岩玄武岩正长岩凝灰岩1.1岩石的组成与分类8二、岩石分类2.变质岩

火成岩、沉积岩由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。

常见变质岩类型：

大理岩：由石灰岩或白云岩经重结晶变质而成，主要矿物成分为方解石，遇稀盐酸强烈起泡。

石英岩：由较纯的石英砂岩变质而成，主要矿物成分石英。

板岩：由粘土岩、粉砂岩或凝灰岩经区域低温动力变质作用形成的板状劈理发育的变质岩。

片麻岩：由酸性或中性喷出岩、浅成岩、长石砂岩、泥质岩经区域变质作用形成的具明显片麻状构造的变质岩。主要矿物成分由石英、长石、云母、角闪石等。

1.1岩石的组成与分类9二、岩石分类2.变质岩

1.1岩石的组成与分类大理岩石英岩板岩片麻岩10二、岩石分类3.沉积岩

母岩风化后产物经过搬运、沉积及成岩作用而形成的岩石。主要造岩矿物为：长石、石英、云母、粘土矿物、碳酸盐、硫酸盐和岩盐矿物。按成因分碎屑岩：由母岩风化后的碎屑物质经机械沉积作用形成。由碎屑颗粒与胶结物胶结而成。包括砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩等。

化学岩:由母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用形成。包括石灰岩、白云岩、石膏、岩盐和生物化学岩等。1.1岩石的组成与分类11二、岩石分分类3.沉积岩（1）砾岩及角砾砾岩由50％以上大于2mm的粗大碎屑胶胶结而成，胶胶结物的成分分有钙质、泥泥质、铁质及及硅质等。砾岩：由浑圆状砾石石胶结而成，，岩性成分比比较复杂，常常由多种岩石石的碎屑和矿矿物颗粒组成成。角砾岩：由棱角状的角角砾胶结而成成，岩性成分分比较单一，，主要成分为为石英和燧石石。渤海湾馆陶底砾岩1.1岩石的组成与与分类12二、岩石分分类3.沉积岩（2）砂岩由50％以上粒径介介于2～0.1mm的砂粒胶结而而成。按砂粒粒的矿物组成成，可分为石英砂岩、长石砂岩和岩屑砂岩等。按砂粒粒粒径的大小，，可分为粗砂岩、中砂岩和细砂岩。根据胶结物物的成分。又又可将砂岩分分为硅质砂岩、铁质砂岩、钙质砂岩及泥质砂岩几个亚类。1.1岩石的组成与与分类13二、岩石分分类3.沉积岩（3）粉砂岩主要由50%以上的粒径为为0.1～0.01毫米的粉砂碎碎屑组成。按按碎屑成分划划分为石英粉砂岩、长石粉砂岩、岩屑粉砂岩（少见）和它它们间的过渡渡类型。根据据胶结物成分分划分为泥质粉砂岩、铁质粉砂岩、钙质粉砂岩和白云质粉砂岩岩等。1.1岩石的组成与与分类14二、岩石分分类3.沉积岩（4）页岩由粘土脱水胶胶结而成，以以粘土矿物为为主，大部分分有明显的薄薄层理，呈页页片状。可分分为硅质页岩、粘土质页岩、砂质页岩、钙质页岩及炭质页岩。除硅质页岩岩强度稍高外外，其余岩性性软弱，易风风化成碎片，，强度低，与与水作用易于于软化而丧失失稳定性。1.1岩石的组成与与分类15二、岩石分分类3.沉积岩（5）泥岩一种由泥巴及及粘土固化而而成的沉积岩岩，其成分和和页岩相似，，但页理不明明显。可分为为粉砂质泥岩，钙质泥岩、硅质泥岩、铁质泥岩、炭质泥岩。颗粒粒径径小于0.01mm.1.1岩石的组成与与分类163.沉积岩（6）石灰岩二、岩石分分类简称灰岩。矿矿物成分以方方解石为主，，其次含有少少量的白云石石和粘土矿物物。常呈深灰灰、浅灰色，，纯质灰岩呈呈白色。结晶晶结构，晶粒粒极细。由生生物化学作用用生成的灰岩岩，常含有丰丰富的有机物物残骸。石灰灰岩中一般都都含有一些白白云石和粘土土矿物，当粘粘土矿物含量量达25％～50％时，称为泥灰岩；白云石含量量达25％～50％时，称为白云质灰岩。1.1岩石的组成与与分类173.沉积岩（7）白云岩二、岩石分分类是一种沉积碳碳酸盐岩。主主要由白云石石组成，常混混入石英、长长石、方解石石和粘土矿物物。呈灰白色色，性脆，外外貌与石灰岩岩很相似，但强度比石灰灰岩高，遇稀盐酸缓慢慢起泡或不起起泡。按结构可分为为结晶白云岩、残余异化粒子子白云岩、碎屑白云岩、微晶白云岩等。1.1岩石的组成与与分类18第1讲岩石及其其工程力学性性质1.1岩石的组成与与分类1.2岩石的结构与与构造1.3岩石的工程力力学性质19一、岩石的结构1.2岩石的结构与与构造岩石的结构是是由组成岩石石的矿物结晶晶程度、颗粒粒大小及形状状、连结方式式和微结构面面所决定的微微观组织特征征。结构对岩石工工程力学性质质的影响：1）颗粒愈细，，岩石强度及及硬度愈高；；2）颗粒间连结结强度愈大，，岩石强度及及硬度愈高；；3）微结构面愈愈发育，岩石石强度愈低。。201.2岩石的结构与与构造一、岩石的结构1.岩石颗粒间的的连结方式根据颗粒间的的连结方式不不同，可将岩岩石分为结晶晶结构和胶结结结构。（1）结晶结构

颗粒通过结晶相互嵌合在一起，结构致密。按结晶程度分按晶粒大小分全晶质结构半晶质结构玻璃质结构粗晶结构（>1mm）中晶结构（1~0.1mm）隐晶结构（0.1~0.01mm）微晶结构（0.01~0.02mm）21（2）胶结结构岩石颗粒通过过胶结物胶结结在一起。按胶结物成分分泥质胶胶结钙质胶胶结铁质胶胶结硅质胶胶结按胶结结形式式分基底胶胶结孔隙胶胶结接触胶胶结胶结强强度：：硅质质>铁质>钙质>泥质1.2岩石的的结构构与构构造一、岩石的的结构构1.岩石颗颗粒间间的连连结方方式22微结构构面（（或缺缺陷）），是是指存存在于于岩石石中矿矿物颗颗粒内内部、、矿物物颗粒粒及矿矿物颗颗粒集集合体体之间间微小小的弱弱面及及空隙隙。包包括矿矿物的的解理理、晶晶格缺缺陷、、晶粒粒边界界、粒粒间空空隙、、微裂裂纹等等。岩石为为微结构构面发发育的的多孔孔介质质。微微结构构面对对岩石石力学学性质质有着着重要要的影影响：：①大大大降降低岩岩石的的强度度②微微结构构面具具有方方向性性时，，常导导致岩岩石的的各向向异性性。1.2岩石的的结构构与构构造一、岩石的的结构构2.微结构构面（（缺陷陷）23岩石的的构造造是由由岩石石组分分在空空间上上的分分布方方式及及相互互间的的位置置关系系所决决定的的宏观观组织织特征征。典典型的的构造造特征征有：：流纹纹构造造、层层理、、片理理、节节理和和孔隙隙度等等。1.2岩石的的结构构与构构造二、岩石的的构造造构造对对岩石石工程程力学学性质质的影影响：：1）流纹构构造、、层理理和片片理等等常造造成岩岩石的的各向向异性性；2）岩石石孔隙隙度愈愈大，，其强强度和和硬度度愈低低；241.火成岩岩的构构造特特征块状构构造：：矿物分分布杂杂乱无无章，，呈致致密块块状。。如花花岗岩岩等。。流纹状状构造造：由于熔熔岩流流动，，由一一些不不同颜颜色条条纹和和拉长长气孔孔等定定向排列列所形形成的的流动动状构构造。。仅出出现于于喷出出岩中中，如如流纹岩岩等。。气孔状状构造造：岩浆凝凝固时时，挥挥发性性气体体未能能及时时逸出出，在在岩石石中留留下许多多圆形形、椭椭圆形形或长长管形形的孔孔洞。。杏仁状状构造造：岩石中中的气气孔被被后期期矿物物（如如石英英、方方解石石等））填充充所形成的形形似杏仁的的构造。如如某些玄武武岩和安山山岩。条带状构造造：矿物颗粒呈呈条带状分分布。1.2岩石的结构构与构造二、岩石的构造造251.火成岩的构构造特征1.2岩石的结构构与构造二、岩石的构造造26片理发育是是变质岩的的典型构造造特征片麻岩片岩板岩2.变质岩的构构造特征1.2岩石的结构构与构造二、岩石的构造造27层理和孔隙隙度是沉积积岩的典型型构造特征征。层与层之间间的界面，，称为层面。上下两个个层面间成成分基本均均匀一致的的岩石，称称为岩层。它是层理理最大的组组成单位。。一个岩层层上下层面面之间的垂垂直距离称称为岩层的的厚度。在短距离内内岩层厚度度的减小称称为变薄；；厚度变薄薄以至消失失称为尖灭；两端尖灭灭就成为透镜体；大厚度岩岩层中所夹夹的薄层，，称为夹层。3.沉积岩的构构造特征1.2岩石的结构构与构造二、岩石的构造造28第1讲岩石及及其工程力力学性质1.1岩石的组成成与分类1.2岩石的结构构与构造1.3岩石的工程程力学性质质291.简单应力条条件下岩石石的变形特特性一、岩石的力学学性质1.3岩石的工程程力学性质质YPo典型岩石的的应力应变变曲线岩石从从开始始受力力到最最终破破坏经经历了了弹性性变形形阶段段（OY段）、、弹塑塑性变变形阶阶段（（YP段）和和脆性性破坏坏阶段段（P点以后后）。。在弹性性变形形区(OY段)，应力力只引引起岩岩石中中孔隙隙、微微裂纹纹的压压密和和骨架架的压压缩变变形，，应力力卸除除后全全部变变形得得以恢恢复。。弹性性应变变的量量级很很小，，一般般在0.005以下下。。OY段的的斜斜率率是是常常数数或或接接近近常常数数，，其其斜斜率率定定义义为为岩岩石石的的杨杨氏氏弹弹性性模模量量，，应应力力应应变变关关系系服服从从虎虎克克定定律律。。301.3岩石石的的工工程程力力学学性性质质1.简单单应应力力条条件件下下岩岩石石的的变变形形特特性性在弹弹塑塑性性变变形形阶阶段段(YP)。岩岩石石内内部部产产生生新新裂裂纹纹并并不不断断扩扩展展，，当当细细小小裂裂纹纹越越来来越越多多并并互互相相连连通通，，最最终终形形成成较较大大的的贯贯穿穿裂裂缝缝时时，，即即将将达达到到岩岩石石的的强强度度极极限限。在YP段，，岩岩石石的的变变形形是是不不可可逆逆的的，，应应力力卸卸除除后后变变形形得得不不到到完完全全恢恢复复。。从从弹弹性性到到发发生生塑塑性性行行为为的的过过渡渡点点Y，通通常常称称为为屈屈服服点点，，相相应应的的应应力力称称为为屈屈服服应应力力。。峰峰值值点点P的应应力力值值称称为为强强度度极极限限，，简简称称强强度度。。在脆脆性性破破坏坏阶阶段段(P点以以后后)，岩岩石石的的变变形形主主要要是是贯贯穿穿岩岩样样内内裂裂缝缝（（破破裂裂面面））两两侧侧的的岩岩块块沿沿破破裂裂面面滑滑移移和和张张开开，，应应力力迅迅速速下下降降，，岩岩石石解解体体。。一、、岩石石的的力力学学性性质质311.3岩石石的的工工程程力力学学性性质质1.简单单应应力力条条件件下下岩岩石石的的变变形形特特性性一般般规规律律：：1）当当岩岩石石受受力力很很小小因因而而变变形形很很小小时时，，可可以以看看作作是是弹弹性性体体，，基基本本服服从虎虎克克定定律律。。常常用用杨杨氏氏弹弹性性模模量量E、泊泊松松比比μ、剪剪切切弹弹性性模模量量G和体体积积弹弹性性系系数数K等参参数数来来表表征征岩岩石石的的弹弹性性性性质质。。2）当当岩岩石石中中的的应应力力超超过过其其屈屈服服应应力力后后，，岩岩石石成成为为弹弹塑塑性性体体，，其其应应力应应变变关关系系呈呈非非线线性性，，不不再再服服从从虎虎克克定定律律。。3）在在简简单单应应力力条条件件下下，，岩岩石石的的破破坏坏为为脆脆性性破破坏坏，，即即在在变变形形量量很很小小（小小于于3%）时就发发生破裂裂。一、岩石的力力学性质质321.3岩石的工工程力学学性质2.三轴应力力条件下下岩石的的变形特特性σ3=0σ3=23.5σ3=500σ3=850σ3=1650σ3=3260XXXXσ3=0σ3=27.5σ3=55.5σ3=155σ3=217.5σ1-σ3，MPaσ1-σ3，MPa三轴应力条件下岩石的应力应变曲线随着围压压的增大大，岩石石表现出出由脆性性到塑性性的转变变，并且且围压越越大，岩岩石破坏坏前所呈呈现的塑塑性也就就越大。。岩石由由脆性转转变为塑塑性的围围压，称称为“脆脆-塑转化临临界围压压”。一、岩石的力力学性质质33（1）抗压强强度>抗剪强度度>抗弯强度度>抗拉强度度（2）随着围围压的增增加，岩岩石强度度增大。。1.3岩石的工工程力学学性质3.岩石的强强度特性性典型岩石抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度花岗岩砂岩石灰岩1110.090.1~0.120.150.030.06~0.20.06~0.10.02~0.040.02~0.050.04~0.1岩石抗压压强度与与其它强强度的比比值一、岩石的力力学性质质34岩石可钻钻性是指指岩石被被钻碎的的难易程程度，表表征岩石石抵抗钻钻进的能能力。1.3岩石的工工程力学学性质二、岩石可钻钻性1.概念岩石可钻钻性在钻钻井工程程中的应应用（1）破岩工工具设计计（2）钻井破破岩方法法和钻头头类型优优选（3）钻速度度和周期期预测（4）钻井生生产定额额编制35关于岩石石可钻性性的两种种种观点点：观点1：岩石可可钻性是是岩石的的固有属属性，是是岩石的的坚固性性在钻孔方面面的表现现。该观观点认为为，难破破碎的岩岩石用各各种方法都难难破碎，，可以用用一个统统一的指指标表征征岩石在在各种破碎条条件下的的抗破碎碎能力，，不受钻钻井破岩岩方式和和技术条件等等因素的的限制。。观点2：岩石可可钻性不不仅取决决于岩石石的物理理力学性性质，而而且还与钻井破破岩方法法、钻进进技术条条件等因因素有关关。钻进进破岩方式不不同，岩岩石破碎碎难以程程度也就就不同。。“确定可钻钻性的唯一一方法是是在岩石石中实际际钻进”。1.3岩石的工工程力学学性质2.评价方法法二、岩石可钻钻性36力学性质质法利用岩石石力学性性质(强度、硬硬度等)评价岩石石可钻性性。比功法用破碎单单位体积积岩石所所消耗的的能量评评价岩石石可钻性性。微钻法用微型钻钻头在微微钻实验验台上模模拟钻进进测定岩岩石可钻钻性。实钻法用现场一一定技术术条件下下的实际际钻进速速度表示示岩石可可钻性。。1.3岩石的工工程力学学性质1.3岩石的工工程力学学性质2.评价方法法二、岩石可钻钻性37（1）岩石力力学性质质法实验装置置：50~100t材料实验验机实验岩样样：加载速度度：0.5MPa/s（MPa）岩石单轴轴抗压强强度实验验机1.3岩石的工工程力学学性质2.评价方法法①抗压压强度二、岩石可钻钻性38普氏（普普洛托奇奇雅可诺诺夫，1926）坚固性性系数：：抗压强度MPa≥200150~20080~15050~8030~5015~308~156~85~63~5普氏系数2015~<208~<155~<83~<51.5~<30.8~<1.50.6~<0.80.5~<0.60.3~<0.5等级ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩ类别最坚固很坚固坚固较坚固中等较软弱软弱土质岩石松散岩石流砂岩石普氏氏分级（1）岩石力力学性质质法1.3岩石的工工程力学学性质2.评价方法法①抗压压强度二、岩石可钻钻性39

试验岩样样：50×50×50mm；φ40~60×H30~50压头：1~5mm2平底圆柱柱形工具具钢或硬硬质合金金材料局部部抵抗硬硬物压入入其表面面的能力力。（1）岩石力力学性质质法1.3岩石的的工程程力学学性质质2.评价方方法②压压入硬硬度（（史氏氏硬度度）二、岩石可可钻性性40（1）岩石石力学学性质质法1.3岩石的的工程程力学学性质质2.评价方方法②压压入硬硬度（（史氏氏硬度度）二、岩石可可钻性性41类别软中软中硬硬坚硬极硬级别123456789101112硬度MPa<100100~250250~500500~10001000~15001500~20002000~30003000~40004000~50005000~60006000~7000>7000岩石压压入硬硬度分分类表表（1）岩石石力学学性质质法1.3岩石的的工程程力学学性质质2.评价方方法②压压入硬硬度（（史氏氏硬度度）二、岩石可可钻性性42（2）微钻钻法（（尹宏宏锦，，石油油行业业标准准)2.评价方方法1.3岩石的的工程程力学学性质质微钻头实验装置1。岩心；2。微钻头；3。岩屑杯；4。涡轮涡杆5。杠杆；6。砝码；7。钻深表；8。调平丝杠9。岩心座；10。压紧丝杠二、岩石可可钻性性43试验条条件钻压：：890N转速：55rpm钻头直径：：31.75mm钻孔深度：：2.4mm可钻性指标标：钻孔时间T，秒；系统误差修修正公式：：可钻性级值值：（2）微钻法（（尹宏锦，，石油行业业标准)2.评价方法1.3岩石的工程程力学性质质二、岩石可钻性性44级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩ钻时s级值<22~<33~<44~<55~<66~<77~<88~<99~<10≥10名称一级二级三级四级五级六级七级八级九级十级类别极软

软中软中中硬硬极硬油矿地层可可钻性分级级标准（石石油行业标标准）（2）微钻法（（尹宏锦，，石油行业业标准)2.评价方法1.3岩石的工程程力学性质质二、岩石可钻性性45大庆油田：：胜利油田：：中原油田：：河南油田：：长庆油田：：四川油田：：1.3岩石的工程程力学性质质3.岩石可钻性性的预测方方法二、岩石可钻性性（1）区域经验验公式法46①抗压强强度与测井井资料的相相关关系1.3岩石的工程程力学性质质二、岩石可钻性性（2）测井资料料预测法4.岩石可钻性性的预测方方法47②压入硬硬度与测井井资料的相相关关系1.3岩石的工程程力学性质质二、岩石可钻性性（2）测井资料料预测法4.岩石可钻性性的预测方方法4